Diffusionsschweißen – Prinzip, Verfahren, Vorteile

Bei dem Vorgang können die zu fügenden Bauteile nach dem Prinzip der Festkörperdiffusion miteinander verbunden werden. Dieses Verfahren wird in der Regel bei 50 bis 70 % der Schmelztemperatur der Werkstoffe durchgeführt. Nachdem die gewünschte Temperatur erreicht ist, wird hoher Druck auf die Materialien ausgeübt.

Das eigentliche Verfahren ist Jahrhunderte alt und wurde zum Verbinden von Gold und Kupfer für Schmuck verwendet. Der sowjetische Wissenschaftler N. F. Kazakov beschrieb 1953 moderne Methoden des Diffusionsschweißens.

Nach welchem Prinzip läuft das Diffusionsschweißen ab?

Das Vorgang beruht auf dem Prinzip der Diffusion, d. h. der Bewegung von Atomen oder Molekülen aus einem Bereich mit hoher Konzentration in einen Bereich mit niedriger Konzentration. Um den Prozess in Gang zu setzen, wird hoher Druck auf die beiden Materialien ausgeübt, die übereinander gelegt werden. Wärme beschleunigt den Prozess des Diffusionsschweißens. Die Temperatur darf jedoch nicht zu hoch sein und liegt zwischen 50 und 70 % der Schmelztemperatur des Metalls. Das Verfahren kommt komplett ohne flüssige Phase aus.

Prozess des Diffusionsschweißens

Beim Diffusionsschweißen zweier Werkstoffe mit ähnlichem Kristallgefüge werden die Werkstücke mit der Metalloberfläche zueinander eingespannt. Eine wesentliche Voraussetzung für ein erfolgreiches Diffusionsschweißen sind die Oberflächen der zu verbindenden Werkstoffe. Die Metalloberflächen müssen so glatt wie möglich bearbeitet und von Rückständen und chemischen Verunreinigungen freigehalten werden. Um den Vorgang des Diffusionsschweißens erfolgreich abzuschließen, müssen alle Materialien, die sich zwischen den Werkstücken befinden, entfernt werden.

Nach dem Einspannen der Werkstoffe werden die Werkstücke über viele Stunden hinweg mit hohen Temperaturen und Druck beaufschlagt. Normalerweise werden die Oberflächen der Werkstücke in einem Ofen oder durch elektrischen Widerstand erwärmt. Um den erforderlichen Druck zu erreichen, kann eine hydraulische Presse verwendet werden. Dies ermöglicht eine genaue Messung des Drucks während des Prozesses. Wenn keine Temperaturänderung beabsichtigt ist, kann die unterschiedliche Wärmeausdehnung genutzt werden, um eine Last auf die Werkstücke auszuüben. Außerdem kann der Druck durch Gasdruckdifferenz zwischen den Werkstücken, Eigengewicht oder Hochdruckautoklaven aufgebracht werden.

Bei der Verwendung von Metallen mit starken Oxidschichten muss das Diffusionsschweißen in einer Vakuum- oder Schutzgasumgebung stattfinden, um einen ordnungsgemäßen Prozess zu gewährleisten. Dadurch wird die Schweißfläche vor Oxidation geschützt.

Vor- und Nachteile des Verfahrens

Während das Diffusionsschweißen viele Vorteile hat, gibt es auch einige Nachteile.

Vorteile:

• Gleichartige sowie verschiedenartige Werkstoffverbunde sind mit dem Verfahren möglich.
• Keine flüssige Phase während des gesamten Fügevorganges.
• Die geklebten Werkstoffe weisen die gleichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften auf wie das Grundmaterial. Die geklebte Oberfläche kann durch einen Zugversuch geprüft werden.
• Die durch Diffusionsschweißen hergestellten Verbindungen sind sauber, qualitativ hochwertig, Diskontinuität und Porosität und weißen hohe Festigkeiten auf.
• Aufgrund der guten Maßtoleranz wird das Diffusionsschweißen zur Herstellung hochpräziser Bauteile und komplexer Formen verwendet.
• Die Betriebskosten sind relativ niedrig und das Verfahren ist einfach zu handhaben.
  Die plastische Verformung kann durch Diffusion verringert werden.

Nachteile:

• Obwohl die Betriebskosten niedrig sind, sind die anfänglichen Einrichtungskosten hoch.
• Im Vergleich zu anderen Schweißtechniken ist das Diffusionsschweißen sehr zeitaufwändig.
• Die Vorbereitung der Werkstücke ist kritisch und kann schwierig sein.
• Die verfügbare Ausrüstung begrenzt die Größe der Schweißnaht.
• Diffusionsschweißen ist nicht für die Massenproduktion geeignet.
• Das Ergebnis hängt stark von den Schweißparametern wie Temperatur, Druck, Oberflächenbeschaffenheit des Metalls und dem Schweißmaterial ab.