Optimale Verbindungen: IPSUS

Das Schweißwerkzeug sieht aus wie ein Bohrer. An der Stelle, an der die beiden Werkstoffe, die miteinander verschweißt werden sollen, zusammentreffen, taucht seine längliche Spitze drehend in den Werkstoff ein, bis der breite Kopf auf der Materialoberfläche rotiert. Unter der Reibungswärme erweicht das Material und wird von der Spitze durchgerührt. Zügig fährt die Maschine so die Schnittstelle der beiden Bleche entlang. Hinterihr kühlt das Material ab – und fertig ist die Schweißnaht. Ganz ohne Wulst. Doch das Wichtigste bleibt dem Auge verborgen: die innere Struktur des Materials in der Umgebung der Fügeverbindung. Sie beeinflusst entscheidend die Eigenschaften und damit die Zuverlässigkeit des Werkstoffs. Statt wie bisher üblich die Proben nachträglich per Mikroskop zu untersuchen, wollen Forscher künftig live dabei zusehen, wie sich die Mikrostruktur der Materialien beim Fügen verhält. Um die Untersuchung metallurgischer Prozesse beim Fügen zu optimieren, wurde im Jahr 2007 das Virtuelle Institut IPSUS eingerichtet. Hier entwickeln der Projektleiter Dr. Jorge dos Santos vom GKSS-Forschungszentrum in Geesthacht gemeinsam mit den Partnern von IPSUS eine Messanordnung, für die sie Synchrotronstrahlung am Hamburger Helmholtz-Zentrum DESY nutzen.

Ihre Erkenntnisse sollen einerseits dazu dienen, den Schweißprozess für jedes Material zu optimieren: Drehzahlgeschwindigkeit, Vorschub, Druck des Werkzeuges auf die Oberfläche. Andererseits,und das ist laut Jorge dos Santos eigentlich noch wichtiger, soll es auch eine Rückkopplung zu den Materialentwicklern geben. Die können dann Legierungen gleich so designen, dass sie gut schweißbar sind und dabei nicht ihre exzellenten Eigenschaften einbüßen. „Das Rührreibschweißen hat die Fertigungstechnik revolutioniert“, sagt Jorge dos Santos. Mit diesem in den 1990er Jahren entwickelten Verfahren gelingt es, auch Materialien zusammenzufügen, die zuvor als schwer oder gar nicht schweißbar galten: Aluminiumlegierungen etwa, Magnesium oder spezielle Stähle. „Diesen Materialien gehört die Zukunft“, glaubt der Wissenschaftler. Denn sie sind die Basis für den Leichtbau von Flugzeugen und Automobilen und würden sich sogar für Fusionsreaktoren eignen – wenn es denn gelingt, sie zuverlässig und ohne Verlust ihrer Qualitäten zu verbinden. Der entscheidende Vorteil des Rührreibschweißens sind die niedrigen Prozesstemperaturen. Dadurch bildet sich keine flüssige, sondern nur eine plastische Phase. Dabei kommt es zu Umordnungen im Material: Ausscheidungen wachsen oder schrumpfen, vermehren sich oder schließen sich zusammen. Diese Mikro- oder Nanostrukturen bestimmen schließlich die Eigenschaften des Endprodukts: Wie fest es ist, wie elastisch, wie beständig gegen Korrosion oder Ermüdung.

Für den Blick ins Innere der Werkstoffe nutzen die IPSUS-Forscher hochenergetische Röntgenstrahlung aus dem Synchrotron, die Strukturen im Nanometer-Bereich auflösen kann. An ihrem Messplatz am Hamburger HASYLAB haben sie eine Spezialkonstruktion errichtet, so dass der Röntgenstrahl die Schweißnaht bei ihrer Entstehung durchleuchten kann. Mittlerweile liefert die Anlage zuverlässige (das heißt in situ) und sehr wertvolle Ergebnisse. Künftig wollen die Forscher für die Röntgenbeugung Hochgeschwindigkeitsdetektoren einsetzen, um die Prozesse mit einer noch besseren zeitlichen Auflösung zu beobachten.

Doch die experimentelle Arbeit ist längst nicht alles. „Um ein möglichst umfassendes Verständnis zu bekommen, wird sie durch Modellierungsansätze unterstützt“, erläutert Jorge dos Santos. Für die Mikrostruktur bauen die Forscher auf schon existierenden Modellen für metallurgische Prozesse auf, die sie mit den neuen Daten direkt aus den Beugungsexperimenten füttern. „Die Hoffnung ist, dass wir am Ende vielleicht gar keine Experimente mehr brauchen, sondern alles am Rechner durchspielen können“, sagt er. Dazu soll auch die Modellierung des Fügeprozesses beitragen, deren Hauptinformation in der Temperaturverteilung und der Darstellung des Materialflusses liegt. Auch dies gelingt bereits, versichert dos Santos. Abschließend charakterisieren die Wissenschaftler dennoch weiterhin die Proben, um diese Ergebnisse mit den Aussagen aus den Modelle zu vergleichen. Es ist klar, dass nicht alle benötigten Kompetenzen unter einem Dach zu finden sind. IPSUS ist deshalb als so genanntes Virtuelles Institut organisiert, um die Forschungsexpertise verschiedener Einrichtungen zu bündeln. Das GKSS ist für die Prozessentwicklung und -modellierung sowie die Beugungsuntersuchungen und einen Teil der Charakterisierung verantwortlich. Das Forschungszentrum Karlsruhe hat Erfahrungen mit Fusionsmaterialien, das Max-Planck-Institut für Eisenforschung mit so genannten TWIP-Stählen. Die Universitäten von Manchester und Cranfield wurden für die Modellierung der Mikrostruktur und des Prozesses hinzugezogen und an der Ruhr-Universität in Bochum gibt es Experten für hochauflösende Elektronenmikroskopie. Wissenschaftler der TU Berlin schließlich können die Ergebnisse für ein ähnliches Fügeverfahren nutzen. Die Industrie ist mit einem beratenden Panel mit an Bord.

Uta Deffke