Flexibles Verfahren in der Aufbau- und Verbindungstechnik 17.12.2021, 11:56 Uhr

Laserschweißen im Mikro-Reaktor-/Reformer-Bau

Das Laserschweißen ist eine seit Jahren etablierte Technologie in der Aufbau- und Verbindungstechnik, getrieben unter anderem auch durch die breite Verfügbarkeit moderner Laserstrahlquellen, die mittlerweile in vielen industriellen Anwendungen, wie zum Beispiel beim Schweißen von Tailored Blanks in der Automobilindustrie, zum Standard geworden ist. Die Vorteile der Technologie liegen auf der Hand, formtreue Verbindungen und geringe Wärmebelastung der Bauteile durch lokalen Energieeintrag, hohe Festigkeit durch Stoffschluss sowie gute Automatisierbarkeit durch berührungslosen Energieeintrag. Insbesondere die gute Fokussierbarkeit der Laserstrahlung und der damit verbundenen, hohen Ortsauflösung des Energieeintrages in das Bauteil, machen das Laserschweißen auch für mikrotechnische Anwendungen sehr interessant.

Bild 1. Lasergeschweißte Komponente eines Methanol-Reformers. Foto: Fraunhofer IMM

Bild 1. Lasergeschweißte Komponente eines Methanol-Reformers.

Foto: Fraunhofer IMM

Ausgabe 11/12-2021, S. 869,

1 Einführung in das Laserschweißen

Beim Laserschweißen werden zwei generelle Regimes unterschieden, das Wärmeleitungsschweißen bei Intensitäten unterhalb von etwa 10W/cm² und das Tiefschweißen bei Intensitäten oberhalb ebendieser Intensität [1]. Das Tiefschweißen zeichnet sich durch die Ausbildung einer Schweißkapillare aus, die tief in das Werkstück eindringen kann, je nach verfügbarer Laserleistung. Während beim Wärmeleitungsschweißen nur ein flacher Schmelzpool mit einigen 0,1 mm Tiefe entsteht, bildet sich beim Tiefschweißen eine Dampfkapillare aus, die einige mm tief in das Material vordringt. Diese ist die Grundlage für stabile, stoffschlüssige Verbindungen verschiedenster Metalle. Für das Tiefschweißen werden kontinuierlich emittierende (cw) Laserstrahlquellen mit Leistungen im Bereich einiger kW benötigt, wohin­gegen für das Wärmeleitungsschweißen typischerweise gepulste Strahlquellen mit Pulsenergien im Bereich einiger mJ und mittleren Leistungen in der Größenordnung von 100 W zum Einsatz kommen. Als Strahlquellen haben sich hierbei lampengepumpte (Wärme­leitungsschweißen) beziehungsweise diodengepumpte Festkörperlaser (Tiefschweißen) durchgesetzt, die entweder als Faserlaser oder Scheibenlaser ausgelegt sind. Die gepulsten Laser zum Wärme­leitungsschweißen sind oft in Anlagen integriert, bei denen das Werkstück über eine Joystick-Steuerung manuell verfahren wird, mit ebenfalls manueller Aus­lösung der Lasertätigkeit. Dahingegen sind die leistungsstärkeren Laser in der Regel mit einer modernen CNC-Steuerung sowie automatischer Draht­zuführung und/oder Strahlablenkung sowie einer laserschutz­gerechten Arbeitskabine ausgestattet, die einen weitestgehend automatisierten Schweißprozess ermöglichen. In der industriellen Fertigung kommen meistens Roboter-gesteuerte Systeme zum Einsatz. Im Folgenden werden zwei Kernanwendungen des Laserschweißens aus dem Bereich der Mikrosystemtechnik detaillierter vorgestellt.

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2 Sc hweißen mikro – strukturierter Platten für Reformeranwendungen

Die Erzeugung von Wasserstoff nach Bedarf für den Betrieb von Brennstoff­zellen kann durch Reformierung verschiedener Substanzen mittels katalytischer Umsetzung in mikrostrukturierten Reformern erfolgen und erlangt in Zeiten der Energiewende zunehmend an Bedeutung [2]. Beispiele sind die Reformierung von Dieselkraftstoff oder Methanol für mobile Anwendungen. Solche Reformer werden am Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM entwickelt und bestehen meist aus vielen mit Mikrokanälen versehenen Edelstahlplatten (Material zum Beispiel 1.4404), die nach einer Funktionalisierung mit Katalysatorschichten zu kompakten Einheiten verbunden werden müssen. Die Plattendicken bewegen sich typischerweise im Bereich von 0,3 – 1 mm Dicke und die Anzahl der aufeinander zu montierenden Platten kann bis zu einigen 100 Stück betragen. Hergestellt werden die Platten entweder mit Ätzverfahren oder mittels Druck- und Prägetechniken. Um eine Strömungsgleichverteilung über die einzelnen Platten zu erlauben, sind teilweise spezielle Geometrien erforderlich (Bild 1), welche hohe Anforderungen an die Prozessführung beim Laserschweißen stellen.

Das Lasertiefschweißen hat sich als ideale Technologie zum Aufbau der Reformer-Stapel herauskristallisiert, weil dabei eine hohe Festigkeit erreicht werden kann und die innenliegenden Katalysatorschichten thermisch nicht zu stark belastet werden. Die einzelnen Platten werden nach einer Vorfixierung mittels Tiefschweißen und senkrecht zur Vorschubrichtung gependeltem Strahl umlaufend miteinander verbunden. Durch das Pendeln des Strahls werden homogene Schweißnähte sowie eine gute Spaltüberbrückung erreicht (Bild 2, links) [3]. Beim Schweißen wird das Bauteil immer so gedreht, dass der Strahl senkrecht auf das Bauteil trifft und die Vorschub­geschwindigkeit so gerampt, dass an den Winkeln des Bauteils keine Grate entstehen.

Bild 2. Schliffbilder von Schweißnähten eines konventionellen Bauteils aus Vollmaterial (links) und eines additiv gefertigten Bauteils (rechts). Die vertikalen Linien geben die ursprünglichen Plattengrenzen an.

Foto: Fraunhofer IMM

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3 Schweißen von additiv gefertigten Bauteilen für Reaktoranwendungen

Das Erzeugen von Chemikalien zum Beispiel für die Agro-Chemie durch kontinuierliche und intensivierte Prozesse lässt sich mittels speziell dafür ausgelegter Mikro-Reaktoren effizient und mit hoher Produktrate umsetzen. Die Erforschung solcher Systeme erfolgt derzeit in dem europäischen Projekt „InCite“ (Grant Agreement Number 870023) [4]. Die aus Wärmetauschern und Reaktoren aufgebauten Systeme weisen eine aufwendige interne Fluidstruktur auf, welche teilweise noch mit Katalysatormaterial aufgefüllt wird. Aufgrund dieser komplexen Struktur und auch zwecks einfachen Austauschs und Tests sowie um die Produktionsrisiken zu minimieren, werden auch diese Systeme modular aufgebaut, wobei die einzelnen Module mittels einer additiver Fertigung (Laserschmelzverfahren) hergestellt werden (Bild 3).

Bild 3. Lasergeschweißter Mikroreaktor bestehend aus additiv gefertigten (Laserschmelzverfahren) Modulen sowie Anschlussstutzen. Grafik: Fraunhofer IMM

Durch den modularen Aufbau sind deutlich weniger Schweißnähte erforderlich, als bei den im ersten Beispiel gezeigten Platten-Reformern, dafür sind die Schweißparameter aber an das gedruckte Metall anzupassen (Reduzierung der Streckenenergie), welches sich beim Laserschweißen anders verhält als Vollmaterial gleichen Typs.

Schliffbilder von Schweißnähten in additiv gefertigtem Material zeigen im Vergleich zu entsprechenden Schliffbildern eines Vollmaterials eine ähnliche Gefügestruktur (Bild 2, rechts).

Im Falle des additiv gefertigten Materials ist jedoch die Gefügestruktur im geschweißten Bereich im Vergleich zu den umliegenden Bereichen größer, diese weisen eine feinere polykristalline Strukturierung auf. Vermutlich sorgt diese feinere Struktur des lasergefertigten Bauteils im Vergleich zu Bauteilen aus Vollmaterial für eine verringerte Wärmeleitung und damit für eine verringerte Wärmeabfuhr aus der Schweißzone, welche die geringere, erforderliche Streckenenergie beim Schweißprozess erklären würde.

Literatur

  1. Hügel, H.: Strahlwerkzeug Laser. Teubner, Stuttgart 1992
  2. Kolb, G.: Fuel processing for fuel cells. Wiley VCH, Weinheim, 2008
  3. Klotzbücher, T.; Braune, Z.; Arlt, A. G.; Kolb, G.: Nd:YAG-Laser welding with dynamic beam forming, Lasertechnik Journal 5, 2010
  4. a) Annual Report 2019/20, Making the Difference, Fraunhofer Institute of Microtechnology and Microsystems, 2020, p. 29. b) Internet: https://www.project-incite.eu. Zugriff am 28.07.2021
Von T. Klotzbücher, T. Braune, I. Spitzer, C. Hofmann

Dr. rer. nat. Thomas Klotzbücher
Torsten Braune
Ingo Spitzer
Christian Hofmann
Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM
Carl-Zeiss-Str. 18–20, 55129 Mainz
Tel. +49 6131 / 990-143
thomas.klotzbuecher@imm.fraunhofer.de
www.imm.fraunhofer.de

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