Untersuchung zum thermischen Schneiden mit dem atmosphärischen Elektronenstrahl (NVEB).
Final Report Abstract
Im abgeschlossenen Projekt wurden wichtige Untersuchungen zur Bewertung der untersuchten Verfahrensvarianten zum NVEBC durchgeführt. Das atmosphärische Elektronenstrahlschneiden mit Unterdruckabsaugung erreicht extrem hohe Schneidgeschwindigkeiten bei geringer Wärmeeinbringung und niedriger Emission von Rauch aus dem Prozess. Neben der stark erhöhten Produktivität bietet die atmosphärische Elektronenstrahltechnik noch weitere Vorteile. Dieses Verfahren zeichnet sich durch sehr hohe erreichbare Schneidgeschwindigkeiten aus und verfügt zugleich über eine sehr gute Schnittqualität. Zusätzlich wird durch die hohe Geschwindigkeit und die weiteren Eigenschaften des Verfahrens sehr wenig Wärme in das Schneidgut eingebracht. Beim Schneiden von nichtrostendem, austenitischen Stahl (3 mm Dicke) wird nach DIN EN ISO 9013 Bereich 2 für die Neigungstoleranz und die Rauhtiefe der Schnittkanten erreicht. Es kommt zum Tragen, dass die Materialbearbeitung mit dem Elektronenstrahl über einen sehr hohen Wirkungsgrad bei hoher Leistungsdichte von über 1 MW/cm² verfügt. Der Elektronenstrahl findet zudem besonders gute Voraussetzungen für seine Ausbreitung in der Schnittfuge vor, die Schmelze wird im Moment ihrer Entstehung sofort abgesaugt und zugleich ist der Druck in der Fuge reduziert. Das Verfahren zeichnet sich neben der hohen Vorschubgeschwindigkeit und der guten Qualität auch durch den besonders sauberen Schnittprozess aus. Die entstehenden Aerosole und Stäube werden durch die Saugströmung direkt in das Unterdrucksystem abgeführt und dort abgeschieden. Im laufenden Prozess gelangen somit keine Stäube oder Rauche nach außen. Die mit diesem Verfahren erzeugten Schnittkanten können in der Regel ohne weitere Bearbeitungsschritte mit dem atmosphärischen Elektronenstrahl auf derselben Anlage wieder verschweißt werden. Die Vereinigung des Schneid- und des Schweißprozesses auf einer Anlage erhöht die Produktivität darüber hinaus. Rüstzeiten, Kalibrierungen und Programmierung der Schneid- und Schweißanlage müssen pro Bauteil nur einmal durchgeführt werden. Dies erspart einen zeitaufwendigen Arbeitsschritt und erhöht die Produktivität der Prozesskette. Die besondere Form der Einwirkungszone beim Schweißprozess mittels NVEB erlaubt eine sehr materialsparende Schweißnahtvorbereitung. Bei Verwendung vom NVEBC zur Nahtvorbereitung entstehen sehr enge V-Nahtfugen mit spitzem Öffnungswinkel, die sich ideal für den Schweißprozess mittels atmosphärischem Elektronenstrahl eignen. Die Toleranzeigenschaften und die gute Spaltüberbrückung des NVEBW reduzieren die Anforderungen an die Schweißnahtvorbereitung und erleichterten die Einrichtung des Schweißprozesses. Mit der Realisierung einer Prozesskombination aus NVEBC und anschließendem NVEBW kann die hohe Anfangsinvestition für atmosphärische Elektronenstrahltechnik kompensiert werden, so dass die ökonomische Anwendung dieser Technologie bereits bei geringeren Stückzahlen besser erreicht werden kann. Die notwendigen Randbedingungen für eine weiterführende Ausnutzung des Potentials dieses neuen Schneidverfahrens wurden in diesem Projekt erschlossen. Insbesondere der notwendige Unterdruck und sein Einfluss auf das Verfahren wurden untersucht. Hiermit ist es möglich, in weiteren Schritten eine anwendungsnahe Technologie zu entwickeln, die mit einem mitbewegten Absaugkopf einen hocheffizienten Schneidprozess ermöglicht, ohne dass die Eignung des NVEB Erzeugers zum Schweißen beeinträchtigt wird. Im Projekt wurden außerdem Verfahrensvarianten mit Schmelzeaustreibung durch einen Gasstrahl von oben untersucht. Hierzu wurde das vorhandene Druckstufensystem grundlegend verändert, so dass nun ein System vorliegt, dass für derartige Schneidprozesse eine geometrisch günstige Form hat. Die gegenseitige Beeinflussung der Gasströmung mit dem Elektronenstrahl hat sich aber im Projekt als ungünstig erwiesen, so dass anders als beim Verfahren mit Absaugung kaum zufriedenstellende Schnitte erzeugt werden konnten. Das neue Druckstufensystem bietet aber zusätzliche Vorteile, die beim NVEBW in Hinsicht auf Pulver- und Drahtzuführung genutzt werden kann.
Publications
- (2011): Schneiden und Schweißen von Kupfer mit dem Elektronenstrahl, Metall - Internationale Fachzeitschrift für Metallurgie 65 (11), S. 507– 511
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- (2011): Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Bearbeiten von Werkstoffen mit einem Elektronenstrahl und Gas , Veröffentlichungs-Nummer EP000002322309A1
Bach, Fr.-W.; Beniyash, A.; Hassel, T.; Konya, R.; Murray, N.; Ruchay, W.
- (2012): New advances in non-vacuum electron beam cutting, In: Wilfried Behr (Hg.): International Electron Beam Welding Conference. Lectures of the 2nd IEBW Conference, Aachen, March 26 - 30, 2012. Düsseldorf: DVS Media (DVS- Berichte, 285)
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- Non-vacuum electron beam cutting and welding – Two partnering processes for fast and highly efficient metal working, IIW Annual Assembly, Denver, 2012
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- (2013): Die Verwendung atmosphärischer Elektronenstrahltechnologien als thermisches Schneidwerkzeug, 13. Werkstoff-Forum, Hannover Messe 2013. Deutsche Messe AG / IW. Hannover, 11.04.2013
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- 2013): Nonvacuum electron beam cutting and welding—two partnering processes for fast and highly efficient metal working, In: Welding in the World 57 (3), S. 315–322
Hassel, T.; Murray, N.; Konya, R.; Beniyash, A.; Bach, Fr.-W.
(See online at https://doi.org/10.1007/s40194-013-0032-8) - (2014): Non-vacuum electron beam cutting - A new high performance process, E&E – Electrotechnica & Electronica, 49 (5-6), 2014, 303-309, ISSN: 0861-4717
T. Hassel, N. Murray, A. Beniyash, N. Rempe, S. Kornilov
