Vacuum Technology Book, Volume II

3.3.1.1 Schweißen

Für Vakuumapparaturen werden meist Teile aus Stahl und Edelstahl für Behälter und Verbindungen zusammengeschweißt. Darüber hinaus ist es auch möglich, Aluminiumteile miteinander zu verschweißen. Damit die hergestellten Schweißnähte vakuumdicht sind, muss einwandfreies Ausgangsmaterial ohne Risse und Lunker verwendet werden, dessen Oberflächen entfettet und glatt sind. Außerdem ist eine besondere, mitunter von normalen Schweißverbindungen außerhalb der Vakuumtechnik abweichende geometrische Gestaltung erforderlich. Überall dort, wo es konstruktiv möglich ist, sind Innenschweißnähte vorzusehen, um vakuumseitige Spalte und Risse zu vermeiden – sogenannte latente oder virtuelle Leckagen. Ist dies nicht möglich, muss die Schweißnaht bis zur Vakuumseite hin durchgeschweißt werden. Eine atmosphärenseitige Zusatznaht, erhöht dort, wo es erforderlich ist, die mechanische Stabilität. Dabei ist es wichtig, diese Zusatznaht nicht durchgehend auszuführen, damit im Bedarfsfall eine Lecksuche vorgenommen werden kann und es zu keinen Lufteinschlüssen kommt.

Das Schweißen von Vakuumbauteilen und Kammern erfordert besonderes Wissen und die fachliche Qualifikation des Schweißpersonals. Üblicherweise dokumentiert ein Schweißfachbetrieb dies mit regelmäßigen Prüfungen seiner Schweißer durch unabhängige Prüfinstitute. Zudem sollten Verfahrensprüfungen für die jeweils verschweißten Werkstoffe und die Nahtgeometrie durchgeführt werden. Speziell ausgebildetes Schweißfachpersonal, z.B. Schweißfachingenieure oder -techniker, begleiten und bewerten die Schweißarbeiten.

Die Werkstoffe können durch die Schweißwärme und das verhältnismäßig schnelle Abkühlen ihre Eigenschaften ändern. Beispielsweise können Änderungen am Gefüge beim Schweißen austenitischer Edelstähle die Magnetisierbarkeit erhöhen oder Poren und Heißrisse beim Schweißen von Aluminium auftreten (hierzu wurde bereits im Kapitel 3.2.1.1 „Edelstahl“ bzw. 3.2.1.3 „Aluminium“ berichtet). Außerdem führen hohe Eigenspannungen im Bereich der Schweißnähte zum Verzug der Bauteile, der möglichst gering zu halten ist. Sind Funktionsflächen wie Dichtflächen betroffen, muss eine Nacharbeit erfolgen. Ist dies nicht möglich, kann das zum Verlust des gesamten Werkstücks führen. Dem gegenüber stehen diverse schweißtechnische Maßnahmen, wie die Auswahl eines geeigneten Schweißverfahrens in Verbindung mit einer geeigneten Nahtgeometrie und Schweißreihenfolge, die Schweißvorbereitung und Nachbehandlung und nicht zuletzt die Qualifikation und Erfahrung der Schweißer.

In der Vakuumtechnik kommt häufig das Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) zum Einsatz. Zudem werden weitere Metallschutzgasschweißarten und spezielle Verfahren, wie das Mikroplasmaschweißen für dünnwandige Bauteile oder das Orbitalschweißen für Rohrbauteile verwendet. Maschinell deutlich aufwendigere Verfahren sind das Laserstrahlschweißen und Elektronenstrahlschweißen. Beide sind sowohl für filigrane Bauteile als auch für tiefe Schweißnähte geeignet. Zum Schweißen von großen Ventilgehäusen aus Aluminium kommt auch das Rührreibschweißen zum Einsatz, ein maschinell aufwendiges Verfahren mit geringem Schweißverzug.

Das Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) benötigt keine abschmelzende Elektrode, die Fügeteile können direkt ohne Zusatzwerkstoffe verschweißt werden. Müssen z. B. aus Stabilitätsgründen Zusatzschweißnähte gezogen werden, können Schweißzusätze eingesetzt werden. Weitere Vorteile des Verfahrens sind praktisch keine Schweißspritzer, keine Schlackenbildung und die Vielseitigkeit: Edelstahl, Aluminium und auch Kupfer lassen sich WIG-schweißen. Das WIG-Verfahren wird bevorzugt, wenn eine hohe Schweißnahtgüte gegenüber der Schweißgeschwindigkeit gewünscht wird.

Schliffbild einer Laserschweißnaht

Abbildung 3.4: Schliffbild einer Laserschweißnaht

Laserstrahlschweißen oder kurz Laserschweißen, zeichnet sich durch eine hohe Schweißgeschwindigkeit und einen geringen thermischen Verzug aus. Der hohe konzentrierte Energieeintrag des Lasers führt zu einer engen Schweißzone und begrenzt den Bereich der Wärmezone. Über die Einstellung der Fokusbreite und der Laserintensität lassen sich sowohl dünne Folien, als auch tiefe und schlanke Schweißnähte für tragende Konstruktionen erzeugen. So lassen sich Kammerbauteile ohne zusätzliche Schweißnähte ausführen oder Anschweißflanschringe tief mit Rohrenden verschweißen, ohne dass eine aufwendige Nacharbeit der Dichtflächengeometrie erforderlich ist. Größere Spaltbreiten an den Fügestellen lassen sich nur begrenzt überbrücken. Hier werden teilweise Zusatzwerkstoffe verwendet. Ein Nachteil sind die hohen Anlagekosten.

Schliffbild einer WIG-Orbital-Schweißnaht

Abbildung 3.5: Schliffbild einer WIG-Orbital-Schweißnaht

Das Orbitalschweißen ist ein vollmechanisches Schutzgas-Schweißverfahren, das gleichbleibend hohe Nahtqualitäten liefert, indem der Lichtbogen maschinell unter kontrollierten Bedingungen um Rohre oder Rundkörper geführt wird. Der Anlageaufwand ist höher als beim WIG-Schweißen. Eine Orbitalschweißzange deckt nur einen begrenzten Bereich von Rohrdurchmessern ab. Jeder Rohraußendurchmesser benötigt zudem eine passende Vorrichtung für die Halterung des Rohres.

Beim Elektronenstrahlschweißen liefern beschleunigte, fokussierte Elektronen die benötigte Energie in der Schweißzone. Um die Streuung und Absorption der Elektronen zu vermeiden, erfolgt der Prozess im Hoch-vakuum. Dadurch ist es zudem möglich, auch hochreaktive Werkstoffe zu verschweißen. Der hohe Anlagenpreis und die Schweißvorbereitung mit eventuell notwendigem Vorrichtungsbau, führen üblicherweise zu hohen Preisen für das Verfahren und begrenzen dessen Einsatz im Wesentlichen auf Serienbauteile.

Nach dem Schweißen von austenitischem Edelstahl muss wieder eine metallisch blanke Oberfläche vorliegen, damit sich eine gleichmäßige Chromoxid-Passivschicht ohne Unterbrechungen ausbildet. Beispielsweise verhindert eine Schutzgasabdeckung (auch für die Wurzelunterseite) bei Temperaturen über 600 °C das Verzundern der Oberfläche. Durch eine mechanische oder chemische Nachbehandlung mit anschließendem gründlichem Spülen werden Anlauffarben auf der Oberfläche entfernt und das Bauteil gereinigt.

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