Qualifizierung des Elektronenstrahl-schweißverfahrens

Welded TZM alloy pipe with macro inset
Geschweißtes Rohr aus TZM-Legierung mit Großaufnahme im Ausschnitt

Pronexos ist eines von sehr wenigen Unternehmen, die Elektronenstrahlschweißen im eigenen Haus anbieten können. Wir verfügen über die erforderlichen Anlagen und das Fachwissen, um Qualitätsprodukte für Kunden in kleinen oder großen Stückzahlen zu produzieren.

Wenn Pronexos einen Auftrag zum Elektronenstrahlschweißen erhält, dann beginnt zunächst eine intensive Testphase. Ein neues Produkt muss diverse Phasen für ein Schweißverfahren-Qualifizierungsprotokoll durchlaufen. Zuerst müssen die Schweißparameter anhand vereinfachter Teststücke bestimmt werden.

Die geschweißten Teststücke werden quer aufgeschnitten, geschliffen und geätzt und dann mit dem Mikroskop untersucht. Sobald die endgültigen Schweißparameter in der Schweißverfahrensspezifikation definiert wurden, werden die finalen Schweißkonturen programmiert, bei Bedarf zum Beispiel mit einem Versatz von 1 mm im Verhältnis zur Schweißnaht. Anschließend folgen noch Leck- und Drucktests, bevor das Schweißverfahren in Arbeitsanweisungen festgehalten wird.

Beispiel-Projekt 1 – Schweißen einer TZM-Legierung

Cross section of copper and stainless steel
Querschnitt von Kupfer und Edelstahl

Für eine Nuklearanwendung wurden Schweißtests mit TZM-Legierung (Titan, Zirkonium, Molybdän) durchgeführt. Diese Legierung besteht aus rund 99 % Molybdän, 0,5 % Titan, 0,08 % Zirkonium und 0,02 % Kohlenstoff. Für die Tests wurden zwei kleine Rohre mit einer Wandstärke von 3,7 mm verschweißt.

Die charakteristischen Merkmale von Molybdän sind eine sehr hohe Schmelztemperatur (2620 °C), sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber Oxidation und beschränkte Schweißbarkeit. Molybdän neigt zu Versprödung. Wenn keine wirkungsvollen Maßnahmen getroffen werden, führt Schweißen im Molybdän zu Kornwachstum, und in der Schweißnaht sowie in der Wärmeeinflusszone entstehen spröde Strukturen. Auch die Risshaltetemperatur ist hier von hoher Relevanz. Materialien, die oberhalb dieser Temperatur verformbar sind, werden spröde, wenn sie bis unter die Risshaltetemperatur abkühlen. Diese Temperatur liegt bei Molybdän bei 150 °C bis 260 °C, daher muss die Schweißung oberhalb dieser Temperatur durchgeführt werden.

Durch Wärmebehandlung, Schweißen mit minimaler Wärmezugabe und extrem sauberes Arbeiten war es möglich, eine gute Schweißverbindung zu erzeugen. Für das Vorwärmen wurde ein divergenter Elektronenstrahl direkt in der Vakuumkammer verwendet. In den ersten Tests, bei denen die geringe Spannung nicht nach dem Schweißen durch Spannungsarmglühen beseitigt wurde, traten nach dem Schweißen Risse auf. Erst nach dem Spannungsarmglühen in einem Vakuumofen traten keine Risse mehr im geschweißten Produkt auf.

Dieses Bild zeigt ein Detail der Schweißfläche des geschweißten TZM-Rohrs. Der Ausschnitt zeigt eine Großaufnahme der Schweißnaht (Schweißtiefe 3,8 mm, Breite in halber Tiefe 0,7 m).

Beispiel-Projekt 2 – Kupfer an Edelstahl

Bei einer anderen Anwendung musste Kupfer an Edelstahlscheiben verschweißt werden. Die Vorgabe lautete, eine robuste Schweißnaht mit 3 bis 4 mm Tiefe zu fertigen.

Diese Schweißnaht sollte keinen Festigkeitsprüfungen unterzogen werden. Die Herausforderung beim Verschweißen von Kupfer und Edelstahl besteht darin, dass Kupfer ein sehr guter Wärmeleiter ist, Edelstahl aber nicht. Auch die Schmelzpunkte der Materialien sind verschieden.

Die beiden Werkstoffe konnten gefügt werden, indem eine besonders breite Schweißnaht hergestellt wurde. Daher entstand gar keine Schmelze zwischen Kupfer und Edelstahl, sondern eher eine Art Schmelzemulsion.

Am Ausgangsmaterial, in der Schweißnaht und in beiden Wärmeeinflusszonen wurden Härtemessungen durchgeführt. Diese zeigten, dass weder in der Schweißnaht noch in den Wärmeeinflusszonen harte Phasen vorlagen, die zu Versprödung führen könnten.

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