Das Magnetpulsschweissen ermöglicht stoffschlüssige Verbindungen zwischen verschiedenartigen Materialien wie Kupfer, Aluminium und Stahl und erfüllt die Dichtigkeitsanforderungen auch bei sehr tiefen Temperaturen, beispielsweise in Systemen zum Speichern und Verteilen von flüssigem Wasserstoff.

Ausgabe 07 | 2021

Unschweissbar war gestern

Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden

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.

Die Speicherung dieser Energiequelle stellt die Flugzeugbauer vor Herausforderungen. Das Gas wird erst bei –253 °C 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.

Bei grossen Temperaturdifferenzen zuverlässig funktionieren
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. 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 –270 °C 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 Magnetpuls- schweissen in der Gruppe von Markus Wagner. Zu Beginn des Prozesses besteht zwischen den Fügepartnern ein Abstand von 1 bis 1,5 mm. 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 m/s. 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 Jörg 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 Jörg Bellmann überzeugt.

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