Leseprobe_FB93

Schultz
Elektronenstrahlschweißen
Grundlagen, Maschinen und
Anwendungen
3., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über htttp://dnb.dnb.de abrufbar.
Fachbuchreihe Schweißtechnik
Band 93
ISBN 978-3-945023-85-3
Alle Rechte vorbehalten.
© DVS Media GmbH, Düsseldorf · 2017
Herstellung: Griebsch und Rochol Druck GmbH, Hamm

Vorwort zur 3. Auflage
In den zurückliegenden anderthalb Jahrzehnten seit Erscheinen der letzten Auflage haben
neue elektronische Steuerungen die wirtschaftlichen Einsatzmöglichkeiten des Elektronenstrahlschweißens
in der Fertigung wesentlich erweitert. Die unverändert große Nachfrage nach einem
Fachbuch über das Verfahren des Elektronenstrahlschweißens, hat mich deshalb mit Freude
veranlasst, eine neue Auflage nach dem heutigen Stand der Technik auszuarbeiten.
Der bewährte Leitgedanke wurde beibehalten, dem Ingenieur in Versuch, Entwicklung und
Fertigung das Elektronenstrahlschweißen detailliert und anschaulich so grundlegend zu erläutern,
dass er nach eigenen Überlegungen in der Schweißpraxis selbständige Lösungen finden und
Entscheidungen treffen kann.
Folgende Abschnitte wurden umfassend überarbeitet bzw. neu aufgenommen:
– statisches und dynamisches Formen und Ablenken des Elektronenstrahles,
– Fokuswobbeln,
– Leistungsdichteverteilung,
– Strahlparameterprodukt,
– elektronenoptische Einblicksysteme,
– automatische Strahljustierungen,
– automatische Fugensuchsysteme,
– geteilter Elektronenstrahl für Mehrbad- und Mehrprozesstechnik,
– Taktmaschinen, Mehrkammer- und Schleusenmaschinen,
– Qualitätssicherung, Keilprobe,
– Kostenrechnung und Wirtschaftlichkeit
– Lohnschweißungen,
– Elektronenstrahl in Fest- und Flüssigphasenprozessen,
– additives Schweißen mit dem Elektronenstrahl.
Ich bedanke mich bei zahlreichen Kollegen, Firmen und Instituten, insbesondere bei den Firmen
pro beam, Steigerwald Strahltechnik und PTR Strahltechnik sowie bei der Technischen Universität
Bergakademie Freiberg, für die Bereitstellung von Bild-, Textmaterial und für viele fachliche
Beratungen.
Weiterhin danke ich dem Verlag, DVS Media GmbH, insbesondere dem Fachbuchlektor Lothar
Knittel, für die vertrauensvolle Zusammenarbeit und Unterstützung bei der Manuskripterstellung
und Beschaffung von Fachliteratur.
Krailling, im Februar 2017
Helmut Schultz

Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur 3. Auflage
Verzeichnis einiger Abkürzungen
1 Einführung .................................................................................................................... 1
1.1 Geschichtlicher Rückblick .............................................................................................. 1
1.2 Die besonderen Merkmale des Elektronenstrahl-Schweißverfahrens ............................ 3
1.3 Andere Strahlschweißverfahren ..................................................................................... 5
2 Das Erzeugen des Elektronenstrahles ......................................................................... 6
2.1 Freie Elektronen ............................................................................................................. 6
2.2 Kathode .......................................................................................................................... 7
2.3 Anode ............................................................................................................................. 9
2.4 Steuerelektrode ................................................................................................................ 9
2.5 Raumladungsbetrieb ..................................................................................................... 12
2.6 Fokuslinse ..................................................................................................................... 14
3 Das Formen und Ablenken des Elektronenstrahles ................................................ 16
3.1 Statisches Formen und Ablenken ................................................................................. 16
3.1.1 Zentrieren ..................................................................................................................... 16
3.1.2 Stigmatisieren ............................................................................................................... 17
3.1.3 Ablenken ...................................................................................................................... 18
3.2 Dynamisches Ablenken ................................................................................................ 19
3.2.1 Allgemeines ................................................................................................................... 19
3.2.2 Pendeln ......................................................................................................................... 21
3.2.3 Vektorisieren ................................................................................................................ 21
3.2.4 Fokuswobbeln .............................................................................................................. 21
4 Elektronenstrahl-Kennwerte ..................................................................................... 23
4.1 Allgemeines ................................................................................................................... 23
4.2 Aperturwinkel und Kaustik .......................................................................................... 23
4.3 Arata-Beam-Test .......................................................................................................... 24
4.4 Leistungsdichteverteilung ............................................................................................. 25
4.5 Strahlparameterprodukt ................................................................................................ 28
5 Eindringen des Elektronenstrahles in Metallwerkstoffe ......................................... 30
5.1 Allgemeines .................................................................................................................. 30
5.2 Vorgänge an der Metalloberfläche ............................................................................... 30
5.3 Tiefschweißeffekt ......................................................................................................... 31
5.4 Folgerungen für den Schweißprozess ........................................................................... 34
6 Schweißparameter und Hinweise für die Schweißpraxis ........................................ 36
6.1 Allgemeines .................................................................................................................. 36
6.2 Beschleunigungsspannung ........................................................................................... 37
6.3 Strahlstrom ................................................................................................................... 38
6.4 Linsenstrom und Fokuslage .......................................................................................... 39
6.5 Schweißgeschwindigkeit .............................................................................................. 41
6.6 Strahlpendeln ................................................................................................................ 42
6.7 Strahlpulsen .................................................................................................................. 44

6.8 Schweißen in Zwangsposition ...................................................................................... 45
6.9 Arbeitsdruck ................................................................................................................. 46
6.9.1 Schweißen im Vakuum ................................................................................................ 46
6.9.2 Schweißen in Atmosphäre ............................................................................................ 47
6.10 Parameteroptimierung .................................................................................................. 48
7 Strahl- und Maschinensteuerungen .......................................................................... 53
7.1 Allgemeines .................................................................................................................. 53
7.2 Licht- und elektronenoptische Einblicksysteme ........................................................... 53
7.3 Automatische Strahljustierungen .................................................................................. 54
7.3.1 Automatisches Zentrieren ............................................................................................. 55
7.3.2 Automatisches Stigmatisieren ...................................................................................... 55
7.3.3 Automatisches Fokussieren ........................................................................................... 56
7.4 Automatische Fugensuchsysteme ................................................................................. 57
7.4.1 Allgemeines .................................................................................................................. 57
7.4.2 Teach-in- und Play-back-Verfahren ............................................................................. 59
7.4.3 Schleppfehlerkompensation ......................................................................................... 59
7.4.4 Schweißen mit Offline- und Online-Fugensuche ......................................................... 60
7.5 Schweißen mit geteiltem Elektronenstrahl ................................................................... 61
7.6 Heizstromsteuerung ...................................................................................................... 62
7.7 Strahlstromsteuerung .................................................................................................... 63
7.8 Slope-Steuerungen ........................................................................................................ 63
7.9 Pumpensteuerung ......................................................................................................... 66
7.10 Gesamtsteuerungssysteme ............................................................................................ 66
7.10.1 Allgemeines .................................................................................................................. 66
7.10.2 SPS-Steuerungen .......................................................................................................... 66
7.10.3 CNC-Steuerungen ........................................................................................................ 68
8 Schweißeignung metallischer Werkstoffe ................................................................. 70
8.1 Allgemeines .................................................................................................................. 70
8.2 Verfahrensbedingte Einflüsse ....................................................................................... 70
8.2.1 Schmelz- und Dampfphase ........................................................................................... 70
8.2.2 Erstarrungsphase .......................................................................................................... 70
8.2.3 Einfluss des Vakuums .................................................................................................. 72
8.2.4 Wärmeeinflusszonen .................................................................................................... 73
8.2.5 Schweißeigenspannungen ............................................................................................. 74
8.3 Werkstoffbedingte Einflüsse ........................................................................................ 76
8.3.1 Stahl- und Eisenwerkstoffe ........................................................................................... 76
8.3.2 Aluminium- und Magnesiumwerkstoffe ....................................................................... 83
8.3.3 Kupferwerkstoffe .......................................................................................................... 86
8.3.4 Nickel- und Kobaltwerkstoffe ...................................................................................... 86
8.3.5 Titanwerkstoffe ............................................................................................................ 86
8.3.6 Sondermetalle ............................................................................................................... 87
8.3.7 Metallkombinationen .................................................................................................... 88
8.3.8 Werkstoffbedingte Strahlablenkungen ......................................................................... 92
8.4 Festigkeits- und Korrosionseigenschaften .................................................................... 93
8.5 Schweißeignung – Einteilung und zusammenfassender Überblick .............................. 94
8.5.1 Einteilung der Schweißeignung .................................................................................... 94
8.5.2 Schweißeignungen verschiedener Metalle ................................................................... 94

9 Vorbereitung der Werkstücke ................................................................................... 96
9.1 Allgemeines .................................................................................................................. 96
9.2 Nahtgrundformen .......................................................................................................... 98
9.2.1 I-Nähte .......................................................................................................................... 98
9.2.2 Kehlnähte, T-Stöße und sonstige Nahtformen ............................................................ 101
9.2.3 Besonderheiten von Rundnähten ................................................................................ 104
9.3 Unterschiedliche Werkstückdicken ............................................................................ 107
9.4 Stirnflächenbearbeitung .............................................................................................. 108
9.5 Nahtkontroll-Linien .................................................................................................... 108
9.6 Nahtanfang und -ende ................................................................................................ 109
9.7 Entlüftungsöffnungen ................................................................................................. 110
9.8 Schweißen schwer zugänglicher Nähte ...................................................................... 110
9.9 Werkstück- und Nahtfugenreinigung ......................................................................... 111
9.10 Schweißvorrichtungen ................................................................................................ 113
9.11 Maße für Arbeitskammer, Werkstück- und Strahlgeneratorbewegung ...................... 114
10 Schweißmaschinen und Einrichtungen .................................................................. 116
10.1 Maschinengrundaufbau .............................................................................................. 116
10.2 Hochspannungsversorgung ......................................................................................... 118
10.3 Strahlgenerator ........................................................................................................... 119
10.4 Arbeitskammer ........................................................................................................... 121
10.5 Bewegungseinrichtungen ........................................................................................... 122
10.6 Vakuumeinrichtungen ................................................................................................ 125
10.6.1 Allgemeines ................................................................................................................ 125
10.6.2 Physikalische Grundlagen .......................................................................................... 126
10.6.3 Pumpen ....................................................................................................................... 127
10.6.4 Messgeräte .................................................................................................................. 134
10.6.5 Aufbau und Arbeitsweise von Vakuumanlagen ......................................................... 134
10.6.6 Evakuierungszeiten .................................................................................................... 137
10.7 Beispiele weiterer Schweißmaschinen ....................................................................... 137
10.7.1 Taktmaschinen ............................................................................................................ 137
10.7.2 Mehrkammer-Schweißmaschinen .............................................................................. 139
10.7.3 Durchlaufmaschinen ................................................................................................... 142
10.7.4 Atmosphäre-Schweißmaschinen ................................................................................ 143
10.8 Aufstellen von Schweißmaschinen ............................................................................. 144
10.8.1 Allgemeines ................................................................................................................ 144
10.8.2 Sonstige Maßnahmen zum Arbeits- und Gesundheitsschutz ...................................... 144
11 Fertigungsbeispiele geschweißter Bauteile ............................................................. 145
11.1 Luft- und Raumfahrt ................................................................................................... 145
11.2 Fahrzeug- und Getriebebau ........................................................................................ 150
11.3 Schienentechnik .......................................................................................................... 153
11.4 Apparatebau ............................................................................................................... 155
11.5 Elektrotechnik ............................................................................................................ 159
12 Prüfen von Schweißnähten ...................................................................................... 160
12.1 Allgemeines ................................................................................................................ 160
12.2 Zerstörungsfreie Prüfverfahren ................................................................................... 160
12.2.1 Sichtprüfung ............................................................................................................... 160
12.2.2 Durchstrahlungsprüfung ............................................................................................. 160
12.2.3 Ultraschallprüfung ...................................................................................................... 160

12.2.4 Eindringprüfung ......................................................................................................... 161
12.2.5 Magnetpulverprüfung ................................................................................................. 161
12.2.6 Wirbelstromprüfung ................................................................................................... 161
12.3 Zerstörende Prüfverfahren .......................................................................................... 161
12.3.1 Zugprüfungen ............................................................................................................. 161
12.3.2 Biegeprüfungen .......................................................................................................... 162
12.3.3 Kerbschlagbiegeversuch ............................................................................................. 162
12.3.4 Metallographische Prüfungen ..................................................................................... 163
12.3.5 Härteprüfungen ........................................................................................................... 163
13 Bewerten von Schweißnaht-Unregelmäßigkeiten .................................................. 164
13.1 Allgemeines ................................................................................................................ 164
13.2 Bewertungsgruppen .................................................................................................... 164
13.3 Poren, Lunker und Risse ............................................................................................. 165
13.4 Bindefehler und unvollständige Durchschweißung .................................................... 166
13.5 Randkerben und Kantenversatz .................................................................................. 167
13.6 Unregelmäßigkeiten der Nahtraupen .......................................................................... 168
13.7 Kehlnähte ................................................................................................................... 168
13.8 Schweißspritzer und Metalldampfsublimat ................................................................ 169
14 Prüfen der Schweißmaschine .................................................................................. 170
14.1 Allgemeines ................................................................................................................ 170
14.2 Prüfen des Schutzes gegen Röntgenstrahlen .............................................................. 173
14.3 Messen der elektrischen und mechanischen Parameterkennwerte ............................. 174
14.3.1 Beschleunigungsspannung ......................................................................................... 174
14.3.2 Strahlstrom ................................................................................................................. 175
14.3.3 Linsenstrom ................................................................................................................ 176
14.3.4 Schweißgeschwindigkeit ............................................................................................ 176
14.4 Messen der maschinentechnischen Kennwerte .......................................................... 177
14.4.1 Führungsgenauigkeit .................................................................................................. 177
14.4.2 Flecklagekonstanz ...................................................................................................... 178
14.4.3 Arbeitsdruck-Anstiegsrate .......................................................................................... 179
14.5 Keilprobe .................................................................................................................... 179
15 Prüfen des Bedien- und Einrichtpersonals ............................................................. 181
15.1 Allgemeines ................................................................................................................ 181
15.2 Prüfverfahren .............................................................................................................. 181
15.3 Prüfbescheinigung ...................................................................................................... 182
16 Schweißanweisung .................................................................................................... 184
17 Verfahrensprüfung ................................................................................................... 186
17.1 Allgemeines ................................................................................................................ 186
17.2 Qualifizierung der Schweißanweisung ....................................................................... 187
17.3 Prüfungen ................................................................................................................... 187
17.4 Geltungsbereich und Gültigkeitsdauer ....................................................................... 188
18 Qualitätssicherung .................................................................................................... 190
18.1 Allgemeines ................................................................................................................ 190
18.2 Einflussgrößen ............................................................................................................ 190
18.3 Regel-, Steuer- und Überwachungssysteme ............................................................... 191
18.4 Dokumentation ........................................................................................................... 192

19 Kostenrechnung und Wirtschaftlichkeit ................................................................ 194
19.1 Allgemeines ................................................................................................................ 194
19.2 Kosteneinsparungen vor und nach dem Schweißen ................................................... 194
19.3 Kostenarten ................................................................................................................. 195
19.3.1 Berechnung des Maschinenstundensatzes .................................................................. 196
19.3.2 Berechnung des Fertigungskostensatzes ..................................................................... 197
19.4 Automatisierung ......................................................................................................... 197
19.5 Lohnschweißungen ..................................................................................................... 198
20 Weitere thermische Elektronenstrahlverfahren zur Metallbearbeitung ............. 200
20.1 Allgemeines ................................................................................................................ 200
20.2 Abtragende Verfahren ................................................................................................ 200
20.2.1 Elektronenstrahlbohren ............................................................................................... 200
20.2.2 Elektronenstrahlgravieren und -profilieren ................................................................. 203
20.3 Elektronenstrahl-Randschichtbehandlungen .............................................................. 204
20.3.1 Festphasenprozesse .................................................................................................... 204
20.3.2 Flüssigphasenprozesse ................................................................................................ 207
20.4 Additive Bearbeitungsverfahren ................................................................................. 209
20.4.1 Allgemeines ................................................................................................................ 209
20.4.2 Form des Ausgangswerkstoffes – Pulver ................................................................... 210
20.4.3 Form des Ausgangswerkstoffes – Draht ..................................................................... 211
21 Normen und Regeln zum Elektronenstrahlschweißen (Auswahl) ........................ 213
22 Schrifttum ................................................................................................................. 216
23 Stichwortverzeichnis ................................................................................................ 224
24 Bildnachweis ............................................................................................................. 228

Verzeichnis einiger Abkürzungen
* Divergenzwinkel (Vollwinkel) rd oder °
β Strahlablenkwinkel rd oder °
a Kehlnahtdicke mm
A W ** Arbeitsabstand mm
A F ** Fokusabstand mm
b*** Nahtbreite, nominelle mm
b P Pendelbreite mm
b S Spaltbreite mm
d*** maximales Maß einer Unregelmäßigkeit (Pore, Lunker) mm
d FL Strahlfleckdurchmesser mm
d Fo Strahlfokusdurchmesser mm
e Kantenversatz mm
F Kraft N
f*** Poren- bzw. Lunkerquerschnittsfläche, maximale mm 2
f Pendelfrequenz Hz
h Nahthöhe mm
h*** Größe einer Unregelmäßigkeit (Höhe, Tiefe) mm
I B ** Strahlstrom mA
I BD Dauerstrahlstrom mA
I BP Impulsstrahlstrom mA
I d Ablenkstrom mA
I D Durchtrittsstrom mA
I H Heizstrom A
I L ** Linsenstrom mA
j e Emissionsstromdichte A · cm –2
j eT temperaturabhängige Stromdichte A · cm –2
l*** Länge einer Unregelmäßigkeit (gemessen in jeder Richtung) mm
l Zentrierlippenlänge mm
L Leistungsdichte im Elektronenstrahl W · cm –2
P Strahlleistung kW
p A Arbeitsdruck, Druck in der Arbeitskammer mbar
p E Druck im Strahlerzeugerraum mbar
Q** Leckrate mbar · dm 3 · s –1
s*** Schmelzzonentiefe mm
s 1 *** Schmelzzonentiefe am T-Stoß mm
Slr Slew rate mA · t –1
t*** Werkstückdicke mm
t Nahtdicke, für die Festigkeit maßgebende mm
t Zeit s
t V Tastverhältnis –
U A ** Beschleunigungsspannung kV
U St Steuerspannung (Wehneltspannung) kV
v** Schweißgeschwindigkeit mm ·s –1 , cm · min –1
V Arbeitskammervolumen m 3 , dm 3
z Zentrierlippendicke mm
* = nach DIN 32533, ** = nach DIN EN ISO 14744, *** = nach DIN EN ISO 13919

1 Einführung
1.1 Geschichtlicher Rückblick
Der Mensch unserer Zeit nimmt die technischen Errungenschaften, die ihm das Leben erleichtern,
als etwas Selbstverständliches hin und übersieht leicht, dass so gut wie alles mühsam von vielen
genialen Vorfahren erst erdacht, entwickelt und erprobt werden musste. Eine Elektronenstrahl-
Schweißmaschine zählt man zwar nicht zu den Dingen unseres täglichen Lebens, aber es werden
mit ihr Produkte hergestellt, die in vielfacher Weise zu unserem heutigen hohen Lebensstandard
beitragen. Doch was für ein langer Weg war es von den ersten tastenden Versuchen der britischen
Physiker Hittorf und Crookes in den Jahren 1871/1872, Kathodenstrahlen in Gasen zu erzeugen
und Metalle zu schmelzen, bis zu den heute rechnergesteuerten Fertigungsmaschinen, beispielsweise
in der Luft- und Raumfahrtindustrie [1-1].
Zunächst waren diese Kathodenstrahlen eine interessante physikalische Erscheinung, die zur Entdeckung
einer besonderen Strahlung durch Wilhelm Röntgen führten (1895) und von Thompson
(1897) und Milikan (1905) erstmals als „schnell bewegte Elektronen“ beschrieben wurden. Für
eine Materialbearbeitung waren sie noch ohne Bedeutung. Im Gegenteil: Bei allen Experimenten
der damaligen Zeit betrachtete man die Wärmeentwicklung beim Aufprall der Elektronen auf die
Anode bzw. auf das Target stets als große Behinderung und versuchte, durch Wasserkühlung das
Anschmelzen zu vermeiden [1-2]. Es war die geniale Idee des Marcello von Pirani, sich als erster
diesen Effekt zunutze zu machen, eine Röntgenröhre gewissermaßen in einen Elektronenstrahl-
Vakuum-Ofen zum Schmelzen von Tantalpulver und anderen Metallen umzubauen und sich dies
1905 und 1907 patentieren zu lassen, Bilder 1-1 und 1-2.
Bild 1-1. Ausschnitt aus der Patentschrift
von Marcello von Pirani über „Production
of homogenous bodies from tantalum or
other metals“ vom 26.3.1907.
Bild 1-2. Marcello von Pirani, deutscher Physiker,
1880 bis 1968.
In den folgenden Jahrzehnten beschäftigten sich viele Wissenschaftler mit Elektronenstrahlen.
Langmuir, Child, Richardson, Dushman, Wehnelt und andere erforschten die Gesetzmäßigkeiten
der Strahlerzeugung, während Bush, Rogowski, Flegler, Davisson und Calbrik, um nur einige zu
nennen, die Grundlagen der Elektronenoptik erarbeiteten. Der Elektronenstrahl fand erste
technisch bedeutungsvolle Anwendungen beim Bau von Oszillographen, Mikroskopen und beim
1

Bohren von Metallen durch v. Ardenne (1938) und zusammen mit Rühle (1938) zum Verdampfen
und Schmelzen von Metallen. Für einen größeren industriellen Einsatz fehlte es aber noch an
genügend leistungsfähigen Vakuumpumpen.
Eine neue Epoche der Materialbearbeitung mit Elektronenstrahlen leitete 1949 der deutsche
Physiker K. H. Steigerwald ein, Bild 1-3. Er war zu dieser Zeit mit der Entwicklung leistungsstarker
Elektronenmikroskope beschäftigt und kam dabei auf den Gedanken, den Elektronenstrahl
als thermisches Werkzeug gezielt für das Bohren von Uhrensteinen und Ziehdüsen sowie zum
Löten, Schmelzen und Schweißen im Vakuum einzusetzen, Bild 1-4 [1-3; 1-4].
Bild 1-3. Karl-Heinz Steigerwald, deutscher
Physiker, 1920 bis 2001.
2
Bild 1-4. 1952 von Steigerwald entwickelte
erste Elektronenstrahl-Bohrmaschine.
Die ersten Versuchsergebnisse waren sehr erfolgversprechend und führten zum Abschluss eines
Lizenzvertrages mit einem amerikanischen Interessenten [1-5]. Beim Elektronenstrahlschweißen
dachte man seiner Zeit an eine Wärmeeinbringung wie beim Lichtbogen bzw. bei der Gasflamme
(Wärmeleitungsschweißen) und hielt das Verfahren nur deshalb für vorteilhaft, weil im Vakuum
gasempfindliche Werkstoffe, wie Niob, Tantal oder Titan, unter anderem vor den Reaktionen mit
der Atmosphäre geschützt werden. Der Durchbruch zum industriellen Elektronenstrahlschweißen
erfolgte 1958, als Steigerwald den Versuch unternahm, 5 mm dickes Zircaloy durch eine Stumpfnaht
miteinander zu verbinden [1-6]. Mit schrittweise erhöhtem Strahlstrom entstanden schließlich
Nähte, die unerwartet schmal und dennoch sehr tief waren. Diese Tiefschweißungen erst lösten
weltweit großes Interesse aus. Am raschesten erkannte man die technische Bedeutung des Verfahrens
in den USA. Steigerwald baute nach diesem Erfolg in einer deutschen Firma die ersten
zwei Elektronenstrahl-Schweißmaschinen. Eine wurde in Pittsburg/USA zum Schweißen von
U-Bootteilen installiert, die andere war viele Jahre in Deutschland im Einsatz.
Nach der Entdeckung des Tiefschweißeffektes begann insbesondere in Frankreich und Großbritannien
eine stürmische Entwicklung neuer Maschinen [1-7]. Hatte man sich bisher mit dem
Elektronenstrahl nur im Bereich geringer Schmelztiefen befasst, galt es nun, die Leistungsdichte
und den Strahlstrom zu erhöhen, um noch dickere Werkstücke als bisher zu schweißen. Die Luftund
Raumfahrtindustrie und die Kerntechnik waren die ersten richtungsweisenden Anwendungsbereiche
für das Elektronenstrahlschweißen.

Meilensteine intensiver verfahrens- und gerätetechnischer Weiterentwicklungen waren:
– das Einkoppeln des Hochspannungskabels in den Strahlgenerator ohne Isolationsöl,
– präzises Wechseln des Kathodenheizbandes mit Hilfe einer Klemmpatrone,
– vakuumtechnisches Trennen des Strahlerzeugerraumes von der Arbeitskammer,
– Schweißmaschinen mit größeren Arbeitskammern und Vakuumpumpen,
– Schleusen- und Taktschweißmaschinen für die Massenfertigung.
Sie führten zu einer Vielzahl neuer Anwendungen des Elektronenstrahlschweißens. Heute hat
selbst ein Fachmann Mühe, sich einen lückenlosen Überblick der weiten Verbreitung der Elektronenstrahl-Bearbeitungsverfahren
in den Industriestaaten zu verschaffen.
1.2 Die besonderen Merkmale des Elektronenstrahl-Schweißverfahrens
Als Einführung und erste Verfahrenskennzeichnung wird im Folgenden eine Reihe von besonderen
Merkmalen und Vorteilen des Elektronenstrahlschweißens im Vergleich zu anderen Schmelzschweißverfahren
zusammengestellt, Tabelle 1-1.
Tabelle 1-1. Verfahrenstechnische Merkmale.
Merkmal
Beschreibung
Leistungsdichte Extrem hohe Leistungsdichte von mehr als 10 5 W · mm –2 im
Strahlfokus.
Strahlleistung
0,5 bis 300 kW im Forschungs- und Entwicklungsbereich, etwa 1 bis
30 kW im Produktionsbereich.
Wärmeeinbringung
Umwandlung der kinetischen Energie von beschleunigten Elektronen bis
zum Verdampfen des Werkstoffes (Tiefschweißeffekt). Kein Wärmeleitungsschweißen.
Schweißumgebung
Vakuum, bei Atmosphäre-Schweißmaschinen mit Schutzgasen.
Steuerung, Regelung
Schweißparameter werden mit dem Rechner elektrisch gesteuert und geregelt.
Automatische Strahlkorrektur und -fokussierung sowie Schweißfugensuche
mit elektronenoptischen Kamerasystemen.
Schweißtiefe In der Fertigungspraxis: mit Strahlleistungen von 3 bis 30 kW etwa 0,5
bis 100 mm in einer Lage.
Fugenvorbereitung
I-Stoß für alle Werkstückdicken, keine Kantenabschrägungen.
Nahtform
Schmale Schmelz- und Wärmeeinflusszonen. Verhältnis Nahtbreite zu
Nahttiefe: 1:10 bis 1:50.
Werkstück- und Strahlführung Schweißen von Längs-, Rund- und räumlich gekrümmten Nähten mit
rechnerprogrammierter Werkstück- und Strahlführung.
Energieverteilung
Steuern der Schmelz- und Erstarrungsvorgänge an der Schweißstelle
durch trägheitsloses Bewegen des Elektronenstrahles in beliebige
Formen, Richtungen und Frequenzen.
Elektronenmehrfachstrahl Durch extrem schnelles Pendeln des Elektronenstrahles im kHz-Bereich
quasi gleichzeitige, aber lokal getrennte und gegebenenfalls verschiedenartige
Werkstoffbearbeitungen (Heften, Schweißen, thermische
Behandlungen).
3

Tabelle 1-1. Fortsetzung.
Merkmal
Zusatzwerkstoff
schweißgeeigneter Werkstoff
Verzug
Schweißfugenzugängigkeit
Werkstückkonstruktion
Arbeitskammer
Qualitätssicherung
Beschreibung
Kein Schweißzusatz erforderlich, dadurch geringer Aufwand für Werkstückvorbereitungen.
Ausnahmen: Auftragschweißen und bei metallurgischen
Bedingungen.
Besonders große Palette schweißgeeigneter Werkstoffe: Baustähle,
legierte Stähle, Nichteisenmetalle Sondermetalle (Titan usw.).
Geringerer Längs-, Quer- und Winkelverzug im Vergleich zu anderen
Schmelzschweißverfahren. Dadurch maßhaltiges Schweißen auch unter
Einhaltung kleiner Toleranzen möglich. Kein oder nur geringes
Nacharbeiten des Werkstückes nötig.
Schweißen auch schwer zugängiger Nähte, zum Beispiel in engen
Spalten, (1 bis 2 mm) und in variablen Arbeitsabstandsbereichen (in
der Praxis etwa 50 bis 1000 mm) möglich.
Komplexe Bauteile können in konstruktiv einfachen und kostensparend
zu fertigenden Komponenten aufgeteilt und maßhaltig geschweißt
werden.
Anpassen der Arbeitskammer an Form, Größe und Menge der
Werkstücke und damit Reduzierung der Evakuierungszeiten auf wenige
Sekunden bzw. auf null (Durchlaufmaschinen) möglich.
Sicherung der Qualität durch hohe Reproduzierbarkeit und Konstanz
der Schweißparameter sowie durch automatische Dokumentation der
Schweißdaten.
Für die vielseitigen Fertigungsaufgaben lassen sich die Bauweisen der Elektronenstrahl-Schweißmaschinen
nach verschiedenen Merkmalen einteilen, Tabelle 1-2.
Tabelle 1-2. Einteilung von Elektronenstrahl-Schweißmaschinenkonzeptionen.
Kennzeichnendes Merkmal Einteilung Bemerkungen, Einsatzbeispiele
Beschleunigungsspannung bis 60 kV
100 kV bis 150 kV
bis 175 kV
Niederspannungsmaschinen 1)
Hochspannungsmaschinen 1)
Atmosphäre-Schweißmaschinen
Arbeitsdruck
Werkstückform und -anzahl
im Bereich von 10 –4 mbar
im Bereich von 10 –2 mbar
Atmosphärendruck
Universalmaschinen
Taktmaschinen, Schleusenmaschinen
Mehrkammermaschinen
Durchlaufmaschinen
Strahlgenerator
fest auf der Arbeitskammer-Außenwand
installiert;
in der Arbeitskammer mit Bewegungseinrichtungen
verbunden;
Strahlgenerator führt alle oder einen
Teil der Schweißvorschubbewegungen
aus.
1) Übliche, aber nicht normgerechte Bezeichnung.
Vollvakuummaschine 1)
Halbvakuummaschine 1)
Atmosphäre-Schweißmaschinen
Getriebeteile
Kleinteile
Bimetallbänder (für Sägebandherstellung)
für besonders große Werkstücke
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Nach fast 60 Jahren Industrieeinsatz überzeugt das Elektronenstrahlschweißen im Wettbewerb mit
anderen Schweißverfahren auch heute durch seine breite Flexibilität, große Zuverlässigkeit und
potentielle Wirtschaftlichkeit.
1.3 Andere Strahlschweißverfahren
In Laborversuchen der früheren Jahre wurden weitere Strahlschweißverfahren, wie das Lichtstrahlbzw.
das Ionenstrahlschweißen, auf ihre Praxistauglichkeit untersucht, sie blieben aber ohne Bedeutung
[1-8].
Der Laserstrahl dagegen, der bereits vielfach in der Datenübertragung, Kommunikationstechnologie,
Medizin, Messtechnik usw. bereits bekannt war, hat sich inzwischen auch in der Schneidund
Schweißtechnik sowie bei Randschichtbehandlungen große umfangreiche Anwendungen
erobert. Der Laserstrahl besteht aus monochromatischem (einheitliche Wellenlänge) und kohärentem
(einheitliche Schwingungsphase) Licht und wird mit Hilfe bestimmter Medien (Gase, Flüssigkeiten
und Festkörper) erzeugt. Im Gegensatz zum Elektron, das den größten Teil seiner kinetischen
Energie in Form von Wärme auf eine Wegstrecke von 0,06 mm im Werkstoff abgibt, erfolgt
der gleiche Vorgang beim Laserstrahl innerhalb von nur 0,01 µm. Darüber hinaus spielen Reflexions-
und Absorptionsvorgänge im ionisierten Metalldampf (Plasma) über der Schweißstelle eine
entscheidende Rolle bei der Energieübertragung, die zusammen mit anderen Einflussfaktoren den
Gesamtwirkungsgrad gegenüber Elektronenstrahl-Schweißmaschinen wesentlich verringern [1-9].
Im Strahlfokus erreicht der Laserstrahl ebenfalls eine Leistungsdichte von 10 5 W · mm –2 , so dass
er, wie der Elektronenstrahl, zum Tiefschweißen eingesetzt wird und sich auch Nähte herstellen
lassen, die wesentlich tiefer als breit sind. Eine weitere typische Eigenschaft des Laserstrahls ist
aufgrund der besonderen Lichterzeugung die extrem geringe Divergenz (Strahlaufweitung). Er
kann deshalb auf große Entfernungen ohne wesentliche Veränderung des Strahldurchmessers übertragen
werden. Mit dem Laserstrahl wird grundsätzlich an Atmosphäre geschweißt bzw. geschnitten,
was als eine Besonderheit im Vergleich zum Elektronenstrahlschweißen, das überwiegend im
Vakuum erfolgt, stets hervorgehoben wird. Eine Vakuumarbeitskammer kann beim Laserstrahlschweißen
daher entfallen, doch muss das Schmelzbad, wie bei anderen thermischen Fügeverfahren,
gegen den Zutritt von Sauerstoff und Stickstoff geschützt werden. Dafür verwendet man die
Edelgase Argon und Helium oder Gemische aus beiden.
Bemerkenswert sind in diesem Zusammenhang deshalb neuere Untersuchungen, mit dem Laserstrahl
nun auch im Vakuum zu schweißen. Bei Arbeitsdrücken von 10 bis 50 mbar lassen sich
schmalere und tiefere Schweißnähte als unter Atmosphäre erzielen, die denen mit dem Elektronenstrahl
geschweißten Nähten nahe kommen [1-10]. Das Pendeln des trägheitslosen Elektronenstrahles
mit extrem hohen Frequenzen zur Beeinflussung der Schmelzbaddynamik und Gefügeerstarrung
ist beim Laserstrahlschweißen nicht möglich und muss durch andere Maßnahmen ersetzt
werden.
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