Quelle: Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS.

Fliegen soll in Zukunft umweltfreundlicher werden. Weltweit entwickeln Forschende dafür neue Technologien. Im Mittelpunkt steht dabei auch die Idee, künftig wasserstoffbasierte Antriebe für Flugzeuge zu nutzen. Doch die Speicherung dieser Energiequelle stellt die Flugzeugbauer vor Herausforderungen. Das Gas wird erst bei minus 253 Grad Celsius flüssig und ist dann als sogenannter kryogener Treibstoff überhaupt nutzbar. Sowohl Tanks als auch Rohrsysteme in der Maschine müssen bei diesen tiefen Temperaturen absolut dicht sein. Ein neuartiges Schweißverfahren soll dabei helfen: das Magnetpulsschweißen. Am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden demonstrierten Forschende nun, dass dieses Fügeverfahren zuverlässig extrem belastbare metallische Mischverbindungen für kryogene Anwendungen erzeugen kann. Die exzellenten Verbindungseigenschaften konnten sie in Kooperation mit der TU München erzielen.

Für die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) an der Technischen Universität München fügten Wissenschaftler des Fraunhofer IWS ein spezielles Bauteil aus Kupfer, Edelstahl und Aluminium für dortige Kryostaten – Kühlgeräte, in denen sich sehr tiefe Temperaturen konstant halten lassen. Bisher musste diese Baugruppe aufwendig mit mehreren Laserstrahlschweißnähten, zusätzlichen Fügeelementen und einer Löt- oder Elektronenstrahlschweißnaht hergestellt werden. »Danach gab es jedoch Stabilitäts- und Dichtigkeitsprobleme«, erläutert Dr. Markus Wagner, Leiter der Gruppe Auslegung und Sonderverfahren am Fraunhofer IWS. In wenigen Mikrosekunden entstehen nun durch das Magnetpulsschweißen dichtere Verbindungen, die sowohl bei sehr tiefen Temperaturen bis zu minus 270 Grad Celsius als auch bei großen Temperaturdifferenzen zuverlässig funktionieren. An den Fügestellen treten außerdem Überlappungen auf, die noch mehr Stabilität bieten.

Die bisher von den Forschern der TU München angewandten Techniken gehören zu den sogenannten Schmelzschweißverfahren. Durch ein Aufschmelzen von Metallen lässt sich eine Schweißverbindung zwischen ihnen herstellen. Voraussetzung dafür sind allerdings ähnliche Schmelzpunkte. Sie bezeichnen die Temperatur, bei der ein Stoff zu schmelzen beginnt. Dr. Jürgen Peters, Zentrale Gruppe Probenumgebung an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TU München, erläutert: »Problematisch wird es, wenn man Verbindungen zwischen Metallen anstrebt, die sehr unterschiedliche Schmelztemperaturen haben oder beim Vermischen stark verspröden – wie beispielsweise Aluminium mit Kupfer oder Edelstahl. Die magnetpulsgeschweißten Proben der Partner am Fraunhofer IWS haben die Dichtigkeitstests bestanden.«

Schnelles und kostengünstiges Fügen
Schon seit einigen Jahren forschen Wissenschaftler in Dresden an dem neuen Verfahren. Ein Aufschmelzen ist dabei nicht notwendig. »Das Magnetpulsschweißen basiert nicht auf einem hohen Wärmeeintrag, sondern hauptsächlich auf hohem Druck zwischen den Fügepartnern«, erklärt Jörg Bellmann, Experte für das Magnetpulsschweißen in der Gruppe von Markus Wagner. Zu Beginn des Prozesses besteht zwischen den Fügepartnern ein Abstand von einem bis anderthalb Millimetern. Durch ein Magnetfeld wird einer der beiden Partner beschleunigt. Die Metalle prallen unter dem Auftreten eines hellen Blitzes im weiteren Prozess mit hoher Geschwindigkeit aufeinander – mit immerhin 200 bis 300 Metern pro Sekunde. Dadurch entsteht an der Fügefläche ein hoher Druck, der letztlich zum Verschweißen führt. Ein ebenfalls am Fraunhofer IWS entwickeltes Messsystem garantiert bei all dem, dass die Bauteile korrekt positioniert sind, im richtigen Winkel aufeinanderprallen und der ganze Prozess möglichst energiearm abläuft.

Verfahren punktet bei flüssigem Wasserstoff
Der große Vorteil des Magnetpulsschweißens: Es erlaubt das Fügen von Metallkombinationen, die bisher gar nicht oder nur schwer miteinander schweißbar waren – gerade bei der Anwendung von flüssigem Wasserstoff ein wichtiger Punkt. Dabei müssen Werkstoffe mit schlechter thermischer Leitfähigkeit, wie zum Beispiel Edelstahl, mit Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium verbunden werden. Durch das neue Verfahren ist das nun möglich. »Heiß wird es dabei wirklich nur direkt an der Grenzfläche«, sagt Wagner. Das Verfahren sei schnell und kostengünstig und erlaube eine gleichbleibend hohe Qualität der geschaffenen Verbindungen. »Wir können damit auch besonders dünnwandige Bauteile zusammenbringen«, ergänzt Bellmann. Möglich mache das ein Einbringen spezieller Abstützelemente, die nach dem Prozess wieder entfernt werden können.

Nicht nur im Flugzeugbau könnte das neue Verfahren in Zukunft angewendet werden. Durch eine gute elektrische Leitfähigkeit in den Fügezonen ist es ebenso für den Einsatz in der Elektromobilität und für Prozesse in der Elektronikherstellung attraktiv. »Auch für die Raumfahrt bieten sich mit dieser Schweißtechnologie neue Möglichkeiten«, ist Bellmann überzeugt.

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Quelle: Technische Universität München.

Die Schweißnähte des riesigen Treibstofftanks einer Rakete müssen beim Start immense Kräfte aushalten. Für solche besonders stabilen Nähte wird das Verfahren des Rührreibschweißens genutzt. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) wollen das Verfahren effizienter machen. Sie nutzten dabei die Positronen der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II), um atomare „Löcher“ im Material präzise zu lokalisieren.

Das Verfahren des Rührreibschweißens wird immer häufiger bei Bauteilen eingesetzt, bei denen die Nähte besonders dicht und stabil sein müssen. Etwa im Flugzeugrumpf, im Kühlsystem des Autos oder auch beim Treibstofftank einer Rakete. Im Gegensatz zu anderen Schweißverfahren benötigt das Rührreibschweißen kein zusätzliches Schweißmaterial, und die Temperaturen bleiben in der Regel unter der Schmelztemperatur. Damit ist das Verfahren besonders für temperaturempfindliche Materialien wie das leichte Aluminium geeignet.

Sind die Bauteile fest eingespannt, wird an deren Grenzfläche der schnell drehende Schweißstift des Schweißgerätes entlanggeführt. Der Stift weicht das Material durch Reibungswärme auf, ohne es zu schmelzen. Während sich der Stift voran bewegt, verrührt er die beiden Bauteile an der Grenzfläche und sorgt nach dem Abkühlen für eine besonders feste Naht.

Das Problem bei dem erst 30 Jahre alten Verfahren sind fehlende Erfahrungswerte. Bei jedem neuen Bauteil und Material müssen die Einstellungen des Geräts durch Ausprobieren bestimmt werden. Durch eine automatische Regelung, welche die Einstellungen selbst bestimmt und anpasst, würde sich die Effizienz des Verfahrens enorm verbessern. Dafür hat Dr. Andreas Bachmann in seiner Forschungsarbeit an der TUM ein Regelungskonzept entwickelt.

Positronen finden „Löcher“ im Metall
Zunächst untersuchte Bachmann anhand einer speziellen Aluminiumlegierung, die in der Raumfahrt eingesetzt wird, wie genau die Temperatur und Schweißgeschwindigkeit den Prozess beeinflussen. Dazu nutzte er die weltweit intensivste Positronenquelle NEPOMUC der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II). „Mit der Methode der Doppler-Verbreiterungsspektroskopie konnten wir die Defekte im Metall in und nahe der Schweißnaht finden“, sagt Bachmann.

Forschende schießen bei der Doppler-Verbreiterungsspektroskopie Positronen in das Metallgitter. Hier werden sie von den ebenfalls positiv geladenen Atomrümpfen im Gitter abgestoßen und bewegen sich von selbst zu Leerstellen, wo sie auf ihr Antiteilchen, ein Elektron, treffen. Die Teilchen löschen sich gegenseitig aus und senden dabei Energiestrahlen aus, die wiederum detektiert werden. Die gemessenen Strahlen geben Auskunft über die Position und Häufigkeit von atomaren Leerstellen.

Defekte sind temperaturabhängig
Die Forschenden fanden bei ihren Untersuchungen weniger Defekte bei höheren Schweißtemperaturen um die 500 Grad Celsius. „Im Vergleich zu anderen Schweißverfahren sind 500 Grad allerdings immer noch sehr niedrig“, erklärt Bachmann. „Es ist also so: Eine geringere Schweißtemperatur ist für die temperaturempfindlichen Materialien natürlich besser; wenn sie zu gering ist, wirkt sich das aber negativ auf die Festigkeit der Naht aus.“ Die ideale Schweißtemperatur ist für die Materialien unterschiedlich und muss jeweils bestimmt werden.

Mit diesen Erkenntnissen entwickelte Bachmann eine Regelung, bei der die optimale Temperatur eingestellt wird. Ein Sensor misst die Temperatur in Echtzeit. Mithilfe eines Algorithmus wird bestimmt, wie schnell sich das Werkzeug drehen muss, damit die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Wert 0 beträgt. „Eine Schweißnaht mit Regelung war im Test 1,5-Mal so fest wie ohne Regelung“, erklärt Bachmann.

Außerdem zeigte er, dass theoretisch auch eine Regelung ohne Temperatursensoren möglich wäre. Dabei wird der Widerstand beim Drehen des Schweißstiftes gemessen und auf diese Weise die Temperatur bestimmt. „Je wärmer das Metall ist, desto leichter lässt es sich umformen, beziehungsweise mit dem Werkzeug verrühren“, erklärt Bachmann, der mittlerweile in der Industrie arbeitet. „Wie leicht oder wie schwer sich das Metall verrühren lässt, kann über das an der Spindel, also den Motor, der das Werkzeug antreibt, anliegende Moment gemessen werden.“ Dieser Ansatz könnte weiterentwickelt werden, um den Einsatz dieser Regelung in der Praxis zu erleichtern.

Publikation
Bachmann, A.; Gigl, T.; Hugenschmidt, C. P.; Zaeh, M. F.: Characterization of the microstructure in friction stir welds of EN AW-2219 using coincident Doppler-broadening spectroscopy. In: Materials Characterization 149, (2019) o. Nr., S. 143 – 152.

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