Magnetpulsschweißen Unschweißbar? Gibt es nicht!

Redakteur: Juliana Pfeiffer

Fliegen soll in Zukunft umweltfreundlicher werden. Dabei stehen vor allem wasserstoffbasierte Antriebe im Mittelpunkt. Die größte Herausforderung: Das Gas in möglichst dichten Tanks und Rohrsystemen zu speichern. Das Magnetpulsschweißen könnte eine Lösung sein.

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Beim Magnetpulsschweißen sorgt der magnetische Druck einer Werkzeugspule für eine Hochgeschwindigkeitskollision.
Beim Magnetpulsschweißen sorgt der magnetische Druck einer Werkzeugspule für eine Hochgeschwindigkeitskollision.
(Bild: Fraunhofer IWS)

Wasserstoff gilt als künftige umweltfreundliche Energiequelle für Flugzeuge. Doch wie speichern Flugzeugbauer dieses Gas sicher? Fakt ist, dass das Gas erst bei minus 253 Grad Celsius flüssig wird. Erst danach kann es als sogenannter kryogener Treibstoff genutzt werden. So müssen auch Tanks und Rohrsysteme im Flugzeug bei diesen tiefen Temperaturen absolut dicht sein. Das Magnetpulsschweißen kann für dieses Problem die Lösung sein.

Schweißen mit Magnetfeldern – wie geht das? Bei dem noch relativ unbekannten Verfahren Magnetpulsschweißen werden zwei Metallteile miteinander verschweißt, ohne aufzuschmelzen. Forschende am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden haben dieses Schweißverfahren entwickelt. Nun hat dieses Verfahren seinen Praxistest bestanden: Für die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) an der Technischen Universität München fügten die Wissenschaftler des Fraunhofer IWS ein spezielles Bauteil aus Kupfer, Edelstahl und Aluminium für dortige Kryostaten.

Problem: Unterschiedliche Schmelzpunkte

Bisher musste diese Baugruppe aufwendig mit mehreren Laserstrahlschweißnähten, zusätzlichen Fügeelementen und einer Löt- oder Elektronenstrahlschweißnaht hergestellt werden. Diese Techniken gehören zu den sogenannten Schmelzschweißverfahren. Dabei werden Metalle aufgeschmolzen und eine Schweißverbindung zwischen ihnen hergestellt. Allerdings müssen die Metalle ähnliche Schmelzpunkte besitzen. Sie bezeichnen die Temperatur, bei der ein Stoff zu schmelzen beginnt. „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“, erläutert Dr. Jürgen Peters, Zentrale Gruppe Probenumgebung an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TU München. Zudem gab es bei diesem Schweißverfahren Probleme mit der Stabilität und Dichtigkeit, wie Dr. Markus Wagner, Leiter der Gruppe Auslegung und Sonderverfahren am Fraunhofer IWS, erläutert.

Das Magnetpulsschweißen ermöglicht stoffschlüssige Verbindungen zwischen verschiedenartigen Materialien wie Kupfer, Aluminium und Stahl.
Das Magnetpulsschweißen ermöglicht stoffschlüssige Verbindungen zwischen verschiedenartigen Materialien wie Kupfer, Aluminium und Stahl.
(Bild: Fraunhofer IWS)

Doch was ist beim Magnetpulsschweißen anders? „Das Magnetpulsschweißen gehört zu den Pressschweißverfahren. Nach DIN EN ISO 4063 zählt es zu den Schweißverfahren mit hoher mechanischer Energie, die auch als Hochgeschwindigkeitsfügeverfahren bezeichnet werden. Es ermöglicht das stoffschlüssige Fügen verschiedenartiger Metalle“, erklärt Jörg Bellmann, Experte für das Magnetpulsschweißen in der Gruppe von Markus Wagner. So basiert das Magnetpulschweißen nicht auf einem hohen Wärmeeintrag, sondern hauptsächlich auf hohem Druck zwischen den Fügepartnern. Ein Aufschmelzen ist dabei nicht notwendig.

Schnelles und kostengünstiges Fügen

Zu Beginn des Prozesses sind die Fügepartner 1 bis 1,5 mm auseinander. Ein Magnetfeld beschleunigt einen der beiden Partner. Ein heller Blitz tritt auf und die Metalle prallen mit hoher Geschwindigkeit von 200 bis 300 m/s aufeinander. Dadurch entsteht an der Fügefläche ein hoher Druck, der letztlich zum Verschweißen führt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Schmelzschweißverfahren, wie Laserschweißen oder Lichtbogenschweißen, begrenzt das Magnetpulsschweißen die unerwünschte spröde intermetallische Phasenbildung auf ein unkritisches Minimum. Dafür reduziert es Wärme deutlich und bringt es lokalisiert in die zu bearbeitenden Metalle ein“, beschreibt Bellmann den Prozess. So lassen sich stoffschlüssige Rohr- und Blechverbindungen zwischen verschiedenartigen Metallen herstellen. Je nach Anwendungsfall sind dabei beispielsweise die Verbindungsfestigkeit, Duktilität, die Dichtigkeit oder die elektrische bzw. thermische Leitfähigkeit zu beachten.

Alu, Kupfer und Stahl besonders geeignet

Besonders geeignet für das Magnetpulsschweißen sind leitfähige metallische Werkstoffe, insbesondere Aluminium, Kupfer oder Stahl. Sollen elektrisch schlecht leitfähige oder sehr dünnwandige Fügepartner beschleunigt werden, werden zusätzliche Hilfsmittel benötigt. Möglich mache das ein Einbringen spezieller Abstützelemente, die nach dem Prozess wieder entfernt werden können. „Die Bauteiloberflächen sollten möglichst glatt und frei von Verunreinigungen wie Ölen oder Fetten sein“, beschreibt Bellmann die Beschaffenheit der Oberflächen der Fügepartner. 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 Dr. Wagner. Das Verfahren sei schnell und kostengünstig und erlaube eine gleichbleibend hohe Qualität der geschaffenen Verbindungen.

Hinzu kommen extrem kurze Prozesszeiten von wenigen Mikrosekunden. Zudem wirkt das Magnetfeld berührungslos und auf Zusatzwerkstoffe oder Flussmittel kann verzichtet werden. Im Gegensatz zu form- oder kraftschlüssigen Fügeverfahren entfallen im Fügebereich Kerben und Nuten der Bauteile. „Bei geeigneten Prozessbedingungen liegt die erreichbare Verbindungsfestigkeit über der des schwächeren Grundwerkstoffes. Neben den guten mechanischen Eigenschaften der Fügestellen zeichnen sich diese durch Gasdichtigkeit und niedrige elektrische Übergangswiderstände aus“, ergänzt Bellmann.

Fraunhofer IWS unterstützt von Anfang an

Um das Schweißverfahren einzusetzen, braucht es ein Magnetpulssystem mit Pulsgenerator und Steuerkonsole, eine individualisierte Rund- oder Flachspule und gegebenenfalls einen Feldformer. „Für das Magnetpulsschweißen gibt es keine spezielle universitäre Vertiefungsrichtung. Das Know-how haben wir uns anhand zahlreicher Grundlagenuntersuchungen und Industrieaufträge erarbeitet“, sagt Dr. Wagner. Anwender des Magnetpulschweißverfahrens können auf die Unterstützung durch das Fraunhofer IWS zählen. Das Institut unterstützt von der Bauteilanalyse inklusive FE-Simulation über Machbarkeitsstudien bis hin zur Bauteilprüfung. „Die magnetpulsgeschweißten Proben der Partner am Fraunhofer IWS haben die Dichtigkeitstests bestanden“, berichtet Dr. Jürgen Peters von der TU München stolz.

Das neue Verfahren könnte in Zukunft nicht nur im Flugzeugbau 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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