Kupfer und der Elektronenstrahl – zwei wirklich beste Freunde

Laserstrahlen und Elektronenstrahlen – zwei wirklich „beste Feinde“?

Faktisch und vernünftigerweise gibt es durchaus eine Art Wettstreit zwischen Laser- und Elektronenstrahlverfahren. Dieser Wettstreit hat keineswegs einen feindlichen Charakter, weist jedoch ein gewisses Ungleichgewicht auf. Eine Ursache für das noch zu oft unterschätzte Können der Elektronenstrahltechnologien beim Schweißen liegt unter anderem darin begründet, dass zu wenige Fachleute in der Industrie mit den vielseitigen Möglichkeiten der Elektronenstrahl-Anwendung vertraut sind. Sei es, weil sie während ihrer Ausbildung darüber zu wenig erfahren haben, oder weil die Popularität des Lasers einfach größer ist. Folglich werden Kupfer und Kupferlegierungen häufig und bewusst herasusfordernd mit dem Laser geschweißt, ohne dass Alternativen in Erwägung gezogen werden.

Werden Laserstrahlen für das Schweißen von Kupferwerkstoffen genutzt, setzt man entweder auf eine frequenzgewandelte grüne oder blaue Laserstrahlung oder aber auf infrarote Laserstrahlen, die im Vakuum genutzt werden. Grüne oder blaue Laser sind aus wirtschaftlicher Perspektive kritisch zu sehen, da sie anlagentechnisch sehr teuer und energetisch ineffizient sind – im Vergleich dazu ist der Elektronenstrahl deutlich im Vorteil: Die Investitionskosten für eine Elektronenstrahlmaschine sind absolut vergleichbar mit denen einer Laseranlage – nicht des Lasers allein – , die dieselben Aufgaben erfüllen soll. Als Verbrauchsteil besitzt eine Elektronenstrahl-Maschine allerdings einzig und allein die Kathode, welche eine Standzeit von sehr vielen Strahl-ein-Stunden besitzt und nur wenige zehn Euro kostet. Unschlagbar aber ist die energetische Effizienz einer Elektronenstrahl-Maschine. Exakte Messungen über einen ganzen Arbeitszyklus mit allen Nebenzeiten und 6 kW Strahl haben nachgewiesen, dass mehr als 50 Prozent der aus dem Netz entnommenen elektrischen Leistung als Strahlleistung am Bauteil ankommen. Und mit höherer Strahlleistung – für größere Querschnitte – steigt dieser Prozentsatz weiter an.

Beim Schweißen von Kupferwerkstoffen im Vakuum kann der Elektronenstrahl ebenfalls punkten, da er im Vakuum − technisch gesehen – ohnehin zu Hause ist. Doch warum eignet sich der Elektronenstrahl so hervorragend zum Kupferschweißen? Wie der Laser kann auch der Elektronenstrahl mit höchster Leistungsdichte auf das Werkstück appliziert werden, allerdings wird die Energie des Elektronenstrahls beim Auftreffen sofort zu mehr als 95 Prozent in Schweißwärme umgewandelt, was für den Prozess und die Wirtschaftlichkeit gleichermaßen deutliche Vorteile mit sich bringt. Reflexionsprobleme treten beim Schweißen von Kupfer und Kupferlegierungen mit dem Elektronenstrahl zudem nicht auf, auch die hohe Wärmeleitfähigkeit der Kupferwerkstoffe stellt wegen der möglichen hohen Schweißgeschwindigkeit kein Hindernis dar.

Bei den Bauteilgeometrien oder -dicken gibt es ebenfalls nahezu keine Einschränkungen für den Elektronenstrahl: Dank des Tiefschweißeffektes ist es möglich, Querschnitte mit einer Dicke von zig Millimetern in einem einzigen Durchgang zu verschweißen – in unterschiedlichsten Fügestellengeometrien und ohne Zusatzwerkstoff. Und durch die präzise Leistungssteuerung lassen sich andererseits auch dünnste Folien mit dem Elektronenstrahl fügen.

Große Anwendungsvielfalt

Die Schweißparameter sollten, wie immer, für jede Schweißanwendung im Vorfeld sorgfältig ermittelt werden, denn dafür gibt es auch beim Elektronenstrahlschweißen kein Patentrezept. Sowohl beim Elektronenstrahlschweißen als auch beim Laserschweißen gilt es dabei einen Kompromiss zu finden im Verhältnis der Schweißeignung des Kupferwerkstoffs zu den anderen für die jeweilige Anwendung erforderlichen Werkstoffeigenschaften. Sind die Schweißparameter aber einmal richtig eingestellt, sind beim Schweißen mit dem Elektronenstrahl zuverlässig spritzerfreie Nahtoberraupen möglich.