Schulze-Consulting
Elektronenstrahl-Beratung für Anwender

Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zum Elektronenstrahlschweißen

Diese Leitlinie kann als PDF vom Berater per E-Mail angefordert werden.

Inhalt:

  1. Zweck und Anwendungsbereich der Leitlinie
  2. Einfluss der Konstruktion von Erzeugnissen auf die Wirtschaftlichkeit ihrer Herstellung mittels EB-Schweißen
  3. Einfluss der Schweißqualität auf die wirtschaftlichen Effekte
  4. Einfluss der Maschinenkonfiguration auf die Wirtschaftlichkeit des EB-Schweißens
  5. Einfluss der Automatisierung auf die Wirtschaftlichkeit des EB-Schweißens
  6. Einfluss der Investitionskosten auf die Wirtschaftlichkeit des EB-Schweißens
  7. Interne oder externe Lösung und die Wirtschaftlichkeit des EB-Schweißens
  8. Einfluss der Verbrauchskosten auf die Wirtschaftlichkeit des EB-Schweißens
  9. Personalqualifikation und Wirtschaftlichkeit des EB-Schweißens
  10. Wirtschaftlichkeitsvergleich zwischen Elektronenstrahl- und Laserstrahlschweißen

Anhang: Messung der Energieeffizienz einer EB-Schweißmaschine

 

1. Zweck und Anwendungsbereich der Leitlinie

Oft steht ein Unternehmen vor der Frage, welches Schweißverfahren für eine neue Fügeaufgabe wohl mit dem höchsten wirtschaftlichen Vorteil einzusetzen sei (abgesehen von den Fällen, in denen gewisse Randbedingungen zwingend ein bestimmtes Verfahren fordern). Zum Einsatz von Strahlschweißverfahren aber besteht in dieser Hinsicht verbreitet ein Kenntnisdefizit, so dass diese entweder gar nicht oder aber auf der Basis von unzulänglichen Annahmen bewertet werden.

Diese Leitlinie soll (potentiellen) Nutzern des Elektronenstrahlschweißens (kurz: des EB-Schweißens) eine Hilfestellung geben bei der Abschätzung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens für eine konkret vorgesehene Anwendung. Dabei werden nicht primär die physikalischen Zusammenhänge in der Strahlerzeugung und in der Umsetzung der Strahlenergie in Schweißwärme und deren jeweilige theoretischen Wirkungsgrade (deren Definition im Übrigen vom jeweiligen Modell abhängt) betrachtet und auch nicht der Einfluss bestimmter Parameter auf das Schweißergebnis, sondern die aus betrieblicher Sicht relevanten Aspekte der Wirtschaftlichkeit.

Dies betrifft vor allem solche Anwendungen – insbesondere in der Massenfertigung, bei denen die Fertigungskosten eine entscheidende Rolle spielen. Hingegen sind hochkomplexe Sonderanwendungen sicherlich vor allem unter anderen Gesichtspunkten zu betrachten, wenngleich sowohl im Bereich von Großbauteilen als auch bei Mikroanwendungen neben der teilweisen Alternativlosigkeit des EB-Schweißens letztlich die Wirtschaftlichkeit ebenfalls eine gewichtige Rolle spielt.

Diese Leitlinie basiert auf den andernorts ausführlich beschriebenen Eigenschaften und Möglichkeiten des Elektronenstrahlschweißens – diese werden hier nicht dargestellt.

Keine Rolle spielt in dieser Leitlinie der Vergleich mit anderen Schweißverfahren – auch eigentlich nicht mit dem Laserstrahlschweißen, bei dem es ja im Übrigen eine Vielzahl von Strahlquellen mit jeweils spezifischen Eigenschaften gibt. Während die Unternehmen aber bei konventionellen Schweißverfahren meist über Daten zur Ermittlung der Wirtschaftlichkeit verfügen, soll mit diesem Merkblatt eine Leitlinie zu deren Ermittlung im Falle des EB-Schweißens gegeben werden.

Es liegt in der Natur der betrachteten Anwendungen des Elektronenstrahlschweißens, dass das Ziel der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen hier nicht etwa Kosten je Meter Schweißnaht sind. Vielmehr werden im Folgenden die Palette der sehr unterschiedlichen Einflussfaktoren und deren Wirkung auf die Wirtschaftlichkeit dargestellt.

Da die einzelnen Anwendungsfälle technisch und betriebswirtschaftlich überaus verschieden sind, ist es auch nicht möglich, hier allgemeingültige Berechnungsvorschriften zur Ermittlung der Wirtschaftlichkeit anzugeben. Vielmehr wird ein Leitfaden gegeben, welche Effekte eine Rolle spielen und in der Bewertung berücksichtigt werden sollten.

 

2. Einfluss der Konstruktion von Erzeugnissen auf die Wirtschaftlichkeit ihrer Herstellung mittels EB-Schweißen

Die besonderen Charakteristika von EB-Schweißnähten erlauben es, komplexere Bauteile aus einzelnen fertig bearbeiteten Komponenten präzise und verzugsarm zusammenzufügen. Dies schließt sowohl die Verwendung von jeweils belastungs- und/oder kostenoptimierten Werkstoffen für bestimmte Bereiche der Bauteile ein als auch die kostengünstige Fertigung der Komponenten. Darüber hinaus können auf diesem Wege konstruktive Lösungen realisiert werden, die hinsichtlich Bauraum und Masse optimiert (minimiert) sind.

Um es deutlicher zu sagen, der alles überragende Haupteffekt hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit des EB-Schweißens wird weit vor dem eigentlichen Schweißen generiert – nämlich in der Konstruktion und der Fertigungsplanung. Wenn man einzelne Komponenten kostengünstig fertig bearbeiteten (gegebenenfalls einschließlich des finalen Schleifens) und diese dann mit minimalem Energieeintrag so zu Bauteilen zusammenfügen kann, dass daran keine Nacharbeit mehr erforderlich ist, sondern sie direkt in die Montage gehen können, lassen sich nachgewiesenermaßen merkliche Kosten sparen z. B. im Vergleich zur Herstellung „aus dem Vollen“. Und die Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe für die Einzelteile, je nach Anforderung (Belastung, Gewicht, Kosten usw.), bietet weiteres Einsparpotential.

Es ist auch unter dem Aspekt des immer bedeutender werdenden Leichtbaus von großem Vorteil, die Möglichkeiten des EB-Schweißens auszureizen – zum Beispiel beim Fügen von Aluminiumlegierungen oder in der Kombination von Leichtmetallen mit Stahl.

Die folgenden Bilder zeigen das Prinzip von EB-gerechter Konstruktion und Fertigung wie auch die Realisierung am Beispiel von Zahnrädern bzw. Läufern für Turbolader.

 

aus dem Vollen                        Schweißlösung

Prinzipbeispiel der Konstruktion

Prinzipbeispiel der Fertigung

    

Läufer für Turbolader

PKW-Getrieberäder

 

Wenn man das Prinzip einmal verinnerlicht hat, lassen sich für die unterschiedlichsten Bauteile EB-schweißgerechte Konstruktionen finden und die möglichen Kostenvorteile realisieren. Es ist selten sinnvoll, eine Konstruktionslösung, die ursprünglich für konventionelle Schweißverfahren entworfen wurde, 1:1 umzusetzen auf das EB-Schweißen.

Gelegentlich wird argumentiert, dass das EB-Schweißen viel zu hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Einzelteilvorbereitung stellen würde. Doch genau dieser „Vorwurf“ resultiert z. B. aus der Sicht eines Lichtbogenschweißers und offenbart damit eine gewisse Unkenntnis der Möglichkeiten des EB-Schweißens. Warum sollte man Einzelteile ungenau bearbeiten, wenn man es doch auch genau kann und sich dadurch jegliche Nacharbeit am fertigen Bauteil erspart?

Übrigens werden nicht nur mehr oder weniger komplexe Maschinenbauteile mittels EB geschweißt, sondern auch Blechteile, Schmiede- und Gußteile, Rohre, Sensoren, wissenschaftliche und medizinische Instrumente, Bauteile der Elektro- und der Energietechnik und vieles andere mehr - und das in z. T. sehr großem Umfang.

Es obliegt dem Konstrukteur, unter Berücksichtigung des EB-Schweißens solche Lösungen vorzusehen, welche hinsichtlich Fertigungskosten und Gebrauchswert ein Optimum darstellen. Die Effekte auf die Wirtschaftlichkeit sind in jedem Einzelfalle unter den betrieblichen Bedingungen und mit Blick auf das Marktpotential der so gefertigten hochwertigen Bauteile zu analysieren.

 

3. Einfluss der Schweißqualität auf die wirtschaftlichen Effekte

Generell arbeiten EB-Maschinen vollautomatisch, d. h. bei der Abarbeitung eines Schweißprogramms ist der Einfluss des bedienenden Menschen sehr gering, und Teil für Teil wird mit gleichbleibender Qualität ausgebracht.

Solange alle Randbedingungen identisch bleiben (einschließlich der Werkstoffe), liefert das programmgesteuerte EB-Schweißen identische Ergebnisse. Die extrem geringe Ausschussquote ist unter Wirtschaftlichkeitsaspekten ein wichtiger Fakt.

Die für eine bestimmte Schweißaufgabe erforderlichen Parameter werden in Versuchs- und Qualifikationsschweißungen ermittelt und dann im NC-Programm festgeschrieben.

Während der Fertigungsschweißungen werden die Parameter nicht nur überwacht und geregelt, sie können als Qualitätsbeleg auch mit hoher Rate dokumentiert werden.

Die Anwendung des EB-Schweißens im Vakuum schafft die denkbar besten Voraussetzungen für eine stabile Qualität, da jeglicher Einfluss von Schutzgasen und deren möglicher Turbulenzen auf die Schweißmetallurgie ausgeschlossen ist. – Das EB-Schweißen an freier Atmosphäre (NonVac-EB-Schweißen) gewährt durch die Glocke des Metalldampfplasmas einen analogen Schutz.

 

4. Einfluss der Maschinenkonfiguration auf die Wirtschaftlichkeit des EB-Schweißens

Das EB-Schweißen ist – wie andere Verfahren auch – geeignet zur Fertigung geringer Bauteilstückzahlen (herunter bis zur Losgröße 1) wie aber auch zur Massenfertigung mit Tausenden Stück/Tag.

Für ersteres ist die Betrachtung der Wirtschaftlichkeit im Allgemeinen nicht von so großer Relevanz, im Vordergrund stehen vielmehr die unter (1) beschriebenen Effekte. Deshalb ist die Auswahl einer geeigneten EB-Maschine (mit bestimmten Betriebskosten) auch zweitrangig – vielfach kommen Universalmaschinen zum Einsatz.

Für die Massenfertigung sind unter Wirtschaftlichkeitsaspekten zweckoptimierte EB-Maschinen einzusetzen, die z. B. durch Kammergröße, Beladungsvermögen (Mehrfachaufnahmen, Vorrichtungsgestaltung), Taktbetrieb, Schleusentechnik u. a. m. besonders kurze Nebenzeiten ermöglichen. Es ist – gerade auch für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung – wichtig, dass jede EB-Maschine nach den konkreten Anforderungen des Nutzers konfiguriert und gebaut wird; eine Lieferung nach Katalog ist unüblich. Je nach zu bearbeitendem Bauteilspektrum werden Ein- oder Mehrzweckmaschinen eingesetzt, Maschinen mit hohen Strahlleistungen (30 kW und mehr) oder Mikromaschinen (< 2 kW).

Zusammen mit der verfahrensbedingten hohen Schweißgeschwindigkeit – insbesondere auch beim Fügen dickerer Querschnitte in einer einzigen Lage – erlaubt das EB-Schweißen damit besonders kurze Stückzeiten.

 

5. Einfluss der Automatisierung auf die Wirtschaftlichkeit des EB-Schweißens

Naheliegend und häufig erster Schritt zur zusätzlichen Erhöhung der Wirtschaftlichkeit beim Betrieb der vollautomatisierten EB-Maschine ist deren automatisierte Be- und Entladung mit Hilfe von Handhabungsgeräten, z. B. Robotern.

Gerade in der Massenfertigung ist es aber möglich und üblich, die EB-Maschine einzubinden in eine voll verkettete Zelle oder Linie, welche die für das EB-Schweißen relevanten vor- bzw. nachgelagerten Prozesse einschließt. Dazu gehören solche wie

 

  • das Vereinzeln bereitgestellter Komponenten
  • die Reinigung der Komponenten
  • das Fügen zur Baugruppe (vor oder in der EB-Maschine)
  • gegebenenfalls ein Vorwärmen aus schweißmetallurgischen Gründen
  • das Be- und Entladen der EB-Maschine
  • die Qualitätsprüfung der Nähte
  • das Palettieren der ausgebrachten Teile u. a. m.

 

Die EB-Maschine stellt quasi eine Blockeinheit innerhalb der Zelle oder Linie dar, sie verfügt über alle zur Verkettung erforderlichen Schnittstellen.

Im Übrigen sind die Hersteller von EB-Maschinen gut in der Lage, derartige komplette Zellen oder Linien als Generalauftragnehmer zu liefern, was die Übersichtlichkeit der Investitionskosten erleichtert und später keine Überraschungen in der tatsächlichen Wirtschaftlichkeit liefert. Aber auch hier ist in der Planungsphase eine intensive Zusammenarbeit mit dem späteren Nutzer erforderlich und üblich.

Im Falle von unterschiedlichen Baugruppen, die über ein und dieselbe Linie gefertigt werden sollen – was technisch durchaus möglich und auch vielfach realisiert ist – empfiehlt sich ein losweise „reiner“ Betrieb im Gegensatz zu einem „chaotischen“ Mischbetrieb. Letzterer ist nicht nur in der Umsetzung aufwändiger (Investitionskosten), sondern auch potentiell störanfälliger.

 

6. Einfluss der Investitionskosten auf die Wirtschaftlichkeit des EB-Schweißens

Es liegt in der technischen „Natur“ der EB-Maschinen, dass sie grundsätzlich als Komplettanlagen von einem Hersteller gebaut und geliefert werden. Ein eigener Zusammenbau aus zugekauften Baugruppen durch den späteren Nutzer nicht möglich. Auch der Strahlenschutz ist durch die ohnehin benötigte Vakuumarbeitskammer bereits komplett integriert. Demzufolge liegt im Kaufpreis eine feste Größe für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen.

Übrigens, gerade wegen dieser Besonderheit der Komplettlösung sprechen wir von einer EB-Maschine und nicht von einer EB-Anlage – in Analogie zu einer Werkzeugmaschine.

Ungeachtet aller möglichen Varianten in der technischen Ausführung einer konkreten EB-Maschine besteht eine jede aber aus den im folgenden Bild schematisch dargestellten Hauptbaugruppen.

EB-Maschinen werden nicht nach Katalog verkauft, es gibt aber gewisse Grundtypen, die der Hersteller auf den betreffenden Anwendungsfall anpasst, wobei zur Konfiguration eine intensive Zusammenarbeit mit dem künftigen Nutzer erforderlich ist. Eine Rolle spielen dabei auch die Ergebnisse der üblicherweise vorausgegangen Technologieentwicklung und –qualifizierung.

Es ist aus Wirtschaftlichkeitsgründen nicht sinnvoll, alle derzeit grundsätzlich verfügbaren technischen Features in eine solche Maschine integrieren zu lassen, vielmehr sollte man sich auf das „Soviel wie nötig“ konzentrieren.

Wichtig ist natürlich die Perspektive beim zukünftigen Nutzer: Wie lange wird das aktuelle Produkt auf der EB-Maschine laufen, und was kommt danach. Dafür sind gegebenenfalls Umbau- und Erweiterungsmöglichkeiten vorzuhalten; nicht sinnvoll ist deren sofortige Realisierung. Solange es das Maschinengrundkonzept zulässt, ist es zu einem späteren Zeitpunkt praktisch – und kostengünstig – möglich, einen solchen Umbau durchführen zu lassen.

Aufgrund des überaus geringen Verschleißes einer EB-Maschine misst sich deren „Lebensdauer“ nach Jahrzehnten. Das bedeutet, dass die Abschreibungskosten für die betriebswirtschaftliche Rechnung eine ganz besondere Rolle spielen. Nach Ablauf der üblichen Abschreibungsdauer für Bearbeitungsmaschinen kann man mit einem extrem geringen Buchwert arbeiten.

Es ist manchmal auch eine Überlegung wert, ob für die eigene Nutzung eine neu gebaute EB-Maschine beschafft oder aber eine gegebenenfalls verfügbare Gebrauchtmaschine kostengünstiger angepasst werden soll. Es versteht sich von selbst, dass der damit beauftragte Hersteller auch die „Altmaschine“ mit den neuesten Features ausrüstet, soweit das Maschinekonzept dies zulässt.

 

7. Interne oder externe Lösung und die Wirtschaftlichkeit des EB-Schweißens

Abhängig von der strategischen Bedeutung des EB-Schweißens für den Nutzer und/oder von der Menge mittels EB zu schweißender Teile ist – auch unter Aspekten der Wirtschaftlichkeit – zu prüfen, ob es sinnvoller ist, eine eigene EB-Maschine anzuschaffen und zu betreiben oder aber die betreffenden Baugruppen extern bei einem Dienstleister (EB-Jobshop) fertigen zu lassen.

Jobshops sind nicht nur hochqualifiziert und verfügen meist über mehrere Maschinen, so dass für die betreffende Aufgabe die kostengünstigste ausgewählt werden kann, sie übernehmen im Allgemeinen auch die Vorbereitung (Reinigen, Fügen, ggf. Vorwärmen) der Komponenten und auch die Qualitätsprüfung danach.

Gerade im Falle von geringen absoluten Stückzahlen und während der ersten Phase der Hochlaufkurve einer Massenfertigung sind EB-Jobshops prädestiniert, für den Kunden eine hohe Wirtschaftlichkeit zu erreichen.

Und last but not least sind Jobshops natürlich auch Partner, wenn bei der Nutzung einer eigenen EB-Maschine einmal ein Kapazitätsengpaß auftritt.

 

8. Einfluss der Verbrauchskosten auf die Wirtschaftlichkeit des EB-Schweißens

Ohne hier auf einzelne Zusammenhänge einzugehen, ist festzuhalten, dass es vom Grundsatz her bei einer EB-Maschine nur folgende Verbrauchsfaktoren gibt:

 

  • Kathoden
  • Elektroenergie
  • Druckluft
  • Pumpenöle, Vakuumfette
  • Dichtungen.

 Auf diese wird im Folgenden detailliert eingegangen.

Das einzige echte Verschleißteil beim EB-Prozess ist die Kathode, aus welcher die Strahlelektronen emittiert werden. Es kann mit Standzeiten (besser: Nutzungsdauern) gerechnet werden, die im Bereich von 20 – 120 „Strahl-Ein-Stunden“ liegen. Dieser Terminus bedeutet, dass nur die Zeiten zu Buche schlagen, in denen der EB tatsächlich schweißt, nicht die Wartezeiten dazwischen (in diesen wird die Kathodenheizung abgesenkt, so dass kein weiterer Verschleiß auftritt).

Die unterschiedliche Größe dieser Standzeiten hängt vom konkreten Schweißprozess ab. Je mehr Metalldampf aus der Schweißkapillare emittiert wird (insbesondere bei extremen Tiefschweißungen und/oder bei stark ausdampfenden Werkstoffen) und die Kathode erodierend belastet, desto kürzer ist die Kathodenstandzeit – und umgekehrt.

Übliche Wechselintervalle im Serienbetrieb bei Massenteilen liegen bei ein- bis dreimal in der Woche, je nach Betriebsweise und Kathodentyp. Der Kathodenwechsel (durchführbar durch den Bediener) erfordert einen Maschinenstillstand, welcher aber weniger als 15 Minuten total dauert.

Und Preise für Bandkathoden (bevorzugt vom Maschinenhersteller) bewegen sich – je nach Typ – im Bereich weniger Zehn Euro/Stück.

Als Verschleißteile sind auch Vakuumdichtungen anzusehen, welche aber – abhängig vom tatsächlichen Wartungsregime und von der Sorgfalt des Bedieners – meist nur während der Jahreswartung (s. u.) zu wechseln sind.

Verbunden mit dem Vakuumsystem sind auch gewisse Kosten für Pumpenöle (es gibt auch ölfreie Pumpen) und Vakuumfette. Auch hierbei ist der Bedarf stark abhängig vom Schweißregime und von der Kontrolle des Zustandes der Maschine durch den Bediener.

Verbrauchskosten entstehen auch durch eine geringe Menge an (ölfreier) Druckluft, welche ausschließlich zum Betätigen gewisser Ventile und Stelleinrichtungen erforderlich ist.

Kosten für die Kühlung entstehen ausschließlich durch die Elektroenergie zum Betrieb eines maschineninternen geschlossenen Kühlsystems, welches aber mit einer Leistungsaufnahme im Bereich von nur 2 kW (selbst bei 6 kW EB-Strahlleistung) in den Gesamtenergieverbrauch eingeht.

Die hinsichtlich der laufenden Kosten echt zu Buche schlagende Größe ist der Verbrauch an Elektroenergie aus dem Netz. Aber es ist vielfach nachgewiesen, dass die energetische Effizienz des EB-Prozesses ungleich höher ist als diejenige aller anderen Schweißverfahren. Im Anhang werden beispielhaft reale Messergebnisse dargestellt, die dies belegen.

Zusätzlich kommen beim Betrieb der EB-Maschine natürlich Kosten hinzu, wenn z. B. Vorrichtungen für die zu schweißenden Baugruppen verschleißen (was nicht durch den EB-Prozess verursacht wird) oder auch Komponenten aus dem Bewegungssystem der Maschine.

Wie bei jeder Bearbeitungsmaschine ist die Nutzung auch einer EB-Maschine umso stabiler (der Verschleiß umso geringer), je sorgfältiger sie gewartet und gereinigt wird. Vom Maschinehersteller werden dafür Vorschriften erstellt, die durch den Nutzer leicht in den betrieblichen Ablauf implementiert werden können. Die Aufwendungen für die laufende innerbetriebliche Wartung stellen keinen größeren Kostenblock dar. Eine Nichtbefolgung der Wartungsvorschriften (leider manchmal über Jahre) führt gegebenenfalls zu größerem Reparaturbedarf und Stillstandszeiten.

Empfohlen wird vom Hersteller der EB-Maschine eine regelmäßige prophylaktische Wartung – meist einmal pro Jahr. Dabei nimmt qualifiziertes Personal des Herstellers die wichtigsten Baugruppen der Maschine komplett auseinander und sorgt für einen Zustand, der dem Neuzustand nahekommt. Abhängig von der Konfiguration (Komplexität) der Maschine und vom festgestellten Verschleiß sind dafür in der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Stillstandszeiten von 1 – 2 Wochen einzuplanen und Kosten im unteren fünfstelligen Euro-Bereich.

 

9. Personalqualifikation und Wirtschaftlichkeit des EB-Schweißens

EB-Maschinen sind zwar technisch hochentwickelte Bearbeitungsmaschinen, aber ihre Nutzung erfordert von Bedienern und Servicepersonal keine exorbitanten Kenntnisse. Maschinenbau, Elektrotechnik-Elektronik und NC-Technik liegen auf dem Niveau auch anderer moderner Bearbeitungsmaschinen. Und die für Hochspannungstechnik und Vakuumtechnik praktisch erforderlichen Kenntnisse und Fertigkeiten werden in maschinenspezifischen Schulungen durch den Hersteller vermittelt. Im Falle von möglicherweise auftretenden tiefer liegenden Problemfällen steht das Servicepersonal des Herstellers bereit.

Mit anderen Worten, die Wirtschaftlichkeit des Betriebs einer EB-Maschine wird nicht beeinträchtigt durch Kosten treibende Qualifikationsanforderungen an das Personal des Nutzers.

Es muß aber betont werden, dass die in der Konstruktion und in der Fertigungsvorbereitung tätigen Mitarbeiter sehr wohl ein spezifisches Fachwissen benötigen, sollen die möglichen Kosteneffekte auch tatsächlich wirksam werden. Über das EB-gerechte Konstruieren wurde bereits in Abschnitt 2 dieses Merkblatts geschrieben. Zusätzlich muß der verantwortliche Schweißfachingenieur (oder Schweißfachmann) die Zusammenhänge von Maschine und Parametern einerseits sowie Schweißergebnis andererseits genau kennen. Von ihm kommen die Vorgaben für den Maschinenbediener, und er steuert und überwacht auch die Erarbeitung neuer Technologien für andere Bauteile.

Es ist Aufgabe der Bildungseinrichtungen – von den Universitäten und Hochschulen bis zu den SLVn - sowohl in der Basisausbildung als auch in weiterführenden Lehrgängen die notwendigen Kenntnisse zu vermitteln. Zielgerichtete Unterstützung bieten aber auch erfahrene Fachberater und sogar die EB-Maschinen-Hersteller.

 

10. Wirtschaftlichkeitsvergleich zwischen Elektronenstrahl- und Laserstrahlschweißen

Elektronenstrahl- und Laserstrahlschweißen zeigen in der Nahtausbildung oft ähnliche Ergebnisse, zumindest bis zu gewissen Blechdicken. Insofern können die bis zu dieser Grenze geeigneten konstruktiven Lösungen für die zu fügenden Bauteile ähnlich sein, und die daraus (!) resultierenden wirtschaftlichen Effekte könnten vergleichbar sein.

Verglichen werden können hier ohnehin nur solche Fälle, in denen insbesondere vom Arbeitsraum her beide Strahlverfahren angewendet werden könnten.

Wegen der überaus unterschiedlichen Natur und Bedingungen beider Verfahren (einschließlich der Varianten Elektronenstrahl an Atmosphäre und Laser im Vakuum) sind sie aber insgesamt keineswegs a priori gleichermaßen wirtschaftlich. Es ist deshalb für eine Analyse der Wirtschaftlichkeit beim Einsatz der Strahlschweißverfahren nicht ausreichend, sich auf Allgemeinaussagen zu verlassen, vielmehr ist der jeweils konkret ins Auge gefasste Anwendungsfall hinsichtlich aller hier beschriebenen Aspekte zu durchleuchten – für den Laserstrahl wie für den Elektronenstrahl.

Es ist jedoch nicht Inhalt dieser Leitlinie, auf die relevanten Einzelheiten beim Laserstrahlschweißen einzugehen, zumal es inzwischen eine ganze Reihe unterschiedlicher Laser und Systeme gibt.

 

Literatur:

Klaus-Rainer Schulze: Elektronenstrahltechnologien.
Band 1 der Reihe Wissen kompakt, Verlag DVS Media GmbH, Düsseldorf, 2011
ISBN 978-3-87155-225-0

Helmut Schultz: Elektronenstrahlschweißen
Band 93 der Fachbuchreihe Schweißtechnik, Verlag DVS Media GmbH, Düsseldorf, 2000
ISBN 978-3-87155-192-5

 

Anhang: Messung der Energieeffizienz einer EB-Schweißmaschine

Betrachtet wird eine Taktmaschine (mit Rundschalt-Wechseltisch) ohne Schleusentechnik, bei der also vor jedem Schweißvorgang die Arbeitskammer evakuiert werden muß, während des zyklischen Betriebs – also ohne Hochlaufphase:

Beladen – Takten – Schließen – Evakuieren – Schweißen – Belüften - Öffnen – Takten.

 

Be-/Entladen und Schweißen      Takten

Laden Takten Heben Evak. Schweißen Belüf. Senken

Betriebsablaufschema

Zyklusdiagramm des Energieverbrauchs

 

Zum Messen der aus dem Netz entnommenen Wirkleistung an einer EB-Maschine vom Typ P2 6-60 (PTR) wurden Stromzangen verwendet, und die jeweiligen Werte wurden durch Zu- oder Abschalten der einzelnen Verbraucher isoliert ermittelt. Zum Schweißen wurde ein Vorgang mit 6 bzw. 10 kW Strahlleistung (bei 60 kV) über eine feste Dauer von 15 s eingestellt. Die Dauer des Gesamtzyklus mit allen Nebenzeiten betrug 26 s.

Es sollen hier nicht alle Einzelmessungen akribisch dargestellt (was aber möglich wäre), sondern die Resultate zusammengefasst werden. Dabei ist zu beachten (und oben im Bild dargestellt), dass diverse Aggregate (Bewegungen, Kammerpumpen im Evakuierungsbetrieb, Strahlerzeugung beim Schweißen) in den unterschiedlichen Zyklusschritten jeweils nur über bestimmte anteilige Zeit Energie verbrauchten, andere hingegen (Steuerung, Generatorpumpen, Kühlsystem, Hochspannungsgerät in Grundlast, Kammerpumpstand bei geschlossenem Ventil) permanent, also über die gesamten 26 s.

Es ist nun modellhaft möglich, einen – mathematisch nicht ganz korrekten - „Steckdosenwirkungsgrad“ für den gesamten hier betrachteten Schweißzyklus (mit genau den verwendeten Parametern!) zu definieren, indem man z. B. die aufgenommene Gesamtenergie über die Zykluszeit mittelt und damit eine mittlere Leistungsaufnahme bekommt, welche man dann ins Verhältnis setzt zu der Schweißleistung. Daraus ergeben sich die in der folgenden Tabelle ersichtlichen Werte.

 

1

Strahlleistung über 15 s

6 kW

10 kW

2

Leistungsaufnahme der konstanten Grundlast

6,63 kW

6,63 kW

3

über Zyklus (26 s) gemittelte zusätzliche Arbeitsleistung

5,04 kW

7,50 kW

4

Summe der gemittelten Leistungen (2) + (3)

11,67 kW

14,13 kW

5

Verhältnis Strahlleistung (1) : Leistungssumme (4)

0,514

0,707

6

Quasi-„Steckdosenwirkungsgrad“

51 %

70 %

 

Eine andere Möglichkeit ist die Betrachtung der während (!) des Schweißens wirksamen Energieströme, wobei wieder die zuvor verwendeten mittleren Leistungen herangezogen werden, aber jeweils multipliziert mit der Schweißzeit. Daraus ergeben sich folgende Werte für das Verhältnis von Wirkenergie (im Strahl) zu Gesamtverbrauch (Aufnahme durch die Maschine über die Prozesszeit tS):

 

P

Ib

ts

Schweißenergie/Gesamtenergie

in %

kW

mA

sec

2

33

15

13,4

2

33

7,5

9,3

6

100

15

31,9

6

100

7,5

23,8

10

167

15

43,9

10

167

7,5

34,2

 

Bemerkenswert (aber zu erwarten) ist dabei, dass – auf ein und derselben Maschine - mit der Höhe der Strahlleistung und mit der Dauer der Schweißung jeweils die Effizienz des Prozesses steigt.

Und noch eine weitere Möglichkeit der Auswertung für den o. g. Schweißaufbau sei hier angegeben: Ermittlung der von den einzelnen Aggregaten der Maschine während des Schweißvorganges (15 s mit 6 kW) aufgenommenen Gesamtenergie und Darstellung in einem Flussdiagramm.

Wie zu sehen, ist es nicht möglich, in simpler Weise Wirkungsgrade oder Effizienzen für das EB-Schweißen zu ermitteln – es gibt verschiedene sinnvolle Varianten. Aus allen gemeinsam ist aber der Schluß zu ziehen:

Das EB-Schweißen erfolgt mit einem überragend hohen Grad der Umsetzung von verbrauchter in genutzte Energie.

Und nur wenn bei anderen Verfahren dieselben (analogen) quantitativen Werte vollständig erfasst und die relevanten Zusammenhänge berücksichtigt werden, kann man „Äpfel mit Äpfeln vergleichen“.