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© pro-beam / 1
Faszination Elektronenstrahl
EB-Schweißen von Großbauteilen und –strukturen
Dr.-Ing. Christian Vogelei, pro-beam Planegg
6. Rostocker Schweißtage, Rostock den 13. November 2013
© pro-beam / 2
Innovative Elektronenstrahlschweißtechnik
II / cvo / 02
• Grundlagen
(EB- Prozesse, Anlagentechnik und Qualitätssicherung)
• Anwendungsbeispiele Großbauteile
(Eisenwerkstoffe, Kupfer und Aluminium)
• ITER
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Prototypen-
fertigung
Vorserie/
Kleinserie Serienauslauf
und
Ersatzteilfertigung
Techn.
Beratung/
Verfahrens-
entwicklung
Standorte
Hauptserie
Spitzenabdeckung
durch pro-beam
Alternativen:
• kundeneigene Anlage
• pro-beam Fertigung
beim Kunden
(Betreibermodelle)
Hauptserie
Ver-
fahrens-
technik
Deutschland
Burg
Unsere Stärken sind Ihr Nutzen
Maschinen- und
Anlagenbau
Deutschland
Neukirchen/Chemnitz
pro-beam Gruppe
Lohnfertigung
Elektronenstrahl- und Laserstrahl-Technologie
(Schweißen, Bohren, Randschicht-Behandlung)
Deutschland Planegg/München,
Burg/Magdeburg, Hasselroth/Hanau
China Suzhou
I / vad / 02
© pro-beam / 4
Die Entdeckung des Tiefschweißens
1958 Tiefschweißen in Zirkalloy durch Steigerwald
© pro-beam / 5
Der leistungsstärkste Elektronenstrahl-
Generator
1980 baute die Universität Osaka einen Elektronenbeschleuniger
mit 300 kW, 600 kV. Schweißtiefen von über 300 mm in Stahl und
500 mm in Aluminium wurden erreicht.
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Großkammeranlagen
Das Paton-Institut in der Ukraine
verfügt über drei Anlagen mit einer
Kammergrößen bis zu 400 m³.
1985 entwickelten die Firmen NIAT
und PEWI die bisher größte Anlage
der Welt für die Kazan Flugzeug-
werke mit einem Turm von
4 x 10 x 12 m³ und zwei
Seitenkammern von 17 x 4 x 4 m³.
© pro-beam / 7
Wirkung des Elektronenstrahls
Rückstreuelektronen
thermische Wirkung im Werkstück
Röntgenstrahlung
Energiedichte:
>106 W/cm² (109 W/cm²)
© pro-beam / 8
Elektronenstrahl (EB)-Erzeugung
Schema
Kammeranlage mit EB-Generator
Strahlquelle mit Kathode,
Wehneltzylinder und
Anode
Fokus Linse
Zentrier- und
Stigmatisier Einheit
Werkstüc
k
Manipulator
x-y Ablenkspulen
Sensor Platten
I / cvo / 01
© pro-beam / 9
< 10-4 mbar
< 5 x 10-4 mbar
Hochvakuum-Anlage Atmosphären-Anlage
< 10-4 mbar
< 5 x 10-2 mbar
< 10 mbar
> 1000 mbarFeinvakuum-Anlage
< 10-4 mbar
< 5 x 10-2 mbar
Form und Fokus des Elektronenstrahls hängen stark von der Qualität des
Vakuums ab:
Elektronenstrahl Qualität
© pro-beam / 10
Maschinenkonzepte
I / ucl / 04
Kammer-Maschine Schleusen-Maschine Schleusen-Rundtakt-Maschine
Takt-Maschine
© pro-beam / 11
Kammeranlage mit 20 m³ Volumen für
Bauteile bis 5 to Stückgewicht
Elektronenstrahl-Anlagen
„mittelgroße“ Maschinen in der Lohnfertigung
Kammeranlage mit 8,5 m³ Volumen
Kammeranlage mit 19 m³ Volumen Kammeranlage mit 23 m³ Volumen
© pro-beam / 12
Kammervolumen: 630 m³
Strahlleistung: 40 kW
Beschleunigungsspannung: 80 kV
Bauteildurchmesser
radial 5,5 m
axial 6,0 m
Max. Werkstückgewicht 50 t
Elektronenstrahl-Anlagen
„große“ Maschinen (2x) in der Lohnfertigung
© pro-beam / 13
Großkammeranlage
© pro-beam / 14
Dokumentation der Schweißnahtqualität
Zertifikate
DIN EN ISO 9001:2000
ISO/TS 16949:2002 Automotive
DIN EN 9100 Luft- u. Raumfahrt
DIN EN ISO 3834 (DIN EN 729)
QS-Schweißbetrieb
HP0 Druckbehälter
DIN EN 15085 (DIN 6700) Bahn
Zertifizierte Bediener von
mechanisierter Schweißeinrichtung
nach DIN EN 1418 für EB-Anlagen
Schweißanlagen abgenommen
nach DIN EN 14744
Zertifiziertes Prüfpersonal nach
DIN EN 473 für … Verfahren, Stufe…
Verfahrensprüfungen
z.B. für die Schifffahrt sind
Verfahrensprüfungen
notwendig
Prozess wird anhand von
Musterteilen bzw. Dummy-
Teilen untersucht und
abgenommen
Prüfberichte
werden regelmäßig zu
Produktionsaufträgen im
Fertigungsbereich ausgefüllt
Statistische ProzesskontrolleProduktionsergebnisse und
Prüfberichte werden ausgewertet
Produktionstrends geben z.B.
Aufschluss über anzupassende
Wartungsintervalle oder
Veränderungen der Lieferqualität
schnelles Eingreifen und
Gegensteuern
bzw. Korrigieren möglich
welded Injector ISSproduction chart 2007
31.743
39.321
49.564
41.656
37.112
32.035
34.454
37.660
16.835
5,19% 4,27%
7,90%5,19%
2,43% 3,00%4,58%
12,37%
1,70%
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
50.000
jan
feb
mar
apr
may
jun jul
aug
sep
throughput
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
scrap rate
throughput scrap rate
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Linse
Ablenker
Sensor-
platte
e-b
eam
Rückstreuelektronen
pro-beam
Auflösung:
7µm
Signal Kontrast:
1:15000
Qualitätssicherung
Rückstreuelektronen zur Werkstückbeobachtung
Lichtoptischer Einblick Elektronenoptischer Einblick.
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Linse
Ablenker
Sensor-
platte
e-b
eam
Rückstreuelektronen
ELO-Online
Elektronenoptische
Beobachtung während
des Schweißens
Online-ELO Schweißnahtbetrachtung mit manueller Nachführung
© pro-beam / 17
Technik zum Prüfen der Schweißnähte
RöntgenSchliffe Ultraschall
Optisch
Wirbelstrom
Dichtigkeitsprüfung, Magnetprüfung, Farbeindringprüfung, …
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Linse
Ablenker
Sensor-
platte
e-b
eam
Rückstreuelektronen
Qualitätskontrolle
Beurteilung der Schweißnahtqualität anhand der Decklage
Hole
Slope
Slope
I / cvo / 01
© pro-beam / 19
„Konventional“
• Bauteil mit kleiner Öffnung für
optimale Wurzelausbildung
• „V“-Fugenvorbereitung
• Mit Zusatzwerkstoff
„Strahlgeeignet“
• Werkstück ohne Spalt
(technischer „Null-Spalt“)
• Parallele Fugenvorbereitung
• Schweißen in der Regel ohne
Zusatzwerkstoff
Nahtvorbereitung
„Konventional“ versus „Strahlgeeignet“
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Maßtoleranzen, Spaltbreiten, Passungen
Quelle:
NA 092 Normenausschuss Schweißtechnik
(NAS)
NA 092-00-15 AA Arbeitsausschuss
Elektronenstrahlschweißen (DVS AG V 9.1)
E-Mail des Bearbeiters im DIN:
holger.zernitz@din.de
DVS-Merkblatt 3201 2001-10
Je kleiner der Spalt, je besser ist
die Vorraussetzung für ein
hochwertiges Schweißergebnis.
Ziel ist es, einen Spalt <0,2mm zu
erreichen.
© pro-beam / 21
Drahtzuführung
Werkstückbewegung
Elektronenstrahl
SchweißnahtZusatzwerkstoff
© pro-beam / 22
Stirnflächenvorbereitung
Anforderungen :
• Metallisch blank
• Frei von Fetten, Ölen und Kühl-, Schmiermitteln
• Frei von Werkstoffschichten (Aufkohlen, Nitrieren, Eloxieren,
• Phosphatieren, Chromatieren usw.)
• Oberflächengüte: Rauigkeit Ra < 3,2 µm, Spanende Bearbeitung
• Höhendifferenz zwischen den Schweißteilen je nach
Anforderung der Schweißaufgabe bis zu 2 mm (Kantenversatz)
• Parallele Fügekanten
• Werkstücke müssen unmagnetisch/entmagnetisiert sein (<10-4 Tesla (1 Gaus))
a > 3 x t
a
t
zum EB-Schweißen
vorbereitete Oberfläche
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pro-beam application center Europe
Montagelinie für Großbauteile
I /cvo/01
© pro-beam / 24
Einsatz der Elektronenstrahltechnik
Alternativen?
Check für den Einsatz der Elektronenstrahltechnik:
• Ist für den Werkstoff oder die Werkstoffkombination das Schweißen im
Vakuum zwingend erforderlich?
• Gibt es keine geeigneten Zusatzwerkstoffe am Markt?
• Ist das Elektronenstrahlschweißen für die Herstellung vorgeschrieben,
weil die Bauteile entsprechend qualifiziert und nur in Verbindung mit
dem Verfahren freigegeben worden sind?
• Lässt sich der tolerierte Verzug nur durch den Einsatz eines
Strahlschweißverfahrens erreichen?
Elektronenstrahltechnik ist zwingend erforderlich.
I / cvo / 01
© pro-beam / 25
EB/UP im Vergleich
EB UP
Anzahl der Lagen: 1 157
Schweißzeit pro Meter [min]: 8,3 314
Zusatzwerkstoff/ Meter [kg]: 0 32
Fazit:
• je teurer der Werkstoff
• je größer Wandstärke und Nahtlänge
umso größer der wirtschaftliche Vorteil
beim Elektronenstrahlschweißen
EB-Naht
1 Lage
UP-Naht (1-Draht)
157 Lagen
150 mm Tiefschweißung
© pro-beam / 26
Elektronenstrahl / Lichtbogen im Vergleich
Je größer die Schweißtiefe, je länger die Naht, umso wirtschaftlicher ist das Elektronenstrahlschweißen
I / cvo / 01
© pro-beam / 27
Stahl, 150 mm
Aluminium, 40 mmBronze/Stahl, 30 mm
Kupfer, 35 mm Edelstahl, 2 mm
Alle hier dargestellten Schweißungen wurden auf derselben Maschine mit einem
30 kW Strahlerzeuger hergestellt.
Elektronenstrahl-Anlagen
sind „wide-range“ Maschinen
© pro-beam / 28
Der Elektronenstrahl ist das ideale Werkzeug für viele Branchen
Bauteilespektrum: „mittelgroße und
große Bauteile“
I / cvo / 01
© pro-beam / 29
Kohlefaserwerkzeuge aus Ni36 für Stringer
(Airbus)
• Reduzierung des mechanischen Bearbeitungsaufwands; vakuumdichte
Verschweißung von Plattenmaterial; Einsparung von Zerspanungsvolumen
• Bauteilabmessungen:
1000…12000mm x 1000mm Formgrundfläche, ca. 400mm hoch.
© pro-beam / 30
Aufbau
Vorrichtung
• Zur mech. Vorbereitung wird ein Fräsgestell verwendet
• Fräsgestell kann als Schweißvorrichtung verwendet werden
• Verspannen der waagerechten Bleche über Anschläge mittels Schrauben
• Kunde verwendet diese Vorrichtung für die spätere Form
II /rra/ 01
© pro-beam / 31
Schweißergebnis
Längstnaht: I- Stoß, 1000mm Länge
Schweißtiefe: te= 25mm
Oberraupe:
Gleichmäßig geschuppt ohne
Kerben, lose Spritz
Zusätzlicher Benefit für den Kunden:
Verzugsarmes verschweißen der Bleche
mittels EB- Stichnähte direkt auf den
Unterbau (keine WIG- Kehlnähte!).
Schweißtiefe: te= 20+5mm
II /rra/ 01
© pro-beam / 32
Legewerkzeuge für Kohlefaserprofile
I /tga/01
Bauteilabmessungen:
• Länge 10.235mm, Breite 1.200mm, Höhe 422mm
• Blechstärken 20 und 25mm
Eckdaten:
• Ni36 (1.3912)
• 8 Verbindungsnähte quer, 4 Verbindungsnähte
längs, 206 Stichnähte quer/längs
• Gesamtlänge Schweißen etwa 65m
© pro-beam / 33
Legewerkzeuge für Kohlefaserprofile
Material INVAR (1.3912)
I /tga/01
Material INVAR (Ni 36)
Schweißtiefen 25mm und 33mm
Ausführung I-Stöße und Stichnähte
Anforderung porenfreie Oberflächen
nach Endbearbeitung
© pro-beam / 34
EB-Schweißen an Grundplatten für
Silizium-Reaktoren
Werkstoff: X2CrNiMo17 12 2
Schweißtiefe: von 25 bis 35 mmDurchmesser Grundplatte: 1750 mm
Durchmesser der Buchsen: 86 / 105 mm
Anzahl der Buchsen: ca. 35
II /jse/ 01
© pro-beam / 35
EB-Schweißen von Duplex
III/ iwi / 01
Siphontrommel
Werkstoff: 1.4539 / 1.4462
Schweißtiefe: 40 mm
© pro-beam / 36
EB-Schweißen von Duplex
I /ari/01
*depending on basis material properties, **should be adapted to the welding task
Ferrit
Content
[%]
High tensile
strength
High impact
toughness
(RT)
High Impact
toughness
(<<RT)
corrosion
stability
ASTM G48
porosity
Annealing 50/50 ok ok ok ok ok
EB welding >80* ok ok not ok ok/not ok* ok
EB welding + Heat
adjustment (vs– fit,
multibeam,preheat)
80-65 ok ok ok* ok* ok
EB-seam-alloy
by nickel – filler
50/50 ok** ok ok ok** ok
Einfluss verschieden Vorgehensweisen:
© pro-beam / 37
Anwendungsbeispiele
Planetengetriebe (Feinkorn- an Vergütungsstahl)
Aufgabe : Herstellung eines Planetengetriebe für
Windkraftanlage mit rmpEingang =18 ; M=3Mio Nm,
i=31,7, Gewicht 22 t;
nicht größer als Ø2500 mm, L=1600 mm,
robust so daß Lebensdauer von 20 Jahren
erreicht wird.
Lösung : Materialkombinationen S355J2+N/S690/31CrMoV9,
groß-modulige Gradverzahnung
Einschweißtiefe : zwischen 40, 60, 80 mm (axial und radial)
© pro-beam / 38
Anwendungsbeispiele
© pro-beam / 39
Härten von Zahnrad für Planetengetriebe
Aufgabe : Härten der Flanken Rad 1 m=20, Ø 700
Rad 2 m=14, Ø 800 auf 56+2 HRC mit Eht =1-1,5 mm
Werkstoff : 31CrMoV9V
Härte/ -tiefe : 56-57 HRC, 1,2-1,3 mm
Anwendungsbeispiele
© pro-beam / 40
Material: GS12CrMo19.5 (Gehäuse)
10CrMo910 (Ring)
Durchmesser: 2.710 mm
Schweißtiefe: 60 mm
Instandsetzung von Stahlgussteilen
Beispiel: Leitschaufelträger Gasturbine
© pro-beam / 41
Material: ASTM A148 Grade 80-40
(GS 20Mn5V)
Schweißtiefe EB: 120 mm, gesam. 240 mm
EB-Schweißen einer Turbinennabe in
Kombination mit UP- Engspaltschweißen
© pro-beam / 42
Anwendungsbeispiele
Kryobehälter aus Cu-OFE
> Schweißtiefe: 12 mm als Durchschweißung mit freier Wurzel
> 3 Radial- und 2 Längsnähte am Bauteil
> keine Vorwärmung, kein Zusatzwerkstoff
Oberraupe
ca. 2500 mm
ca.
Ø1400 m
m
Bauteil in Gesamtansicht
Querschliff ungeglättete Naht
Oberraupe mit Glättnaht
I / ari / 01 (neutrino experiments at IFN in Italy)
© pro-beam / 43
Kupferplatten für Bodenanoden von
Schmelzöfen für die Stahlindustrie
Kupferbodenanode Hilgefort/SMS
Paralellisierung Montage und EB-
Schweißen durch Einsatz von 3
Paletten im Umlauf
© pro-beam / 44
Produktion von Solar Panels
Quelle: Applied Materials
© pro-beam / 45
Produktion einer Aluminium-Vakuumkammer
© pro-beam / 46
EB-Schweißen von Al-Rahmen für eine
Reaktorkammer
•Material: AlMg4,5Mn0,7
•Dimensionen: 3mx3m 440mm height
Anfoderungen:
Vacuum dichte Naht
Geringer Verzug
II /rra/ 01
Schweißnahtwurzel mech.
entfernt
Schweißtiefe
120mm
© pro-beam / 47
Beispiel AMAT - Vakuumkammern
III / iwi / 01
© pro-beam / 48
Tank des Haupttriebwerkes und der oberen Stufe der Ariane 5 (rechts) aus Aluminium
Elektronenstrahl-Schweißen
1. Schweißung 2. Gegenlage
© pro-beam / 49
Energie der Sonne
H³+H²=He+n →
E=17,6 MeV
Potential: Photovoltaic ~1,4 kWh/m²
Wind 3,0x 10-6kWh/10g Kohle 0,12kWh/10g
Nuclear 2,3x 105 kWh/10g Fusion 1,8x 106 kWh/10g
© pro-beam / 50
Der ITER Torus mit einem Durchmesser von 42 m
Tokamaks
ITER Standort in Cadarache
(Frankreich)
Die 7 Partnernationen zur
Herstellung von ITER
© pro-beam / 51
ITER Vakuum Behälter
ITER Plasmabehälter (Gewicht ~5000t)Der Torus des Vakuumbehälters
wird aus 9 Sektoren hergestellt.
7 werden in Europe hergestellt
2 werden in Korea hergestellt.
© pro-beam / 52
Spezifikation der Sektoren
Doppelwandstruktur aus:
60mm dickem 316LN(IG).
Abmessungen: 11x7m
Gewicht: ~450t
Toleranz entlang der Seiten
des Sektors: < 5mm
Der Vakuumbehälter ist eine komplette
Schweißkonstruktion die ausgelegt ist für:
- 24bar Wasserkühlung
- Extreme Magnetkräfte die durch schnelle
Schaltprozesse im Reaktor.
© pro-beam / 53
Erste Herstellungsstudie welche ein
Engspalt-WIG-Verfahren vorsah
14 Jahre Entwicklung der Herstellmethoden
Design der Vorrichtung
zur Verzugsminimierung.
© pro-beam / 54
Erste Demonstratoren
Die “ housings” als
EB-Konstruktion
© pro-beam / 55
Herstellung der
Sektoren aus
endbearbeiteten
Modulen
Erstes Elektronenstrahl-Design
Das EB-gerechte Design
erlaub die parallele
Fertigung der Segmente und
reduziert in erheblichem
Umfang den Verzug.
© pro-beam / 56
links und oben:
Erster EB-Demon-
strator produziert bei
pro-beam
rechts:
Demonstrator in
Originalabmessung
produziert von DCNS
EB-Schweißtechnologie
© pro-beam / 57
EB- Schweißtechnologie
Die Schweißparameter mussten für die unterschiedlichsten Schweißaufgaben
ermittelt werden.
© pro-beam / 58
A
B
C
D
E
F
Die EB Schweißnähte müssen den französischen nuclear code RCC-MR erfüllen.
EB-Schweißtechnologie
© pro-beam / 59
Entscheidung der Fertigungsmethoden
Beispiel für einen
Schweißplan:
Oberes Segment
Gesamtzahl der
einzelnen Schweiß-
nähte pro Sektor
= 1574
Anzahl der EB-Nähte
= 380
Gesamtlänge der
EB-Nähte pro Sektor
= 600m
© pro-beam / 60
Mock-Ups
© pro-beam / 61
Mock-Ups
Produktion
© pro-beam / 62
Betriebsvalidierung
Mock-Ups
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Mock-Ups und finale Produktion
© pro-beam / 64
EB-Schweißmaschine
Strahlleistung: 30kW
Spannung: 80kV
Schweißgeschwindigkeit: bis zu: 5 mm/s
Vakuum: 3 x 10-2 mbar
Querschnitt: 120 mm
Toleranz: 1 mm
Produktion von Teilen für den Magneten (ITER)
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Produktion von Teilen für den Magneten (ITER)
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Innovative Elektronenstrahlschweißtechnik
II / cvo / 02
• Geringe Wärmeeinbringung (Verzug, Schrumpfung, Wärmeeinflusszone)
• geringe Temperaturbelastung der Bauteile, Schweißen von endbearbeiteten Teilen
• Unterschiedliche Werkstoffkombinationen schweißbar
• hoher Automatisierungsgrad, Kostenvorteil bei der Bearbeitung
dickwandiger Bauteile
• Einfache Parameterermittlung, Dokumentation und Langzeit-Stabilität
• ITER, Vorteile durch EB:
Erreichung der notwendigen Genauigkeit
Einhaltung des ambitionierten Terminplans 2014 – 2017, erstes Plasma 2020!