Multimaterial-Schweißen Die Schweißprozess-Alternative mit dem Blitzeffekt

Redakteur: Peter Königsreuther

Mit dem Magnetpulsschweißen haben Fraunhofer-IWS-Experten das Fügen verschiedener Metalle untereinander prozesssicher im Griff. Das könnte dem Wasserstoffantrieb einen Schub versetzen.

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Das Magnetpulsschweißen schafft stoffschlüssige Verbindungen zwischen Materialien wie Kupfer, Aluminium und Stahl. Die Verbindung hält auch bei sehr tiefen Temperaturen dicht – etwa, wenn es um flüssigem Wasserstoff geht.
Das Magnetpulsschweißen schafft stoffschlüssige Verbindungen zwischen Materialien wie Kupfer, Aluminium und Stahl. Die Verbindung hält auch bei sehr tiefen Temperaturen dicht – etwa, wenn es um flüssigem Wasserstoff geht.
(Bild: R. Bonss / Fraunhofer-IWS)

Was unschweißbar war, wird jetzt schweißbar gemacht! Denn für die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) an der Technischen Universität München fügten Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS aus Dresden ein spezielles Bauteil, das aus Kupfer, Edelstahl und Aluminium besteht. Es wird für dortige Kryostaten (Tiefkühlgeräte) eingesetzt. Das Fügen der Einzelteile erfolgte bisher per Laserstrahlschweißen, heißt es weiter. Zusätzliche Applikationen wurden gelötet oder mit dem Elektronenstrahl fixiert. Leider, so die Forschenden, waren die Nähte so nicht wirklich dicht zu bekommen. Abhilfe leistet nun das Magnetpulsschweißen, sagt Dr. Markus Wagner, der die die Gruppe Auslegung und Sonderverfahren am IWS leitet. In Mikrosekunden soll das Verfahren dichtere Verbindungsnähte schaffen, die sogar bei Temperaturen von -270 °C nicht versagen. Auch größere Temperaturdifferenzen seien kein Problem. Denn das Magnetpulsschweißen erzeugt Überlappnähte, weshalb die Verbindungsstellen auch wesentlich stabiler als sonst.

Bei anderen Schweißverfahren muss man aufpassen

Bei den üblichen Schmelzschweißverfahren können, wie schon angedeutet, diverse metallische Werkstoffe kombiniert werden. Doch müssen diese bei ähnlich hohen Temperaturen schmelzen, schränken die Forschenden in Sachen Flexibilität ein. Dr. Jürgen Peters, Zentrale Gruppe Probenumgebung an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TU München, erläutert: „Problematisch wird es aber, wenn man Metallen fügen will, die eben sehr unterschiedliche Schmelztemperaturen haben oder beim Vermischen stark verspröden, wie es bei Aluminium mit Kupfer oder Edelstahl der Fall ist.“ Die magnetpulsgeschweißten Proben der Partner am Fraunhofer-IWS haben die Dichtigkeitstests aber gut bestanden – trotz der eigentlich kritischen Materialkombinationen, heißt es weiter. Denn ein Aufschmelzen der zu fügenden Materialien ist dazu nicht nötig.

Magnetfelder beschleunigen einen der Fügepartner

Das Magnetpulsschweißen funktioniert nämlich ohne großen Wärmeeintrag in die Fügestelle, sondern erzeugt hohen Druck zwischen den Fügepartnern“, macht Jörg Bellmann, Experte für das Magnetpulsschweißen in der Gruppe von Markus Wagner, klar. Anfangs liegt zwischen den Fügepartnern ein Abstand von 1 bis 1,5 Millimetern. Durch die Kraft eines starken Magnetfelds wird einer der beiden Partner beschleunigt. Die Metalle prallen dann aufeinander, wobei ein heller Blitze entsteht. Die Aufprallgeschwindigikeit liegt immerhin zwischen 200 und 300 Metern pro Sekunde. Das kommt der Schallgeschwindigkeit in trockener Luft schon recht nahe. Dadurch wirkt an der Fügefläche ein hoher Druck, der letztlich den Schweißvorgang initiiert. Ein ebenfalls am Fraunhofer-IWS entwickeltes Messsystem stelle sicher, dass die Bauteile korrekt positioniert sind, damit sie im richtigen Winkel aufeinanderprallen. Der ganze Prozess laufe dann auch relativ energiesparend ab.

Produktiv und hochwertig schweißen! Auch Dünnwandiges

Die Möglichkeit auch kritische Materialkombinationen erschaffen zu können, kann speziell bei der Anwendung von flüssigem Wasserstoff hilfreich sein, so die Dresdener Experten. Denn genau dazu müssten Werkstoffe, wie Edelstahl, das Wärme eher schleicht leitet, mit gut leitfähigen Materialien, wie Kupfer oder Aluminium verbunden werden. Das schaffe das Magnetpulsschweißen aber gut, denn wirklich warm werde es nur direkt in der Grenzfläche der Berührung. Auch wird das Verfahren, das hochwertige Verbindungen schafft, als produktiv und günstig beschrieben, das auch dünne Komponenten sicher schweißt. Dazu nutzt man aber spezielle Stützelemente, die wieder entfernt werden können.

Interessant kann das Magnetpulsschweißen nicht nur für wasserstoffbetriebene Flugzeuge und die Raumfahrt sein. Auch die Elektronik und die E-Mobilität könnten Nutzen davon haben, weil die Fügezone elektrischen Strom gut leitet, heißt es abschließend.

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