Messung der Strahlqualität einer Elektronenstrahlanlage in Umgebungsatmosphäre. Measurement of electron beam quality for non vacuum electron beam equipment

45Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2010, 41, No. 1 DOI 10.1002/mawe.200900537

Messung der Strahlqualit�t einer Elektronenstrahlanlagein Umgebungsatmosph�re

Measurement of electron beam quality for non vacuum electron beamequipment

U. Reisgen1, M. Schleser1, A. Abdurakhmanov1, H. Masny2

In den letzten Jahrzehnten hat das Elektronenstrahlschweißen, das bereits im gr�ßeren Maß-stab verwendet wird, seine F�higkeit als qualitatives Werkzeug f�r die Verbindung verschiede-ner Materialen nachgewiesen. Das Non Vacuum Electron Beam Welding (NV-EBW) hat zahlrei-che Vorteile im Vergleich zum Elektronenstrahlschweißen im Vakuum, da man unter normalemAtmosph�rendruck arbeiten kann. Im Hinblick auf die reproduzierbare Qualit�t, insbesondereim Bereich der Massen-Fertigung, ist die Kontrolle der Strahlparameter sowie deren Einfluss aufdas Schweißergebnis von großer Bedeutung. Durch eine genaue Kenntnis der Strahlkenngr�ßenwie des Strahldurchmessers und der Leistungsdichteverteilung kann eine Aussage �ber die sichausbildende Schweißnaht sowie die Schweißbaddynamik getroffen werden. Messungen derStrahlkenngr�ßen im Prozess erlauben insbesondere die Untersuchung von Humping-Effekten.In diesem Beitrag wird der Prozess der Elektronenstrahlvermessung unter atmosph�rischenBedingungen beschrieben. Es wird zudem die Abh�ngigkeit der Elektronenstrahlcharakteristikavon den verschiedenen Prozessparametern dargestellt.

Schl�sselw�rter: Elektronenstrahl / Leistungsdichtverteilung / Messsensor / Plasma / Strahlstrom /

In the last decade the electron beam welding has proved its capability as a qualitative instrumentfor joining of different materials. The Non Vacuum Electron Beam Welding (NV-EBW) with its pos-sibility to work under atmospheric pressure has numerous benefits compared to the electronbeam welding in vacuum. The control of electron beam parameters and their influence on wel-ding results is of great importance in regard to the reproducible quality especially in the field ofmass production. Predictions may be done about the weld seam and its pool dynamics under theproperly acquirement of beam properties such as beam diameter or beam power distribution.This allows especially the investigation of humping phenomena. In this paper the process of elec-tron beam measurement under air pressure is described. Dependencies upon electron beam pro-perties under different welding parameters are presented.

Keywords: electron beam / power density distribution / measuring sensor / plasma / beam current /

1 Einleitung

Zur vollst�ndigen Nutzung der Vorteile des Elektronenstrahlsals Schweißwerkzeug ist die Kenntnis aller Strahleigenschaftenerforderlich. Die dabei ablaufenden Prozesse sind �ußerst kom-plex und durch eine Vielzahl unterschiedlicher Parameter wiebeispielsweise Beschleunigungsspannung, Strahlstrom, Fokus-lage oder Leistungsdichteverteilung gekennzeichnet. Mit derKenntnis des Zusammenhanges zwischen den Strahlparame-

tern und den Schweißergebnissen k�nnen Prozessparameterbesser an die Schweißaufgaben angepasst werden, ohne zahlrei-che und kostenintensive Vorversuche durchf�hren zu m�ssen[1].

F�r die Vermessung des Elektronenstrahls an Atmosph�re exi-stierten bis dato nur unzureichende Messsysteme, die nurwenige und unzureichende Erkenntnisse �ber den Elektronen-strahl lieferten. Es besteht jedoch ein großes Interesse an derEntwicklung eines Strahlvermessungssystems f�r die exakteund schnelle Erfassung der Leistungsdichteverteilung beim NV-EBW.

Die Kontrolle �ber die Strahlparameter wurde bisher nuranhand von Messungen des gesamten Strahlstromes bzw.Strahlwirkungsgrades durchgef�hrt. Diese Art der Messung lie-fert aber nur mangelhafte Informationen �ber den Elektronen-strahl und keine �ber die Strahlcharakteristik. F�r eine guteReproduzierbarkeit der Schweißergebnisse ist es wichtig, auch

1 Institut f�r Schweißtechnik und F�getechnik, RWTH Aachen, Ger-many

2 MT Aerospace AG, Augsburg

Korrespondenzautor: Aydemir Abdurakhmanov, Institut f�rSchweißtechnik und F�getechnik (ISF), RWTH Aachen, Pontstraße 42,52062 AachenE-Mail: [email protected]

i 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.wiley-vch-de/home/muw

U. Reisgen et al. Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2010, 41, No. 1

die Leistungsdichte bzw. den Strahldurchmesser kontrollierenzu k�nnen

Zur Ermittlung der verschiedenen Parameter des Elektronen-strahls und nicht zuletzt, um einen Parametertransfer zwischenden unterschiedlichen EB (Electron Beam)-Anlagen zu vereinfa-chen, ist das Strahlvermessungssystem DIABEAM am Institutf�r Schweißtechnische Fertigungsverfahren der RWTH-Aachenentwickelt worden [2, 3]. Das DIABEAM-Strahldiagnostiksystemerm�glicht die Signalerfassung des Elektronenstrahls bis zueiner Leistung von 100 kW. Es existieren bereits unterschiedlicheSensorarten, wie z.B. Hole- und Slit-Sensor f�r die Strahldiagno-stik des Elektronenstrahls imVakuum, die jedoch nicht ohneweiteres f�r den Prozess an der Atmosph�re angewendet werdenk�nnen. Der Elektronenstrahl beim NV-EBW wird auf die Aus-trittsd�se fokussiert, die einen Durchmesser von 1–2 mm auf-weist. Mit steigendem Umgebungsdruck wird der Elektronen-strahl durch Kollision mit Gasmolek�len gestreut und weitetsich auf. In der Atmosph�re beh�lt der Kernstrahl nur auf einerkurzen Strecke seine urspr�ngliche Leistungsdichte.

Eine M�glichkeit der Strahldiagnostik beim NV-EBW bietetder Einsatz eines rotierenden Sensors. Bei der Messung mit die-sem Sensorprinzip bewegt sich ein rotierender Wolframdrahtmit einem Durchmesser von 0,1 mm–0,5 mm mit bis zu 1000s – 1 durch den Strahl. Hierbei ist es nicht erforderlich, den Strahlabzulenken. Der vom Draht abgeleitete Strom wird in Formeines Spannungssignals gemessen. Im Weiteren wird das Mes-sungsprinzip beschrieben.

2 Prinzip der Strahlvermessungen

F�r die Non-Vacuum-Strahldiagnostik wurde im Rahmen einesForschungsprojektes [4] ein Strahlvermessungssystem f�r eineortsaufgel�ste Elektronenstrahldiagnostik unter Atmosph�reentwickelt. Mit diesem Messsystem wird es erm�glicht, denElektronenstrahl an Atmosph�re zu vermessen und zu bewer-ten. Das Prinzip des rotierenden Drahtsensors eignet sich beson-ders gut f�r die Diagnostik des Elektronenstrahls an Atmo-sph�re. Der Drahtsensor kann in einem geringen Abstand andem Strahlaustritt aus dem Druckstufensystem installiert wer-den, so dass eine Messung trotz der Strahlaufweitung m�glichist. Ein weiterer Vorteil dieses Messprinzips ist die M�glichkeitder Online-Messung w�hrend eines Schweißprozesses.

Außerdem kann der rotierende Drahtsensor den Einfluss derthermischen Belastung aufgrund der langen K�hlphase sehr gut

verkraften. Der d�nne Drahtsensor ist auf seiner kreisf�rmigenUmlaufbahn der thermischen Belastung nur zu dem Zeitpunktausgesetzt, an dem er den Elektronenstrahl durchquert. Auf derrestlichen Umlaufbahn wird er luftgek�hlt, Bild 1.

Die Elektronenstrahlvermessung kann nach zwei Arten aus-gef�hrt werden. Die erste Variante f�hrt den rotierenden Draht-sensor mittels einer translatorischen Bewegung durch den Elek-tronenstrahl. In Kombination mit der Rotation wird der Strahlsomit in Bahnen abgetastet, Bild 2 links. Da dies einer schrittwei-sen Messung entspricht, darf nicht ein langer Draht wie bei dereindimensionalen Messung verwendet werden, sondern nureine Drahtspitze. Je kleiner die Spitze gew�hlt wird, destogenauer ist die Messung, da der Strahl in kleineren Schrittenabgetastet werden kann. Ein Problem bei dieser Anordnungstellt die Halterung des Drahtes dar. Dieser muss von einemtemperaturbest�ndigen und isolierenden Werkstoff gef�hrt undgehalten werden. An diesem Isolierelement entsteht jedoch eineelektrostatische Ladung, die einen negativen Einfluss auf dieMessung nehmen kann. Um Messfehler zu vermeiden mussdiese elektrostatische Ladung abgef�hrt werden. Die zweiteM�glichkeit den Rotorsensor relativ zum Elektronenstrahl zuverfahren, ist eine zus�tzliche rotatorische Bewegung des Rotor-sensors, Bild 2 rechts. Dabei wird der Drahtsensor in einer Kreis-bewegung um den Strahl in Winkelschritten herumgef�hrt.Hierbei werden keine kontinuierlichen, sondern einzelne Mes-sungen durchgef�hrt und somit kann eine zweidimensionaleStromdichteverteilung gemessen werden.

Als Sensor dient bei beiden Methoden ein Wolframdraht miteinem Durchmesser zwischen 0,1 mm und 0,5 mm. Aufgrundder Forderung nach einem elektrisch leitf�higen und thermisch

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Bild 1. Darstellung der thermischen Belastung beim rotierendenDrahtsensor.

Fig. 1. Thermal charge by revolving wire sensor.

Bild 2. Prinzipl�sungen zur Strah-labtastung

Fig. 2. Principe of beam scanning.

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hochbelastbaren Werkstoff wurde Wolfram als Sensormaterialausgew�hlt. Alternativ kann auch Tantal- oder Molybd�ndrahtverwendet werden.

Das Problem der elektrostatischen Aufladung des Drahthal-ters kann mit einer kupferbeschichteten Keramikh�lse gel�stwerden. Das sich aufbauende elektrische Potenzial wird durchdie leitende Beschichtung zur Masse abgef�hrt.

Wird der Elektronenstrahl nur durch die Rotation des Sensorsvermessen, entspricht das der eindimensionalen Strahlvermes-sung. Hierbei wird der Drahtsensor auf der gesamten L�nge aufeiner Kreisbahn durch den Elektronenstrahl gef�hrt. Aus demgemessenen Signal lassen sich der Strahldurchmesser und diemaximalen Amplitudenwerte des Signals bestimmen.

Zu einer exakten Vermessung des Elektronenstrahls bedarf eseiner zweidimensionalen Erfassung. Dazu muss der Sensorzus�tzlich zur Rotation durch den Strahl gef�hrt werden. Dieskann durch eine translatorische oder durch eine weitere rotie-rende Bewegung um die Strahlachse erfolgen.

Das Messsystem garantiert die M�glichkeit zweier verschiede-ner Messungen des NV-EBW Prozesses. Zum einen kann dasMesssystem mittels einer zus�tzlichen Linearachse den Elektro-nenstrahl an Atmosph�re mehrdimensional vermessen. Hier-

durch wird in Verbindung mit dem Auswertesystem DIABEAMdie genaue mehrdimensionale Vermessung des Elektronen-strahls und Darstellung der Strahlcharakteristika erm�glicht,Bild 3 links. Als zweite Anwendungsm�glichkeit, Bild 3 rechts,kann das Messsystem ohne die Linearachse an dem Druckstu-fensystem montiert werden und eine eindimensionale Vermes-sung oder eine Online-Messung w�hrend des eigentlichenSchweißprozesses erm�glichen. Hierbei werden Erkenntnisse�ber die Wechselwirkungen zwischen dem Werkstoff und demElektronenstrahl geliefert.

Der Messsensor kann f�r die Strahlvermessung des Elektro-nenstrahls an Atmosph�re mit bis zu 25 KW Leistung eingesetztwerden. Die Qualit�t und die Genauigkeit der Strahlvermessungh�ngen sehr stark von der Genauigkeit des gesamten Mess-systems ab. Insbesondere die Koordination der rotatorischen,der translatorischen Bewegung und der Signalabtastung ist vongroßer Bedeutung.

Der schematische Aufbau des Strahlvermessungssystems istin Bild 4 dargestellt.

Dabei wird das vom Sensor gemessene Signal zu einer Kurz-zeitspeicherkarte gesendet. Die rechnerische Auswertung deskompletten Messsignals wird von der DIABEAM Programmsoft-

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Bild 3. Komplettes Messsystem f�r a) mehr-dimensionale und b) Online-Strahlvermes-sung.

Fig. 3. Measurement system for a) multidi-mensional and b) in-process beam measure-ment.

Bild 4. Schematischer Aufbau des DIABEAM Vermessungssystems.

Fig. 4. Schematical configuration for DIABEAM measurement system.


ware durchgef�hrt und nach der Messung visuell dargestellt.Die Auswertung enth�lt die Durchmesserverteilung im Strahl,die Verteilung der Leistungsdichte im Strahl als dreidimensio-nale Darstellung sowie Linien konstanter Leistungsdichte, die90 %, 70 %, 50 %, 30 % und 10 % der Gesamtleistung im Strahlumfassen. Außerdem liegen in tabellarischer Form alle vorge-nommenen Parametereinstellungen vor. Um bei der Signalaus-wertung ein m�glichst großes Nutz-St�rsignalverh�ltnis zuerzielen, werden die Messsignale, die �blicherweise Stromst�r-ken im Bereich weniger lA entsprechen, verst�rkt.

3 DIABEAM Auswertungsgr�ßen

Das Softwareauswertungssystem DIABEAM bietet dem Benut-zer drei M�glichkeiten (diameters, distribution und power den-sity) zur Auswertung der Elektronenstrahlcharakteristik an. Fol-gend werden diese erl�utert, anhand von jeweils derselben Mes-sung.

3.1 Durchmesser

Die unterschiedlichen Durchmesser des Strahls sind ein wichti-ges Werkzeug, um die Strahlcharakteristik zu beschreiben. DieDurchmesser k�nnen auf zwei unterschiedliche Arten definiertwerden. F�r die Definitionskl�rung ist es am verst�ndlichsten,die Strahldurchmesserarten zuerst unter der Annahme einersymmetrischen Verteilung zu betrachten, Bild 5. Wichtig f�r diebeiden Darstellungsarten ist, dass sich die Elektronendichte undsomit auch die Leistungsdichte proportional zu der gemessenenSignalamplitude verhalten.

Bei der ersten M�glichkeit, in Bild 5 links dargestellt, sind dieDurchmesser als die Breite der Verteilung eines gegebenenAnteils (10 %, 30 %, 50 %, 70 %, 90 %) der maximalen Signal-amplitude der aktuellen Messung definiert. Der Strahldurch-messer dX, wobei X der Amplitudenanteil in Prozent ist,beschreibt unter der Annahme der symmetrischen Verteilungden Durchmesser eines Kreises, der alle Amplituden enth�lt, diegr�ßer sind als X%. Die mittels der f�nf kreis�hnlichen Kontu-ren dargestellten Strahlanteile beinhalten alle Amplituden, dieeinen gegebenen Amplitudenanteil, der durch die Konturenfl�-che AX festgelegt ist, �berschreiten. Bei dieser M�glichkeit ist derDurchmesser dX als der Durchmesser definiert, den ein symme-trischer Kreis mit der Fl�che AX besitzt:

dx ¼ 2 �ffiffiffiffiffiffiffiffiffi

Ax

�

r

ð1Þ

Bei der zweiten M�glichkeit, in Bild 5 rechts dargestellt, wer-den die Strahldurchmesser nicht anhand der Verkleinerung derSignalamplitude definiert, sondern das Integral der Leistungs-dichte wird �ber das Strahlgebiet im Verh�ltnis zu einem gege-benen Anteil der totalen Strahlleistung ausgewertet. Das bedeu-tet, dass die Elektronendichte pro Zeitintervall, welche im jewei-ligen Strahlanteil vorliegt, X% der gesamten Strahlleistung ent-spricht. Falls der vereinfachte rotationssymmetrische Fallbetrachtet wird, gilt die Formel:

Px ¼Z

dPx=2

0

pðrÞ2�dr ð2Þ

Dabei ist p(r) die Funktion der zweidimensionalen Leistungs-verteilung, dPx der Strahldurchmesser und Px die Strahlleistunginnerhalb der Fl�che mit dem Durchmesser dPx. Der Durchmes-ser dPx stellt den Durchmesser des Kreises dar, der eine �quiva-lente Fl�che APx definiert:

dPx ¼ 2 �ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi

APx

�

r

ð3Þ

X ist der Anteil der Gesamtleistung:

X ¼ Px

Pgesamt¼Z

APx

pðx; yÞdA ð4Þ

3.2 Verteilung

Das Bild 6 links stellt die dreidimensionale Verteilung der Lei-stungsdichte eines Elektronenstrahls einer NV-EBW-Anlage dar.Durch die Kombination von 50 unterschiedlichen Messlinienmit 50 Messwerten f�r jede einzelne Messlinie, kann die dreidi-mensionale Darstellung der Leistungsdichteverteilung gebildetwerden. Im Beispiel betr�gt die Messfeldgr�ße 15 mm x 15 mm.Die farbigen Kreise zeigen die Positionen der f�nf unterschiedli-chen Strahldurchmesser an, welche von der jeweils aktuellengemessenen Verteilung der Leistungsdichte abh�ngig sind. Daes sich bei dieser Darstellung um die Verteilung der Leistungs-dichte handelt, werden die Durchmesser mit Hilfe der Lei-stungsdefinition festgelegt.

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Bild 5. Arten der Strahldurchmesserdefinition.

Fig. 5. Kind of electron beam diameter’s defi-nition.


3.3 Leistungsdichten

Die Verteilung der Leistungsdichte kann mit dem DIABEAM-System auch in Form eines zweidimensionalen Diagrammsvisualisiert werden. Die Messfeldgr�ße ist dabei anhand desKoordinatensystems ablesbar. Ferner l�sst sich �ber die farblicheVergleichsm�glichkeit mit einer Skala die Verteilung sehr leichtin Form einer Draufsicht auf das Messfeld ablesen, Bild 6b. DieSkala ist jedoch an die jeweilige Messung angepasst. Somit istdas in der Skala angezeigte Maximum auch immer das Maxi-mum der Leistungsdichte der aktuellen Messung. Farbliche Ver-gleiche der Leistungsdichte unterschiedlicher Messungen f�h-ren somit zu falschen Interpretationen. F�r Vergleichszweckemuss jeweils die der Farbe zugeordnete Leistungsdichte betrach-tet werden.

4 Einfluss der Anlagenkenngr�ßenund der Arbeitsparameter auf dieElektronenstrahlcharakteristik

Die Verifikation des entwickelten Messsystems erfolgte anhandder Vermessung von zwei Elektronenstrahlanlagen an Atmo-sph�re mit 150 bis 175 kV Beschleunigungspannung. Dabeiwurden zahlreiche Untersuchungen zum Einfluss der verschie-denen strahlqualit�tskritischen Kenngr�ßen und Prozesspara-meter auf die Strahlgeometrie durchgef�hrt. Es wurden Versu-che im gesamten realen Arbeitsfeld des NV-EBW Prozessesdurchgef�hrt. Die Eignung dieses Vermessungssystems wurdedabei insbesondere f�r die Elektronenstrahlvermessung beihohen Leistungen �berpr�ft.

4.1 Strahlvermessung in Abh�ngigkeit vom Strahlstrom

Der Strahlstrom als Anlagenparameter ist eine der wichtigstenEinstellgr�ßen beim NV-EBW Prozess. Er bestimmt zusammenmit der Beschleunigungsspannung die Strahlleistung:P ¼ Uacc � IB, die in besonderem Maße die Kr�fte im Dampfka-nal und im Schmelzmantel beeinflusst.

Es wurde der Einfluss der variablen Eingangsstromst�rke aufden Strahlwirkungsgrad und die Strahlform untersucht. DieUntersuchung des Strahlwirkungsgrades zeigt deutlich, dass derStrahlstrom einen sehr starken Einfluss auf diesen hat. Mit stei-gendem Strahlstrom nimmt der Strahlwirkungsgrad stark ab,Bild 7.

Die Untersuchungen des Elektronenstrahlprofils zeigen einestarke Ver�nderung der Strahlcharakteristik bei h�heren Strahl-str�men, Bild 8. Bei niedrigen Strahlleistungen zeigen die Mes-sungen eine Gaußsche Verteilung des Energieprofils. Beih�heren Stromst�rken �ndert sich jedoch die Strahlcharakteri-stik. Am Rand des Elektronenstrahls bildet sich ein Energiemaxi-mum. Der Bereich der �nderung der Strahlcharakteristik stehtin komplexer Abh�ngigkeit mit anderen Prozessgr�ßen. DieStrahlcharakteristik�nderung ist auf die Bildung und den Ein-fluss des Plasmas zur�ckzuf�hren. Plasma ist ein ionisiertesGas, welches durch die Kollisionen der beschleunigten Elektro-

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Bild 6. a und Bild. 6.b Strahlvermessung mitdreidimensionalen Elektronenstrahldarstellun-gen. U = 150 kV, I = 100 mA, A = 15 mm,Helium = 40 l/min.

Fig. 6. a and Fig. 6.b 3D electron beam powerdistribution. U = 150 kV, I = 100 mA, A =15 mm, Helium = 40 l/min.

Bild 7. Strahlwirkungsgrad in Abh�ngigkeit von Strahlstrom.

Fig. 7. Beam efficiency against the beam current.

Bild 8. Strahlvermessung in Abh�ngigkeit vom Strahlstrom, U = 150kV, Helium = 40 l/min.

Fig. 8. Beam measurement against the beam current. U = 150 kV,Helium = 40 l/min.


nen mit den Gasatomen der Atmosph�re, des Arbeitsgases unddes Metalldampfes entsteht. Plasma zeichnet sich dadurch aus,dass im Randbereich des Plasmas eine Potenzialdifferenz vor-liegt. Diese Potenzialdifferenz kann das Messsignal beeinflussenund eine Ursache f�r die Spaltung des Elektronenstrahlprofils inder Atmosph�re sein.

Die beschriebenen Messreihen wurden mit dem Messsensorf�r eine eindimensionale Strahlvermessung durchgef�hrt.Dabei wird ein rotationssymmetrischer Elektronenstrahl voraus-gesetzt.

Mit der Entstehung eines Ringmaximums verlagert sich dasMaximum der Leistungsdichte jedoch aus dem Mittelpunkt derStrahlachse heraus und umschließt diese ringf�rmig. Mit derSpaltung des Signals sinkt die maximale Leistungsdichte rapideim Vergleich zum letzten Wert mit gaußf�rmiger Verteilung abund beh�lt auch bei weiterer Erh�hung des Strahlstromes diesenWert bei. Das im Zentrum dieses Ringes entstandene Minimumwird mit steigendem Strahlstrom gr�ßer, das heißt die Lei-stungsdichte wird dort kleiner.

Bild 6 stellt die Ergebnisse von der mehrdimensionalen Elek-tronenstrahlvermessung dar.

4.2 Strahlvermessung in Abh�ngigkeit vomArbeitsabstand

Beim NV-EBW Prozess ist der Arbeitsabstand als der Abstandzwischen der unteren Kante des Druckstufensystems und derWerkst�ckoberfl�che bzw. dem Messsensor bei der Strahlver-messung definiert. Das Energieprofil des Strahls ist stark vomArbeitsabstand abh�ngig. Es ist in zahlreichen Literaturstelleneindeutig belegt [5], dass die Erh�hung des Arbeitsabstandesbeim NV-EBW Prozess maßgeblich f�r die Aufweitung desStrahles ist. Die Leistungsdichteverteilung und die Strahldurch-messerverteilung in Abh�ngigkeit vom Arbeitsabstand sind inBild 9 wiedergegeben.

Die Ver�nderungen der Strahlbreite bei unterschiedlichenArbeitsabst�nden sind in beiden Abbildungen deutlich erkenn-bar. Die Strahlvermessungsuntersuchungen zeigen, dass sichdie maximale Leistungsdichte exponentiell zum Arbeitsabstandverh�lt. Je geringer der Abstand, desto gr�ßer ist die maximale

Leistungsdichte. Dieses Ergebnis war zu erwarten, da der Elek-tronenstrahl durch die Kollisionen an der Atmosph�re mitzunehmendem Abstand vom Druckstufensystem stark an Lei-stungsdichte verliert. Bei gr�ßeren Arbeitsabst�nden zeigt sichdeutlich, dass die Begrenzungen gleicher Leistungsdichtenunregelm�ßiger verteilt sind. Dies kann auf St�rungen, diedurch die Luftverwirbelungen von dem Rotorsensor verursachtwerden, zur�ckgef�hrt werden. Dar�ber hinaus k�nnten dieMesssignale zus�tzlich durch die r�ckgestreuten Elektronenbeeinflusst werden. Der Leistungsdichteverlust steigt mit wach-sendem Arbeitsabstand an.

4.3 Strahlvermessung in Abh�ngigkeit vomKathodenheizstrom

Die Untersuchungen zum Einfluss des Kathodenheizstroms aufdie Strahlcharakteristik beim NV-EBW zeigen keine Beeinflus-sung des Strahlprofils, Bild 10. Die Strahlcharakteristik zeigt imgesamten Messbereich vom unges�ttigten bis zum gesamtenS�ttigungsbereich eine Spaltung des Strahlprofils. Die Parame-terwahl von 100 mA Strahlstrom und einem Arbeitsabstand von10 mm wurde gezielt gew�hlt, um den Einfluss auf die Spaltungdes Strahlprofils zu untersuchen. Da der Kathodenheizstromkeine Beeinflussung des Strahlprofils zeigt, wird die Beeinflus-sung der Strahlcharakteristik durch das Plasma bekr�ftigt.

4.4 Strahlvermessungen f�r Prozessgase

Beim NV-EBW kommen verschiedene Arbeitsgase zum Einsatz.Die Arbeitsgase beeinflussen sowohl die Strahlausbildung indem Strahlerzeuger als auch die Nahtausbildung. Bisher ent-spricht es dem Stand der Technik, beim NV-EBW mit Helium alsArbeitsgas zu schweißen und bei den meisten Anwendungenzus�tzlich einen Cross-Jet zu verwenden. Die Untersuchungenzeigen, dass Helium als Arbeitsgas deutlich vorteilhafter alsArgon oder Luft ist [5]. Die weiteren Untersuchungen zeigenden Einfluss der Arbeitsgase auf den Strahlwirkungsgrad undauf die Strahlcharakteristik.

Die Messungen mit verschiedenen Heliumdurchflussmengenzeigen, dass der Strahlwirkungsgrad mit steigendem Helium-

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Bild 9. a Leistungsdichte und Bild 9.b Strahldurchmesser in Abh�ngigkeit vom Arbeitsabstand, U = 150 kV, Helium = 40 l/min.

Fig. 9. a Power density and Fig. 9.b beam diameter against the work distance. U = 150 kV, Helium = 40 l/min.


durchfluss zun�chst ansteigt. Ab einem Wert von 40 l/min sta-gniert der Strahlwirkungsgrad allerdings auf einem Niveau vonca. 91,5 %, Bild 11. Es ist daher nicht sinnvoll mit einem Helium-durchfluss von deutlich �ber 40 l/min zu arbeiten. Dies wird dieProzesskosten unn�tig erh�hen, ohne den Wirkungsgrad zu ver-bessern. Da die optimale Heliumdurchflussrate jedoch anlagen-abh�ngig ist, l�sst sich dieser Wert von 40 l/min nicht �bertra-gen und sollte anlagen- und anwendungsbezogen angepasstwerden.

In Bild 12 wird die Vermessung der Strahlcharakteristik mitdem rotierenden Drahtsensor bei einem Arbeitsabstand von12 mm dargestellt. Auch hierbei wurden Messungen mitHeliumdurchflussraten von 10 l/min bis 60 l/min durchgef�hrt.Dabei l�sst sich keine Steigerung des Signals bei einem Helium-durchfluss von 40 l/min feststellen.

Die Beschleunigungsspannung beim NV-EBW Prozess istkein variabler Einstellparameter beim NV-EBW. Sie hat jedocheinen großen Einfluss auf die Nahtausbildung. Vor allem dieEinschweißtiefe und die Breite der Naht l�sst sich mit derBeschleunigungsspannung deutlich beeinflussen.

�hnlich wie bei der Beschleunigungsspannung ist die Varia-tion der Fokuslage nicht als Anlageneinstellparameter beim NV-EBW zur Beeinflussung des Schweißergebnisses ber�cksichtigtworden. Aus konstruktiven Gr�nden im Druckstufensystemwird der Fokuspunkt des Elektronenstrahls beim NV-EBWimmer in die Ebene der letzten Druckd�se gelegt.

5 Zusammenfassung und Ausblick

Die Qualit�t einer Schweißnaht beim NV-EBW wird durch diekomplexen Zusammenh�nge verschiedener auf den Schweiß-

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Bild 10. a Verlauf des relativen Kathodenheizstroms und Bild 10.b Strahlvermessung in Abh�ngigkeit des relativen Kathodenheizstroms

Fig. 10. a Characteristics of the relative cathode heat current and Fig. 10.b Beam measurement against the relative cathode heat current

Bild 11. Einfluss des Heliumdurchflusses auf den Strahlwirkungsgrad

Fig. 11. Influence of helium flow on the beam efficiency.

Bild 12. a Leistungsdichte und Bild 12.b Strahldurchmesser in Abh�ngigkeit von verschiedenen Heliumdurchfl�ssen. U = 150 kV, I = 60 mA.

Fig. 12. a Power density and Fig. 12.b beam diameter against the different helium flow. U = 150 kV, I = 60 mA.


prozess einwirkenden Kenngr�ßen beeinflusst. Mit dem DIA-BEAM Messsystem wurde es m�glich, den Elektronenstrahl anAtmosph�re zu vermessen und zu bewerten. Der Einfluss derzahlreichen Prozesskenngr�ßen auf die Strahlcharakteristikund auf das Schweißergebnis wurde damit untersucht. DieErgebnisse der Untersuchungen k�nnen der Optimierung desProzesses dienen.

Das Messsystem wurde auf dem Prinzip des rotierendenDrahtsensors aufgebaut. In Kombination mit dem Auswertesy-stem DIABEAM erm�glicht es eine mehrdimensionale Elektro-nenstrahlvermessung. Dabei ist die Erfassung von nicht-axial-symmetrischen Elektronenstrahlen technisch realisierbar.Zus�tzlich kann das Messsystem an einer NV-EBW Anlage mon-tiert werden und w�hrend des Schweißprozesses eine eindimen-sionale Strahlvermessung durchf�hren. Das auf diese Weise ent-standene Strahlvermessungssystem erm�glicht es, die komple-xen Einstellungen des NV-EBW Prozesses sowie die Vergleich-barkeit verschiedener Prozesseinstellungen zu vereinfachen

Bisher wurde von der Annahme ausgegangen, dass beim NV-EBW eine gaußf�rmige Leistungsdichteverteilung vorliegt, beider sowohl die Strahlbreite mit steigendem Arbeitsabstand, alsauch die maximale Leistung mit steigendem Strahlstromzunimmt. Die durchgef�hrten Untersuchungen zeigen, dassdiese Annahmen der gaußf�rmigen Leistungsdichteverteilungnur unter bestimmten Bedingungen zu treffen. Die Messungenzeigen bei bestimmten Parametereinstellungen eine starke Ver-�nderung der Strahlcharakteristik.

Nach dem heutigen Stand der Technik wird Helium alsArbeitsgas beim Elektronenstrahlschweißen an Atmosph�re ein-gesetzt, wobei Durchflussmengen im Bereich von 40 l/min imStrahlbetrieb erforderlich sind. Das Helium hat hierbei die Auf-gabe, den Elektronenstrahl m�glichst verlustfrei an die Atmo-sph�re zu f�hren. Das Helium als Arbeitsgas stellt bei den Pro-duktionsanlagen einen sehr großen Kostenfaktor dar.

Die Ergebnisse der Untersuchungen, das Messsystem und diegewonnenen Erkenntnisse durch die Strahlvermessung liefernwertvolle Daten, die weitere Fortschritte f�r die Strahlerzeuger-und Druckstufenentwicklung erm�glichen. Es wurden zudem

wichtige Grundlagen f�r eine NV-EBW Prozesssimulationgeschaffen.

Die Daten �ber die Leistungsdichteverteilung des Elektronen-strahles erlauben es, den W�rmeeintrag vom Elektronenstrahlins Werkst�ck genauer abzusch�tzen. Dieser hat einen wesentli-chen Einfluss auf die Schmelzbaddynamik und bestimmtzusammen mit den Parametern der Schweißregime dieSchweißnahtausbildung und deren Qualit�t. Mit den vorliegen-den Arbeiten wurde damit ein geeignetes Werkzeug zur Unter-suchung der Schmelzbaddynamik insbesondere des Auftretensvon Humping-Effekten entwickelt.

Dar�ber hinaus wurden mit diesem Messprinzip grundle-gende Voraussetzungen geschaffen, die eine Kontrolle und�berwachung eines NV-EBW Prozesses erm�glichen k�nnen.

Danksagung

Die Autoren bedanken sich f�r die finanzielle Unterst�tzungdurch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmendes Projektes DI 434/88–1 „Untersuchung der Schmelzbaddy-namik beim Nonvakuum-Elektronenstrahlschweißen mit Hilfemathematischer Modellbildung“.

6 References

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Atmosph�rendruck – Neue Horizonte f�r ein altes Verfah-ren: Jahrbuch Schweißtechnik 1996, DVS-Verlag, D�ssel-dorf, S. 139/55.

Eingegangen in endg�ltiger Form: 3. November 2009 [T 537]

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