Ausgangslage
Beim Schweißen von reinen Kupferwerkstoffen führt bereits minimaler Sauerstoffgehalt im Grundmaterial selbst unter Anwendung inerter Schutzgase zur Bildung eines niedrigschmelzenden Cu-Cu2O Eutektikums sowie zur Porenbildung, was die Qualität stark mindert. Sauerstoffhaltiges Reinkupfer ist beim Schweißen durch die Bildung des Eutektikums anfällig für Heißrisse. Sauerstoff ist damit das schädlichste Element beim Kupferlichtbogenschweißen. Dieses unvermeidliche Verhalten führt dazu, dass Lichtbogenprozesse bisher für die Herstellung von Schweißverbindungen höchster Anforderungen nicht infrage kommen. Das gilt insbesondere auch für additiv gefertigte Bauteile. Technologisch gelöst ist diese Herausforderung bisher nur durch das aufwändige Elektronenstrahlschweißen im Vakuum, da dort der Sauerstoffpartialdruck ausreichend geringgehalten werden kann.
Ziele
In diesem Teilprojekt besteht die Projektidee darin, den Prozess XHV-gerecht, d. h. sauerstofffrei im Lichtbogen, zu gestalten, indem dem Schweißargon in der Prozesszone Silan zugesetzt wird. In dieser Zone erfolgen der Schmelzvorgang und der Materialtransfer, was in Bezug auf die Lösung von Sauerstoff im Metall die sensibelste Prozessphase darstellt. Durch den Ausschluss des Sauerstoffs im Plasma wird einerseits die Kupferoxid-Neubildung verhindert und andererseits eine Reduktion des im Kupfer befindlichen Restsauerstoffs durch den hohen Konzentrationsgradienten sowie die thermische Desoxidation der Oberfläche erwartet. Damit zeigt sich ein großes Potential, zukünftig Kupfer mit einem höheren Sauerstoffgehalt (ca. bis 500 ppmw) verarbeiten zu können.
Die Arbeitshypothese ist, dass in der thermischen Plasmasäule (Lichtbogen), in XHV-adäquater Atmosphäre, alle relevanten und grundlegenden Ereignisse vermieden werden können, welche die Qualität der Schweißmetallurgie für reines Kupfer mindern. Durch das Verständnis der Mechanismen des Ionisationsprozesses, der Wärmeübertragung, der chemischen Reaktionen in Plasma und Grundwerkstoff sowie deren modellhafter Beschreibung, werden die Grundlagen geschaffen, um diese Prozesstechnik anschließend im Fertigungsprozess erfolgreich anwenden zu können. Über die bisherigen Zielsetzungen, die Oxidschichten oberflächlich zu verhindern und zu reduzieren geht der Ansatz in diesem Teilprojekt hinaus, da selbst im Grundwerkstoff der Sauerstoffgehalt des Kupfers reduziert werden soll.
Veröffentlichungen
Teilprojektleiterin/Teilprojektleiter
30823 Garbsen
