Strahlschweißen in der Grundlagenforschung; Beispiele aus der Strahlschweißtechnischen Fertigung am Forschungszentrum Jülich
Dr.-Ing. Wilfried Behr, Dr.-Ing. Uwe Reisgen; Forschungszentrum Jülich
Das Forschungszentrum Jülich (FZJ) hat in den letzten Jahren erhebliche Veränderungen erfahren. So wurde aus der ursprünglichen Kernforschungsanlage Jülich mit mehreren Forschungsreaktoren nun Europas größte Einzelforschungseinrichtung mit ca. 4500 Mitarbeitern, die nun mit großem
Werkstoff- und Materiewissenschaftlichem Know-how die Grundlagenforschung in den Bereichen Gesundheit, Information, Umwelt und Energie vorantreiben. Diese Erfahrung kann im Betrieb und der Weiterqualifizierung der Forschungs-Großgeräte COSY (Teilchenbeschleuniger) und TEXTOR (Fusionsexperiment) ebenso vorteilhaft genutzt werden, wie zum Aufbau neuer Forschungsbereiche.
Drei Forschungsschwerpunkte werden hier beispielhaft zur Demonstration der Anforderungen, die dabei an die Strahlschweißtechnik im Forschungszentrum Jülich gestellt werden, vorgestellt. Dies sind die Arbeiten für die Fusionsforschung (W7X, JET, ITER), die Neu- und Weiterentwicklung
supraleitender Kavitäten (Beschleunigereinheiten) für die Elementarteilchenbeschleuniger der Zukunft und die Strahlschweißfertigung als Teil der Brennstoffzellenentwicklung. Das Spektrum der hierbei zu verarbeitenden Werkstoffe reicht von hochlegierten Stählen über Kupfer, Titan und hochreinem Niob bis hin zu Wolfram und Molybdän. Die werkstoffspezifischen Herausforderungen und die jeweilige Lösung werden aus strahlschweißtechnischer Sicht betrachtet und auch die Aufgabe des
Strahlschweißers als „Mittler“ zwischen Physik und Fertigungstechnik dargestellt. Denn Strahlschweißen wird in der Fertigung für die Grundlagenforschung meist dort eingesetzt, wo
eigentlich keine Schweißnaht erwünscht ist. Die gängigen Anforderungen, wie „verzugsfrei und ohne Werkstoffbeeinflussung“ stellen nur zwei Kriterien der beteiligten Partner dar. Zur Erfüllung der hohen Qualitätsanforderungen kommen an der ZAT das Elektronenstrahlschweißen mit bis zu 170 kV Beschleunigungsspannung ebenso zur Anwendung wie das CO2-Laserstrahlschweißen und das sehr materialschonende Schweißen mit gepulsten Nd:YAG Lasern. Zusätzlich wird die manuelle
Laserschweißtechnik immer dort genutzt, wo Feinschweißen im Prototypenbau oder bei der Reparatur von Bauteilen eine vorteilhafte Ergänzung zu automatisierten Schweißverfahren bildet.
1 Einleitung
Die Zentralabteilung Technologie (ZAT) der Forschungszentrum Jülich GmbH steht primär den hier ansässigen Forschungsbereichen als „Technologieschmiede“ zur Lösung fertigungs- und fügetechnischer Fragestellungen zur Verfügung. Darüber hinaus wird zunehmend die Beratung und Ausführung in fügetechnischen Fragestellungen für die Helmholtz-
Forschungsgemeinschaft zur Aufgabe für die Strahlschweißgruppe der ZAT. Aufgrund der großen Vielfalt der Forschungsbereiche deckt die ZAT den gesamten Bereich der
Ingenieurdienstleistungen, von der Entwicklung über Konstruktion und Projektierung bis hin zur Fertigung hochkomplexer Forschungsgeräte ab. Hierzu muss die ZAT stets neueste Technologien und Fertigungsmöglichkeiten anbieten. Neben einem umfangreichen
Maschinenpark moderner spanabhebender und nicht-spanabhebender Fertigungsmaschinen ist der Bereich der Strahlschweißtechnik in den letzten Jahren kontinuierlich gewachsen.
Modernste Elektronenstrahltechnik mit Strahlsprung-Mehrstrahltechnik und frei
programmierbarer Oszillation sind hier ebenso zu nennen, wie die Einführung des gepulsten Nd:YAG Schweißens mit frei programmierbarer Pulsform.
SOFC-Fertigung mit gepulstem Nd:YAG Laser
Als Forschungsinstitution arbeitet das Forschungszentrum Jülich in Kooperation mit Industriepartnern im Rahmen des vom BMWi geförderten Projektes ZeuS II an der
Entwicklung einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SolidOxideFuelCell) für den mobilen Einsatz, die als Hilfstriebwerk (AuxiliaryPowerUnit) für die elektrischen Verbraucher eines Fahr- oder Flugzeuges dienen soll. Die SOFC wird bei einer Betriebstemperatur von 800°–
1000°C betrieben. Der Elektrolyt dieses Zelltyps besteht aus einem festen keramischen Werkstoff (hier: yttriumdotiertes Zirkoniumoxyd; YSZ), der in der Lage ist Sauerstoffionen zu leiten, für Elektronen jedoch isolierend wirkt. Die Kathode ist ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff gefertigt, der für Ionen und für Elektronen leitfähig ist. Die Anode wird aus einem keramisch-metallischen Werkstoffverbund (Cermet) gefertigt, der ebenfalls Ionen und Elektronen leitet.
Zum „Hilfskraftwerk“ wird erst der Stapel (Stack) von Brennstoffzelleneinheiten. Die geplanten Betriebsbedingungen einer SOFC-APU stellen an Material und Fertigungstechnik sehr hohe Anforderungen. Für einen wirtschaftlichen Betrieb dieser Brennstoffzelle sind Betriebstemperaturen um 800°C notwendig. Um schon kurz nach dem Start ausreichend Leistung bereit stellen zu können, muss der Stack schnellstmöglich aufgeheizt werden. Dies verursacht insbesondere in den Fügezonen eine hohe thermisch induzierte Belastung. Die unterschiedliche Wärmeausdehnung der verwendeten Werkstoffe, erfordert neben Stabilität und Abdichtung der Fügung auch die Eigenschaft zum Spannungsabbau. Außerdem müssen sämtliche Werkstoffe beständig gegenüber oxidierenden und reduzierenden Atmosphären sein. Zusätzlich ist der Stack dynamischen Belastungen (Vibrationen) im mobilen Einsatz ausgesetzt.
Neben diesen technischen Forderungen sind auch wirtschaftliche Aspekte, wie Kostenminimierung und die spätere Umsetzung in den industriellen Maßstab bei der
Entwicklung der SOFC zu beachten. Der Stack soll schließlich noch leicht und kompakt sein, sowie eine lange Lebensdauer aufweisen.
Unter Berücksichtigung dieser technischen und wirtschaftlichen Forderungen wurde in Jülich eine Leichtbau-SOFC entwickelt [1].
Die Vorteile des Laserstrahlschweißens in der Prototypen-Fertigung mobiler
Brennstoffzellen-Einheiten bestehen hauptsächlich darin, die benötigte Schweißenergie sehr präzise mit einer hohen Leistungsdichte einzubringen. Der gepulste
Laserstrahlschweißprozess ist aufgrund seines sehr geringen Wärmeeintrags hierzu
hervorragend geeignet. Um eine Brennstoffzellenkassette zu fertigen, werden der Lötverbund und die Unterschale miteinander verschweißt. Zur effizienten Nutzung des vorgegebenen
kleinen Bauraums liegen die keramischen Zellen und die sie haltende Lötverbindung sehr nahe an der Schweißnaht. Hieraus ergibt sich die Forderung, dass die Schweißung mit einem minimalen Wärmeeintrag erfolgen muss.
Abbildung 1: Teile der Leichtbau-Brennstoffzelle vor und nach der Nd:YAG Laserstrahl- Schweißung
Daher wurde ein gepulster Nd:YAG-Laser ausgewählt, dessen Laserleistung über eine flexible Lichtleitfaser und einen Laserbearbeitungskopf eingebracht wird. Der
Laserbearbeitungskopf wird von einem hochpräzisen 6-Achs-Roboter positioniert (Abb. 2).
Als Schutzgas wird Schweißargon (Argon 4.6) eingesetzt.
geschweißte Kassette Lötverbund
Führungslas che
Ni-Netz
Einlege- rahmen
Unterschale Fensterblech
Nd:YAG geschweißt
Abbildung 2: 6-Achs-Roboter mit Nd:YAG-Laserbearbeitungskopf und Detailansicht einer Fügezone
Abbildung 3: Fügezone am Schiebesitz der Kassettenbauteile
Beim gepulsten Laserstrahlschweißprozess werden im Gegensatz zum ungepulsten cw-
Laserstrahlschweißen (continiuous wave) einzelne Schweißpunkte nacheinander und teilweise überlappend gesetzt. Das Schweißen der Kassetten erfolgt mit einer Frequenz von 40 Hz. So beträgt der Gesamtschweißzyklus von Puls zu Puls 25 ms. Die Pulsdauer, die Zeit der
Energiezufuhr, liegt bei den Versuchsschweißungen bei ca. 3 bis 4 ms, so dass die Abkühlzeit zwischen den Pulsen über 20 ms beträgt. Die Wärmeabfuhr erfolgt aufgrund des gepulsten Prozesses mehrdimensional; entlang der Schweißrichtung und senkrecht dazu. Beim cw- Laserstrahlschweißen mit hohen Schweißgeschwindigkeiten liegt eine größtenteils eindimensionale Wärmeleitung vor [3].
Die geringe Streckenenergie und die hohen Abkühlraten des gepulsten Schweißprozesses in Verbindung mit einer freien Pulsformung führen zu einem sehr geringen Wärmeeintrag in den Lotverbund bzw. in die Zelle.
Beim Laserstrahlschweißen der Brennstoffzellenkassetten können strahlschweißtechnische Nahtvorgaben, wie Spaltfreiheit oder ein gleichmäßiges Spaltmaß kaum eingehalten werden.
Da Fensterblech und Unterschale mittels Tiefziehen hergestellt werden sind
Fertigungstoleranzen und damit Schwankungen im Bereich des Fügespalts nicht zu vermeiden. Dies konnte durch eine Defokussierung um mehrere Millimeter über das Werkstück kompensiert werden (Abb. 3). Deutlich ist hier der sich nach oben hin öffnende Spalt zu erkennen, der im unverschweißen Zustand bis zu 0,15 mm ereichte. In einem weiteren Entwicklungsschritt wurden Anregungen seitens der Strahlschweißtechnik aufgenommen und eine Nahtgeometrieänderung umgesetzt. Aus dem spaltbehafteten Schiebesitz wurde ein spaltfreier und gleichzeitig Fertigungstoleranzen kompensierender
„Federsitz“ mit Stirn-Überlappnaht. Eine weitere Reduzierung der Streckenenergie ließ sich
so realisieren, da nun mit kleinerem Fokusdurchmesser und reduzierter mittlerer Leistung geschweißt werden kann (Abb. 4).
Abbildung 4: Designentwicklung SOFC; links: Schiebesitz; rechts: Federsitz
Beim gepulsten Laserstrahlschweißen mit freier Pulsformung kann durch die Aufteilung des Schweißpulses in Teilprozesse sehr wirksam auf die Schmelzbaddynamik Einfluss genommen werden. Der einige Millisekunden lange Puls (τh) wird beispielhaft dargestellt in drei Sektoren aufgeteilt (Abb. 5 ). Durch die hohe Leistungsspitze PP im ersten Sektor wird die für das Erreichen des Tiefschweißeffektes benötigte Dampfkapillare zunächst erzeugt. Ist das Stichloch geöffnet, erfolgt aufgrund der Vielfachreflexion der Laserstrahlung an den Kapillarwänden eine deutliche Erhöhung der Absorption. Um eine Schmelzbadüberhitzung mit Spritzerbildung zu vermeiden muss die Laserleistung nach dem Öffnen der
Dampfkapillare sofort reduziert werden. Im zweiten Sektor folgt der eigentliche Schweißpuls mit einer prozesstypischen Laserleistung. Im anschließenden dritten Sektor wird die
Laserleistung stetig auf null reduziert. Dadurch kann sich die Dampfkapillare allmählich schließen ohne zu kollabieren und die in der heißen Schmelze gelösten Gase können kontinuierlich entweichen. So können Nahtfehler wie Poren und Lunker reduziert bzw.
vermieden werden. Zudem wird durch die Pulsformung die eingebrachte Pulsenergie (Q) gegenüber dem Laserstrahlschweißen mit Rechteckpulsen reduziert. Dies führt zu einer Reduzierung der mittleren Leistung (PAV) bei gleicher Einschweißtiefe und somit zu einer Steigerung der Schweißgeschwindigkeit bei vergleichbarer Laserleistung. [1]
t PL
1 2 3 Q
PP
τh
τ0
PAV
≈≈ t
PL
1 2 3 Q
PP
τh
τ0
PAV
≈≈
Abbildung 5: Schematische Pulsform für das Schweißen von Stahlwerkstoffen [1]
Jet; Iter like wall
Abb. 6: Schema des Fusionsreaktors ITER
Ein großer Anteil der zukünftigen Grund-Energieversorgung soll durch die Kernfusion erfolgen. Hierzu werden seit den 60’er Jahren des vergangenen Jahrhunderts Untersuchungen mit den beiden Fusionsprinzipien Stellarator- und Tokamak-Bauweise betrieben. Derzeit scheint das Tokamak-Prinzip dem Reaktorbetrieb am nächsten zu sein. Auf Basis der bisherigen Versuchseinrichtungen, vom Jülicher TEXTOR zur Ermittlung der
hochkomplexen Plasma-Wand-Wechselwirkungen bis hin zum JET als Tokamak Experiment nahe der Fusionszündung soll in ca. 10 Jahren der Fusionsreaktor ITER
(InternationalThermonuclearExperimentalReactor) in Cadarache in Frankreich als
internationales Fusionsprojekt erstmalig die Schwelle zur Energielieferung erreichen (Abb.
6). Bisher musste zum Betrieb aller Fusionsexperimente stets erheblich mehr Energie zur Plasmabildung aufgewendet werden, als durch den Fusionsbetrieb gewonnen werden konnte.
Aus dem Lateinischen ITER (der Weg) leitet sich schließlich die Aufgabe des ITER ab. Er soll der Weg zum endgültigen Fusionskraftwerk sein, das als Ergebnis der hier gewonnenen Erkenntnisse um 2040 in Betrieb gehen soll.
Zur Kernfusion ist die Erzeugung eines Plasmas nötig, das bis zu mehrere hundert Millionen Grad heiß sein wird. Nur durch enorme Magnetfelder kann der Plasmabetrieb ohne
Zerstörung der Wandstrukturen erfolgen. Wichtig ist hierbei, dass das Plasma eine möglichst geringe Dichte und gleichzeitig hohe Reinheit aufweist. Im Inneren aller Fusionsexperimente kommen zur Verbesserung des Plasmaprozesses angepasste Divertorsysteme zum Einsatz.
Diese sollen während des Fusionsbetriebs Verunreinigungen aus dem Plasma entfernen. Der Divertor ist eine Art Bodenwanne, in der sich diese Verunreinigungen ablagern können.
Durch seine Formgebung soll der Divertor das leichte, rotierende Plasma möglichst wenig behindern. Nur schwere Verunreinigungen sollen hier schnell aus dem Plasmastrom
abgesondert werden. Aufgrund des hohen Wärmeflusses und der intensiven Teilchenstrahlung ist der Divertor hohen Belastungen ausgesetzt. Um bei lokalen Defekten einen Teil-Austausch vornehmen zu können soll er modular aufgebaut sein.
W CFC/TZM
Abb. 7: Innenansicht des Plasmagefäß im Jet-Fusionsreaktor mit Divertor; Divertorelement in Mischbauweise
Aktuelle Untersuchungen konzentrieren sich auf Divertoren aus Wolfram oder
Kohlefaserverbundwerkstoffen. Separierte Wolfram/CFC oder Wolfram/TZM Strukturen bieten höchste thermische Belastbarkeit und mechanisches Widerstandsvermögen (Abb. 7).
Zur Herstellung von Divertoreinheiten als Wolfram/TZM Verbund kommt an der ZAT das Elektronenstrahlschweißen im Vakuum mit Beschleunigungsspannungen über 150 kV zum Einsatz.
Dies hat sich zur schweißtechnischen Bearbeitung von Wolfram und TZM gegenüber dem Schweißen mit 60 kV Beschleunigungsspannung aufgrund der hohen Dichte und
Schmelztemperatur der Werkstoffe bewährt. Insbesondere moderne
Strahlmanipulationsmöglichkeiten wie die frei programmierbare Strahlablenkung und Strahlsprungtechnik erlauben eine materialangepasste Energieeinbringung und damit eine Minimierung bekannter Fügeprobleme. Eine Kombination aus thermischer
Werkstoffbeeinflussung mit prozessbegleitender Wärmebehandlung, die dem Schweißprozess teilweise überlagert wird, erlaubt eine umfangreiche Modulation der Fügeergebnisse (Abb. 8).
So konnten in Vorversuchen rissfreie Schweißverbindunge zwischen Wolfram und TZM an Linearschweißnähten erzielt werden (Abb. 9). Bei der Fertigung endkonturnaher
Versuchsproben kam es noch zur Rissbildung am Fußpunkt der beiden gegenüberliegenden Verbindungszonen (Abb. 10). In weiteren Versuchen wurden Änderungen der Fügestrategie bezüglich Nahtgeometrie- und Prozessvariationen zu weiteren Verbesserung der Nahtqualität eingeführt. Mittels Ultraschall-Inspektion wurden begleitend Nahtfehlstellen detektiert und der Einfluss der Schweißparameter hierauf ermittelt (Abb.: 11). Die Ultraschall-Untersuchung konnte als zerstörungsfreies Prüfverfahren quantitative Ergebnisse zur Bestimmung der Nahtqualität liefern. Proben ohne signifikante Fehlstellen werden thermozyklischen Belastungstests in der Elektronenstrahlanlage JUDITH des FZJ unterzogen. Hier kann mit hohen Energiedichten, die denen des Plasmabetriebs gleichen, realitätsnah die Belastbarkeit der Schweißproben geprüft werden [2], [3]
Divertor Divertorelement
Abb. 8: Seiten- und Frontansicht eines geschweißten Divertor-Versuchselements in W/TZM Mischbauweise
Abb. 9: Mischverbindung W/TZM
Abb. 10: Querschliff der W/TZM Versuchselement-Schweißung; Rissbildung in der mehrfach aufgeschmolzenen Mittelzone
W W
TZM 13 mm W
TZM
Abb. 11: Versuchsblock W/TZM Schweißung mit US-Untersuchung
HIPPI; High Intensity Pulsed Proton Injector
HIPPI steht für das Entwicklungsprogramm zu Hochleistungs-Protonenbeschleunigern in Mehrspeichen Bauweise. Elementarteilchenbeschleuniger werden bis heute überwiegend in Form aneinandergereihter Halbschalenelemente aus Kupfer oder Niob gefertigt (Abb. 12).
Abb. 12: „konventioneller“ Elementarteilchenbeschleuniger in Cu-Bauweise
Kupfer wird als Resonatorwerkstoff zunehmend durch Niob ersetzt. Im Gegensatz zu Kupfer kann Niob unterhalb einer Temperatur von 9 Kelvin als Supraleiter genutzt werden.
Hierdurch können die Betriebskosten eines Teilchenbeschleunigers um ca. 30% und die Länge um ca. 40% reduziert werden.
Die bisher vielfach genutzte Halbschalenbauweise hat den Vorteil der einfacheren
mechanischen und schweißtechnischen Fertigung, da die Halbschalen mittels Orbitalnaht in Drehvorrichtungen gut verschweißt werden können. Hinzu kommt die Möglichkeit, diese Orbitalnahtstellen mit reduzierten Wanddicken zu versehen, da in der Fügezone die geringsten mechanischen Belastungen herrschen (Abb. 13).
Abb 13: Niob Resonatorelement in Halbschalenbauweise
Der Betrieb der Resonatoren erfolgt dann in Gruppenweise kombinierten Kryostaten, die mittels flüssigem Helium auf Temperaturen unter 9 Kelvin gekühlt werden (Abb. 14). Hinzu kommen Anschlussflansche und –stutzen zur Übertragung der hochfrequent angeregten Beschleunigerströme, Modulation der Resonatorstruktur und Reinigung der Bauteile. Die modulare Bauweise ermöglicht darüber hinaus eine segmentweise Überwachung und Wartung im späteren Betrieb.
Abb. 14: Beschleunigereinheit mit drei Resonatoren im Kryostaten
Ziel aktueller Forschungen ist es mittels neuer Geometrien die Hochfrequenzanregung der Resonatoren zu verbessern und ihre Größe zu reduzieren. Zwei unterschiedliche Prototypen in Mehrspeichen-Bauweise werden im Forschungszentrum Jülich zur Untersuchung der
physikalischen Eigenschaften entwickelt und hergestellt. Die Explosionsdarstellung der beiden Resonatortypen veranschaulichen die Vielzahl der Fügestellen und die Komplexität der Bauteile.
Abb. 15: Schema des Dreispeichen Resonator Prototyps in Kastenbauform (oben) und in Zylinderbauform (unten)
Der erste Resonator in Kastenbauform wurde aus Niobblechen bis 2 mm Wanddicke gefertigt.
Die Abmessungen betrugen ca. 300 x 200 mm. Hieran konnten seitens der auftraggebenden physikalischen Forschungspartner bereits umfassende Kenntnisse zur Wirkungsweise und Verbesserung des Systems gewonnen werden. Diese wurden in einem modifizierten Typ in Zylinderbauform eingebracht, dessen Länge ca. 900 mm beträgt. Die Wanddicke dieses Prototypen musste aus Festigkeitsgründen auf 4 mm erhöht werden.
Abb. 16: Dreispeichen Resonator Prototyp in Niob-Ausführung
Da zunächst nur jeweils ein Prototyp hergestellt wird, darf es in der Endfertigung zu keinem Fehler kommen. Vorbereitende Untersuchungen und ein Test der erforderlichen
Arbeitsabläufe sollten im Vorfeld möglichst viele potenzielle Schwachstellen aufdecken. Aus schweißtechnischer Sicht kann nur das Handling der Einzelteile und der Spann- und
Hilfsvorrichtungen anhand von Kupfer-Probeteilen zunächst „geübt“ werden (Abb. 17).
Abb. 17: „Zylinder“-Resonator mit einer Speiche in Kupferausführung zur EB-Schweißung eingerichtet
Zur Herstellung supraleitender Resonatoren kommt Niob der Qualität RRR300 oder besser zum Einsatz. Die Reinheit von Nb ist eine wichtige Voraussetzung für die Fertigung
supraleitender Resonatoren. Ein Kriterium für die Reinheit ist das Restwiderstandverhältnis RRR (residual resistance ratio). Der RRR-Wert wird durch die Messung der
Temperaturabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstandes R ermittelt. Der Restwiderstand des Metalls hängt von der gesamten Menge der Verunreinigungen und Gitterstörungen ab und bestimmt den RRR-Wert (je mehr Verunreinigungen und
Gitterstörungen, desto kleiner der RRR-Wert). Dabei ist es von entscheidender Bedeutung, dass dieser RRR-Wert auch im Nahtgefüge und der Wärmeeinflusszone (WEZ) einer
Schweißverbindung erhalten bleibt. Um die Reinheit des Nahtgefüges zu erhalten, kann nach dem aktuellen Stand der Technik nur in Vakuumkammern gearbeitet werden, die mit ölfreien Vakuumpumpen (Turbomolekular- oder Kryopumpen mit entsprechenden Vorpumpen) ausgestattet sind und einen Bearbeitungsdruck < 10-5 mbar während der Schweißoperationen sicherstellen [1].
Ein Ziel der Untersuchungen der ZAT ist die Entwicklung eines Fügekonzeptes, das die schweißtechnische Bearbeitung hochreinen Niobs auch mittels herkömmlicher
Elektronenstrahl Schweißanlagen ermöglicht.
Ein in die Vakuumkammer eingebrachtes Getterblech aus artgleichem oder reinerem Niob wird unter Zuhilfenahme des Elektronenstrahls in einen definierten Temperaturzustand gebracht und durchläuft hiervon ausgehend einen verfahrensabhängigen Temperaturzyklus.
Hierdurch werden die Gettereigenschaften von Niob effektiv ausgenutzt. Die
Verunreinigungen in der Restatmosphäre des Kammervakuums, die die Reinheit von Niob beeinträchtigen werden durch diese Vorgehensweise von dem Getterblech aufgenommen.
Ohne diese Vorgehensweise kommt es stets zu Verschlechterungen des RRR-Wertes in der WEZ der Schweißverbindung, da auch das zu fügende Teil als Getter wirkt (Abb. 17). [4]
Abb 18: RRR-Wert in Abhängigkeit des Kammervakuums [4]
Intensive Untersuchungen haben gezeigt, dass sich unter Anwendung dieses Verfahrens hervorragende RRR-Werte von geschweißten Niob Proben erzielen lassen, obwohl die dazu genutzten Elektronenstrahl Schweißanlagen teilweise sogar mit Öl-Diffusionspumpen ausgestattet waren und die erzielbaren Arbeitsdrücke > 10-5 mbar waren (Abb. 18, 19).
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00
Distance from seam (mm)
RRR
Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00
Distance from seam (mm)
RRR
Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4
Abb 19: RRR-Wert Stabilisierung durch Getterprozess
Ein weiteres Teilziel der Grundlagenuntersuchungen zur Schweißbarkeit von Niob war die Ausdehnung des Blechdickenspektrums. Stand der Technik war zu Beginn der
Untersuchungen das Schweißen von Niob-Strukturen mit Blechdicken in der Fügezone bis 1,5 mm. Die Entwicklung einer „idealen“ Naht in Blechdicken bis 5 mm stand nachfolgend im Fokus der Untersuchungen. „Ideal“ bedeutet unter Berücksichtigung der physikalischen Anforderungen an ein Resonatorbauteil die Ausbildung einer randkerbenfreien Nahtwurzel mit minimalem Nahtdurchhang und geringster Oberflächenrauhigkeit. Die Schweißungen müssen ohne die sonst üblichen Möglichkeiten einer Nahtbeeinflussung durch Glättungs- oder
Kosmetiknähte erfolgen, da vor allem die Qualität der Nahtwurzel für die Güte des
Resonators im Vordergrund steht. Diese kann jedoch mit den zuvor genannten Möglichkeiten nicht verbessert werden. Ziel musste es folglich sein, die Niob-Oberflächenspannung und die Kräfte im Schmelzkanal (Dampfdruck, kinetische Energie der Elektronen und
Sekundärteilchen, Schwerkraft, Thermoströmung, Reibungskraft) in ein stabiles
Gleichgewicht zu bringen. Die überwiegende Zahl der Schweißverbindungen ist an den zu fertigenden Resonatoren nur von außen zugänglich. Auf der Strahlaustrittseite darf es nicht zu Spritzerbildung kommen und der durchtretende Elektronenstrahl darf keine Beschädigungen an den Innenflächen des Resonators verursachen. Die Gesamtheit dieser Forderungen führten zu einer umfangreichen Parameterstudie. Der Einfluss von Beschleunigungsspannung, Strahlstrom, Schweißgeschwindigkeit, Strahloszillation, Arbeitsabstand, Fokuszustand, Nahtlage und Nahtkontur auf die Nahtausbildung wurde umfassend ermittelt. Die Korrelation der Parameter musste dabei stets berücksichtigt werden. Schließlich muss mittels slope-in und –out Steuerung ein fehlerfreies Nahtende sichergestellt werden, da nahezu alle
Schweißverbindungen ohne Hilfswerkstücke auszuführen sind. Metallografische
Untersuchungen zur Ermittlung der Oberflächenrauhigkeit und des Nahtquerschnittes konnten die Gute Qualität der ermittelten Schweißnaht belegen (Abb. 20).
Abb. 20: Verbindungsschweißung Niob RRR 300 4 mm dick mit „idealer“ Nahtgeometrie
In die schweißtechnische Fertigung einzelner Komponenten des „Zylinder-Prototypen“ sind die ermittelten Schweißparameter und das gesamte Fügekonzept bereits eingeflossen. Alle bisher gestellten Forderungen konnten erfüllt und ihre Einhaltung an den Teilkomponenten demonstriert werden (Abb. 21).
Abb. 21: geschweißte Speiche zum 900 mm Zylinder-Resonator; Innenansicht mit glatter, spritzerfreier Oberfläche
450
2 Schrifttum
[1]
Die Hochtemperaturbrennstoffzelle; Eine fügetechnische Herausforderung U. Reisgen, W. Behr, A. Cramer, S.-M. Groß, T. Koppitz,
W. Mertens, J. Remmel, F.-J. Wetzel
Große Schweißtechnische Tagung 2006, Essen [2]
http://www.iter.org/ – Offizielle Homepage des ITER-Projekts [3]
http://www.fz-juelich.de/ipp/ITER – Institut für Plasmaphysik am Kernforschungszentrum Jülich
[4]
RRR Degradation and Gas Absorption in the Electron Beam Welding Area of High Purity Niobium
W. Singer, X. Singer, J. Tiessen, TESLA Report 2003-07
