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Modellgestützte Determinierung der Strahlcharakteristika beim Elektronenstrahlschweißen und ihre Auswirkung auf das Prozessresultat = Model-based determination of the beam characteristics in electron beam welding and their effect on the process result
2022
Dissertation, RWTH Aachen University, 2022
Druckausgabe: 2022. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-02-23
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-10651
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/856092/files/856092.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektronenstrahlschweißen (frei) ; Qualitätssicherung (frei) ; Strahl-Stoff-Wechselwirkung (frei) ; Strahlvermessung (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Aufgrund der Vakuumbearbeitung und der elektrischen Steuerung aller prozessbestimmenden Parameter ist der Elektronenstrahlschweißprozess ein Fügeprozess mit umfassend definierten Prozessgrenzbedingungen. Die Prüfung von α- und β-Proben vor und nach der Serienproduktion ist jedoch auch für qualifizierte Verfahren obligatorisch. Der Grund dafür ist der regelmäßige Eingriff in die Strahlgeneratoranordnung beim Wechsel der Kathode. Insbesondere bei Schweißprozessen im physikalischen Grenzbereich treten Probleme der schweißrichtungsabhängigen Schweißnahtform auf, die auf die Kathode zurückgeführt werden können. An dieser Stelle fehlen häufig zuverlässige Informationen über die Leistungsdichteverteilung im Strahl, weshalb das Prozessergebnis als Qualitätsmessgröße verwendet wird. Die Möglichkeiten der Strahlvermessung erscheinen hier als Alternative zur Sicherstellung der Prozessqualität ohne die Zerstörung von Bauteilen. Obwohl sich in letzter Zeit spezifische Strahlmesssysteme von Maschinenherstellern verbreitet haben, ist nicht absehbar, dass sich der Bediener und die Qualitätssicherung ausschließlich auf die Ergebnisse der Strahlmessung verlassen werden. Die Gründe hierfür liegen in der thematischen Komplexität der Strahlmessung. Es fehlt ein allgemein gültiger Standard für die Durchführung und Auswertung von Messungen. Darüber hinaus gibt es keine Interpretationsgrundlage für die Bewertung des Messergebnisses hinsichtlich seines Einflusses auf das Schweißergebnis. Um das oben beschriebene Problem anzugehen, wird zunächst ein Strahlmesssystem entwickelt und im Betrieb optimiert. Die analytische Betrachtung führt zur Eliminierung zahlreicher Fehlereinflüsse auf die Messergebnisse, so dass sich diese letztendlich als zuverlässig erweisen. Im nächsten Schritt wird das Messgerät zur messtechnischen Bestimmung des Einflusses definierter Fehler im Strahlgenerator verwendet. Gleichzeitig wird die Auswirkung dieser Fehler auf das Prozessergebnis anhand von Schweißtests ermittelt. Um den Einfluss der geometrischen Bedingungen in der Triode auf die Leistungsdichteverteilung im Strahl zu erklären, wird schließlich die Elektronenstrahlausbreitung als Beispiel berechnet. Anstelle der weit verbreiteten Modelle wird keine normalverteilte Emission angenommen, sondern eine, die der realen Geometrie nahekommt. Die Ergebnisse von Strahlmessungen, Schweißtests und analytischen Überlegungen sowie der Kreuzvergleich erweisen sich als schlüssig.Due to the vacuum processing and the electrical control of all process-defining parameters, the electron beam welding process is a joining process with comprehensively defined process boundary conditions. Nevertheless, the testing of α and β samples before and after series production are also mandatory for qualified processes. The reason for this is the regular intervention in the beam generator assembly when changing the cathode. In particular, welding processes in the physical limit area have problems of the welding direction-dependent weld seam shape, which can be traced back to the cathode. Reliable information about the power density distribution in the beam is often missing at this point, which is why the process result is used as the quality measurement variable. The possibilities of beam measurement appear here as an alternative to ensure process quality without the expense of destroying components. Although specific beam measurement systems from machine manufacturers have recently spread, it is not foreseeable that the operator and quality assurance will rely solely on the results of the beam measurement. The reasons for this are based in the thematic complexity of the beam measurement. There is a lack of a generally applicable standard for carrying out and evaluating measurements while at the same time comparing the results of the various measurement principles. In addition, there is no interpretation basis for evaluating the measurement result with regard to its influence on the welding result. In order to approach the problem outlined above, a beam measurement system is first developed and optimized in operation. The analytical consideration leads to the elimination of numerous error influences on the measurement results, so that these ultimately prove to be reliable. In the next step, the measuring device is used for the metrological determination of the influence of defined errors in the beam generator. At the same time, the effect of these errors on the process result is determined on the basis of welding tests. In order to explain the influence of the geometric conditions in the triode on the power density distribution in the beam, the electron beam propagation is finally calculated as an example. Instead of the widespread models, no normally distributed emission is assumed, but one that comes close to the real geometry. The results of beam measurements, welding tests and analytical considerations as well as the cross comparison prove to be substantially conclusive.
Fulltext: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT021622374
Interne Identnummern
RWTH-2022-10651
Datensatz-ID: 856092
Beteiligte Länder
Germany
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