Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal
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<strong>Synchrotronstrahlung</strong> überwacht SchlankheitskurenMittels <strong>Synchrotronstrahlung</strong> im Röntgenbereich untersuchenForscher neue Schweißmethoden für den Flugzeugbau.Das Ziel s<strong>in</strong>d leichtere Flugzeuge, die wenigerTreibstoff verbrauchen.Flugzeugbauer gehen mehr und mehr dazu über, metallischeVerb<strong>in</strong>dungen <strong>in</strong> Flugzeugen zu schweißen und so die klassischeVerb<strong>in</strong>dungstechnik des Nietens zu ersetzen. Schweißverb<strong>in</strong>dungenhaben entscheidende Vorteile gegenüber Nieten:Sie s<strong>in</strong>d schneller zu produzieren, sie können Probleme <strong>mit</strong> Korrosionreduzieren und sie verr<strong>in</strong>gern das Gewicht des Flugzeugs.Um bis zu e<strong>in</strong>em Kilogramm pro Meter Naht können Flugzeugedurch das Schweißen leichter werden. Insbesondere die Gewichtsreduzierungspielt e<strong>in</strong>e bedeutende Rolle, da sie zu ger<strong>in</strong>geremTreibstoffverbrauch und höherer Nutzlast führt.Als Schweißverfahren für die im Flugzeugbau verwendetenAlum<strong>in</strong>iumlegierungen eignen sich <strong>in</strong>sbesondere das Reibrührschweißenund das Laserstrahlschweißen.Das Reibrührschweißen wurde erst zu Beg<strong>in</strong>n der 1990erJahre entwickelt. Da es sich hierbei um e<strong>in</strong>en Festkörperprozesshandelt, bei dem die zu verb<strong>in</strong>denden Metalle nicht schmelzen,sondern bei erhöhter Temperatur <strong>mit</strong>e<strong>in</strong>ander verrührt werden,haben diese Verb<strong>in</strong>dungen hervorragende mechanische Eigenschaften.Insbesondere lassen sich auch Alum<strong>in</strong>iumlegierungenverb<strong>in</strong>den, die <strong>mit</strong> herkömmlichen Schmelzschweißverfahrennicht oder nur sehr schlecht geschweißt werden können. Diesmacht das Reibrührschweißen nicht nur für den Flugzeugbau,sondern auch für andere Industriezweige <strong>in</strong>teressant.In e<strong>in</strong>em weltweit bislang e<strong>in</strong>zigartigen Versuchsaufbau hatdas GKSS-<strong>Forschung</strong>szentrum die leistungsfähige Reibrührschweißanlage„Flexi-Stir“ (siehe Abbildung) für In-situ-Versuchean se<strong>in</strong>er Hochenergie-Beaml<strong>in</strong>e HARWI-II an DORIS IIIbei DESY <strong>in</strong>stalliert. Das Projekt wird im Rahmen des virtuellenInstituts IPSUS (Improv<strong>in</strong>g Performance and Productivity ofIntegral Structures through Fundamental Understand<strong>in</strong>g ofMetallurgical Reactions <strong>in</strong> Metallic Jo<strong>in</strong>ts) von der Helmholtz-Geme<strong>in</strong>schaft gefördert.Hohe Röntgenenergien s<strong>in</strong>d erforderlich, da sich nur so diezu schweißenden Bleche durchdr<strong>in</strong>gen und die Veränderungendes Werkstoffs <strong>in</strong> der un<strong>mit</strong>telbaren 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 <strong>in</strong>-situ, d. h. während desSchweißens untersuchen. Auf diese Weise kann man wichtigeInformationen für die Prozessmodellierung erlangen, die für dieOptimierung des Schweißprozesses wesentlich ist. Nur hoch<strong>in</strong>tensive<strong>Synchrotronstrahlung</strong> ermöglicht e<strong>in</strong>e h<strong>in</strong>reichendschnelle Messung für derartige In-situ-Experimente.Laserstrahlschweißen wird heute im Flugzeugbau erst anwenigen Stellen des Flugzeugrumpfes e<strong>in</strong>gesetzt. Die Mikro-Computertomographie bietet für die Untersuchung vonLaserschweißnähten exzellente Möglichkeiten. Bei der Computertomographierekonstruiert e<strong>in</strong> Computer Objekte dreidimensionalaus e<strong>in</strong>er Vielzahl e<strong>in</strong>zelner zweidimensionaler Projektionsbildern.Zwar gibt es heute bereits sehr leistungsfähigeLabortomographen, die mancherorts <strong>in</strong> der Industrie e<strong>in</strong>gesetztwerden, jedoch bleibt diesen Geräten e<strong>in</strong> Bereich verschlossen,zu dem man nur <strong>mit</strong> sehr <strong>in</strong>tensiver monochromatischer <strong>Synchrotronstrahlung</strong>Zugang hat. Mit letzterer kann man so hoheDichteauflösungen erzielen, dass sich beispielsweise zwei verschiedeneAlum<strong>in</strong>iumlegierungen und die Schweißnaht unterscheidenlassen. Das Material der Schweißnaht lässt sich <strong>in</strong> demdreidimensionalen Datensatz entfernen, so dass man z. B. Poren(<strong>in</strong> der Abbildung blau dargestellt) sichtbar machen kann. Diedabei heute rout<strong>in</strong>emäßig erreichbare Ortsauflösung liegtbereits bei e<strong>in</strong>em Mikrometer. Da<strong>mit</strong> kann beispielsweise dieAusbreitung von Rissen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Schweißnaht und deren Wechselwirkung<strong>mit</strong> vorhandenen Poren als Funktion der Schweißparameter<strong>mit</strong> dem Ziel der Prozessoptimierung untersuchtwerden.L<strong>in</strong>ke Abbildung:Die Reibrührschweißapparatur„FlexiStir“ ander Hochenergie-Beaml<strong>in</strong>eHARWI-II@DESY.Die Masch<strong>in</strong>e wird zumSchweißen auf 60° gekippt,da<strong>mit</strong> der Röntgenstrahldie Schweißnahtdurchdr<strong>in</strong>gen und zumDetektor gelangen kann.Rechte Abbildung:Tomographische Rekonstruktione<strong>in</strong>es Bereichese<strong>in</strong>er Laserschweißverb<strong>in</strong>dungvon zwei Alum<strong>in</strong>ium-Legierungen.Verschiedene Grauwerterepräsentieren verschiedeneMaterialdichten(1, 2 und 3). Der Ausschnittzeigt sichtbargemachte Poren <strong>in</strong> derSchweißnaht.WissenschaftlicheVeröffentlichungen:[F. Beckmann et al.,Adv. Eng. Mat. 9 (2007)939-950J. Herzen et al., Proc. ofSPIE 7078 (2008) 70781V<strong>Synchrotronstrahlung</strong> <strong>2009</strong> 37