Der Oberbegriff Elektronenstrahl-Materialbearbeitung fasst allgemein Fertigungsverfahren der Materialbearbeitung mithilfe von Elektronenstrahlen zusammen.
Grundsätzliches Strahlverfahren zur thermischen Materialbearbeitung nutzen entweder den Elektronenstrahl oder einen Laserstrahl. Ersterer besteht aus hoch beschleunigten Teilchen, letzterer aus elektromagnetischen Wellen, woraus sich wesentliche Unterschiede ergeben – sowohl in der Strahlerzeugung und -manipulation als insbesondere auch in der Wechselwirkung mit dem Werkstoff der bearbeiteten Bauteile. Beide Strahlverfahren sind nicht vergleichbar mit den diversen Lichtbogenverfahren. Das Elektronenstrahlschweißen findet wie das Laserschweißen im Vakuum statt. Im Folgenden werden die verschiedenen Möglichkeiten der Materialbearbeitung mit dem Elektronenstrahl beschrieben.
Historisches Die Möglichkeit, mit dem damals so genannten Kathodenstrahl Material zu bearbeiten, wurde bereits 1879 entdeckt (Johann Wilhelm Hittorf und William Crookes), und 1949 begann die Ära der bewussten thermischen Werkstoffbearbeitung mit dem Elektronenstrahl (Karl-Heinz Steigerwalds). 1952 wurde durch Steigerwald die erste Elektronenstrahl-Bohrmaschine gebaut und 1958 die erste Elektronenstrahl-Schweißmaschine. Im Laufe der folgenden Jahrzehnte betraten einige Unternehmen die Szene (Zeiss als erstes), und heute stellen diverse High-Tech-Unternehmen in verschiedenen Ländern der Welt (insbesondere Deutschland, Großbritannien, Frankreich, USA und Japan) EB-Maschinen her.
Das Spektrum und der Umfang der Elektronenstrahl-Materialbearbeitung (Schweißen, Bohren, Oberflächenmodifikation) hat sich seit den Anfängen kontinuierlich entwickelt, s. o. Forschung und technische Entwicklung führen nicht nur zu immer „raffinierteren“ Geräten und Prozessen, sondern auch zu völlig neuen Anwendungen.
Strahlerzeugung Bei der Elektronenstrahlstechnik wird die benötigte Energie mittels durch Hochspannung (meist 60–150 kV) beschleunigter Elektronen in die Prozesszone eingebracht. Die Strahlbildung erfolgt unter Hochvakuum (< 10−4 hPa) durch ein Triodensystem, bestehend aus Kathode, Steuerelektrode (Wehnelt-Zylinder) und Anode.
zentriert|mini|Elektronenstrahlerzeugung
Die direkt oder indirekt geheizte Kathode (auf hohem negativem Potential) emittiert freie Elektronen, welche dann zu der nur wenige Zentimeter entfernten Anode auf Erdpotential hin beschleunigt werden. Dabei erreichen sie Geschwindigkeiten, die einige Hunderttausend km/s betragen. Durch die Anodenbohrung hindurch „rasen“ diese Elektronen in Richtung Werkstück, wo ihre kinetische Energie fast verlustfrei in Wärme umgesetzt wird. Diese Wirkenergie wird bestimmt durch das Produkt aus Hochspannung UB und Strahlstrom IB. Die Größe des gewünschten Strahlstroms (meist deutlich unter 1 A) wird eingestellt durch die negative Steuerspannung US, welche den aus der Kathode ausgetretenen Elektronen einen gewissen (Feld-)Widerstand entgegensetzt. Diese Leistungssteuerung funktioniert extrem schnell. Auf dem Wege zwischen Kathode und Werkstück wird der Strahl geformt durch das elektrische Feld der Steuerelektrode sowie durch magnetische Felder von Spulensystemen: Der Stigmator beseitigt einen gegebenenfalls auftretenden Astigmatismus des Strahls, die Justierspulen sichern den exakt zentrischen Durchtritt des Strahls durch die Fokussierspule, welche ihrerseits die Lage des Fokuspunktes (minimale Fleckgröße: wenige Zehntelmillimeter, höchste Leistungsdichte: bis zu 107 W/cm2) relativ zum Werkstück einstellt. Von besonderer Bedeutung für die Anwendung des Elektronenstrahls ist die Möglichkeit, diesen durch (gekreuzte) magnetische Felder extrem schnell (nahezu trägheitslos) ablenken zu können. Damit lässt sich nicht nur der Strahl exakt auf die Fügestelle positionieren, sondern jeder Punkt einer Oberfläche kann mit einer definierten Strahlenergie beaufschlagt und somit eine komplexe Wirkung (Mehrbadtechnik, Mehrprozesstechnik, Oberflächenmodifikationen) erzielt werden.
zentriert|mini|Prinzip der Elektronenstrahlablenkung: Ansichten quer und längs zum Feld sowie gekreuzt
Vorteilhaft bei dieser schnellen Strahlablenkung (Punkt-zu-Punkt bis zu 1 MHz) ist die Tatsache, dass der durch den Strahl aufgeschmolzene Werkstoff deutlich mehr Zeit benötigt zu erstarren als der Strahl, um „zurückzukehren“ und den Energieeintrag fortzusetzen. Außerdem ist es dank dieser Ablenkung möglich, mit dem Strahl selbst die reale Werkstückoberfläche abzurastern und mittels der rückgestreuten Elektronen davon ein Bild zu erzeugen – insbesondere einschließlich der Fügestelle (und des Prozessortes). Mit anderen Worten, der Elektronenstrahl selbst kann als Fugensensor genutzt werden. Und natürlich wird die Strahlablenkung genutzt, um mit dem fokussierten Elektronenstrahl im lokalen Schmelzbad „zu rühren“ (kreisförmig, elliptisch, linear u. a. m. – vergleichsweise langsam, kleiner 1000 Hz, und mit geringer Amplitude), so dass sich schweißmetallurgisch vorteilhafte Verhältnisse einstellen.
Alle genannten Komponenten zur Strahlerzeugung und -formung sind im so genannten Elektronenstrahlgenerator enthalten, welcher durch ein Vakuumventil mit der Arbeitskammer verbunden ist. Der Generator kann unter einem nahezu beliebigen Winkel angeordnet sein.
Elektronenstrahlschweißen Das Elektronenstrahlschweißen (EN ISO 4063: Prozess 51; , EBW) besitzt in der Anwendung als Schmelzschweißprozess für Metalle wegen seiner besonderen Charakteristik herausragende Eigenschaften, die seinen Einsatz sowohl an Mikrobauteilen als auch an dickwandigen Großteilen, sowohl in der Einzelfertigung als auch in der Massenfertigung ermöglichen. Seine fertigungsrelevanten Vorteile können immer dann technisch und wirtschaftlich genutzt werden, wenn schon in der Konstruktion eines Bauteils die Möglichkeiten des Elektronenstrahlschweißens konsequent beachtet werden. Im Folgenden wird die Charakteristik in Stichworten zusammengefasst.
Prozessmerkmale Das Elektronenstrahlschweißen zeichnet sich durch mehrere Merkmale aus. Zunächst erfolgt die geringste Wärmeeinbringung ins Schweißteil im Vergleich zu anderen Verfahren bei gleicher Nahtgeometrie. Dies ermöglicht eine nahezu vollständige Absorption der Strahlenergie (kinetische Partikelenergie) im Metall. Die Strahlparameter lassen den Nahtquerschnitt (Nahtprofil) einstellen, wobei insbesondere ein parallelflankiges Nahtprofil realisiert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist der minimale Verzug des Bauteils. Durch den Tiefschweißeffekt können große Werkstoffquerschnitte in einer Lage geschweißt werden. Außerdem ist das Schweißen an verdeckten Stellen, etwa durch Deckblech oder Ähnliches hindurch, möglich.
Das Verfahren ermöglicht das Schweißen nahezu aller Metalle sowie vieler Metallkombinationen, wobei die Schweißeignung von den metallurgischen Grenzen abhängt. Es handelt sich um ein autogenes Verfahren, bei dem die Grundwerkstoffe der Fügepartner in einem schmalen Bereich miteinander verschmolzen werden. Der Einsatz von Zusatzwerkstoff ist ebenfalls möglich, zur Spaltüberbrückung oder/und aus metallurgischen Gründen. Zudem zeichnet sich das Verfahren durch hohe Schweißgeschwindigkeiten und hohe Abkühlraten aus. Der Schutz der Schmelze im Vakuum ist optimal, was die Prozessstabilität weiter erhöht. Die präzise und reproduzierbare Parametereinstellung sowie die unmittelbare Dokumentation der Prozessparameter bieten eine hohe Prozesskontrolle.
Die Strahlbeeinflussung erfolgt praktisch ohne Trägheit, da Position, Fokussierung und Leistungsverteilung durch sehr schnell veränderbare magnetische Felder gesteuert werden. Zudem bietet das Verfahren eine ausgezeichnete Langzeitstabilität der Strahlerzeugung und -formung. Auch eine automatische Strahl-Stoß-Positionierung sowie die elektronische Strahljustierung und Prozessbeobachtung sind möglich, was zu einem vollautomatischen Prozessablauf führt.
Anwendungsbereich Das Elektronenstrahlschweißen wird bevorzugt für das Fügen von endbearbeiteten Einzelteilen eingesetzt, optimal mit Nullspalt. Es eignet sich sowohl für die Fertigung von Individualteilen als auch für die Massenfertigung, wobei unterschiedliche Maschinentypen zum Einsatz kommen. Eine EB-Maschine wird grundsätzlich als Kompletteinheit geliefert, wobei eine Verkettung in Fertigungslinien oder -zellen möglich ist. Zu den Vorteilen zählen zudem die geringsten Verbrauchskosten, bedingt durch einen hohen Energiewirkungsgrad der Gesamtmaschine (über 40 %), den Verzicht auf Schutzgas und das Fehlen verschleißender Bauteile in der Strahloptik sowie die hohe Kathodenstandzeit.
Die Vakuumkammer und die Evakuierungszeit können an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden. Eine Sonderform des EB-Schweißens ermöglicht auch das Schweißen in freier Atmosphäre (NonVac), wobei ein absolut sicherer Strahlenschutz (Röntgen) durch die Arbeitskammer (Vakuum) oder durch eine Einhausung (NonVac) gewährleistet wird. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts findet das Elektronenstrahlschweißen weltweit und in allen Branchen industrielle Anwendung. Die größten wirtschaftlichen Effekte werden erzielt, wenn die Möglichkeiten des EB-Schweißens (gestalt, Werkstoffe, Fertigungsstufen) bereits in der Phase der Bauteilkonstruktion berücksichtigt werden. Es ist jedoch selten zu empfehlen, konventionelle Fügeverfahren 1:1 durch EB-Schweißen zu ersetzen.
Es stellt einen Vorteil und nicht etwa einen Nachteil des Verfahrens dar, dass die zu fügenden Einzelteile präzise vorbereitet sein können (und sollten), weil es damit die höchst effektive Fertigung von mehr oder weniger komplexen Komponenten erlaubt.
Tiefschweißprozess Der Schweißvorgang geschieht meistens im Vakuum (beim sog. NV-EBW, , Elektronenstrahlschweißen bei Atmosphärendruck, kann dies auch unter Normaldruck geschehen, s. u.). Beim Aufprall der Elektronen auf das Werkstück setzen diese nahezu ihre komplette kinetische Energie durch Stoßprozesse mit den Metallionen in Wärme um. Abhängig von Energie, Leistungsdichte und Schweißgeschwindigkeit sowie von den Werkstoffeigenschaften dringt der Strahl bis in eine gewisse Tiefe ein, bildet die so genannte Tiefschweißkapillare (Dampfkanal, Keyhole), welche mit Metalldampfplasma gefüllt und von schmelzflüssigem Metall umgeben ist. Letzteres erstarrt beim Fortschreiten des Strahlauftreffpunktes und bildet so das Schweißgut – die Verbindung. Auf diese Weise können Querschnitte von wenigen Zehntelmillimetern bis zu einigen Hundert Millimetern in einer einzigen Lage verschweißt werden – natürlich abhängig von den konkreten Parametern und Maschinen. Mehr noch, es wird kein Zusatzwerkstoff benötigt (obgleich ein solcher – aus unterschiedlichen Gründen – ebenfalls zugeführt werden kann).
Der Elektronenstrahl benötigt keinen Spalt, um in die Tiefe zu dringen. Blindnähte zeigen im Querschliff ebenso genau das Nahtprofil. Dieses ist vorzugsweise mit parallelen Flanken versehen (parameterabhängig), so dass mögliche Schrumpfungen nicht zu einem unerwünschten Werkstückverzug führen.
Mit dem Elektronenstrahl können auch Werkstoffkombinationen geschweißt werden – eine entscheidende Möglichkeit bei der konstruktiven Auslegung von Bauteilen. Dies betrifft nicht nur die Kombination unterschiedlicher Stähle, sondern auch – innerhalb der Grenzen von Metallurgie und Belastungsanforderung – die Verbindung sehr unterschiedlicher Metalle.
Die Möglichkeit des einlagigen Schweißens ohne Zusatzwerkstoff bei vergleichsweise hohen Schweißgeschwindigkeiten schafft die Basis für eine hohe Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, welche noch erhöht wird durch die „Ausreizung“ der genannten konstruktiven Lösungen für eine kostengünstige Fertigung komplexer Bauteile.
Elektronenstrahl-Schweißmaschinen