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Magnetpulsschweißen fügt Metall-Kombinationen

Unschweißbar – gibt‘s nicht
Magnetpulsschweißen fügt jede Metall-Kombination

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_u
Das Magnetpulsschweißen ermöglicht stoffschlüssige Verbindungen zwischen verschiedenartigen Materialien wie Kupfer, Aluminium und Stahl und erfüllt die Dichtigkeitsanforderungen auch bei sehr tiefen Temperaturen. Bild: ronaldbonss.com
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Wo Metalle zu verbinden sind, die bisher nur schwer (oder gar nicht) miteinander schweißbar waren, bietet das neuartige „Magnetpulsschweißen“ eine Abhilfe. Dies haben Wissenschaftler des Fraunhofer IWS in Dresden eindrucksvoll belegt: Sie verschweißten spezielle Bauteile aus verschiedenen Metallen für kryogene Anwendungen mit flüssigen Gasen. Sie erzielten absolut dichte und belastbare Nähte.

Vor höchste Anforderungen waren die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS gestellt: Es galt Bauteile aus verschiedenen Metallen zu verschweißen, die gegen verflüssigtes Gas mit Temperaturen bis -270 °C zuverlässig abdichten. Dies könnte für künftige Flugzeugantriebe relevant werden, die Wasserstoff als „kryogenen Treibstoff“ nutzen – und dafür müssen Bauteile aus Metall-Kombinationen absolut dicht sein. Fügemethoden, die dies leisten, haben die Feuertaufe auch für andere Anwendungen bestanden.

Für die TU München und dortige Kryostaten fügte das Fraunhofer IWS ein Bauteil aus Kupfer, Edelstahl und Aluminium durch Magnetpulsschweißen. Bisher musste diese Baugruppe aufwendig mit Laserstrahlschweißnähten, zusätzlichen Fügeelementen und einer Löt- oder Elektronenstrahlschweißnaht hergestellt werden. Dennoch gab es Stabilitäts- und Dichtigkeitsprobleme. „Problematisch sind Verbindungen zwischen Metallen, die sehr unterschiedliche Schmelztemperaturen haben oder beim Vermischen stark verspröden – wie Aluminium mit Kupfer oder Edelstahl“, erklärt Dr. Jürgen Peters, tätig an der Forschungs-Neutronenquelle an der TU München. „Die magnetpulsgeschweißten Proben vom Fraunhofer IWS haben die Dichtigkeitstests bestanden.“

Schweißen ohne Aufschmelzen der Metalle

Durch das Magnetpulsschweißen entstehen nun dichtere Verbindungen in wenigen Mikrosekunden, die sowohl bei sehr tiefen Temperaturen bis zu -270 °C als auch bei großen Temperaturdifferenzen zuverlässig funktionieren. Der Vorteil: Ein Aufschmelzen ist nicht notwendig.

„Das Magnetpulsschweißen basiert nicht auf einem hohen Wärmeeintrag, sondern hauptsächlich auf hohem Druck“, erläutert Jörg Bellmann vom Fraunhofer IWS. Zu Beginn des Prozesses besteht ein Abstand von 1 bis 1,5 mm zwischen den Fügepartnern. Durch ein Magnetfeld wird einer der beiden Partner beschleunigt. Die Metalle prallen mit hoher Geschwindigkeit aufeinander – mit immerhin 200 bis 300 m/s. Dadurch entsteht an der Fügefläche ein so hoher Druck, dass es zum Verschweißen kommt.

Schnelles und kostengünstiges Fügeverfahren

Der große Vorteil des Verfahrens: Es erlaubt das Fügen von Metallkombinationen, die bisher gar nicht oder nur schwer miteinander schweißbar waren. Gerade bei der Anwendung von flüssigem Wasserstoff müssen Werkstoffe mit schlechter thermischer Leitfähigkeit wie Edelstahl mit Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium verbunden werden. Das Magnetpulsschweißen macht dies möglich. Heiß werde es dabei „wirklich nur direkt an der Grenzfläche“, erklären die Dresdener Experten. Das Verfahren sei schnell und kostengünstig und biete eine gleichbleibend hohe Verbindungsqualität.

Nicht nur im Flugzeugbau könnte Magnetpulsschweißen in Zukunft zum Einsatz kommen. Durch eine gute elektrische Leitfähigkeit in den Fügezonen ist es ebenso für die Elektromobilität attraktiv. (os)

https://www.iws.fraunhofer.de/de/technologiefelder/fuegen/auslegung-sonderverfahren/sonderverfahren.html

Kontakt:
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
Winterbergstr. 28
01277 Dresden
Tel.: +49 351 83391–0
www.iws.fraunhofer.de
info@iws.fraunhofer.de

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