Elektronenstrahlschweissen Pro-Beam: Elektronenstrahl als ideale Fügetechnologie für die Luftfahrt

Autor / Redakteur: Aimée Schmelzer, Pro-Beam AG / Luca Meister

>> Die Elektronenstrahltechnologie hat in allen metallverarbeitenden, aber auch in vielen anderen Branchen Fuss gefasst. Neben dem Fügen (Schweissen und Löten) wird sie auch zum Abtragen (Bohren und Gravieren), Auftragen (Rapid Tooling) und Randschichtbehandeln (Härten, Auflegieren) hinzugezogen. Die Pro-Beam AG in Winterthur führt mit ihrer 30-Kilowatt-Anlage unter anderem für die SR Technics Reparaturarbeiten aus.

Firmen zum Thema

Grafik der Schweissstelle (Brennkammer). (Bild: Pro-Beam)
Grafik der Schweissstelle (Brennkammer). (Bild: Pro-Beam)

Das Einsatzspektrum der Elektronenstrahl-Technologie reicht vom Schweissen feinster Folien bis zum Fügen von Werkstücken mit Wanddicken von über 100 Millimeter in einem Durchgang, von mikromechanischen Bauteilen winziger Abmessungen bis zu Rumpfsegmenten von Flugzeugen oder Teilsegmenten von U-Booten, von Einzelteilen in der Raumfahrt bis zu Grossserien im Elektro- und Automobilbau.

Von allen Schmelzschweissverfahren weist das Elektronenstrahlschweissen die niedrigste spezifische Wärmeeinbringung, die schmalsten Schmelzzonen und den daraus resultierenden geringsten Verzug der Bauteile auf. Der Elektronenstrahl als Wärmequelle ist hinsichtlich des Auftrefforts und der Leistung fast trägheitslos ansteuerbar. In erster Linie zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass eine Vielzahl einzigartiger konstruktiver Möglichkeiten gegeben ist, mit denen sich die Fertigungskosten beim industriellen Einsatz reduzieren lassen.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 6 Bildern

Grundlagen des Verfahrens

Der zum Schweissen eingesetzte Elektronenstrahl ist eine kontrollierte Entladung in Gestalt eines Strahls elektrisch geladener Teilchen. Dadurch unterscheidet er sich beispielsweise von der Lichtstrahlung eines Lasers, der sich in Form elektromagnetischer Wellen ausbreitet. Je nach Schweissanwendung werden die Strahlelektronen von einer elektrischen Spannung zwischen 30 und 180 Kilovolt beschleunigt, wodurch sie eine Geschwindigkeit zwischen einem und zwei Drittel der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Beim Eindringen in Materie werden sie abgebremst und geben ihre Bewegungsenergie in Form von Wärme ab. Durch die auftreffenden Elektronen wird die Werkstückoberfläche aufgeschmolzen. Übersteigt die Energiedichte im Strahlfleck einen Wert von zirka 105 Watt pro Quadratzentimeter, so verdampft das geschmolzene Material im Zentrum des Strahls. Die so entstehende Dampfkapillare erlaubt dem Strahl, tiefer vorzudringen und erneut auf festes Material zu treffen. Durch die Bewegung des Werkstücks zum Elektronenstrahl fliesst das an der Strahlvorderseite geschmolzene Material um die Kapillare herum und erstarrt an der Rückseite.

Die eigentliche Bearbeitung mit dem Elektronenstrahl findet im Vakuum statt. Durch geeignete Bewegungssysteme wird das Bauteil innerhalb der Vakuumkammer relativ zum Strahl bewegt. Für kleinere Auslenkungen und kurze Bewegungen besteht die Möglichkeit, den Elektronenstrahl selbst abzulenken. Diese Eigenschaft ermöglicht ausserdem eine Reihe von Technologien in der Mehrbad- und Mehrprozesstechnik. Das heisst, mehrere Prozesse wie etwa Vorwärmen, Schweissen und Nachwärmen können in einem Arbeitsschritt realisiert werden. Durch die schnelle Strahlablenkung kann der Elektronenstrahl quasi an mehreren Orten gleichzeitig arbeiten.

(ID:30384570)