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Technikerarbeit 2014Eingereicht von:Christian MüllerGeboren an: 07.03.1983Geboren in:Wohnhaft:Abschluss:Angestellt als:Unternehmen:Betreuer BFW:SaarbrückenRue du lavoir 5a, F-57350 SpicherenStaatlich geprüfter Techniker der FachrichtungWerkstofftechnikWerkstoffprüferZF Friedrichshafen AG Standort SaarbrückenHans KleinChristian Müller1

Technikerarbeit 2014Erklärung der SelbständigkeitHiermit erkläre ich, Christian Müller, dass ich die hier vorliegende Technikerarbeitselbständig und ohne fremde Hilfe angefertigt und keine anderen als die in dieserAbhandlung angegebenen Unterlagen benutzt habe. Wörtliche bzw. SinngemäßeÜbernahme aus anderen Quellen sind als solche gekennzeichnet.Ebenso erkläre ich, dass diese Arbeit so oder in ähnlicher Form noch nicht von derFachschule für Technik vergeben bzw. als Prüfungsarbeit an dritter Stelleangenommen wurde.Ort/ DatumNameChristian Müller2

Technikerarbeit 2014SperrvermerkDie vorliegende Arbeit beinhaltet vertrauliche Informationen der ZF FriedrichshafenAG. Die Weitergabe des Inhaltes der Arbeit im gesamten oder in Teilen sowie dasAnfertigen von Kopie oder Abschrift auch digitaler Form sind grundsätzlich untersagt.Ausnahmen bedürfen der schriftlichen Genehmigung der ZF Friedrichshafen AG undmir als Autor.Ort/ DatumNameChristian Müller3

Technikerarbeit 2014InhaltErklärung der Selbständigkeit ........................................................................................... 2Sperrvermerk .......................................................................................................................... 31. Vorwort ................................................................................................................................. 62.Firmenpräsentation ........................................................................................................... 72.1 Die ZF Friedrichshafen AG ................................................................................ 72.2 ZF Standort Saarbrücken/Neunkirchen.............................................................. 82.3 Firma PTR GmbH Präzisionstechnik GmbH ...................................................... 83.Einführung ........................................................................................................................... 93.1 Einführung in die Elektronenstrahltechnologie ................................................... 93.1.1 Emission von freien Elektronen .............................................................................. 93.1.2 Bestimmung der Kathodenemission ..................................................................... 103.1.3 Kathodenwerkstoffe ............................................................................................. 113.1.4 Wolfram [W] ......................................................................................................... 123.2 Einführung in die Elektronenstrahlschweißtechnik .................................... 133.2.1 Geschichte vom Elektronenstrahlschweißens ...................................................... 133.2.3 Definition Elektronenstrahlschweißen .................................................................. 143.2.4 Strahlenerzeugung ............................................................................................... 143.2.5 Diodensystem und Triodensystem ....................................................................... 153.2.6 Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit dem Werkstück ................................. 163.2.7 Der Tiefschweißeffekt ......................................................................................... 173.2.8 Vorteile vom Elektronenstrahlschweißen ............................................................. 184. Anlagenaufbau ................................................................................................................. 194.1 Aufbau Strahlenerzeuger ................................................................................. 194.2 Aufbau der Gesamtanlage ............................................................................... 224.3 Vakuumerzeugung ........................................................................................... 234.4 Vergleich einer MAG- und einer EB-Schweißnaht ........................................... 254.5 Beispiele für EB-Schweißungen ..................................................................... 265. Werkstoffprüfung bei der ZF Saarbrücken ............................................................... 275.1 Aufgliederung der Qualitätsabteilungen ........................................................... 276.2 Aufteilung der PTQA4 Bereiche ...................................................................... 276.4 Q-Werkstofftechnik (PTQA4) ........................................................................... 285.6 EB-Schweißnahtprüfung bei PTQA41.............................................................. 306. Problemstellung .............................................................................................................. 326.1 Die Ausgangssituation ..................................................................................... 32Christian Müller4

Technikerarbeit 20146.2 Herangehensweise .......................................................................................... 337. Versuch ............................................................................................................................. 347.1 Versuchsdurchführung ..................................................................................... 347.2 Auswertung ..................................................................................................... 367.2.1 Kathode ohne Absenkung der Kathodenheizung ................................................. 367.2.2 Kathode mit Absenkung der Kathodenheizung .................................................... 377.2.3 Kathode mit Ausheiztest und Absenkung der Kathodenheizung .......................... 388. Fazit ..................................................................................................................................... 41Anhang ................................................................................................................................... 42Literaturverzeichnis ................................................................................................ 42Abbildungsverzeichnis ........................................................................................... 43Diagrammverzeichnis ............................................................................................ 43Tabellenverzeichnis ............................................................................................... 43Interne Arbeitsanweisungen .................................................................................. 44Christian Müller5

Technikerarbeit 20141. VorwortDie vorliegende Technikerarbeit wurde im Rahmen meiner vierjährigen,berufsbegleitenden Weiterbildung zum staatlich geprüften Techniker derFachrichtung Werkstofftechniker am BFW Saarland erstellt. Ich konnte dieMöglichkeit nutzen, diese Arbeit bei der ZF Friedrichshafen AG durchzuführen, woich seit Beginn meiner Ausbildung zum Werkstoffprüfer 1999 angestellt bin. Seit Abschlussmeiner Ausbildung arbeite ich in der Abteilung PTQA41, der Vorkontrolle.Die Prüfung von Schweißnähten begleitet mich seit meiner Ausbildung und ichmöchte mit dieser Arbeit helfen den Schweißprozess transparenter undverständlicher darzustellen.Danken möchte ich meinen Vorgesetzten Herrn Bonner, Herrn Frauendorfer undHerrn Folz welche mir durch Koordination des Schichtplans die Möglichkeit gabendiese berufsbegleitende Weiterbildung zu besuchen. Danken möchte ich auchmeiner gesamten Abteilung, welche mich freitags auf der Nacht- und Mittagschichtvertreten hat. Ich bedanke mich bei Herrn Klein, und allen Lehrern des BFW welchemich schulisch auf diese Arbeit vorbereitet haben. Besonderen Dank gilt HerrnStefan Giesen welcher mich unterstützte und mir den durchgeführten Versuchermöglicht hat.Zuletzt möchte ich mich bei meiner gesamten Familie bedanken welche über dieJahre hinweg, hinter mir stand, und mich auch in schlechten Tag an die Notwendigkeitdieser Weiterbildung erinnerte.Christian Müller6

Technikerarbeit 20142.2 ZF Standort Saarbrücken/Neunkirchen 2In der Division Antriebstechnik mit Hauptsitz in Saarbrücken bündelt ZF dieAktivitäten der Antriebstechnik für Personenkraftwagen. Dazu gehören dieEntwicklung, die Produktion und der Vertrieb von Getrieben, Achsgetrieben,Antriebsmodulen und Antriebskomponenten. Die Division gliedert sich in die dreiGeschäftsfelder Getriebe, Achsgetriebe und Antriebsmodule an zwanzigProduktions- und Entwicklungsstandorten mit ca. 17.000 Beschäftigten.Das Geschäftsfeld Getriebe entwickelt, produziert und vertreibt Automat Getriebe,manuelle Getriebe und Doppelkupplungsgetriebe an sieben Standorten. DasGeschäftsfeld Achsgetriebe verantwortet Vorder- und Hinterachsgetriebe,Allradsysteme, E-Achsantriebe, Differenziale und Kegelradsätze. Produziert wird anfünf Standorten weltweit, das Stammwerk befindet sich.Anfang 2012 hat ZF das NeunkirchenerWerk der Bauknecht Hausgeräte GmbHim Saarland und 240 dort beschäftigteMitarbeiter übernommen, wo bislangGeschirrspüler produziert wurden.Grund ist die Verlagerung undVergrößerung der bisherigenKomponentenfertigung in Saarbrücken,die an Kapazitätsgrenzen gekommenwar.Abbildung 3: 8 Gang Automat Getriebe der ZF2.3 Firma PTR GmbH Präzisionstechnik GmbH 3Innerhalb der Global Beam Technologies AG haben sich 2005 die EB-Spezialistenvon Steigerwald Strahltechnik und der PTR-Gruppe verbunden und stehen nungemeinsam für hochwertige, sichere und langlebige Schweißverbindungen.PTR Präzisionstechnik GmbH ist ein mittelständisches Unternehmen mit Sitz inMaintal bei Frankfurt/Main. Das Schwesterunternehmen PTR-Precision TechnologiesInc. ist in Enfield, Ct. in den USA beheimatet. Die Steigerwald Strahltechnik hat ihrenSitz in Maisach im Westen von München.PTR in Maintal hat ihren Ursprung in der Elektronenstrahl-Schweißabteilung desehemaligen Hanauer Unternehmens Leybold-Heraeus, später Leybold AG.PTR/Enfield war früher die Elektronenstrahl-Abteilung der US-Firma HamiltonStandard, Ct., während Steigerwald Strahltechnik vom Begründer der modernen EB-Bearbeitung, Dr. h.c. Karl-Heinz Steigerwald, selbst gegründet wurde.2 http://de.wikipedia.org/wiki/ZF_Friedrichshafen3 http://www.ptr-gmbh.de/de/unternehmen.htmlChristian Müller8

Technikerarbeit 20143.Einführung3.1 Einführung in die Elektronenstrahltechnologie3.1.1 Emission von freien Elektronen 4Grundlage für die Emission von Elektronen bildet die Tatsache, dass sich beiMetallen im festen oder flüssigen Zustand, Elektronen von den Atomkernenabspalten und ein Elektronengas zwischen den Metallatomen bilden. DieseElektronen besitzen keine bestimmtes Atom, sondern gehören zum Gesamtverbundder Metallatome. Möchte man nun diese Elektronen aus dem Metall herauslösen,sprich emittieren, so muss eine Austrittsarbeit aufgebracht werden welche größer istals die Anziehungskraft der Atomrümpfe. Die drei wichtigsten Arten der Emissionerfolgen durch:• Thermische Emission:Erhöht man die Temperatur T eines Metalls, so steigt die kinetische Energie derElektronen. Durch weiteres Aufheizen des Metalls erreicht die kinetische Energieeinen größeren Wert als die nötige Austrittsarbeit W, und es kommt zur Emission.• Photoelektrische Emission:Energiereiche Photonen werden auf eine Metalloberfläche "geschossen" und könnenbeim Auftreffen ihren Impuls auf die Elektronen übertragen und können dieseherausschleudern.• Feldemission:Durch Erzeugung eines starken elektrischen Feldes an einer feinen Metallspitzekönnen ab einer Feldstärke von 10 9 V/m Elektronen emittiert werden.4Alle Angaben in diesem Kapitel stützen sich auf Unterlagen von Haake, Christian; Timmer, Matthias mit dem Titel Thermoemission von Elektronen , Stand2004Christian Müller9

Technikerarbeit 20143.1.2 Bestimmung der Kathodenemission 5In der Elektronenstrahltechnik bildet die thermische Emission die Hauptmethodik umElektronen aus einem festen Werkstoff herauszulösen. Die Austrittsarbeit W welchebenötigt wird kann durch die Richardson-Gleichung berechnet werden.(1)Hierbei ist T die absolute Temperatur, W e die Auslösearbeit für Elektronen, k B dieBolzmannkonstante und A die Richardson-Konstante.Die Auslösearbeit für Elektronen liegt im Allgemeinen etwa zwischen 1 und 6 eV. DieRichardson-Konstante hängt vor allem vom verwendeten Metall und von derOberfläschenbeschaffenheit ab und liegt bei knapp 10 6 . Für Metalloxide liegt sieweitaus höher.Nach Saul Dushmann (1883-1954) kann die Richardson-Konstante wie folgtabgeschätzt werden:(2)Dabei sind m und e die Elektronenmasse beziehungsweise Elementarladung und k Bund h die Bolzmannkonstante beziehungsweise Planck‘sches Wirkungsquantum.Die Gleichung:(3)Wird auch als Richardson-Dushmann-Gleichung bezeichnet.Anmerkung: Ein Korrekturterm zur Austrittsarbeit ergibt sich bei sehr hohenFeldstärken durch den Schottky-Effekt. In diesem Arbeitsbereich spricht man von derSchottky-Emission.Der Wert der Bolzmannkonstante beträgt:5Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Edison-Richardson-EffektChristian Müller10

Technikerarbeit 20143.1.3 Kathodenwerkstoffe 6Als Kathodenwerkstoffe eignen sich vor allem Werkstoffe welche einen sehr hohenSchmelzpunkt besitzen, da es beim Erhitzen der Kathode zu einer starkenthermischen Belastung des Werkstoffes kommt.Thoriertes Wolfram (WTh), Wolfram (W), Lanthan-hexaborid (LaB6) und Tantal (Ta)bieten sich als geeignete Werkstoffe für die Elektronenstrahlerzeugung an. Bei derZF Friedrichshafen AG kommen ausschließlich Wolframkathoden zum Einsatz undaus diesem Grund fokussieren wir in dieser Technikerarbeit diesen Werkstoff.Diagramm 1 zeigt die einzelnen Werkstoffen und deren Emissionsdichte inAbhängigkeit zur Kathodentemperatur. Deutlich zu erkennen, ist der Zusammenhangzwischen Schmelzpunkt und Emissionsstromdichte.Diagramm 1 Vergleich der Kathodenwerkstoffe6Die Angaben in diesem Kapitel stützen sich auf Informationen aus Sigl Matthäus Ein Beitrag zur Entwicklung des Elektronenstrahlsinters Stand 2007Christian Müller11

Technikerarbeit 20143.1.4 Wolfram [W] 7Wolfram ist ein stahlgraues Metall mit einer Dichte von 19,29 kg/dm 3 und ein kubischraumzentriertes Gefüge. Der Schmelzpunkt liegt bei 3410°C und eine Siedepunktbei 5930°C. Es besitzt eine hohe Beständigkeit gegen die meisten Säuren undAlkalien bis 400°C, muss jedoch bei hohen Temperaturen vor Sauerstoff geschütztwerden, da es zu WO3 verbrennt. Im gegossenen Zustand ist Wolfram so sprödeund porös, dass es sich nicht verformen lässt. Deshalb werden Stäbe aus Wolframdurch das Sinterverfahren hergestellt. Diese Stäbe können dann im warmen oder imkalten Zustand weiterverarbeitet werden. Drähte mit einem Durchmesser von 0,005mm liegen hier im möglichen Fertigungsbereich.Die Zugfestigkeit von Wolfram beläuft sich im weichen Zustand auf 1200 N/mm 2 underhöhen sich im kaltgezogenen Zustand auf bis zu 4200N/mm 2 . DasElastizitätsmodul beträgt 415000 N/mm 2 .Durch seine hervorragenden Warmfestigkeitseigenschaften dienen 85% allenWolframs als Legierungselement für Stähle. Einsatzgebiete für Wolfram sindbeispielsweise: Fäden in Glühlampen, Anodenmaterial in Röntgenröhren, Elektrodenbeim Schweißen oder als Bestandteil von Hartmetallen.EU GefahrenstoffkennzeichnungAbbildung 4 Wolfram-KathodenLeicht-Entzündlich7(Domke, 1986)Christian Müller12

Technikerarbeit 20143.2 Einführung in die Elektronenstrahlschweißtechnik 83.2.1 Geschichte vom Elektronenstrahlschweißens 91905 Erschmelzen von Wolfram zu einem kompakten Werkstoff1945 Systematische Untersuchung des Elektronenstrahls zur Werkstoffbearbeitung1952 Bau der ersten Elektronenstrahl-Bearbeitungsanlage durch Dr. Karl HeinzSteigerwald1958 Entdeckung des Tiefenschweißeffektes1960 Einsatz in der Raumfahrt1963 Schweißversuche an Atmosphäre bei Heraeus1963 150kV / 6kW Rohrschweißanlage in Basel1965 Verfahren wurde in Amerika aufgegriffen für Längsnähte an Röhren1967 Erste Installation in amerikanischen Automobilfirmen1998 Industrieanlage zum Schweißen von Aluminium-InstrumententrägerAbbildung 5 DR. Karl Heinz SteigerwaldAbbildung 6 Erste EB-Schweißanlage von 19528Alle Angaben in diesem Kapitel stützen sich auf Unterlagen der Technischen Universität Braunschweig und der dem Institut für Füge- und Schweißtechnik mit dem TitelStrahlentechnische Fertigungsverfahren, Kapitel 2: Grundlagen der Elektronenstrahltechnik, Stand 2010Christian Müller13

Technikerarbeit 20143.2.3 Definition Elektronenstrahlschweißen 10Das Elektronenstrahlschweißen ist wie folgt definiert:Das Elektronenstrahlschweißen ist ein Schmelzschweißverfahren. Beim EB-Schweißen wird die durch Abbremsung noch beschleunigter gebündelter Elektronenim Werkstoff aus kinetischer Energie entstehende Umwandlungswärme zumSchweißen genutzt.3.2.4 Strahlenerzeugung 11Durch das erhitzen des Kathodenwerkstoffes verlassen immer mehr Elektronen denVerbund im Werkstoff und bilden eine negativ geladene Elektronenwolke um dieKathode. Diese Wolke wird von elektrostatischen Feldern zu einem Strahl gebündelt,beschleunigt und fokussiert. Bei heutigen Schweißanlagen erreichen die Elektronenbei einer Beschleunigungsspannung von bis zu 150 kV eine Geschwindigkeit von2*10 8 m/s was zwei Drittel der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Die Form desentstehenden Elektronenstrahls ist abhängig vom Verlauf der elektrischen Feldlinien.Grundsätzlich findet die Erzeugung des Elektronenstrahls im Hochvakuum(5*10 -4 mbar ) statt. Grund dafür ist das Oxidationsverhalten von Wolfram anSauerstoff und die ungewollte Ablenkung des Elektronenstrahls, durch die in der Luftvorhandenen Moleküle.Das Zusammenspiel von Kathode, Anode, Steuerelektrode und Fokussierungseinheitsind für die Erzeugung eines geformten Elektronenstrahls verantwortlich. Es gibtzwei Möglichkeiten wie ein solches Systeme aufgebaut sein kann, das Diodensystemund das Triodensystem.Abbildung 7 Grundprinzip zur Strahlenerzeugung10Die Angaben in diesem Kapitel stützen sich auf Informationen aus Sigl Matthäus Ein Beitrag zur Entwicklung des Elektronenstrahlsinters Stand 200711 Die Angaben in diesem Kapitel stützen sich auf Informationen aus Sigl Matthäus Ein Beitrag zur Entwicklung des Elektronenstrahlsinters Stand 2007Christian Müller14

Technikerarbeit 20143.2.7 Der Tiefschweißeffekt 14Das Eindringen der Elektronen in die Werkstoffoberfläche beträgt maximal 150 µm,jedoch können Schweißnähte mit einer Tiefe von bis zu 200 mm geschweißt werden.Diese Tatsache ist über den Tiefschweißeffekt zu erklären. Entsteht ein Elektronenstrahlmit einer Energiedichte über ca. 10 6 w/cm 2 , so wird das Material im Brennpunktgeschmolzen (A). Im Zentrum der Schmelze verdampft das Material (B). In derentstehenden Dampfkapillare wird der geschmolzene Werkstoff an die Rändergedrückt und es wird eine neue Oberfläche freigegeben, welche erneut eineWechselwirkung mit dem Elektronenstrahl eingehen kann. Der Strahl dringt tiefer insWerkstück ein (C). Durch Weiterbewegen des Werkstückes kann das geschmolzeneMaterial von der Vorderseite um das Kapillare fließen und auf dessen Rückseiteerstarren (D).Abbildung 10: Darstellung des TiefenschweißeffektsAbbildung 11 Entstehung der Schweißraupe14 http.//www.ptr-gmbh.deimagesstoriesanwendungsgebieteschweissentiefschweisseffekt.jpgChristian Müller17

Technikerarbeit 20143.2.8 Vorteile vom Elektronenstrahlschweißen 15Die Technologie des Elektronenstrahlschweißens bietet gegenüber anderenSchweißverfahren (Lichtbogenschweißen, Laserschweißen etc.) Vorteile wie:• niedrigste spezifische Wärmeeinbringung gegenüber allen anderenSchmelzschweißverfahren,• schmalste Schmelzzonen mit dem geringsten Verzug der Bauteile(Fügen im engen Toleranzbereich),• das Auflösen komplizierter Konstruktionen in einfach zu fertigendeBauteile, die ohne Nachbearbeitung maßhaltig geschweißt werdenkönnen,• durch Tiefschweißeffekt geringe Fertigungszeit und hohe Fertigungsrate,• Wegfall üblicher Schweißzusatzwerkstoffe (I-Naht ohne Spalt) undSchutzgase (Vakuum),• Schweißen von gasempfindlichen Werkstoffen, wie z.B. Titan, Zirkonium,Niob im Vakuum,• Möglichkeit der gleichzeitigen Mehrstrahlschweißung /-bearbeitung(Effizienzsteigerung durch Mehrbahnschweißen),• Möglichkeit der Nutzung des Tiefschweißeffektes, was neueKonstruktionsprinzipienermöglicht (EB-gerechtes Konstruieren),• die Möglichkeit des Schweißens von Werkstoffpaarungen, die mit anderenVerfahren nicht schweißgeeignet sind,• Möglichkeit der Vor- und Nachbehandlung der Naht in einem Arbeitsgang• (Mehrprozesstechnik),• sehr hohe Wirtschaftlichkeit, da hohe Schweißgeschwindigkeiten möglichsind, insbesondere bei großen Nahttiefen und überwiegend ohneZusatzwerkstoff gearbeitet wird,• fast trägheitsloses Ansteuern des Elektronenstrahls (Werkzeug), wasschnelle und präzise Strahlführung ermöglicht• Energieeinsparung durch hohen energetischen Wirkungsgrad gegenüberLaserschweißverfahren und konventionellen,• sichere Prozesskontrolle bereits während des Schweißens (Qualitätskontrollein Echtzeit durch rückgestreute Elektronen).15 Quelle: ebnet, Empfehlungen für das ElektronenstrahlschweißenChristian Müller18

Technikerarbeit 20144. Anlagenaufbau 164.1 Aufbau Strahlenerzeuger 17Abbildung 12: Aufbau einer StrahlenkanoneUm einen gerichteten und geformten Strahl zu erhalten müssen die beschleunigtenElektronen mehrere Einheiten im Strahlenerzeuger durchlaufen. Diese Einheitenbestehen alle aus einer Kupferspule und einen Eisenjoch, welche durch das Anlegeneines Spulenstroms elektromagnetische Felder erzeugen. Das Formen und Richtendes Strahls basiert auf der physikalischen Grundlage, dass magnetische Feldlinienannähernd parallel zu ihrer Quelle verlaufen.16Die Angaben in diesem Kapitel stützen sich auf Informationen aus Sigl Matthäus Ein Beitrag zur Entwicklung des Elektronenstrahlsinters Stand 200717 Alle Angaben in diesem Kapitel stützen sich auf Unterlagen der Technischen Universität Braunschweig und der dem Institut für Füge- und Schweißtechnikmit dem Titel Strahlentechnische Fertigungsverfahren, Kapitel 2: Grundlagen der Elektronenstrahltechnik, Stand 2010Christian Müller19

Technikerarbeit 2014Abbildung 13: Aufbau X-Y-AblenkerZunächst muss der Strahl zentriert werden, und wird dazu durch eineelektromagnetische Linse geleitet. Die Brennweite dieser Linse kann über denSpulenstrom verändert werden. Man spricht hier auch vom ersten X-Y-Ablenker, dasich bei den Ablenkmodulen zwei gegenpolige Magnete gegenüber stehen, und denStrahl so in zwei Richtungen bewegen können.Ist der Strahl nun zentriert, kann der Querschnitt des Strahls durch den Stigmatoreingestellt werden.Abbildung 14: Aufbau eins StigmatorChristian Müller20

Technikerarbeit 2014Der Stigmator besteht aus zwei Paar Elektromagneten welche sich gleichpoliggegenüberliegen. Durch unterschiedliche Stromstärken an den einzelnen Spulenkann der Elektronenstrahl geformt werden und zur Elektromagnetischen Linseweitergeleitet werden. Diese fokussiert den Elektronenstrahl auf dieWerkstückoberfläche und kann über zwei Elektromagneten eingestellt werden. Alsletzte Station in der Strahlenkanone durchläuft der Elektronenstrahl den letzten X-Y-Ablenker, welcher den Strahl zur Zielposition lenkt.Für den Einblick in den aktuellen Schweißvorgang kann der lichtoptische Einblickbenutzt werden. Dieser zeigt eine in Echtzeit dargestellte Draufsicht auf denaktuellen Strahlenvorgang, und kann für das Einstellen der Schweißlage benutztwerden.Abbildung 15: Aufbau einer elektromagnetischen LinseChristian Müller21

Technikerarbeit 20144.2 Aufbau der Gesamtanlage 18Abbildung 16: Aufbau einer EB-Schweißanlage18Die Angaben in diesem Kapitel stützen sich auf Informationen aus Sigl Matthäus Ein Beitrag zur Entwicklung des Elektronenstrahlsinters Stand 2007Christian Müller22

Technikerarbeit 20144.3 Vakuumerzeugung 19Die Weiterentwicklung der Vakuumerzeugung war der Durchbruch in der Elektronenstrahltechnologie.Die Vakuumbeschaffenheit unterteilt sich in folgende Bereiche: Grobvakuum 1 mbar bis 10 3 mbar Feinvakuum 1 mbar bis 10 -3 mbar Hochvakuum 10 -3 mbar bis 10 -7 mbar Ultrahochvakuum < 10 -7 mbarFür einen sauberen und stabilen Schweißprozess wird ein Hochvakuum vonmindestens 10 -3 mbar im Strahlenerzeuger und in der Arbeitskammer vorausgesetzt.Die Arbeitskammer muss im Gegensatz zur Strahlenkanone, in der durchgehend einHochvakuum herrscht, bei jedem Schweißvorgang erneut evakuiert werden. Dafürgibt es spezielle Vakuumpumpen und Zusatzpumpen, welche unterschiedlichangeordnet sein können. Beispiele für Vakuumpumpen sind:TurbomodularpumpeWälzkolbenpumpeDrehschieberölpumpeÖldiffusionspumpeDie ZF setzt in ihren EB-Schweißanlagen eine Kombination aus Turbomodularpumpeund Wälzkolbenpumpe ein. Grund für diese Kombination ist die Tatsache, dass sichnach dem Einsatz der Wälzkolbenpumpe immer noch vereinzelt Luftmoleküle in derProzesskammer befinden und sich negativ auf die Stabilität des Elektronenstrahlauswirken können.19Alle Angaben in diesem Kapitel stützen sich auf Unterlagen der Technischen Universität Braunschweig und der dem Institut für Füge- und Schweißtechnikmit dem Titel Strahlentechnische Fertigungsverfahren, Kapitel 2: Grundlagen der Elektronenstrahltechnik, Stand 2010Christian Müller23

Technikerarbeit 2014Abbildung 17Aufbau einer WälzkolbenpumpeDie Turbomodularpumpe ist eine Hochleistungspumpe welche aus Rotoren undStatoren besteht und eine Umdrehungszahl von 60.000 U/min leistet. Durch ihreLeistungswerte und ihren geometrischen Aufbau, evakuiert diese Pumpe aufmolekularer Ebene. Die Prozesskammer erreicht nach dem Einsatz dieser Pumpeein Hochvakuum von 10 -5 mbar.Abbildung 18 Aufbau einer TurbomodularpumpeChristian Müller24

Technikerarbeit 20144.4 Vergleich einer MAG- und einer EB-Schweißnaht 20Abbildung 19 Vergleich einer MAG- und EB-SchweißnahtAbbildung 20 Temperaturverteilung im Vergleich20Alle Angaben in diesem Kapitel stützen sich auf Unterlagen der Technischen Universität Braunschweig und der dem Institut für Füge- und Schweißtechnikmit dem Titel Strahlentechnische Fertigungsverfahren, Kapitel 2: Grundlagen der Elektronenstrahltechnik, Stand 2010Christian Müller25

Technikerarbeit 20144.5 Beispiele für EB-Schweißungen 21Abbildung 21 EB-Schweißung Bronze und Stahl, 30 mmAbbildung 22 EB-Schweißung von Kupfer, 60mmAbbildung 23 EB-Schweißnaht Stahl, 150 mmAbbildung 24EB-Schweißnaht Aluminium, 40 mm21Alle Angaben in diesem Kapitel stützen sich auf Unterlagen der Technischen Universität Braunschweig und der dem Institut für Füge- und Schweißtechnikmit dem Titel Strahlentechnische Fertigungsverfahren, Kapitel 2: Grundlagen der Elektronenstrahltechnik, Stand 2010Christian Müller26

Technikerarbeit 20145. Werkstoffprüfung bei der ZF Saarbrücken5.1 Aufgliederung der Qualitätsabteilungen 22Q-Kunde (PTQA1)Leiter: Andreas FaulstichQ-Zulieferungen (PTQA3)Leiter: Dr. Michael AckermannQ-Werkstofftechnik (PTQA4)Leiter: Dr. Gerhard BesserdichQ-Teilefertigung (PTQA6)Leiter: Ernst MehnertQ-Getriebe (PTQA7)Leiter Dr. Rolf Roberts6.2 Aufteilung der PTQA4 Bereiche 23Qualität Werkstofftechnik Hausteile (PTQA41)Robert FrauendorferQualität Werkstofftechnik Labor (PTQA42)Dr. Martin KleinQualität Werkstofftechnik Verfahren (PTQA44)Dr. Gerhard Besserdich22Quelle: http://www.zf-world.com/ml/P/PT/skst6000/index.html23Quelle: http://www.zf-world.com/ml/P/PT/skst6000/QW/index.htmlChristian Müller27

Technikerarbeit 20145.3 Die ZF Qualitätspolitik 24Abbildung 25: Angaben zur Qualitätspolitik6.4 Q-Werkstofftechnik (PTQA4) 25Die wesentlichen Aufgaben von PTQA4 stellt die Wahrnehmung allerqualitätssichernden Belange in der Wärmebehandlung, der Schweißtechnik und derVerfahrenstechnik dar.Zu diesen Hauptaufgaben übernimmt PTQA4 die Aufgabe der Qualitätsplanung, derPrüfung und Freigabe von Elastomeren und Kunstoffen, und der Prüfung vonReibbelägen und Getriebeölen. Eine weiter wichtiger Aufgabenbereich ist dieSchadensfalluntersuchung, die Ausschluss über das Versagen von Bauteilen gibtund so Fertigungsprozesse optimieren und durch die erhaltenen Erkenntnisse Bauteilevor erneutem Versagen bewahren kann.Leiter der Abteilung PTQA4 ist Dr. Gerhard Besserdich.24http://www.zf-world.com/ml/P/PT/skst6000/Downloads/Q-Politik_PKW-Antriebstechnik.pdf25http://www.zf-world.com/ml/P/PT/skst6000/QW/index.htmlChristian Müller28

Technikerarbeit 20145.5 Qualität Werkstofftechnik Hausteile (PTQA41) 26PTQA41 ist für die fertigungsbegleitende Freigabe und Überwachung von hausinternenWärmebehandlungs- und Fügeprozessen, werkstoffliche Untersuchung vonBauteilen bei Erstserienfreigaben und Prototypenteilen zuständig.Anpassung der Prozessparameter beim Härten und Schweißen erfolgen in engerAbstimmung zwischen Fertigung und PTQA41.Im Rahmen von internen Audits überprüfen Mitarbeiter von PTQA41 die Abläufe inder Produktion bei den zuvor genannten Prozessen. Die Kostenstelle PTQA41arbeitet im 3-Schicht-Betrieb am Standort Saarbrücken in Werk 1 und Werk 5 mitmehr als 40 Mitarbeitern. Folgende hausinterne Prozesse werden durch PTQA41überwacht:EinsatzhärtenCarbonitrierenNitrierenNitrocarburierenInduktivhärtenElektronenstrahlschweißen (EB)Laserstrahlschweißen (LB)Kondensatorentladungsschweißen (KE)Ermittlung von Auspresskräften mechanisch gefügter BauteileZur Überwachung der Prozesse kommen folgende Prüfmethoden zum Einsatz:Härteprüfung, manuell sowie teilautomatisiertBestimmung der EinhärtetiefeBestimmung der Verbindungsschichtdicke (metallographisch)Mikroskopie (Ermitteln von Restaustenitgehalt, Gefügebewertungen,Bauteiluntersuchungen im Schliff)SchleifbrandprüfungErmitteln von AuspresskräftenMagnetpulverrissprüfungUltraschallprüfungUnterstützung bei Fragen der zerstörungsfreien Prüfung26http://www.zf-world.com/ml/P/PT/skst6000/QW/QWH/index.htmlChristian Müller29

Technikerarbeit 20145.6 EB-Schweißnahtprüfung bei PTQA41Bei der Schweißnahtprüfung setzt die ZF Saarbrücken auf die zerstörendeWerkstoffprüfung. Dies bedeutet, dass alle Proben aus dem Bauteil herausgetrennt,vorbereitet und anschließend unter einem Auflichtmikroskop ausgewertet werden.Bei der Prüfung von Schweißnähten gilt es den Grund der Prüfung zu beachten.Dieser kann eine Freigabe oder eine Zwischenkontrolle des laufenden Prozessesdarstellen. Priorisiert werden bei der Abarbeitung der Prüfteile immer die Freigabeteile,da sich die Schweißmaschine bis zur Erteilung einer Freigabe im Stillstandbefindet.Nach Anlieferung des zu prüfenden Bauteils bei PTQA41 wird dieProzessüberwachung für dieses Bauteil kontrolliert. Die Prozessüberwachung enthältfolgende Angaben:FertigungsauftragBauteilzeichnungBezeichnung der SchweißmaschineBezeichnung des PrüfteilsDateneinstellblattAktuelle SchweißparameterKontrollzeitenFreigabeSind diese Unterlagen korrekt und vorhanden beginnt die Bearbeitung des Bauteils inder Probenvorbereitung.Das Heraustrennen der Proben erfolgt auf einem Nasstrennschleifer, auchTrennschneider genannt. Auf Grund der Artenvielfalt von Bauteilen und derenBeschaffenheit werden die Proben an vorgeschriebenen Punkten herausgetrennt.Aus Gründen der genauen Zuordnung werden die Proben durch einen Druckluftschleifermit den Maschinenkennzeichnungen beschriftet.Nach dem Heraustrennen der Probe beginnt die Herstellung eines Schliffs, welcherauf eine für die Aufnahme des Auflichtmikroskops angemessene Größe besitzt.Bei der Herstellung eines Schliffs durchläuft die Probe mehrere Stationen vonSchleif- und Poliergeräten. Die Schleifgeräte besitzen ein Nassschleifpapier aufWolframcarbit-Basis mit abfallender Körnungsgröße von 400 – 1200. Anschließendwird die Schliffoberfläche poliert. Dies geschieht auf einem Filztuch in Verbindung miteiner 3µm Diamantsuspension um eine optimale Oberfläche zu erzeugen. Derpolierte Schliff wird nach dem Polieren und Reinigen mit Hanol 5, ein 3,5% Salpetersäure-Ethanol-Gemisch,wenige Sekunden geätzt und ist zur Auswertung fertig.Christian Müller30

Technikerarbeit 2014Die Auswertung der Schweißnähte findet unter einem Auflichtmikroskop statt. DieSchweißnähte werden auf folgende Punkte geprüft:SchweißtiefeSchweißlageRundlauffehlerRisseVerschmutzungNahteinfallSchweißperlenDie Anforderungen und Vorgabewerte sind mit Toleranzwerten in derBauteilzeichnung und der internen ZFN 2001 angegeben.Sind alle Prüfergebnisse in Toleranzvorgeben wird das Ergebnis bei PTQA41 inentsprechenden Unterlagen dokumentiert, und das positive Ergebnis in derProzessüberwachung mit einer Unterschrift des Prüfers bestätigt.Fällt das Ergebnis negativ aus wird die entsprechende Korrektur des Prozesses inder Prozessüberwachung aufgeführt und eine erneute Freigabe von der Schweißanlageverlangt.Christian Müller31

Technikerarbeit 20146. ProblemstellungDurch die thermische Belastung bei der Emission von Elektronen aus einen Kathodeund dem Verdampfen des Kathodenwerkstoffes, beginnt die Kathode zuverschleißen.Dem endgültigen Ausfall, sprich dem Kathodenbruch, geht eine Änderung desEmissionscharakters voraus.Im laufenden Schweißprozess kann diese Charakteränderung eine Abweichung vonSchweißtiefe, Schweißlage und Schweißform von vorgegebenen Zeichnungswertenbedeuten. Ein erhöhter Kathodenverschleiß führt unweigerlich zu einer Erhöhungder Ausfallzeiten einer EB-Schweißanlage, da die zerstörte Kathode durch eine neueKathode ersetzt werden muss.6.1 Die AusgangssituationDer Wert des Kathodenheizstroms an der Schweißanlage von PTR bleibt nacherfolgreicher Freigabe konstant auf dem Ausgangswert. Dieser Zustand führt zueinem häufiger auftretenden Ausfall der Kathode, da bei diesen Einstellungen dieQuerschnittsänderung der Kathode und die dadurch resultierendeTemperaturerhöhung nicht berücksichtigt werden.Christian Müller32

Technikerarbeit 20146.2 Herangehensweise 27Um die Standzeit der Kathode zu verlängern gilt es mehrere Faktoren zu beachten.Ein Vakuum im Toleranzbereich, ein optimaler Einbau der Kathode auf vorgegebeneWerte sowie die geometrische Beschaffenheit und Qualität der Wolframkathode sindGrundvoraussetzung für einen stabilen Prozess. In unserem Lösungsweg gehen wirdavon aus, dass alle Werte im Toleranzbereich liegen. Alle EB-Schweißprozesseunterliegen der ZF internen Arbeitsanweisung 6030/03/05 mit dem Titel „Freigabeund Prüfplan von EB/LB geschweißten Bauteilen“.Mit dieser Arbeitsanweisung (AW) regelt der Bereich PTQA41 den Freigabeablaufund die Prüfintervalle der serienbegleitenden Schweißnahtprüfung elektronenstrahlundlasergeschweißter (EB/LB) Bauteile. Sie definiert die Freigabevoraussetzungen,Freigabe- und Kontrollintervalle der EB-Schweißanlagen, und der Versuch zurStandzeitverlängerung muss sich im Rahmen dieser Vorgaben bewegen.Die Arbeitsanweisung besagt, dass ein Eingriff in den Schweißprozess in Form von:KathodenwechselBauteil- und VorrichtungswechselWartung, Reparatur, StromausfallKorrektur von Schweißparameterneine Vorstellung der aktuell geschweißten Bauteile als Freigabe bei PTQA41, derzuständigen Qualitätseinrichtung, nach sich zieht. Somit wird sichergestellt, dass dieBauteile weiterhin in Zeichnungstoleranz geschweißt werden.Um die Kathodenheizung im laufenden Prozess abzusenken wurde dieArbeitsanweisung 6030/01/13 entwickelt, welche sich mit derHauptarbeitsanweisung deckt. Sie stellt sicher, dass der Prozess kontrolliert undstabil weiter läuft, und keine Ausschussteile in Montagebereiche gelangen. Inunserem Versuch halten wir uns genau an diese AW.27Die Angaben in diesem Kapitel stützen sich auf Informationen der Arbeitsanweisung 6030/03/05, Stand 2014Die Angaben in diesem Kapitel stützen sich auf Informationen der Arbeitsanweisung 6030/01/13, Stnad 2014Christian Müller33

Technikerarbeit 201428 297. Versuch7.1 VersuchsdurchführungIn der Versuchsdurchführung halten wir uns an die Arbeitsanweisung 6030/01/13,und vergleichen die Standzeiten der drei Versuchskathoden. Die Arbeitsanweisunggibt uns folgende Rahmenbedingungen für den Versuch:Das erste zur Prüfung bei PTQA41 anstehende Kontrollteil wird mit einem um 0,5 Areduzierten Kathodenheizstrom gefertigt und PTQA41 zur Prüfung vorgestellt. Dabeidarf der Blendenstrom den Ausgangswert (Freigabewert, anzustreben ist ein Wertzwischen 0,1 und 0,6 mA) nicht überschreiten, ansonsten ist eine Reduzierung desKathodenheizstroms unzulässig. Bis zum Ergebnis dieser Prüfung wird auf denAusgangswert zurückgeregelt und weiter gefertigt.Wird dieses Kontrollteil von PTQA41 positiv bewertet darf mit reduziertem Heizstrombis zur nächsten Bauteilkontrolle weitergefertigt werden. Dann Vorgehensweise wiezuvor. Bei negativer Beurteilung wird das zuletzt mit unveränderten Parameterngefertigte Bauteil zu Prüfung bei PTQa41 vorgestellt.Der bei Freigabeerteilung eingestellte Wert für den Kathodenheizstrom darf im Laufedes Prozesses maximal um 2 A reduziert werden.Im ersten Versuch werden die Schweißparameter auf gewohnte Werte eingestelltund nach erfolgreicher Freigabe von PTQA41, mit konstantem Kathodenheizwertgeschweißt. Die Probeentnahme erfolgt laut AW 6030/03/05 zu einemKontrollintervall von 400 geschweißten Teilen. Mit Ausfall der Kathode ist dieserVersuch beendet und kann ausgewertet werden.Im zweiten Versuch wird die gleiche Ausgangssituation durch das Einstellen dergleichen Schweißparameter hergestellt, um einen direkten Vergleich ziehen zukönnen. Im Laufe des Prozesses wird die Kathodenheizung um jeweils 0,5 Aabsenken und das geschweißte Bauteil bei PTQA41 im Rahmen der verlangtenKontrollzeit vorstellen, um die Schweißtiefe und Lage zu ermitteln.Im dritten Versuch wird die Funktion des automatischen Ausheiztests derSchweißanlage benutzt. Durch diesen wird die Kathode ausgeheizt und dieMaschine stellt sich selbst auf optimale Parameter ein. Die Kathode wird um jeweils0,5 A abgesenkt und bei PTQA41 kontrolliert. Ein Bruch der Kathode stellt auch indiesem Versuch das Ende dar.28Die Angaben in diesem Kapitel stützen sich auf Informationen der Arbeitsanweisung 6030/03/05, Stand 201429Die Angaben in diesem Kapitel stützen sich auf Informationen der Arbeitsanweisung 6030/01/13, Stand 2014Christian Müller34

Technikerarbeit 2014Wichtig bei diesem Versuch ist das Beobachten des Blendenstroms. Dieser gibt Auskunftüber die Stabilität des Elektronenstrahls. Der Wert des Blendenstroms beziehtsich auf die Menge an Elektronen des Elektronenstrahls, welche mit der Außenwandder Blende kollidieren. Ein zu hoher Blendenstrom spricht für einen instabilen Strahlund führt zu einer Verschlechterung der Schweißqualität. Steigt der Blendenstromüber einen festgelegten Wert, bricht die Maschine den Schweißprozess automatischab. Die AW beachtet diesen Punkt und besagt, dass der Blendenstrom bei Absenkender Heizung nicht über den Anfangswert steigen darf.Daten der Schweißanlage:Bezeichnung:PTR EB-SchweißanlageInterne Bezeichnung: 716048Variante:P-SerieVakuumwert: 2 * 10 -5Hauptspannung:60 kWSchweißstationen: 4Daten des Bauteils:Bezeichnung:PlanetenträgerBauteilnummer: 1087 232 061Anzahl Schweißungen: 3Schweißtiefe:Werkstoff:3,3 +1 mm (3,3 – 4,3 mm)Führungsscheibe: HC 30 LAStegstern : C10 EChristian Müller35

KontrollnummerKathodenheizungin ALeistungin mAGeschwindigkeitin mm/sPendlungFokusin mAStückzahlBetriebsstundenBetriebstundenrealSchweißtiefein mmBlendenstromin mATechnikerarbeit 20147.2 Auswertung7.2.1 Kathode ohne Absenkung der Kathodenheizung1 25,5 29 18 150 477 0 3,8 0,672 25,5 29 18 150 477 400 3,8 0,673 25,5 29 18 150 477 800 3,8 0,684 25,5 29 18 150 477 1200 3,8 0,675 25,5 29 18 150 477 1600 3,8 0,676 25,5 29 18 150 477 2000 3,7 0,667 25,5 29 18 150 477 2400 3,8 0,678 25,5 29 18 150 477 2800 3,7 0,679 25,5 29 18 150 477 3200 3,5 0,6710 25,5 29 18 150 477 3600 3,6 0,6711 25,5 29 18 150 477 4000 3,5 0,6612 25,5 29 18 150 477 4260 53 23 3,7 0,67Tabelle 1Kathodenstandzeit mit konstanter KathodenheizungChristian Müller36

KontrollnummerKathodenheizungin ALeistungin mAGeschwindigkeitin mm/sPendlungFokusin mAStückzahlBetriebsstundenBetriebstundenrealSchweißtiefein mmBlendenstromin mATechnikerarbeit 20147.2.2 Kathode mit Absenkung der Kathodenheizung1 25,5 29 18 150 477 0 4,0 0,672 25,5 29 18 150 477 400 4,0 0,663 25,5 29 18 150 477 800 4,0 0,674 25,0 29 18 150 477 1200 4,0 0,675 25,0 29 18 150 477 1600 4,0 0,676 25,0 29 18 150 477 2000 4,0 0,677 24,5 29 18 150 477 2400 3,8 0,678 24,5 29 18 150 477 2600 3,7 0,679 24,5 29 18 150 477 3000 3,7 0,6710 24,0 29 18 150 477 3400 4,0 0,6711 24,0 29 18 150 477 3800 3,8 0,6612 24,0 29 18 150 477 4200 3,9 0,6713 23,5 29 18 150 477 4600 3,8 0,6614 23,5 29 18 150 477 5000 3,8 0,6715 23,5 29 18 150 477 5400 3,5 0,6616 23,5 29 18 150 477 5800 3,4 0,6717 23,5 29 18 150 477 5882 74 39 3,4 0,66Tabelle 2 Kathodenstandzeit mit abgesenkter KathodenheizungChristian Müller37

KontrollnummerKathodenheizungin ALeistungin mAGeschwindigkeitin mm/sPendlungFokusin mAStückzahlBetriebsstundenBetriebstundenrealSchweißtiefein mmBlendenstromin mATechnikerarbeit 20147.2.3 Kathode mit Ausheiztest und Absenkung der Kathodenheizung1 24,9 29 18 150 477 0 4,0 0,652 24,9 29 18 150 477 400 4,0 0,643 24,9 29 18 150 477 800 4,0 0,644 24,9 29 18 150 477 1200 4,0 0,655 24,4 29 18 150 477 1600 4,0 0,646 24,4 29 18 150 477 2000 4,0 0,657 24,4 29 18 150 477 2400 3,8 0,658 24,4 29 18 150 477 2600 3,7 0,649 24,4 29 18 150 477 3000 3,7 0,6410 24,4 29 18 150 477 3400 4,0 0,6411 24,4 29 18 150 477 3800 3,8 0,6512 24,4 29 18 150 477 4200 3,9 0,6413 23,4 29 18 150 477 4600 3,9 0,6414 23,4 29 18 150 477 5000 3,9 0,6515 23,9 29 18 150 477 5400 3,8 0,6416 23,9 29 18 150 477 5800 3,9 0,6417 23,9 29 18 150 477 6200 3,7 0,6518 23,9 29 18 150 477 6600 3,7 0,6419 23,9 29 18 150 477 7000 3,6 0,6420 23,9 29 18 150 477 7400 3,6 0,64Christian Müller38

Technikerarbeit 201421 23,9 29 18 150 477 7600 3,6 0,6522 23,9 29 18 150 477 8000 3,7 0,6523 23,9 29 18 150 477 8400 3,6 0,6424 23,9 29 18 150 477 8800 3,7 0,6425 23,9 29 18 150 477 8882 132 66 3,6 0,66Tabelle 3 Kathodenstandzeit mit Ausheiztest und abgesenkter KathodenheizungDie Auswertung der Versuchsreihe beschränkt sich auf die oben aufgeführten Wertein Tabelle 1, 2 und 3. Für eine physikalische Darstellung über das vorgeseheneFormelwerk, fehlen den PTR-Schweißanlagen die notwendigen Messinstrumente,um benötigte Kenngrößen wie beispielsweise die Temperatur T, welche essenziellfür die Berechnung der Emissionsdichte ist, zu ermitteln.In der Auswertung der Versuchsreihe wird die Erhöhung der Stückzahl fokussiert, dahier eindeutige Werte erzielt werden. Die Betriebsstunden unterteilen sich in die Zeitwelche die Kathode seit ihrem Einbau erzielte und in die reale Betriebszeit bei derElektronen emittiert werden, sprich geschweißt wurde.Die Auswertung der Standzeitergebnisse ergibt folgende Stückzahlerhöhung:Versuch 2 ergibt eine Erhöhung der Stückzahl um 1622 Bauteile im Vergleich zuVersuch 1. Dies entspricht einer Steigerung von 38.08 %.Versuch 3 ergibt eine Erhöhung der Stückzahl um 3000 Bauteile im Vergleich zuVersuch 2. Dies entspricht einer Steigerung von 51 %.Versuch 3 ergibt eine Erhöhung der Stückzahl um 4622 Bauteile im Vergleich zuVersuch 1. Dies entspricht einer Steigerung von 108,5 %.Auf Grund dieser Ergebnisse wurde bewiesen, dass mit einem Ausheiztest und demAbsenken des Kathodenheizstroms die Teileausbringung einer Kathode verdoppeltwerden kann.Der theoretische Hintergrund, basiert auf der Tatsache, dass sich durch dasHerauslösen von Elektronen aus einer Kathode deren Querschnitt verkleinert undderWiderstand steigt. Die entstehende Temperatur ist abhängig vom Widerstand underhöht sich mit sinkendem Kathodenquerschnitt.Dieser Erhöhung kann durch Absenkung des Kathodenheizstroms entgegengewirktwerden. Es wurde bewiesen dass, eine thermische Entlastung der Kathode derenStandzeit deutlich erhöhen kann.Christian Müller39

BetriebsstundenStückzahlTechnikerarbeit 2014100009000800070006000500040008882300058822000426010000Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3StückzahlDiagramm 2 Stückzahlergebnis im Vergleich1401321201008060597466402029390Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3BetriebsstundenBetriebsstunden realDiagramm 3 Betriebsstunden im VergleichChristian Müller40

Technikerarbeit 20148. FazitDie durchgeführten Versuche beweisen, dass es sinnvoll ist die Kathodenheizung imlaufenden Prozess abzusenken. Durch die Absenkung des Kathodenheizstromskann die Anzahl von Kathodenwechsel minimiert, der Prüfausschuss gesenkt, unddie Ausfallzeiten der Schweißanlage verringert werden.Die Anwendung der Absenkung macht jedoch nur Sinn, wenn ein optimalertechnischer Zustand der Gesamtanlage und angepasste Schweißparametervorliegen. Nur durch einen optimalen Startwert kann der Prozess seine maximaleEffizienz erreichen.Es ist zu empfehlen den Startwert des Kathodenheizstroms über den automatischenAusheiztest einzustellen, um somit ist einen optimaler Start in den Schweißprozesszu gewährleistet. Eine regelmäßige Wartung der Anlage und die Stabilisierung desVakuumzustandes zählen ebenfalls zu den Grundvoraussetzungen für den gesamtenSchweißprozess.Mit Blick in die Zukunft liegt es im Bereich des Möglichen, die Absenkung desKathodenheizstroms zu automatisieren. Die EB-Schweißanlagen von PTR stellendiese Möglichkeit an ihren Anlagen zur Verfügung.Jedoch denkt sich die automatisierte Absenkung nicht mit den gültigen undbindenden Arbeitsanweisungen der ZF, da eine Veränderung vonSchweißparametern immer eine Überprüfung des Schweißergebnisses nach sichzieht. Hier müssen noch weiter Versuche durchgeführt werden, um dieArbeitsanweisungen mit der automatischen Absenkung in Einklang zu bringen.Christian Müller41

Technikerarbeit 2014AnhangLiteraturverzeichnisChristian Haake, M. T. (2004). Versuchsbericht Thermoemissin von Elektronen .Domke, W. (1986). Werkstoffkunde und Werkstofprüfung. Berlin: W. Girardet Buchverlag.ebnet - Netzwerk für innovative Elektronenstrahlanwendung. (kein Datum). Empfehlungenfür das Elektronenstrahlschweißen. Genthin.Haake, C., & Timmer, M. (2004). Thermoemissin von Elektronen. Versuchsbericht.Sigl, M. (2007). Ein Beitrag zur Entwicklung des Elektronenstrahlsinters. TechnischeUnuversität Münschen : Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik .Christian Müller42

Technikerarbeit 2014AbbildungsverzeichnisAbbildung 1 Zentrale Forschung & Entwicklung und Konzernzentrale Friedrichshafen.................................................................................................................................... 7Abbildung 2 Standorte der ZF in globaler Ansicht ..................................................... 7Abbildung 3 8 Gang Automatgetriebe der ZF ............................................................ 8Abbildung 4 Wolfram-Kathoden ............................................................................... 12Abbildung 5 DR. Karl Heinz Steigerwald ................................................................. 13Abbildung 6 Erste EB-Schweißanlage von 1952 ..................................................... 13Abbildung 7 Grundprinzip zur Strahlenerzeugung ................................................... 14Abbildung 8 Aufbau eines Diodensystems und Triodenstystems ............................ 15Abbildung 9 Physikalische Effekte beim Auftreffen des Elektronenstrahls .............. 16Abbildung 10 Darstellung des Tiefenschweißeffekts ................................................. 17Abbildung 11 Entstehung der Schweißraupe ............................................................ 17Abbildung 12 Aufbau einer Strahlenkanone .............................................................. 19Abbildung 13 Aufbau X-Y-Ablenker ........................................................................... 20Abbildung 14 Aufbau eins Stigmators ....................................................................... 20Abbildung 15 Aufbau einer elektromagnetischen Linse ............................................. 21Abbildung 16 Aufbau einer EB-Schweißanlage ......................................................... 22Abbildung 17 Aufbau einer Wälzkolbenpumpe .......................................................... 24Abbildung 18 Aufbau einer Turbomodularpumpe ...................................................... 24Abbildung 19 Verleich einer MAG- und EB-Schweißnaht .......................................... 25Abbildung 20 Temperaturverteilung im Vergleich ...................................................... 25Abbildung 21 EB-Schweißung Bronze und Stahl, 30 mm ........................................ 26Abbildung 22 EB-Schweißung von Kupfer, 60mm ..................................................... 26Abbildung 23 EB-Schweißnaht Stahl, 150 mm .......................................................... 26Abbildung 24 EB-Schweißnaht Aluminium, 40 mm ................................................... 26Abbildung 25 Angaben zur Qualitätspolitik ................................................................ 28DiagrammverzeichnisDiagramm 1 Vergleich der Kathodenwerkstoffe ....................................................... 11Diagramm 2 Stückzahlergebnis ................................................................................ 40Diagramm 3 Versuchsergebnis Betriebsstunden ..................................................... 40TabellenverzeichnisTabelle 1 Kathodenstandzeit mit konstanter Kathodenheizung ................................. 36Tabelle 2 Kathodenstandzeit mit abgesenkter Kathodenheizung .............................. 37Tabelle 3 Kathodenstandzeit mit Ausheiztest und abgesenkter Kathodenheizung ... 39Christian Müller43

Technikerarbeit 2014Interne ArbeitsanweisungenChristian Müller44

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