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Warum wird EB-Schweissen im Vakuum durchgeführt?Projekt des Monats Januar 2020
Das Elektronenstrahlschweissen (EBW) ist ein Schmelzschweissverfahren und zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass in einer Vakuumkammer die zu verschweissenden Werkstücke von einem fokussierten Strahl beschleunigter Elektronen beschossen werden. Beim Auftreffen der Elektronen auf das Werkstück wird die kinetische Energie (Bewegungsenergie) der Elektronenteilchen mit einem sehr hohen Wirkungsgrad absorbiert und in Wärme umgewandelt. Diese Umwandlungswärme wird zum Schweissen im Vakuum genutzt und es gibt viele gute Gründe warum dies in einem luftleeren Raum stattfindet.
Zum einen würde bei der Elektronenstrahlerzeugung die rot glühende Wolframelektrode direkt verbrennen, wenn dies unter Atmosphärendruck stattfinden würde. Um den Elektronenstrahl auf die erforderliche Geschwindigkeit zu beschleunigen, verwendet der Elektronenstrahlgenerator ein extrem starkes elektrisches Feld. In der Atmosphäre ist die Ladung so stark, dass Lichtbögen im Generator entstehen. Dadurch reduziert sich die Kontrolle der Strahlintensität und kann zu fehlerhaften Ergebnissen führen bzw. Komponenten können stark beschädigt werden.
Besonders die hohe Geschwindigkeit von 210'000 km/s und die brillante Trägheit des Elektronenstrahls kann nur in einem Vakuum geformt werden. Der geradlinige Strahl kann durch ein Magnetfeld mit verschieden geformten Konturen schwerelos abgelenkt werden. EBW ist frei von möglichen Gasverunreinigungen, da der eigentliche Schmelzprozess unter einem Vakuum von 5 x 10-4 mbar erfolgt, entstehen hervorragende metallurgische Ergebnisse. Das Vakuum hilft neben der hohen Leistungsdichte des Elektronenstrahls auch bei der Bildung des Tiefschweisseffekts, der ausserordentlich grosse Schweisstiefen mit hohen Schweissgeschwindigkeiten ermöglicht.
Unter normalen atmosphärischen Bedingungen würden viele Hochleistungswerkstoffe wie beispielsweise Titan bei hohen Temperaturen sehr stark gegenüber den Gasen in der Luft reagieren. Das würde zu Karbiden, Nitriden und Oxiden führen, sowie die Festigkeitseigenschaften in der Wärmeeinflusszone der Schweissnaht verringern. Die Vakuumkammer, die von Elektronenstrahlschweiss-Maschinen verwendet wird, bietet einen ausfallsicheren Prozess zu diesem Thema.
So durften wir diesen Monat eine Radialnaht an einem Gehäuse aus Titan Ti6Al4V für das Weltall herstellen. In der Raumfahrt ist das Elektronenschweissen das einzig zugelassene Verfahren zum Schweissen von Titan.
Schlussendlich garantiert das Vakuum dem Anwender eine gleichbleibende Qualität mit einer exakten Reproduzierbarkeit der Schweissung.