FT1_05
Elektronenstrahlschweißen
Elektronenstrahlschweißen
Wie verändern sich Nahttiefe und Nahtbreite bei Erhöhung der Strahlstromstärke?
Nahttiefe: steigt
Nahtbreite: steigt
Grund: Mehr Energie im Werkstück
Wie verändern sich Nahttiefe und Nahtbreite bei Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit:
Nahttiefe: sinkt
Nahttiefe: sinkt
Grund: Streckenenergie wird kleiner
Wie verändern sich Nahttiefe und Nahtbreite bei Erhöhung der Fokuslage?
Nahttiefe: sinkt
Nahtbreite: steigt
Grund: Schweißen in defokussiertem Bereich
Wieverändern sich Nahttiefe und -breite bei Erhöhung des Vakuumdrucks?
\((10^{-4}->10^{-2})\)
Nahttiefe: sinkt
Nahtbreite: steigt
Grund: Strahl weitet sich auf, durch Kollision mit Luftmolekülen
Wieverändern sich Nahttiefe und -breite bei Erhöhung der Vorwärmung?
Nahttiefe: steigt
Nahtnreite: steigt
Grund: Die Vorwärmung verursacht zusätzliche Energieeinbringung
Elektronenstraheloberflächenbehandlungen:
- Härten
- Strukturieren
- Bohren
wie funktioniert das Bohren mittels Elektronenstrahl?
guckst du...
Benennen Sie den ungefähren Wirkungsgrad des Elektronenstrahlprozesses, verdeutlichen Sie die Unterschiede zum Laser!
! EBW: 70 - 90 % (je nach Beschleunigungsspannung und Pumpenleistung) Laser: bis zu 30 % (Faserlaser)
! Wirkungsgradverluste beim EBW durch
- Rückstreu- und Sekundärelektronen sowie Röntgen- undWärmestrahlung
- beim NV-EBW zusätzlich Strahldispersion (Kollision der Elektronen mit Luftmolekülen) mit veränderlichem Arbeitsabstand
! Umwandlung kinetischer Energie der Elektronen in Wärme
! keine Strahlreflektion
! winkelunabhängige Strahleinkopplung
! keine Beeinträchtigung durch Metalldampfplasma
! niedrigere Betriebskosten
! hoher Anlagenwirkungsgrad
Welche Kräfte wirken in der Dampfkapillare?
Welche Bedeutung ergibt sich u.a. daraus für die Dickblechschweißung?
F1: Dampfdruck (+)
F2:Oberflächenspannung (-)
F3: hydrostatischer Druck (-)
Dickblechschweißung in Position PC, um Zusammenfall der Kapillare zu verhindern!
Wie entstehen Lunker / Poren und wie kann man sie schweißtechnisch und elektronenstrahlspezifisch vermeiden?
Erstarrung der flüssigen Schmelze ungleichmäßig (falsch gewählte Parameter), Lufteinschlüsse, Löslichkeit von Gasen (Alu!)...
Strahlmodulation („Pendelung“), dadurch bleibt die Dampfkapillare länger geöffnet
Wodurch besteht eine besondere Gefahr von Bindefehlern beim Elektronenstrahlschweißen von Werkstücken aus ferritischen Werkstoffen und welche Gegenmaßnahmen können ergriffen werden?
Magnetisierter Werkstoff => Strahlablenkung
--> Entmagnetisierung
--> Strahlverlauf
korrigieren
- mehrere Massen anbringen
- Abschirmung von elektromagnetischen Felder durch Antriebe
Mit welcher Maßnahme lässt sich die Nahtqualität am Nahtanfang und Nahtende verbessern?
Hinweis : Es handelt sich um Rundnähte.
guckst du...
Welche verfahrenstypische Technik bietet sich an, Rundnähte mit dem angegebenen Durchmesser besonders schnell zu schweißen?
- Strahlpendelung (Kreispendelung)
durch diese Maßnahme muss das Bauteil nicht mechanisch bewegt werden
- Parallelkapillartechnik (Mehrbadtechnik)
Verzugsminimierung beim Schweißen von Axialrundnähten
Nennen Sie drei unterschiedliche Anlagenkonzepte des Elektronenstrahlschweißens.
- Universalanlage
- Taktanlage
- Durchlaufanlage
- Schweißen mit lokalem Vakuum !Anlage mit mobilem Vakuum
- Mikro- und Feinschweißanlage
Als Entwicklungsingenieur in der Schienenfahrzeugindustrie haben Sie die Aufgabe, innovative Fügeverfahren im Wagonbau einzuführen. Personenwagons werden nach heutigem Stand der Technik aus mehreren 20 m langen Aluminiumstrangprofilen mit 4 mm Wanddicke hergestellt. Die Strangprofile sollen mit Hochleistungsschweißverfahren gefügt werden.
Nennen Sie drei Hochleistungsschweißverfahren, die angewendet werden können und begründen Sie Ihre Wahl.
1. MIG-Tandem
Begründung: für Schweißen von Aluminium geeignet, hohe Abschmelzleistung, Geschwindigkeiten von ca. 1,8 m/min
2. Nd-YAG Laser-MSG Hybrid
Begründung: gute Strahleinkopplung, hohe Schweißgeschwindigkeiten bis 4 m/min, gute Spaltüberbrückbarkeit und Nahtauffüllung durch den Einsatz vom MSG-Prozess
3.Elektronenstrahlschweißen an Atmosphäre
Begründung: sehr hohe Schweißgeschwindigkeit bis zu 7,5 m/min, gute Spaltüberbrückbarkeit, hohe Wirtschaftlichkeit, keine Reflektionsprobleme bei der Energieeinkopplung ins Werkstück
Nennen Sie die Einteilung der Elektronenstrahlanlagen nach Arbeitsdruck und geben Sie jeweils ein Anwendungsbeispiel. Welches Anlagenkonzept eignet sich am besten für die Applikation Wagonbau?
Hochvakuumanlage
Teile bei denen schmale und tiefe Nähte gefordert werden, dickwandige Rohre
Feinvakuumanlage
breitere Naht und nicht so hohe Einschweißtiefe, Getrieberäder
Atmosphärenanlage /NV-EBW Anlage/
Sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten erreichbar mit Einschweißtiefen bis 15 mm, z.B. Profile (Hohlträger, Strangprofile)
NV-EBW Anlage eignet sich am besten
Welche Vorteile bietet das Anlagenkonzept gegenüber:
a) Laserstrahlschweißen
b) Lichtbogenschweißen
a)
- winkelunabhängige Strahleinkopplung
- keine Beeinträchtigung durch Metalldampfplasma
- geringere Aufhärtung
-niedrigere Betriebskosten
- hoher Anlagenwirkungsgrad
b)
- höhere Schweißgeschwindigkeiten
- kleinere Wärmeeinflusszone
- geringerer Verzug
- Tiefschweißeffekt
- Verbindung meist ohne ZWS
Nennen Sie wesentliche Nachteile des Elektronenstrahlschweißens.
- Röntgenstrahlung
- kleiner Arbeitsabstand (max. 30 mm)
- Anwendung bei Blechdicken von bis 15 mm
Bei Rundnähten wird der Slope am Nahtbeginn vollständig überschweißt und dann der Slope-Out eingeleitet. Welche Möglichkeit wird bei Linearnähten genutzt, um die Nahtfehler des Slope-In, bzw. Slope-Out im Werkstück zu vermeiden?
Ein- und Auslaufbleche
Fokusströme berechnen
angucken!
Hauptkomponenten einer Elektronenstrahlschweißanlage
Eine Elektronenstrahlschweißanlage setzt sich aus drei Hauptkomponenten zusammen: Strahlerzeugung, Strahlführung und -formung und Arbeitskammer, die auch vakuumtechnisch getrennt sein können.
Verfahrensspezifische Merkmale des Elektronenstrahlschweißens
- Teilchenstrahl
- Strahlerzeugung im Vakuum
- Hochspannung zur Strahlerzeugung
- Hohe Leistungsdichte durch elektromagnetische Felder manipulierbar
- Hohe Reproduzierbarkeit der
- Nahtqualität Hohe Produktivität
Sehr breites Anwendungsspektrum
Hoher Anlagenwirkungsgrad
Einschränkungen durch Vakuumkammer
Bildung von Röntgenstrahlung
Werkstücke müssen elektrisch leitend sein
Elektronenstrahlerzeugung
1. Heizen der Wolframkathode durch Widerstandserwärmung
2. Anlegen der Beschleunigungs- spannung zwischen Kathode und Anode und der Steuer- spannung zwischen Kathode und Steuerelektrode
3. Erzeugung des Elektronen- strahles durch Reduzierung der Steuerspannung
Aufbau Elektronenstrahlgenerator
guckst du...
Verluste beim Elektronenstrahlschweißen
- rückgestreute Elektronen
- Sekundärelektronen
- Röntgenstrahlung
- Wärmestrahlung
- Konvektion
- Konduktion
Tiefschweißeffekt beim Elektronenstrahlschweißen
Beim Aufprall der zum Korpuskularstrahl dicht gebündelten Elektronen auf die Werkstückoberfläche werden die Elektronen scharf abgebremst, dringen aber zunächst nur wenige μm in den festen Körper ein. Dabei wird ein großer Teil der kinetischen Energie in Form von Wärme frei. Durch die hohe Leistungsdichte an der Aufschlagstelle verdampft der Werkstoff, worauf nachfolgende Elektronen tiefer in das Werkstück eindringen können, so dass schließlich eine mit Metalldampf gefüllte und von einem Mantel aus flüssiger Schmelze umgebene Kapillare über der gesamten Nahttiefe entsteht.
Kräfte und Drücke in der Kapillare
F1 : Kraft aus dem Dampfdruck
F2 : Kraft aus der Oberflächenspannung
F : Kraft aus dem hydrostatischen Druck
Modellvorstellung zur Lunkerbildung
- instabiler Druck ist der schmelzflüssige Rückseite der Dampfkapillare
- pressen Schmelze ungleichmäßig in verschiedene Bereiche
- „Dampfsäcke“ entstehen
- Diese Kavernen füllen sich nicht immer mit flüssigem Material, stürzen vereinzelt ein und bleiben nach der Erstarrung als Hohlräume zurück
- Der Winkel beta (Fall I) nimmt mit steigender Schweißgeschwindigkeit zu, was zu einem turbulenteren Prozess führt.
Einteilung der Elektronenstrahlschweißanlagen nach Beschleunigungsspannung
Hochspannungsanlage (UB = 150 kV)
Niederspannungsanlage (UB = 60 kV)
Einteilung der Elektronenstrahlschweißanlagen nach Druck
Hochvakuumanlage
Feinvakuumanlage
Atmosphärenanlage
Einteilung der Elektronenstrahlschweißanlagen nach Anlagenkonzept
- Universalanlage
- Taktanlage
- Durchlaufanlage
- Schweißen mit lokalem Vakuum
- Anlage mit mobilem Vakuum
- Mikro- und Feinschweißanlage
Vorteile des Elektronenstrahlschweißens im Vakuum
großer Blechdickenbereich (0,1 mm bis 300 mm)
sehr schmale Nähte (t:b = 50:1)
geringe Gesamtwärmeeinbringung ins Werkstück => geringer Verzug
=> auch fertig bearbeitete Bauteile können geschweißt werden
sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten möglich
kein Schutzgas erforderlich
hoher Prozess- und Anlagenwirkungsgrad
werkstoffbedingt oft einzige mögliche Schweißmethode
Vorteile des Elektronenstrahlschweißens an Atmosphäre
sehr hohe Schweißgeschwindigkeit
gute Spaltüberbrückbarkeit
keine Reflektionsprobleme bei der Energieeinkopplung ins Werkstück
Nachteile des Elektronenstrahlschweißens im Vakuum
elektrische Leitfähigkeit der Werkstücke erforderlich
hohe Abkühlgeschwindigkeiten
=> Aufhärtungsgefahr, Gefahr der Rissbildung
hohe Anforderungen an die zu fügenden Oberflächen
Strahlablenkung durch Magnetfelder
Entstehung von Röntgenstrahlung
Bauteilgröße durch Vakuumkammer begrenzt
relativ hohe Investitionskosten
Nachteile des Elektronenstrahlschweißens an Atmosphäre
Entstehung von Röntgenstrahlung
begrenzte Blechdicke (max. 25 mm)
hohe Investitionskosten
geringer Arbeitsabstand
Bezeichnungen
zum Lernen...
Nahtformen für das Elektronenstrahlschweißen im Vakuum
guckst du...
Nahtformen für das Elektronenstrahlschweißen an Atmosphäre
guckst du...
Drei Prinzipien der Elektronenstrahlvermessung
- Lochblendenmessung
- Schlitzblendenmessung
- rotierender Draht
Nennen Sie die Schweißparameter beim Elektronenstrahlschweißen im Vakuum.
- Beschleunigungsspannung
- Strahlstrom
- Linsenstrom
- Schweißgeschwindigkeit
- Strahlablenkung bzw. -pendelung
-
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Lernkarten
Als Entwicklungsingenieur in der Schienenfahrzeugindustrie haben Sie die Aufgabe, innovative Fügeverfahren im Wagonbau einzuführen. Personenwagons werden nach heutigem Stand der Technik aus mehreren 20 m langen Aluminiumstrangprofilen mit 4 mm Wanddicke hergestellt. Die Strangprofile sollen mit Hochleistungsschweißverfahren gefügt werden.
Nennen Sie drei Hochleistungsschweißverfahren, die angewendet werden können und begründen Sie Ihre Wahl.
1. MIG-Tandem
Begründung: für Schweißen von Aluminium geeignet, hohe Abschmelzleistung, Geschwindigkeiten von ca. 1,8 m/min
2. Nd-YAG Laser-MSG Hybrid
Begründung: gute Strahleinkopplung, hohe Schweißgeschwindigkeiten bis 4 m/min, gute Spaltüberbrückbarkeit und Nahtauffüllung durch den Einsatz vom MSG-Prozess
3.Elektronenstrahlschweißen an Atmosphäre
Begründung: sehr hohe Schweißgeschwindigkeit bis zu 7,5 m/min, gute Spaltüberbrückbarkeit, hohe Wirtschaftlichkeit, keine Reflektionsprobleme bei der Energieeinkopplung ins Werkstück
Nennen Sie die Einteilung der Elektronenstrahlanlagen nach Arbeitsdruck und geben Sie jeweils ein Anwendungsbeispiel. Welches Anlagenkonzept eignet sich am besten für die Applikation Wagonbau?
Hochvakuumanlage
Teile bei denen schmale und tiefe Nähte gefordert werden, dickwandige Rohre
Feinvakuumanlage
breitere Naht und nicht so hohe Einschweißtiefe, Getrieberäder
Atmosphärenanlage /NV-EBW Anlage/
Sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten erreichbar mit Einschweißtiefen bis 15 mm, z.B. Profile (Hohlträger, Strangprofile)
NV-EBW Anlage eignet sich am besten
Welche Vorteile bietet das Anlagenkonzept gegenüber:
a) Laserstrahlschweißen
b) Lichtbogenschweißen
a)
- winkelunabhängige Strahleinkopplung
- keine Beeinträchtigung durch Metalldampfplasma
- geringere Aufhärtung
-niedrigere Betriebskosten
- hoher Anlagenwirkungsgrad
b)
- höhere Schweißgeschwindigkeiten
- kleinere Wärmeeinflusszone
- geringerer Verzug
- Tiefschweißeffekt
- Verbindung meist ohne ZWS
Nennen Sie wesentliche Nachteile des Elektronenstrahlschweißens.
- Röntgenstrahlung
- kleiner Arbeitsabstand (max. 30 mm)
- Anwendung bei Blechdicken von bis 15 mm
Bei Rundnähten wird der Slope am Nahtbeginn vollständig überschweißt und dann der Slope-Out eingeleitet. Welche Möglichkeit wird bei Linearnähten genutzt, um die Nahtfehler des Slope-In, bzw. Slope-Out im Werkstück zu vermeiden?
Ein- und Auslaufbleche
Fokusströme berechnen
angucken!
