Schweissen, das unlösbare Verbinden von Bauteilen durch
Wärme und Druck, ist zwar keine Hexerei; doch Flammschweissen,
Gasschmelzschweissen, Schutzgas-, Widerstands-, Kaltpress-, Laser-,
Schmelz- und Reibschweissen – um nur einige zu nennen –
wollen beherrscht und, noch wichtiger, verstanden sein. Denn sonst
kann es leicht passieren, dass das geschweisste Teil nicht
aushält, was es sollte. Aber auch beim Löten, bei dem die
Grundwerkstoffe selber nicht zum Schmelzen gebracht werden und die
Verbindung durch ein Lot zustande kommt, sind die
physikalisch-chemischen Vorgänge alles andere als
trivial.
So vielfältig die an der Tagung vorgestellten
Fügeverfahren auch sind, die Schwierigkeiten in der Anwendung
sind immer ähnlich: Verziehen des Bauteils, Verspröden
des Materials durch Hitze, Oxidation der Schweissnaht, schlechte
Schweiss- und Lötbarkeit der Materialien und vieles mehr.
Probleme, die auch die Wissenschaft herausfordern. Denn ist erst
einmal verstanden, warum sich ein bestimmtes Material beim
Schweissen so und nicht anders verhält, lassen sich unter
Umständen bessere, dauerhaftere Fügeverfahren
entwickeln.
Computersimulation zur Prozessoptimierung
Gemäss Christian
Leinenbach von der Empa-Abteilung «Füge- und
Grenzflächentechnologie» steckt im Schweissen und
Löten viel Empirie und Erfahrung. «Es funktioniert
einfach. Wir möchten die Prozesse aber auch verstehen, um
Werkstoffe weiterzuentwickeln und die Prozesstechnologie optimieren
zu können. Hierzu muss man sich das Material und seine
Eigenschaften ganz genau ansehen, das ist
Grundlagenforschung», so Leinenbach. Um beispielsweise die
Wechselwirkungen der am Schweiss- oder Lötprozess beteiligten
chemischen Elemente zu verstehen, sind experimentelle Daten
nötig. Aber auch verschiedene computerbasierte
Simulationsmethoden werden eingesetzt, mit denen sich etwa
berechnen lässt, bei welchen Temperaturen welche der so
genannten Phasen in der Fügeverbindung, also in der
Grenzfläche, entstehen.
Zum Beispiel beim Auflöten von Diamant auf Stahl für
Hochleistungs-Schleifwerkzeuge. Gegenüber dem klassischen
galvanischen Verfahren, bei dem die winzigen Diamanten praktisch in
einer Metallschicht versenkt werden, hat das Löten den
Vorteil, dass die Diamantkörner weit aus dem Stahl
herausragen. Es werden höhere Schleifgeschwindigkeiten
möglich und das Werkzeug hält länger.
«Allerdings ist das Löten von Diamant nicht ganz
einfach», so Leinenbach. Hierzu brauche es genaue Kenntnis
der Grenzflächenreaktionen und der Reaktionsmechanismen
zwischen Diamant und dem verwendeten Lot. An der Empa werden diese
Mechanismen einerseits mit realen Versuchen etwa in einem
Hochvakuumofen erforscht, aber auch virtuell am Rechner modelliert.
Ziel ist das Optimieren der Prozessparameter oder der
Zusammensetzung des Lotes.
Hans Gut von der MAN Turbo AG ging als Industrievertreter auf
die speziellen Herausforderungen beim Herstellen von
Laufrädern für Turbokompressoren ein. Dabei kommen sowohl
Schweiss- als auch Lötverfahren zum Einsatz, und dies bei oft
schwierigen Platz- und Temperaturverhältnissen an bis zu
tonnenschweren Objekten. Gut sieht es als besonders wichtig an,
dass der «Übertrag von der Hochschule in die
Industrie» stattfindet, denn «wir sind immer etwas
hinterher».
Laserschweissen – neue Technik mit viel
Potenzial
Konrad Wegener von der ETH Zürich stellte
schliesslich ein neues Schweissverfahren vor, das Laserschweissen.
Diese «revolutionäre» Technik sei im Wirkungsgrad
zwar schlechter als herkömmliche Verfahren, etwa als solche
mit Gas, dazu auch aufwändiger und teurer. Aber dank Laser
lassen sich selbst schwer schweissbare Materialien wie Alu und
Stahl miteinander verbinden. Ausserdem lässt er sich auch an
schwer zugänglichen Stellen anwenden, etwa im Inneren von
Sandwichbauteilen.
«Bisher musste der Schweisser nur die Elektrode reinigen und
dann mit dem Schweissen anfangen», so Wegener. Nicht ganz so
schnell gehts beim Laserschweissen: Es wird in der Regel
automatisiert eingesetzt und benötigt daher einen gewissen
Programmieraufwand der Maschine. Das neue Verfahren müsse
gezielt dort eingesetzt werden, wo die positiven Eigenschaften des
Lasers zum Tragen kommen, wie dessen hohe Energieintensität,
die berührungslose Übertragung der Energie, die grosse
Schweissgeschwindigkeit, die damit verbundene höhere
Produktivität und die Anwendbarkeit auch bei kleinsten
(Elektronik-)Teilen oder im Flugzeugbau, wo traditionell genietet
wird. Konrad Wegener sieht für den Lasereinsatz grosses
Potenzial: «Die Revolution hat erst begonnen.».
Neben dem Fügen wird der Laser aber auch fürs Trennen von
Bauteilen genutzt und ersetzt zum Teil schon teure Stanzwerkzeuge.
Im zweiten Teil der Tagung am Nachmittag wurden solche neuartigen
praktischen Anwendungen vorgestellt und anwendungsbezogene Probleme
der Laser- und anderer Techniken mit den anwesenden
Industrievertretern diskutiert.
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