Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

Synchrotronstrahlung überwacht SchlankheitskurenMittels Synchrotronstrahlung im Röntgenbereich untersuchenForscher neue Schweißmethoden für den Flugzeugbau.Das Ziel sind leichtere Flugzeuge, die wenigerTreibstoff verbrauchen.Flugzeugbauer gehen mehr und mehr dazu über, metallischeVerbindungen in Flugzeugen zu schweißen und so die klassischeVerbindungstechnik des Nietens zu ersetzen. Schweißverbindungenhaben entscheidende Vorteile gegenüber Nieten:Sie sind schneller zu produzieren, sie können Probleme mit Korrosionreduzieren und sie verringern das Gewicht des Flugzeugs.Um bis zu einem Kilogramm pro Meter Naht können Flugzeugedurch das Schweißen leichter werden. Insbesondere die Gewichtsreduzierungspielt eine bedeutende Rolle, da sie zu geringeremTreibstoffverbrauch und höherer Nutzlast führt.Als Schweißverfahren für die im Flugzeugbau verwendetenAluminiumlegierungen eignen sich insbesondere das Reibrührschweißenund das Laserstrahlschweißen.Das Reibrührschweißen wurde erst zu Beginn der 1990erJahre entwickelt. Da es sich hierbei um einen Festkörperprozesshandelt, bei dem die zu verbindenden Metalle nicht schmelzen,sondern bei erhöhter Temperatur miteinander verrührt werden,haben diese Verbindungen hervorragende mechanische Eigenschaften.Insbesondere lassen sich auch Aluminiumlegierungenverbinden, die mit herkömmlichen Schmelzschweißverfahrennicht oder nur sehr schlecht geschweißt werden können. Diesmacht das Reibrührschweißen nicht nur für den Flugzeugbau,sondern auch für andere Industriezweige interessant.In einem weltweit bislang einzigartigen Versuchsaufbau hatdas GKSS-Forschungszentrum die leistungsfähige Reibrührschweißanlage„Flexi-Stir“ (siehe Abbildung) für In-situ-Versuchean seiner Hochenergie-Beamline HARWI-II an DORIS IIIbei DESY installiert. Das Projekt wird im Rahmen des virtuellenInstituts IPSUS (Improving Performance and Productivity ofIntegral Structures through Fundamental Understanding ofMetallurgical Reactions in Metallic Joints) von der Helmholtz-Gemeinschaft gefördert.Hohe Röntgenenergien sind erforderlich, da sich nur so diezu schweißenden Bleche durchdringen und die Veränderungendes Werkstoffs in der unmittelbaren Nähe des Schweißwerkzeugsstudieren lassen. Zwar lassen sich viele Aspekte auch„post mortem“ an nach dem Schweißen erkalteten Material untersuchen,jedoch kann man dynamische Effekte, die nicht nurdurch das Temperaturfeld, sondern auch durch dessen zeitlicheund örtliche Variation sowie den Materialfluss während desRührens zustande kommen, nur in-situ, d. h. während desSchweißens untersuchen. Auf diese Weise kann man wichtigeInformationen für die Prozessmodellierung erlangen, die für dieOptimierung des Schweißprozesses wesentlich ist. Nur hochintensiveSynchrotronstrahlung ermöglicht eine hinreichendschnelle Messung für derartige In-situ-Experimente.Laserstrahlschweißen wird heute im Flugzeugbau erst anwenigen Stellen des Flugzeugrumpfes eingesetzt. Die Mikro-Computertomographie bietet für die Untersuchung vonLaserschweißnähten exzellente Möglichkeiten. Bei der Computertomographierekonstruiert ein Computer Objekte dreidimensionalaus einer Vielzahl einzelner zweidimensionaler Projektionsbildern.Zwar gibt es heute bereits sehr leistungsfähigeLabortomographen, die mancherorts in der Industrie eingesetztwerden, jedoch bleibt diesen Geräten ein Bereich verschlossen,zu dem man nur mit sehr intensiver monochromatischer SynchrotronstrahlungZugang hat. Mit letzterer kann man so hoheDichteauflösungen erzielen, dass sich beispielsweise zwei verschiedeneAluminiumlegierungen und die Schweißnaht unterscheidenlassen. Das Material der Schweißnaht lässt sich in demdreidimensionalen Datensatz entfernen, so dass man z. B. Poren(in der Abbildung blau dargestellt) sichtbar machen kann. Diedabei heute routinemäßig erreichbare Ortsauflösung liegtbereits bei einem Mikrometer. Damit kann beispielsweise dieAusbreitung von Rissen in einer Schweißnaht und deren Wechselwirkungmit vorhandenen Poren als Funktion der Schweißparametermit dem Ziel der Prozessoptimierung untersuchtwerden.Linke Abbildung:Die Reibrührschweißapparatur„FlexiStir“ ander Hochenergie-BeamlineHARWI-II@DESY.Die Maschine wird zumSchweißen auf 60° gekippt,damit der Röntgenstrahldie Schweißnahtdurchdringen und zumDetektor gelangen kann.Rechte Abbildung:Tomographische Rekonstruktioneines Bereicheseiner Laserschweißverbindungvon zwei Aluminium-Legierungen.Verschiedene Grauwerterepräsentieren verschiedeneMaterialdichten(1, 2 und 3). Der Ausschnittzeigt sichtbargemachte Poren in derSchweißnaht.WissenschaftlicheVeröffentlichungen:[F. Beckmann et al.,Adv. Eng. Mat. 9 (2007)939-950J. Herzen et al., Proc. ofSPIE 7078 (2008) 70781VSynchrotronstrahlung 2009 37