Ziel der Entwicklung

Geeignete Verbindungstechnologien sind anwendungsbezogen seit vielen Jahren immer wieder Gegenstand von Diskussionen und intensiver wissenschaftlicher Forschung. Zum einen der Tatsache geschuldet, dass neue Materialien mit verbesserten Eigenschaften gefunden werden und zum anderen, da gerade im Forschungsbereich Kryotechnik immer anspruchsvollere Anlagen und Komponenten entwickelt werden. Diese erfordern je nach Einsatzzweck und Anwendung neue Lösungsansätze.
Ein weiterer Aspekt ist die Verwendung von Werkstoffkombinationen mit dem Ziel, positive Eigenschaften mehrerer Werkstoffe zu kombinieren, zum einen, um den Preis zu senken und zum anderen, um verbesserte Gebrauchseigenschaften zu erhalten. Durch die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe kann u. a. auch die Wärmeleitfähigkeit modifiziert werden, was insbesondere bei kryogenen Anlagen oder Komponenten eine wichtige Rolle spielt. Ein kleinerer Wärmeeintrag erhöht die Standzeit des kryogenen Mediums und reduziert Verdampfungsverluste, was Kosten spart und Ressourcen schont. Das Verbinden von verschiedenen Materialien beispielsweise durch Schweißen, Löten oder Verschrauben bzw. Verspannen mittels Flanschen ist sehr komplex, da unterschiedliche Materialparameter aufeinander treffen und miteinander konstruktiv kombiniert werden müssen. Unterschiedliche Längenausdehnungen durch Temperatureinfluss, Kräfte, die notwendig sind, um die Verbindung zusammenzuhalten und dauerhafte Dichtheit sind Parameter, die berücksichtigt werden müssen.
Gesetzliche Vorgaben und branchenspezifische Richtlinien zur Fertigung und Herstellung verschiedenster Bauteile sind anerkannt und Standard in der Industrie. Zu nennen wären hier beispielsweise die Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU unter Mitwirkung des AD 2000-Merkblattes. Eine Vielzahl von Forschungsprojekten zeigte die Notwendigkeit, dass diese Leit-linien eine immer größere Rolle spielen, wenn im Ergebnis beispielsweise eine CE-Kennzeichnung von Prototypen durchgeführt werden soll. Selbst wenn Umstände und Anfor-derungen die Einhaltung einer Richtlinie mit rechtlich bindendem Charakter nicht zwingend fordern, so entscheiden sich Kunden trotz dessen für deren Anwendung, da damit ein hoher Qualitätsstandard verbunden ist. Qualitätssicherung sowie Sicherstellung eines wartungsarmen Betriebes sind die wesentlichen Vorteile, die sich aus der Umsetzung der Standards ergeben.

Vorteile und Lösungen

Unter Berücksichtigung von Materialvorgaben, gestaltungstechnischen Vorgaben, Aufmagnetisierung der Baugruppe sind Schweißverbindungen, Lötverbindungen und formschlüssige Verbindungen, die grundsätzlich oder auch neuartig in der Kryotechnik zum Einsatz kommen können, untersucht worden.
Als Lötverbindungen wurden Auftrag-Lötungen und Überlappverbindungen hergestellt. Auftrag-Lötungen auf einem Blech wurden auf unterschiedlichen Grundwerkstoffen mit verschiedenen Lötzusätzen realisiert. Dafür kamen verschiedene Flussmittel zum Einsatz. Weiterhin wurden Überlappverbindungen zweier Bleche mit verschiedenen Grundwerkstoffen und Zusatzwerkstoffen getestet. Ausgewählte Proben der Überlappverbindungen wurden als Rundmaterial in eine Bohrung eingelötet, im Zugversuch geprüft und metallografisch untersucht. Die Bewertung der Lötversuche erfolgte unter den Gesichtspunkten Handhabung, Fließeigenschaften, Benetzungseigenschaften, Arbeitsbereich, Ausbildung der Lötkehle, Fehlerkorrektur und Oberflächenzustand.
Als Schweißverbindungen wurden gleiche Edelstahlbleche (Austenitische Chromnickelstähle) mit unterschiedlichen Zusatzwerkstoffen ein- und zweilagig geschweißt. Die Bewertung der Schweißversuche erfolgte im Vergleich der Ferritgehalte vor dem Schweißen, nach der ersten Lage und nach der zweiten Lage, um eine Magnetisierbarkeit (Aufmagnetisierung) der Baugruppe für spezielle Anwendungen auszuschließen. Zusätzlich wurde die allgemeine Schweißeigenschaft bewertet.
Für die Zertifizierung von Fügeverbindungen nach Druckgeräterichtlinie erscheint eine Schweißverfahrensprüfung nach ISO15614-1 bzw. Lötverfahrensprüfung nach EN13134 geeignet. Die Verfahrensprüfungen müssen durch eine externe notifizierte Stelle durchgeführt werden. Basis dafür ist die vorläufige Anweisung zum Schweißen und Löten mit Angabe aller notwendigen Parameter und der Geometrie der Verbindung.
Als formschlüssige Verbindungen (lösbar und nicht lösbare Verbindungen) wurden Klemm- und Schneidringverbindungen aus Edelstahl, Quetschverbindungen aus Kupfer und Radialringverbindungen aus PTFE warm und kalt getestet. Für die Bewertung der formschlüssigen Verbindungen wurde eine eigens dafür entwickelte Vakuumtestkammer mit Massenspektrometer zum Einsatz gebracht. Damit konnte die Dichtheit und das Ausgasungsverhalten der Werkstoffe und Verbindungen mittels eines Referenzvakuums experimentell ermittelt werden.
Auf Basis der umfangreichen Ergebnisse des Vorhabens wurden Parameter für Fügeverfahren erarbeitet, die nun für anwendungsspezifische kryogene und vakuumtaugliche Verbindungen verwendet werden.

Zielgruppe und Zielmarkt

Wesentliche Zielmärkte für die entwickelten Verbindungstechnologien sind im Bereich von FuE-Projekten sowie konkrete Anwendungen der Industrie in den Bereichen Kryotechnik, Vakuumanwendungen, Kältetechnik und forschungsbezogenen Einzellösungen erkennbar. Aus diesen Anwendungen resultiert ein heterogenes Marktumfeld, was sich bezüglich Umsetzung durch eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten auszeichnet.
Der Bedarf an Verbindungstechnologien insbesondere im kryogenen Bereich ergibt sich u. a. aus folgenden Anforderungen: Temperatur- und Druckbeständigkeit,Schwingungs-, Alterungs- und Strahlungsresistenz,Resistenz gegen Wasserstoffversprödung, Resistenz gegen chemisch reaktive Medien.
Durch den Bedarf an innovativen Verbindungstechnologien zur Herstellung kryogener Verbindungen, sowohl in technischen Anwendungen als auch durch Forschungseinrichtungen wie Universitäten oder Institute, ergeben sich vielfältige Möglichkeiten für die Vermarktung der Technologien bzw. Produktionsverfahren.
Die entwickelten Verbindungstechnologien können für anspruchsvolle FuE-Projekte und innovative Entwicklungen aufgrund neuer Fertigungsmöglichkeiten eingesetzt werden. Das eröffnet zudem neue Märkte für Entwicklungen, die bisher auf Grund nicht geeigneter Materialpaarung nicht durchführbar bzw. fehleranfällig waren. Das zu entwickelnde Know-how hat zudem einen signifikanten Einfluss auf Technologie und Entwicklungen der Industrie, was durch folgende Aspekte begründet wird: Kosten- und Zeitersparnis, Schadensminimierung an Verbindungen, Langzeitstabilität, verlängerte Wartungsintervalle.
Auf Grund der Ergebnisse des beantragten FuE-Vorhabens können Verfahrensanweisungen, Richtlinien und Beratungen für eine Vielzahl von kryogenen Verbindungen angeboten werden.
Wichtige Zielgruppen für die Anwendung der Ergebnisse sind Industrieunternehmen, große Forschungseinrichtungen, Universitäten und sonstige Institute.