Unterschiedlichste Metalle mit Elektronenstrahlschweissen Tanz der Elektronen

Redakteur: Luca Meister

Die Nutzung von wertvollen Metallen und Legierungen hat in der metallverarbeitenden Branche deutlich zugenommen. Der Bedarf an Verbindungsverfahren, die sogenannte Mischverbindungen prozesssicher zusammenfügen, wächst mit der Vielfalt an Metallen und ihren Funktionen.

Firmen zum Thema

Für die Energietechnik wird die Mischverbindung Kupfergeflecht mit Silber und Kupfer hergestellt.
Für die Energietechnik wird die Mischverbindung Kupfergeflecht mit Silber und Kupfer hergestellt.
(Bild: Swissbeam)

Die vorteilhaften Eigenschaften unterschiedlicher Metalle innerhalb einer «Anordnung» sind bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Sie bieten daher noch viele Herausforderungen für Metallurgen, Konstrukteure oder Schweissfachkräfte. Die Anforderungen an Mischverbindungen sind nicht nur wirtschaftliche Motivation, sondern beruhen meist auch auf dem Wunsch nach Neuerungen wie etwa verbesserte mechanische, chemische oder physikalische Eigenschaften.

Doch auch technologische Notwendigkeiten sind Gründe für die Herstellung solcher Verbindungen. Nur deren Umsetzung ist ungleich komplexer als deren eigentliche Idee: Viele ungleiche Materialien können miteinander verbunden werden; doch stellt sich die Frage, ob diese Verbindungen auch imstande sind, den notwendigen Anforderungen zu entsprechen.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 8 Bildern

Aufgrund der sehr hohen Energiedichte ist es beim Elektronenstrahl-Schweissverfahren möglich, höchstschmelzende Metalle sowie Mischverbindungen, z.B. Stahl mit Kupfer oder auch unterschiedliche Stahllegierungen, zu verschweissen. Dabei treten spezifische Herausforderungen auf, da die Struktur und Eigenschaften der Basismetalle eine Veränderung in der Schmelze erfahren, auch wenn ähnliche Metalle normalerweise mit optimalen Schweissparametern gefügt werden können.

Zwischenschichten

Die SwissBeam AG, ein Lohndienstleister aus Schlieren bei Zürich, hat in der Vergangenheit zahlreiche metallische Werkstoffkombinationen mittels Elektronenstrahl verschweisst. Auf Grundlage der visuellen, metallographischen sowie zerstörungsfreien Werkstoffprüfung wurden die Komponenten auch untersucht und bewertet.

Das Elektronenstrahl-Schweissverfahren hat diverse Vorteile. Einer ist die sehr präzise Regulierung der Schweissenergie und die ausgeklügelte Prozessführung der nahezu trägheitslosen Strahl- und Ablenkpositionierung des Elektronenstrahls. Dies ermöglicht ein genau kontrolliertes Schweissgut im gewünschten Verhältnis bei einem minimalen Energieeintrag in die beiden unterschiedlichen Metalle. Dabei kann das metallurgische Verhältnis der sehr schmalen Schmelze bei beiden Metallen (auch bei unterschiedlichen Schmelzpunkten und Wärmeleitfähigkeiten) prozesssicher gewährleistet werden.

Wenn eine metallurgische Inkompatibilität (zwei Werkstoffe passen aufgrund unterschiedlicher Gitterstrukturen nicht zueinander) auftritt, können entweder geeignete Zwischenschichten (sowohl Puffer als auch Bimetall) oder speziell legierte Füllstoffmetalle zwischen die beiden Werkstoffe eingebracht bzw. eingeschweisst werden.

Intermetallische Phasen

Die Schweisseignung unterschiedlicher Werkstoffe kann aufgrund der abgebildeten Matrix für die metallurgische Verträglichkeit einer bestimmten Werkstoffkombination bestimmt werden. Die Bildung von Mischkristallen und Legierungsphasen, die oberhalb der werkstoffspezifischen Temperaturen infolge von Diffusionsprozessen entstehen, sind die sogenannten intermetallischen Phasen. Sie entstehen beim Erstarren der Schmelze. Solche «Beeinflussungen» bedürfen einer Beachtung: Die Wahrscheinlichkeit einer intermetallischen Phasenbildung ist vor allem bei mehrfach legierten Werkstoffen vorhanden.

Unter Berücksichtigung der erwähnten Grundsätze und Einflüsse können zwei verschiedenartige Werkstoffe mit akzeptablen Eigenschaften für den jeweils beanspruchten Anwendungsfall sowohl wirtschaftlich als auch qualitätsgerecht miteinander verschweisst werden. Zwei vorliegende Praxisbeispiele der SwissBeam AG beleuchten den Enstehungsprozess solcher Mischverbindungen.

(ID:42776953)