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Magnetpulsschweißen: Sicherer Wasserstoffeinsatz in der Luft- und Raumfahrt

Putzen, Strahlen, Nachbearbeiten
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Ein neues Fügeverfahren ermöglicht eine dichte Verbindung metallischer Mischverbindungen bei extremen Minustemperaturen. Das ist für den Wasserstoffeinsatz in der Luft- und Raumfahrt wichtig.

Das Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS hat ein neues Schweißverfahren entwickelt, mit dem sich Mischverbindungen beispielsweise aus Aluminium mit Kupfer oder Edelstahl dicht verbinden lassen, auch bei Temperaturen von bis zu minus 270 Grad. In der Luft- und Raumfahrt ist dieses Verfahren für eine sichere Nutzung von Wasserstoff wichtig. Das Gas wird erst bei minus 253 Grad Celsius flüssig und ist dann als so genannter „kyrogener Trebistoff“ nutzbar. Tanks und Rohre müssen bei diesen Temperaturen absolut dicht sein. Das neue Verfahren ist ein Magnetpulsschweißen.

Hohe Stabiliät der Schweißnaht

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 minus 270 Grad Celsius als auch bei großen Temperaturdifferenzen zuverlässig funktionieren. An den Fügestellen treten außerdem Überlappungen auf, die noch mehr Stabilität bieten.

Metalle mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen verbinden

Dr. Jürgen Peters, Zentrale Gruppe Probenumgebung an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TU München, erklärt: „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.“

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.

www.iws.fraunhofer.de