Kurze Einführung über das Elektronenstrahlschweißen

Kurze Einführung über das Elektronenstrahlschweißen

Diese kurze Einführung über das Elektronenstrahlschweißen soll Ingenieuren, die nicht mit dem Verfahren vertraut sind, ein grundlegendes Verständnis über den Prozess vermitteln.

Inhalt

  1. Was ist Elektronenstrahlschweißen?
  2. Anwendungen und Materialien
  3. Verschiedene Arten von Schweißnähten
  4. Prüfmethoden
  5. Überlegungen, die in das Design einfließen
Electron Beam Welding Guide

Was ist Elektronenstrahlschweißen?

Das Elektronenstrahlschweißen ist die gezielte Bestrahlung einer metallischen Oberfläche durch einen exakt fokussierten Elektronenstrahl. Dies resultiert in einer sehr konzentrierten und intensiven Wärmequelle (von ca. 0,1 mm Durchmesser), durch die das Metall geschmolzen wird. Durch die gezielte Fokussierung des Strahls auf eine Verbindungsstelle, und indem die Fügestelle dann unter dem Strahl bewegt wird, kann eine voll homogene Verschmelzung der zu verbindenden Oberflächen errreicht werden. Dieser Vorgang erfolgt in einer Vakuumkammer, um es zu verhindern, dass der Strahl durch Luftmoleküle zerstreut wird, und die Kammer bietet auch eine quasi reaktionslose Atmosphäre.

Beim Aufprall des Strahls auf die Verbindungsstelle entsteht ein ‚Schlüsselloch‘ in dem Material, das von einem Mantel von Schmelze umgeben ist. So wie das Werkstück unter dem Strahl hin und her bewegt wird, verfestigt sich diese Schmelze und es entsteht die Verbindungsnaht. Die resultierende Schweißnaht ist tatsächlich eine unter Vakuum neu verschmolzene Partie des Grundwerkstoffs.

Anwendungen

Das Elektronenstrahlschweißverfahren findet in fast jeder Industrie Anwendung: Luft- und Raumfahrt, medizintechnische Teile, Automobilindustrie, Nuklearsektor, Verteidigung, Erdöl und Erdgas, Hoch- und Tiefbau, und sogar im Bereich der Kunst.

Konstruktionen können mithilfe fertiger oder halbfertiger Details verschweißt werden, und das Verfahren ist für eine breite Palette an Materialien geeignet. Die gängigsten Materialien sind: Titan, Rostfreistahl, Inconel, Aluminium, Kupfer, Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (Flußstahl), Bronze, Super-Duplex, Hastalloy und Magnesium.

Beginners guide to Electron Beam Welding

Vorteile

Das Elektronenstrahlschweißen ist insbesondere beim Verschmelzen feiner Konstruktionen wirksam, bei denen eine übermäßige Wärmeeinwirkung das Produkt beeinträchtigen könnte. Das Elektronenstrahlschweißen kann auch eine wirtschaftlichere Alternative zu den konventionellen Schweißtechniken sein, wenn Tiefenschnitte miteinander verbunden werden müssen, da ein einziger Durchgang im Elektronenstrahlverfahren zahlreiche Durchgänge mit WIG-, MIG- oder Lichtbogentechniken ersetzen kann.

Weitere Vorteile sind: minimaler Verzug, ein sehr enger Wärmeeinwirkungsbereich, und da der Schweißvorgang üblicherweise in einer Vakuum-Umgebung durchgeführt wird, besteht auch ein nur minimales Risiko der Wasserstoffkontaminierung der Schweißkonstruktion.  Dies ist ein erheblicher Vorteil beim Verschweißen von Titan und seinen Legierungen.

Verschiedene Arten von Schweißnähten

Nachfolgend finden Sie Beschreibungen einer Reihe verschiedener Schweißnähte, die für das Elektronenstrahlschweißen akzeptabel sind. Eine volle Durchschweißung, wie in Abbildung 1 gezeigt, wird oftmals verwendet, wenn die Konstruktion keine Nachbearbeitung erfordert. Die Abbildungen 2 & 4 zeigen Schweißnähte, die Positionierungen für die Anschlussteile bieten, was die Fertigung erleichtert. Diese Art von Konfiguration kann sich auch für komplett fertig bearbeitete Details anbieten, wenngleich das zusätzliche Material für die Positionierung der Verbindungsnaht in manchen Fällen auch nach dem Schweißvorgang entfernt wird. Die Abbildung 3 zeigt eine Verbindungsstelle, bei der es, wenngleich sie eine volle Durchschweißung ist, wahrscheinlich erforderlich sein wird, das obere Profil der Verbindungsstelle nach dem Verschweißen zu entfernen. Das hilft, die Ausbreitung von Rissen von dem nicht verschmolzenen Teil der Verbindungsstelle aus zu vermeiden.

Electron Beam Joint Welding
Electron Beam Joint Welding
Electron Beam Joint Welding
Electron Beam Joint Welding

Prüfmethoden

Die meisten Standard-NDT-Techniken können verwendet werden, um die Integrität der Elektronenstrahlschweißungen zu prüfen: Röntgenstrahlen, PFD, Ultraschall und MFD.

Überlegungen, die in das Design einfließen:

  • Sind die gewählten Materialien für das Elektronenstrahlschweißen geeignet? Siehe Liste in der kurzen Einführung über das Elektronenstrahlschweißen, Abschnitt 2.
  • Kann die Fügestelle durch einen Elektronenstrahl erreicht werden? Sicherstellen, dass die Laufbahn des Strahls durch nichts behindert oder verdeckt wird.
  • Kann die Verbindungsstelle selbstlokalisierend sein oder wird eine Vorrichtung erforderlich sein?
  • Die Toleranzen der Verbindungsstelle müssen einen maximalen Abstand von 0,1 mm aufweisen. In manchen Fällen muss das mitunter sogar noch enger sein.
  • Denken Sie an die Nähe von Bestandteilen, die durch die Temperatureinwirkung beeinträchtigt werden könnten.
  • Werden in das Design Details in Fertiggröße oder Teile, die eine Nachbearbeitung erfordern, integriert sein? Falls Fertigteile zu verschweißen sind, ist das Maß an Schweißschrumpfung in Betracht zu ziehen.
  • Die meisten Materialien verlieren nach dem Schweißvorang einige ihrer mechanischen Eigenschaften. Daher wird eine Bewertung der Anforderungen an die Stärke erforderlich sein.
Inspection techniques: x-ray, PFD, ultrasonic and MFD

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Kurze Einführung über das Elektronenstrahlschweißen

Diese kurze Einführung über das Elektronenstrahlschweißen soll Ingenieuren, die nicht mit dem Verfahren vertraut sind, ein grundlegendes Verständnis über den Prozess vermitteln.