Laserschweißen von Multilagen-Blechstapeln aus Dünnblechen zur Herstellung mikrostrukturierter verfahrenstechnischer Apparate

Kurzmitteilung

Laserschweißen von Multilagen-Blechstapeln ausDünnblechen zur Herstellung mikrostrukturierterverfahrenstechnischer ApparateThomas Gietzelt*, Lutz Eichhorn, Torsten Wunsch, Cornelia Schorle, Manfred Krautund Roland Dittmeyer

DOI: 10.1002/cite.201200181

Lasermaterialbearbeitung ist eine stark wachsende Technologie, die ständig neue Anwendungsfelder erschließt. Aufgrund

der konzentrierten Wärmeeinbringung und der dadurch erzielbaren hohen Geschwindigkeiten bleibt die Wärmeeinfluss-

zone an den Bauteilen eng begrenzt, so dass unerwünschte Materialveränderungen weitgehend vermieden werden. Selbst

Stapel dünner Bleche, wie z. B. für Brennstoffzellen oder mikroverfahrenstechnische Apparate erforderlich, können mit

dem Laser prozesssicher und verzugsarm verschweißt werden. Hier wird über das Fügen eines Multilagen-Blechstapels

aus mikrostrukturierten Blechen mit Blechdicken von 0,63 und 1 mm mittels Laserschweißen berichtet. Einige unerwar-

tete Effekte, die dabei auftraten, werden diskutiert.

Keywords: Blechstapel, Brennstoffzelle, Laserschweißen, Mikroverfahrenstechnik, Nickelbasislegierung

Eingegangen: 19. Oktober 2012; revidiert: 03. Juli 2013; akzeptiert: 10. Juli 2013

Laser Welding of Multilayer Stacks Made of Thin-Sheet Material for the Manufactureof Microstructured Devices for Process Engineering

Laser welding is a strongly growing technology that opens up new fields of application. Due to the focussed heat input and

the high velocities, the heat-affected zone of the base material is closely limited and undesired material modifications can

thus be avoided to a great extent. Even multilayer stacks made of thin sheet metal can be welded with good process reliabil-

ity and low distortion. Here, the joining of a multilayer stack made of mechanical microstructured sheets with 0.63 and

1 mm thickness by laser welding is described. Some unexpected effects that occurred during the process are discussed.

Keywords: Fuel cell, Laser welding, Multilayer stack, Micro-process engineering, Nickel-base alloy

1 Einleitung

Mikroverfahrenstechnische Apparate vereinen eine großeinnere Oberfläche mit einem kleinen Bauteilvolumen. So-mit können mit solchen Apparaten bei mehreren sich kreu-zenden Passagen auf kleinem Volumen große Wärmemen-gen abgeleitet werden. Folglich werden stark exothermeund schnelle Reaktionen beherrschbar und können statt imBatch auch kontinuierlich gefahren werden.

Standardmäßig werden mikroverfahrenstechnische Appa-rate am Institut für Mikroverfahrenstechnik aus korrosions-beständigen Werkstoffen wie verschiedenen Edelstählenoder Nickelbasislegierungen mittels Diffusionsschweißengefügt. Ein Standardwerkstoff ist Hastelloy C-22 (2.4602).Der Vorteil des Diffusionsschweißens besteht in der Her-stellung vollflächiger Verbindungen, was zu hoch druckfes-ten Apparaten führt. Da der Prozess im Hochvakuum ab-läuft, ist die Abkühlgeschwindigkeit allerdings sehr gering.Neben dem zeitabhängigen Kornwachstum bei Temperatu-ren um 1100 °C kommt es bei Nickelbasislegierungen trotzdes sehr geringen Kohlenstoffgehalts zur Bildung von Korn-grenzenausscheidungen intermetallischer Phasen sowie zueiner Verarmung der Matrix an Chrom [1]. In Kontakt mitkorrosiven flüssigen Medien erfolgt Lokalelementbildung,wobei die unedlere Korngrenzensubstanz unterstützt durch

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–Dr. Thomas Gietzelt ([email protected]), Lutz Eichhorn,Torsten Wunsch, Cornelia Schorle, Manfred Kraut, Prof. Dr.-Ing.Roland Dittmeyer, Karlsruhe Institut für Technologie, Institut fürMikroverfahrenstechnik, Postfach 3640, 76021 Karlsruhe, Deutsch-land.

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das ungünstige Oberflächenverhältnis zur Matrix bevorzugtaufgelöst wird: Es kommt zu interkristalliner Korrosion.Dies ist für die Lebensdauer mikroverfahrenstechnischerApparate umso dramatischer, als die Größe der mechanischgefertigten Mikrostrukturen im Bereich der Größe der Ge-fügestruktur liegt.

Zu beachten sind auch die Randbedingungen zur Bestim-mung der Sensibilisierung entsprechend der Norm ASTMG28-A [2]. Berücksichtigt man, dass die Korrosionstestzeitenje nach Legierung nur 24 bzw. 120 h betragen und auf eineninterkristallinen Korrosionsangriff von 50 lm bezogen sind,wird klar, dass die in Werkstoffdatenblättern [3] genanntenSensibilisierungszeiten abhängig von der Temperatur auf-grund der geringen Wandstärken mikroverfahrenstech-nischer Apparate nicht als Kriterium für eine ausreichendeKorrosionsbeständigkeit geeignet sind. Hinzu kommen wei-tere Einflüsse auf die Korrosionsbeständigkeit durch– das jeweilige Medium (Verunreinigung, Inhibitoren,

pH-Wert, Temperatur, Sauerstoffsättigung),– den Werkstoff (Legierung, Verarbeitung, Oberflächenzu-

stand, Gefüge),– die Konstruktion (Spalte, Strömungsführung, Werkstoff-

kombinationen) und– die Betriebsweise (stagnierend, intermittierend, Konden-

sation, Strömungsbedingungen),was zu völlig unterschiedlichen Befunden führen kann.

Ein weiterer Nachteil des Diffusionsschweißens aufgrundder hohen Prozesstemperaturen ist, dass kein Fügen von mitKatalysatoren oder Korrosionsschutzschichten versehenenBlechen möglich ist. Auch für Werkstoffe mit hoher Schmelz-temperatur wie Tantal ist das Verfahren nicht geeignet.

Die Lasermaterialbearbeitung hat in der letzten Dekademit der Entwicklung der cw-Festkörperlaser (cw= continuouswave) im Multi-Kilowattbereich eine stürmische Entwicklunggenommen und umfangreiche neue technologische Möglich-keiten eröffnet [4]. Neben dem Laserhärten und Markierensind mit diesem Werkzeug sowohl Schweiß- als auchSchneidanwendungen ausführbar, was eine große Flexibilitätund damit enorme Produktivitätszuwächse ermöglichte.

Aufgrund der schnellen und fokussierten Wärmeeinwir-kung kann die Wärmeeinflusszone im Bauteil sehr klein ge-halten werden und auch Schweißungen, die mit anderenSchweißverfahren nicht ausführbar sind, können bewerkstel-ligt werden. Der Nahtquerschnitt bzw. die Tiefe und das As-pektverhältnis der Naht können größenordnungsmäßig mitdenen des Elektronenstrahlschweißens konkurrieren, ohneden Nachteil, die zu schweißenden Teile im Vakuum handha-ben zu müssen. Voraussetzung sind Leistungsdichten im Be-reich von 106 Wcm–2 und die Ausbildung eines Plasmas, dasden Tiefschweißeffekt mit großen Aspektverhältnissen derNahtgeometrie ermöglicht [5 – 8]. Durch Parametervariatio-nen kann der Nahtquerschnitt den unterschiedlichen Erfor-dernissen und Anwendungen angepasst werden.

Diese Arbeit berichtet über die erstmalige und erfolgreicheSubstitution des Diffusionsschweißens durch Laser-schweißen an einem komplexen mikroverfahrenstech-

nischen Bauteil zur Verbesserung der Korrosionsbeständig-keit. Eine besondere Herausforderung bestand aufgrund– der Zahl der zu verschweißenden Lagen dünner, mikro-

strukturierter Bleche,– der zu gewährleistenden Leckagefreiheit im Bereich des

Hochvakuums (Prozesssicherheit des Schweißverfah-rens) wegen Verwendung von konzentrierter Schwefel-säure bei Temperaturen bis 100 °C,

– der Abtrennung verschiedener Passagen gegeneinanderund

– der geringen zulässigen Nahtbreite unter 1 mm bei aus-reichender Einschweißtiefe.Eingegangen wird auf Parametertests und Schweiß-

versuche zum Schweißen von Multilagenstapeln, die ausdünnen Blechen einer Nickelbasislegierung (HastelloyC-22, 2.4602) bzw. Edelstahl (1.4301) aufgebaut waren. Zu-sätzlich wurden im Verlauf der Vorversuche umfangreicheÄnderungen und Anpassungen zum ursprünglichen Kon-zept vorgenommen. Demonstriert wurde das erfolgreicheLaserschweißen eines komplexen Bauteils. Die Leckagefrei-heit wurde sowohl durch einen Helium-Lecktest als auchdurch einen Prüfdruck von 25 bar mit Wasser und Stickstoffnachgewiesen. Mittlerweile wurde das Bauteil im industriel-len Einsatz erfolgreich getestet. Ähnlich aufgebaute Bau-teile aus dünnen Blechen, jedoch ohne bis nach außenreichende Mikrostrukturierung, wurden bereits früher mitdynamischer Strahlformung geschweißt [9].

2 Verwendete Maschinenkonfiguration

Verwendet wurde die Laserschweißmaschine TruLaser Cell3010 (Fa. Trumpf). Diese Anlage wurde ausgewählt, da sieüber den größten Arbeitsraum bei gleichzeitig hoher Achs-beschleunigung sowie die beste Positioniertoleranz von±15 lm innerhalb dieser Baureihe verfügt. Die Anlagewurde mit einem Scheibenlaser TruDisk 3001 (Fa. Trumpf)gekoppelt. In dieser Bezeichnung ist die maximale Leistungvon 3 kW des Scheibenlasers sowie der Durchmesser desLichtleitkabels (LLK) von 100 lm verschlüsselt [10]. Zusätz-lich verfügt der Laser über einen zweiten LLK-Ausgang, sodass leicht ein weiteres LLK mit 400 lm Durchmesser integ-riert und für andere Schweißanforderungen eingewechseltwerden kann.

Meist wird beim Laserschweißen kein Zusatzmaterial indie Fügezone eingebracht. Daher sind die Anforderungenan die Passungenauigkeiten hoch bzw. die Überbrückbar-keit von Spalten ist problematisch. Aus diesem Grund wur-den als Zusatzausstattung ein Drahtvorschub sowie einScanner des Ingenieurbüros für Lasertechnik und Ver-schleißschutz (ILV) zur seitlichen Ablenkung des Laser-strahls integriert. Damit kann die Naht definiert bis zumehreren Millimetern verbreitert werden. Neben einergleichmäßigeren Wärmeeinbringung ermöglicht dies einesehr gute Spaltüberbrückung.

ChemieIngenieurTechnik

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Laserschweißen 1625

3 Experimentelles

3.1 Orientierende Korrosionsversuche undBefunde

Vergleichende Korrosionstests diffusions- und lasergesch-weißter Bauteile aus Hastelloy C-22 in einem Durchflusstest-stand mit heißer konzentrierter Schwefelsäure zeigten, dassdie Korrosion diffusionsgeschweißter Bauteile interkristallinerfolgt, während der Angriff im Lieferzustand gleichmäßigund deutlich geringer ist. Dies unterstreicht die Vorteile desLaserschweißens mit zeitlich und räumlich eng begrenzterWärmeeinbringung.

Aber auch das Korrosionsverhalten von Lasersch-weißnähten weist Unterschiede auf: Aufgrund der größerenthermischen Belastung beim Schweißen mit Dauerstrich(cw), das bei ausreichender Leistungsdichte Tiefschweißun-gen mit großen Aspektverhältnissen ermöglicht, entstehteine Wärmeeinflusszone in der ein verstärkter Korrosion-sangriff zu beobachten ist. Bei gepulst geschweißten Näh-ten hingegen tritt dieser Effekt nicht auf (Abb. 1).

3.2 Konzept und Aufbau des Mikroapparates

Der Apparat besteht aus zwei rechtwinklig zueinander lie-genden Passagen. Entlang der Reaktionspassage erfolgt dieexotherme Umsetzung von Chemikalien, bei der aufgrundder sehr hohen Reaktionsgeschwindigkeit eine große Wär-metönung auftritt [11]. Die spezifischen Vorteile der Mikro-verfahrenstechnik mit geringen Wandstärken in Kombina-tion mit einem großen Oberfläche/Volumen-Verhältnisermöglicht die Abführung dieser Wärme mittels einer querzur Reaktionspassage angeordneten Kühlpassage. Zudemermöglicht die Mikroverfahrenstechnik, dass Reaktionenanstatt im Batch kontinuierlich gefahren werden könnenund höhere Selektivitäten erreicht werden.

Beide Passagen werden aus abwechselnd gestapelten Ble-chen mit entsprechenden Mikrokanälen gebildet. Die Tiefeder Mikrostrukturierung ist so bemessen, dass einerseitseine einheitliche Restbodendicke von etwa 0,5 mm zum

Verschweißen mit der nächsten, auf dieser Seite unstruktur-ierten Blechlage mittels Laser verbleibt und andererseits derfür eine Gleichverteilung der Medien erforderliche Druck-verlust gewährleistet wird (s. a. Abb. 3). Daraus ergeben sichBlechdicken von 1 mm für die Reaktions- bzw. 0,63 mm fürdie Kühlpassage. Die maximal zulässige Schweißnahtbreitezum Verbinden der Bleche am Umfang beträgt etwa0,8 mm, um die Mikrostruktur nicht mit anzuschmelzen.

Der Stapel wies eine Gesamthöhe von 300 mm auf bzw.bestand aus je 180 Blechen für die Reaktions- und Kühl-passage und endete an der Ober- und Unterseite jeweils ineiner mehrere Millimeter dicken Endplatte zum Ein-schweißen in das Gehäuse.

Da entlang des Apparates ein Temperaturprofil eingestelltwird und das Reaktionsmedium sehr korrosiv ist, ist dieKorrosionsbelastung über die Länge ungleichmäßig. Ausdiesem Grund werden mehrere Module mit einer typischenLänge von 100 mm in Reihe geschaltet, die bei Leckage aus-getauscht werden können.

Bei dem lasergeschweißten Modul handelt es sich um einKühlmodul mit der doppelten Länge von ca. 200 mm. DieAußenkontur der Bleche ist in Abb. 2 dargestellt. Der Stegin der Mitte der langen Seite dient zur Abtrennung beidenKühlpassagen. Um die Überströmverluste zwischen beiden

Kühlpassagen gering zu halten, sind sehrenge Toleranzen erforderlich.

Die schrägen Bereiche an denAußenkanten dienen zum späteren Ein-passen des Kühlmoduls in das druckauf-nehmende Gehäuse und müssen zu die-sem Zweck überfräst werden.

Bisher wurden die Bleche der Modulemittels Diffusionsschweißen vollflächigmiteinander zu Stapeln verbunden. DasDiffusionsschweißen erlaubt die me-chanische Überarbeitung zum Einpassender Stapel in das Gehäuse, ohne dass mitUndichtheiten gerechnet werden muss.Auch die Stege zwischen den Mikrokanä-


Schräge Bereiche

Abbildung 1. Vergleich des Korrosionsangriffs von Hastelloy C-22 (2.4602) nach 1000 h in95 – 97 % Schwefelsäure bei 100 °C. Links: Nach Diffusionsschweißen T = 1100 °C, 1 h.Rechts: Vergleich von cw- und gepulsten Laserschweißnähten der Stirnfläche einesGegenstrom-Wärmeübertragers bei gleichen Versuchsbedingungen.

Abbildung 2. Außenkontur der verwendeten Bleche,Abmessungen etwa 100 × 200 mm.


len sind vollflächig mit den darüberliegenden Blechlagenverbunden, so dass keine Spalten entstehen, in denen Foul-ing auftreten könnte.

Beim Laserschweißen als alternativer Fügetechnologie isthöchste Präzision im Aufbau des Multilagenstapels sowie inLage und Tiefe der Schweißungen erforderlich, um bei dermechanische Überarbeitung des Stapels zum Einpassen indas Gehäuse Leckagefreiheit sicherzustellen. Es war nicht si-cher, ob trotz einer Einschweißtiefe von nur etwa 1 mm beigepulstem Laserschweißen und trotz Toleranzen der Blech-abmessungen sowie dem Stapelversatz Vakuumdichtheitgarantiert werden kann. Daher wurde das in Abb. 3 gezeigteKonzept der Passagentrennung mittels sogenannter Kapp-nähte im Bereich der Außenkanten des Stapels entwickelt: In-dem an den Kanten um 90° versetzt mit hoher Energie undDauerstrahl geschweißt wurde, konnten problemlos mehrereMillimeter Einschweißtiefe realisiert werden, die zur Passa-gentrennung führten. Abb. 4 verdeutlicht das Prinzip.

3.3 Optimierung der Schweißparameter und-strategie

Ein weiter Bereich an Parametern wie Leistung (sowohlcw-Schweißungen als auch gepulst; hier Spitzen- und mittlereLeistung sowie Pulsfrequenz variiert), Schweißgeschwindig-keit und Fokuslage wurde zur Optimierung der Nahtgeo-metrie untersucht. Es wurde gefunden, dass austenitischeEdelstähle und Hastelloy C-22 aufgrund vergleichbarerSchmelztemperaturbereiche und Wärmeleitfähigkeiten einsehr ähnliches Schweißverhalten aufweisen. Allerdings mussbei Edelstahl bei unzureichender Schutzgasabdeckung mitAnlauffarben gerechnet werden. Zudem zeigte sich, dass derSchweißstrategie und dem Vorrichtungsbau zum Spannender Bleche große Bedeutung zukommt: Das versatzarmeStapeln der Bleche ist ebenso wichtig wie eine Optimierungder Abfolge der Schweißungen, sowohl hinsichtlich derSchweißrichtung als auch der Abfolge der Schweißnähte aufden verschiedenen Seiten des Stapels. Daher wurde eineSpannvorrichtung konzipiert und gefertigt, die Blechstapelmit einer Kraft von bis zu 20 t verspannen kann (Abb. 5). Zu-gleich ist die Funktion des versatzarmen Stapelns der Blecheintegriert. Im verspannten Zustand kann der Stapel umverschiedene Winkel gekippt und geschwenkt werden, umalle Seiten schweißen zu können.

Die Spannweite wurde deutlich kleiner bemessen als dieHöhe des gesamten Stapels, da das Bauteil ursprünglichwährend des Schweißens aktiv gekühlt werden sollte. Aller-dings erwies sich dies aufgrund der zahlreichen Mikro-kanäle und der geringen Wärmeleitfähigkeit von HastelloyC-22 als nicht wirkungsvoll.

Der komplette Stapel wurde aus drei Teilstapeln aufge-baut, die anschließend verschweißt wurden. Aufgrund dergeringeren Wärmeeinbringung beim gepulsten Lasersch-weißen und der damit verbundenen geringeren ther-mischen Drift sowie der besseren Korrosionseigenschaftenwurden alle Lagen des Apparates gepulst geschweißt. Testszeigten, dass trotz gleicher Streckenergie für unterschied-liche Schweißgeschwindigkeiten unterschiedliche Naht-



Passage 1Passage 2

Kappnähte

Umfangsnähte

Abbildung 3. Schematische Darstellung der Passagentrennungmittels Kappnähten.

Abbildung 4. Lichtmikroskopische Aufnahmen von geätztenQuerschliffen an 2.4602 mit Veranschaulichung des Kappnaht-konzepts zur Passagentrennung (cw, P = 3 kW, v = 3 m min–1).

Teilkranz zum Schwenken um 30/45/60/90° bzw. Vielfache davon

Führungsbuchsen für Zuganker

Arretierung Führungsstangen zur Ausrichtung von Multilagenstapeln

Hydraulikzylinder

Abbildung 5. Hydraulische Spannvorrichtung mit 20 t Presskraftsowie integrierter Stapeleinrichtung zur Ausrichtung von Multi-lagenblechstapeln und Schwenkfunktion.


querschnitte erhalten werden (Abbn. 6 und 7). Zudemwerden bei gepulster Schweißung eine geringere Ein-

schweißtiefe und stark variierende Anbindungsquerschnittein 50 % Nahttiefe bei gleicher Nahtbreite an der Oberflächeim Vergleich zu cw-Schweißungen erhalten, was weitereOptimierungen erforderlich machte.

Ein unerwarteter Effekt trat beim Übergang der Test-schweißungen zu Stapeln aus mikrostrukturierten Blechenauf (Abb. 8). Einerseits wurde gefunden, dass die Mikro-strukturen den Wärmeabfluss behindern, so dass bei ge-ringeren Schweißgeschwindigkeiten der Mikrostrukturier-ung folgende, periodische Nahtverbreiterungen entstehen,wenn die Schweißgeschwindigkeit einen gewissen Wertunterschreitet. Hingegen trat dieser Effekt bei höherenSchweißgeschwindigkeiten nicht auf, da er durch dyna-mische Effekte überdeckt wird. Ein fertigungstechnolo-gischer Aspekt ist, dass die Achsdynamik der Maschinenicht ausreichte, um bei 6 m min–1 Schweißgeschwindigkeitden im Design der Bleche begründeten Höhenversatz derlangen Seiten (s. Abb. 2) nachzufahren.

Aus zahlreichen Versuchen wurde der ParametersatzPSpitze = 1 kW, PMittel = 300 W, f = 400 Hz, v = 2,4 m min–1 alsoptimal für die Umfangsschweißungen am Multilagenstapelhinsichtlich Geschwindigkeit und Einschweißtiefe definiert.

3.4 Drucktest von Umfangsschweißnähten

Da der zugelassene Betriebsdruck der Anlage bei demIndustriepartner mit 16 bar spezifiziert ist, musste für einenum 50 % über diesem Wert liegenden Prüfdruck (25 bar)Dichtheit nachgewiesen werden.

Zur Abschätzung der Haltbarkeit der Umfangsnähte wur-den zwei Versuche durchgeführt. Dazu wurden eine mikro-strukturierte Kühlfolie und ein unstrukturiertes, 0,63 mmdickes Blech der Kühlpassage allseitig verschweißt. Diesstellt eine Abweichung vom Bauteil mit zwei um 90° ver-setzten Passagen dar, wo zwei Bleche jeweils nur auf dengegenüberliegenden Seiten verschweißt sind, während dieanschließenden Lagen auf den um 90° versetzten gegen-überliegenden Seiten verschweißt werden. Dies gleichteinem Ziehharmonika-artigen Aufbau des Stapels entspre-chend Abb. 3.

Anschließend wurde ein Gehäuseaus Zeit- und Kostengründen durchzwei 30 mm dicke Rundmater-ialscheiben mit d = 160 mm simu-liert, die zur Abstützung mit denzwei komplett am Umfang ver-schweißten Blechen verschraubt wur-den. Dabei wurde ein Spalt von0,1 mm eingestellt, um sicherzustel-len, dass sich der Druck allseitig aufder gesamten Fläche ausbreitenkonnte. Eine Scheibe wies eineDurchgangsbohrung von d = 20 mmauf, durch die ein zuvor in eines derbeiden Bleche eingeschweißtes Rohr


a)

b)

c)

Abbildung 6. Lichtmikroskopische Aufnahmen von geätztenQuerschliffen an 2.4602 für Parametervariationen für eineSpitzenleistung von 1 kW. a) f = 100 Hz, mittlere Leistung 75 W,v = 0,6 m min–1; b) f = 200 Hz, mittlere Leistung 150 W, v =1,2 m min–1; c) f = 500 Hz, mittlere Leistung 375 W, v = 3 m min–1.

Abbildung 7. Lichtmikroskopische Aufnahmen von geätzten Querschliffen an 2.4602gepulsten Umfangsnähten für eine Spitzenleistung von 1 kW: Links: f = 1000 Hz, mittlereLeistung 750 W, v = 6 m min–1. Rechts: f = 400 Hz, mittlere Leistung 300 W, v = 2,4 m min–1.


zur Druckaufbringung ragte. Das Testteil wurde mit Wasserabgedrückt und hielt dem Prüfdruck von 25 bar stand,wobei die nicht abgestützten Bereiche der Bleche leicht auf-gewölbt wurden (Abb. 9).

Anschließend wurden die Scheiben entfernt und der Testwiederholt. Dabei trat bei 5 bar eine Leckage an der Aus-buchtung in der Mitte der langen Seite auf. Da mit demLaser senkrecht von oben geschweißt wurde, wurde dieEinschweißtiefe in den schrägen Bereichen aus Abb. 2gegenüber den waagerechten Bereichen reduziert.

3.5 Gewährleistung der Dichtheit des Stapels

Insgesamt wurden aufgrund der Limitierung der Spannvor-richtung drei Teilstapel für den Apparat geschweißt, dieanschließend mit 10 mm dicken Deckplatten durch Kapp-nähte zu einem Gesamtstapel verbunden wurden. Abb. 10zeigt das komplette lasergeschweißte Modul.

Dieses Modul wurde mit speziell gefertigten Adapternversehen und mit einem Helium-Lecktester PhoeniXL 300der Firma Oerlikon geprüft (Abb. 11). Schließlich konnteeine Helium-Leckrate zwischen beiden Passagen von

1 · 10–7 mbar L s–1 erzielt werden.Anschließend wurde vor dem Ein-

schweißen in das Gehäuse ein Drucktestmit 25 bar mit Wasser durchgeführt. Dazuwar es notwendig, den gesamten Stapel ander Ober- und Unterseite zusätzlich ab-zustützen, da die Umfangsnähte nicht diedabei wirkende Kraft von ca. 5 t aufneh-men können (Abb. 12).

Nach Bestehen des Drucktestes wurdeder Stapel trocken überfräst, um absoluteRechtwinkligkeit zu erzielen. Nach denEndabmessungen wurde die Aussparung



Abbildung 8. Einfluss der Schweißgeschwindigkeit auf die Oberfläche der Naht: signifikante periodische Nahtverbreiterung bei2,4 m min–1 im Kanalbereich. Deutlich glattere und gleichförmigere Nahtoberfläche bei 6 m min–1 und entsprechend höherer Pulsfrequenz.

• 400 Hz, schlechte Gasabdeckung,v = 2,4 m min–1

• 400 Hz, Schutzgas o.k., v = 2,4 m min–1

• 1000 Hz, Schutzgaso.k., v = 6 m min–1

Abbildung 9. Links: Aufbau zum Drucktest zweier lasergeschweißter Bleche, Adapter-durchmesser 160 mm. Rechts: Zustand nach dem Drucktest bis 25 bar.

Verschweißung TeilstapelA und B

Verschweißung TeilstapelB und C

Abbildung 10. Komplettierter lasergeschweißter Stapel, Höheetwa 310 mm.


im Gehäuse erodiert und das Bauteil eingeschweißt(Abb. 13). Abschließend erfolgten nochmals ein Vakuum-test sowie ein Drucktest mit 25 bar Stickstoff, wobei in 0,5 hkein Druckabfall feststellbar war.

4 Zusammenfassung und Ausblick

Es wurde gezeigt, dass Stapel aus mehreren hundert Blech-lagen nach ausreichendem Optimierungsaufwand prozess-sicher durch Laserschweißen verbunden werden können,was entsprechende geeignete Spannhilfsmittel voraussetzt.

Inzwischen wurde das lasergeschweißte Reaktormodulan den Industriepartner übergeben. Innerhalb von vierWochen bewährte es sich für ungefähr eine Woche mit

mehreren An- und Abfahrzyklen im Einsatz, ohne dass Un-dichtheiten auftraten. Es waren keine Korrosionsspuren anGrundmaterial und Schweißnähten unter einem Stereo-mikroskop mit 25-facher Vergrößerung erkennbar. Vomweiteren Betrieb werden interessante Erkenntnisse hinsich-tlich der Langzeitkorrosionsbeständigkeit im Vergleich zubisherigen diffusionsgeschweißten Bauteilen erwartet.

Zu untersuchen bleibt, inwieweit sich die nicht vollflä-chige Verbindung der Stege zwischen den Mikrokanälenmit den darüberliegenden Blechen hinsichtlich uner-wünschter Nebenreaktionen und Fouling sowie auf die Rei-nigung des Apparates nach dem Betrieb auswirkt. Hier liegtein gravierender Unterschied des Laserschweißens im Ver-gleich zum Diffusionsschweißen vor. Aussagen über dasAusmaß von Spalten und über das Fouling in diesen Berei-chen sind ohne praktische Erprobung nicht möglich, da diemechanische Festigkeit des Bauteils durch das Gehäuse gar-antiert wird. Die tatsächliche komplexe Reaktion kann imLabor in einem Kreislaufteststand aufgrund von Nebenreak-tionen nicht realistisch nachgestellt werden.

Derzeit sind weitere Untersuchungen in Arbeit, die eineweitgehende Vereinfachung des Reaktorkonzeptes hinsicht-lich der Mikrostrukturierung darstellen. Abhängig von denKorrosionsbefunden des Langzeiteinsatzes ließe sich dieFertigung damit erheblich verbilligen.

Besonderer Dank gilt der Gruppe Mikroapparatebaudes IMVT für den Bau verschiedener Adapter, dieprompte und akkurate Erledigung häufiger Vakuum-und Drucktests sowie für die Bereitstellung dererforderlichen Halbzeuge, die Mikrostrukturierungderselben, die mechanische Überarbeitung des Stapelsund für das Einpassen in das Gehäuse.

Literatur

[1] U. Heubner, J. Klöwer, Nickelwerkstoffe und hochlegierte Sonder-edelstähle, 4. Aufl., expert-Verlag, Renningen 2009, 28ff.

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[5] D. Lindenau, Magnetisch beeinflusstes Laserstrahlschweißen,Herbert Utz Verlag, München 2007.

[6] A. H. Fritz, G. Schulze, Fertigungstechnik, 9. Aufl., Springer,Heidelberg 2010, 196.


Abbildung 11. Adaption des Stapels zur Vakuumdichtheits-prüfung mittels Helium-Lecktester.

Abbildung 12. Stapel, der für den Drucktest mit 25 bar an derOber- und Unterseite durch ein verspanntes Joch abgestütztwurde.

Abbildung 13. Fertig in Gehäuse adaptiertes, vollständiglasergeschweißtes Reaktormodul.


[7] H. J. Fahrenwaldt, V. Schuler, Praxiswissen Schweißtechnik,4. Aufl., Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2011, 340.

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