Winzige Risse können Schweißverbindungen schwächen. US-Forschende untersuchen deshalb mit Neutronen, welche Spannungen beim Schweißen entstehen. Ihre Ergebnisse sollen helfen, kritische Schäden an Bauteilen für Atom-U-Boote künftig zu vermeiden.
In 250 m Meerestiefe lastet ein Wasserdruck von rund 25 bar auf einem U-Boot – zusätzlich zum Luftdruck an der Oberfläche. Der Druckkörper muss diesen Belastungen standhalten. Besonders wichtig sind die Schweißnähte, welche die einzelnen Stahlbauteile miteinander verbinden. Wie solche U-Boote konstruiert sind und weshalb ihr Druckkörper so stabil sein muss, erklären wir in unserem Beitrag Wie funktioniert ein U-Boot?.
Doch nicht alle Probleme lassen sich von außen erkennen. Beim Schweißen können im Metall Spannungen zurückbleiben, die später Risse begünstigen. Genau hier setzt ein Forschungsprojekt in den USA an. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen mit Neutronen, was im Inneren geschweißter Metallproben passiert. Beteiligt sind das Oak Ridge National Laboratory (ORNL), die University of Connecticut, die US-Marine und der U-Boot-Hersteller Electric Boat.
Inhaltsverzeichnis
- Wenn beim Schweißen winzige Risse entstehen
- Neutronen machen verborgene Spannungen messbar
- Warum die Untersuchung nur wenige Stunden dauert
- Computermodelle sollen kritische Schweißbedingungen erkennen
- Die Methode kommt auch bei Panzerstahl zum Einsatz
- Wann profitieren die Atom-U-Boote von der Forschung?
Wenn beim Schweißen winzige Risse entstehen
Im Mittelpunkt der Untersuchungen steht eine Legierung aus 70 % Kupfer und 30 % Nickel. Solche Kupfer-Nickel-Werkstoffe kommen in der Meerestechnik unter anderem wegen ihrer guten Korrosionsbeständigkeit zum Einsatz. Das Forschungsteam interessiert sich besonders für sogenannte Duktilitätsabfallrisse. International werden sie als Ductility Dip Cracking (DDC) bezeichnet.
Die Risse können entstehen, wenn ein Werkstoff beim Abkühlen nach dem Schweißen einen Temperaturbereich durchläuft, in dem er sich nur eingeschränkt plastisch verformen lässt. Wirken gleichzeitig ausreichend hohe Zugbeanspruchungen, können sich entlang der Korngrenzen feine Risse bilden.
Das Problem beginnt bereits beim Schweißen selbst. Während die Wärmequelle über das Metall wandert, werden einzelne Bereiche stark erhitzt. Das Material dehnt sich aus. Beim Abkühlen zieht es sich wieder zusammen. Weil angrenzende Bereiche diese Bewegungen behindern, entstehen innere Spannungen. Ein Teil davon bleibt auch dann bestehen, wenn das Werkstück längst wieder Raumtemperatur erreicht hat.
Die Forschenden wollen vor allem drei Fragen beantworten:
- Welche Eigenspannungen bleiben nach dem Schweißen im Metall zurück?
- Wie hängen diese Spannungen mit der Entstehung von Duktilitätsabfallrissen zusammen?
- Lassen sich die Schweißbedingungen so verändern, dass das Risiko solcher Risse sinkt?
Wichtig ist dabei die Unterscheidung zwischen den untersuchten Werkstoffen. Die Druckkörper amerikanischer Atom-U-Boote bestehen aus hochfestem Stahl. Die aktuellen Versuche beschäftigen sich dagegen mit einer Kupfer-Nickel-Legierung für maritime Anwendungen. Welche konkreten Bauteile von U-Booten daraus gefertigt werden, geht aus der veröffentlichten Forschungsbeschreibung nicht hervor.
Neutronen machen verborgene Spannungen messbar
Um die Vorgänge im Metall genauer zu verstehen, arbeiten die Forschenden am High Flux Isotope Reactor (HFIR) des Oak Ridge National Laboratory. Dort steht ihnen ein Messinstrument namens HIDRA zur Verfügung. Die Abkürzung steht für High Intensity Diffractometer for Residual Stress Analysis. HIDRA nutzt Neutronenbeugung, um winzige Veränderungen im Kristallgitter eines Metalls zu erfassen.
Metalle bestehen aus Atomen, die in einer regelmäßigen Kristallstruktur angeordnet sind. Werden diese Strukturen elastisch gedehnt oder zusammengedrückt, verändern sich die Abstände zwischen bestimmten Atomebenen.
Diese Veränderungen lassen sich mithilfe von Neutronen messen. Aus den ermittelten Gitterdehnungen können die Forschenden anschließend die Eigenspannungen im Werkstoff berechnen. Das Besondere: Die Neutronen dringen weit in viele metallische Werkstoffe ein. Deshalb können die Wissenschaftler auch Bereiche untersuchen, die für andere Messverfahren schwer zugänglich sind.
Lesley Frame, Professorin für Werkstoffwissenschaften an der University of Connecticut, erläutert den Vorteil in einer Pressemitteilung des Oak Ridge National Laboratory: „Wir versuchen, die Spannungen im geschweißten Material zerstörungsfrei zu erfassen. Bei HIDRA müssen wir die Probe nicht zerschneiden. Das ist einer der großen Vorteile der Arbeit mit Neutronen.“
Die Methode unterscheidet sich von einer gewöhnlichen Röntgenaufnahme. HIDRA liefert keine einfache Fotografie von Rissen im Inneren des Metalls. Das Instrument misst vielmehr die Verformungen des Kristallgitters, aus denen sich die inneren Spannungen bestimmen lassen.
Neutronen eignen sich allerdings auch für bildgebende Untersuchungen. Welche Fortschritte dabei möglich sind, zeigt eine andere Entwicklung: Forschende des Paul Scherrer Instituts haben eine Neutronenlinse entwickelt, die sogar Strukturen im Inneren einer Batterie vergrößert abbilden kann.
Warum die Untersuchung nur wenige Stunden dauert
Ein entscheidender Vorteil des HIDRA-Instruments ist die hohe Intensität des Neutronenstrahls. Der Forschungsreaktor liefert große Mengen an Neutronen, sodass die Messungen vergleichsweise schnell durchgeführt werden können. Nach Angaben des Forschungsteams reichen für die Untersuchungen wenige Stunden Messzeit am Neutronenstrahl aus.
Das bedeutet allerdings nicht, dass sich komplette U-Boot-Rümpfe auf diese Weise kontrollieren lassen. Die Versuche finden an einer spezialisierten Forschungsanlage statt. Untersucht werden geeignete Materialproben beziehungsweise Bauteile.
Für die Wissenschaftler ist vor allem wichtig, dass sie die Spannungen innerhalb des Materials erfassen können, ohne die Proben für die Messung aufzuschneiden. Zusätzlich setzt das Team auf Röntgenuntersuchungen am Brookhaven National Laboratory. Die verschiedenen Verfahren ergänzen sich und sollen ein genaueres Bild davon liefern, welche Vorgänge beim Schweißen ablaufen.
Computermodelle sollen kritische Schweißbedingungen erkennen
Die Messergebnisse allein verhindern noch keine Risse. Deshalb arbeiten die beteiligten Forschenden an Computermodellen, mit denen sich die Entstehung kritischer Spannungen besser vorhersagen lassen soll.
Matt Caruso von der University of Connecticut untersucht im Forschungsprojekt, wie sich die gemessenen Eigenspannungen mit den Bedingungen während des Schweißens in Verbindung bringen lassen. In der ORNL-Pressemitteilung erklärt er:
„Schweißen ist ein sehr dynamischer Prozess. Deshalb ist es in der Regel einfacher, die Spannungen zu erfassen, nachdem das Schweißen abgeschlossen ist.“
Anschließend können die Forschenden die Messwerte mit ihren Simulationen vergleichen. Stimmen Berechnung und Experiment überein, lassen sich die Modelle für weitere Untersuchungen nutzen. Das langfristige Ziel ist, Schweißbedingungen zu erkennen, bei denen besonders hohe Spannungen beziehungsweise eine erhöhte Rissgefahr auftreten.
Dazu gehören unter anderem die thermischen und mechanischen Vorgänge während des Fügens. Welche Parameter sich bei der untersuchten Kupfer-Nickel-Legierung tatsächlich als besonders kritisch erweisen, müssen die Forschungsarbeiten zeigen.
Die Methode kommt auch bei Panzerstahl zum Einsatz
Dass solche Neutronenmessungen auch für andere Schweißaufgaben interessant sind, zeigt ein weiteres Forschungsprojekt am Oak Ridge National Laboratory. Im Juli 2026 berichtete das Labor über Untersuchungen an hochfesten Panzerstählen. Forschende der Ohio State University nutzen ebenfalls das HIDRA-Instrument, um Eigenspannungen in Schweißverbindungen zu messen.
Dabei geht es um das Rührreibschweißen. Anders als beim herkömmlichen Schmelzschweißen wird der Werkstoff nicht aufgeschmolzen. Stattdessen erzeugt ein rotierendes Werkzeug Wärme und verformt das Material so, dass eine feste Verbindung entsteht.
Die Forschenden untersuchen, wie sich dabei Eigenspannungen und Werkstoffeigenschaften entwickeln. Das soll helfen, Schweißverfahren für gepanzerte Militärfahrzeuge zu verbessern. Die Untersuchungen zum Panzerstahl sind ein eigenständiges Forschungsprojekt. Sie zeigen aber, dass sich die Neutronenbeugung für unterschiedliche Werkstoffe und Fügeverfahren einsetzen lässt.
Wann profitieren die Atom-U-Boote von der Forschung?
Ob und wann die Ergebnisse in die Fertigung amerikanischer Atom-U-Boote einfließen, ist bislang offen. Die im Januar 2026 vorgestellte Untersuchung konzentriert sich zunächst darauf, die Entstehung von Eigenspannungen und Duktilitätsabfallrissen besser zu verstehen.
Ein bereits eingeführtes neues Schweißverfahren oder eine nachgewiesene Verringerung der Risshäufigkeit beschreibt das Oak Ridge National Laboratory nicht. Trotzdem ist der Ansatz für die Schiffbautechnik interessant. Schweißverbindungen müssen über lange Zeit zuverlässig funktionieren. Werden die Ursachen kritischer Spannungen besser verstanden, können Hersteller ihre Fügeverfahren gezielter untersuchen und gegebenenfalls verbessern.
Quellen
- Oak Ridge National Laboratory – Neutrons dive deep to help protect US nuclear submarines, 7. Januar 2026. Originalquelle zur Kupfer-Nickel-Untersuchung, HIDRA und den Forscherzitaten.
- Oak Ridge National Laboratory – Neutrons reveal how friction stir welding could strengthen steel armor, 30. Juli 2026. Aktuelle, thematisch verwandte Entwicklung.
- Journal of Materials Processing Technology – Correlation between microstructure and residual stress formation in friction stir welded armor steels characterized by neutron diffraction, 2026. Wissenschaftliche Veröffentlichung zur Panzerstahl-Untersuchung.
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