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TECHNOLOGIE Friction Stir Welding Lars Cederqvist, Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co (SKB), Oskarshamn, Schweden Schutzrohr Kernbrennstoff aus Urandioxid Bild 1: Die Schutzbarrieren der schwedischen Lösung zur Endlagerung von radioaktiven Kernbrennstoffen Eine Schweißung, die 100.000 Jahre hält. Friction Stir Welding für das Dichtnahtschweißen von 50 mm dicken Kupferbehältern, die Schwedens radioaktiven Abfall enthalten sollen. Nach nahezu 30 Jahren Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der sicheren Endlagerung von radioaktiven Kernbrennstoffen in Kupferbehältern ist das letzte Puzzleteil nun eingefügt und das Schweißverfahren von SKB vorgeschlagen worden. Die gewählte Technologie zum Dichtnahtschweißen der Kupferbehälter ist das Friction Stir Welding. 30 ESAB FENSTER 1/05 Verbrauchter Kernbrennstoff Kupferbehälter mit gusseisernem Kern Mit Bentonit (Tonerde) verstopft Solides Grundgestein SKB wird die entsprechenden Resultate der Entwicklung während der Großen Schweißtechnischen Tagung im September 2005 in Essen vorstellen. Schon 1983 hatte SKB vorgeschlagen, mit der so genannten KBS-3 - Methode, den hochradioaktiven Abfall in Kupferbehältern in 500 m Tiefe im schwedischen Grundgestein zu lagern. Das damals einzig verfügbare Schweißverfahren zum sicheren Oberflächlich sichtbarer Teil des Endlagers Unterirdischer Teil des Endlagers Schweißen von dickwandigem Kupfer war das Elektronenstrahlschweißen. Später, im Jahr 1997, entschied SKB auch die Anwendungsmöglichkeiten des Friction Stir Welding zu untersuchen. Die heute vorliegenden Resultate, 12 Jahre bevor der erste Behälter geschlossen und im tiefen Magazin gelagert wird, zeigen, dass FSW ein stabiler und toleranter Prozess ist, der reproduzierbar fehlerfreie Nähte liefert.
Die Barrieren Die Verwendung von Kupferbehältern ist eine der Barrieren der schwedischen Verfahrensweise zur Endlagerung von radioaktiven Kernbrennstoffen (Bild 1). Die Behälter (Länge 5 m, Durchmesser 1 m) für den radioktiven Abfall müssen 100.000 Jahre intakt bleiben. Eine Außenhülle von 50 mm dickem Kupfer stellt die Korrosionsbarriere dar, während ein gusseiserner Kern für die mechanische Stabilität sorgt. Die 50 mm dicke zylindrische Hülle mit einem Außendurchmesser von 1.050 mm kann nahtlos durch Strangpressen, Schmieden oder durch Lochen und Ziehpressen hergestellt werden. Die oben genannten Prozesse zur Herstellung der Hülle erfordern zum Schließen des Behälters für den Boden und den Deckel eine Methode, welche höchste Nahtqualität garantiert. Zwei Schweißmethoden wurden im SKB-Labor in Oskershamn parallel entwickelt. Im Mai 2005 wählte SKB schließlich das FSW- Verfahren als Hauptmethode für die Anwendung innerhalb der Produktionsanlage zum Schließen der Behälter aus, da die Stabilität und Zuverlässigkeit des Schweißprozesses und der Maschinentechnologie überzeugte. Die Fertigungslösung wird Mitte 2006 den schwedischen Entscheidungsgremien vorgelegt. (Bild 1) Friction Stir Welding FSW wurde im Jahr 1991 am TWI (The Welding Institute, Cambridge, UK) als ein thermo-mechanischer Verbindungsprozess entwickelt. Dieser Prozess lässt sich als eine Kombination von Strangpressen und Schmieden darstellen. Ein zylindrisches Werkzeug mit Schulter und profiliertem Pin wird drehend langsam in die zu verbindenden Werkstücke gedrückt. Für sehr dicke Werkstücke muss allerdings ein Pilotloch vorgebohrt werden, damit der Pin beim Eindringen nicht verschleißt. t Bild 2: Funktionsprinzip des FSW-Prozesses Setzt die verschleißresistente Schulter drehend auf, wird Reibwärme produziert, welche das Material plastifiziert, aber nicht schmelzen lässt. Wird der Vorschub längs der Verbindungslinie nun eingeschaltet, bildet sich eine Schweißnaht (Bild 2). Durch die hohe Schweißtemperatur (bis zu 900 °C), die hohen Schweißkräfte und die Dauer eines Schweißzyklus (bis zu 1 h), sind die Anforderungen an das Schweißwerkzeug (Bild 3) extrem, wenn ein Kupferbehälter mit 50 mm Wandstärke geschweißt werden soll. Zur Zeit wird die Nickelbasis-Legierung Nimonic 105 und die gesinterte Wolfram-Legierung Densimet als Pin- und Schultermaterial entsprechend verwendet. Während des Schweißens wird die Schweißtemperatur mittels eines Thermoelements innerhalb des Pins gemessen. Diese Mess- Methode gibt eine sehr wertvolle Information über den momentanen Status des Schweißprozesses, da eine bestimmte Grenztemperatur zum Schutz des Werkzeuges (Pins) nicht überschritten werden darf. Die Schweißanlage Bild 3: Das Werkzeug mit Pin und Schulter Um den FSW Schweißprozess in seiner ganzen Bandbreite für diesen Anwendungsfall zu entwickeln und zu qualifizieren, bestellte SKB bei ESAB eine Spezialanlage (Bild 4), die im April 2003 im SKB-Labor in Oskarshamn installiert wurde. Der Schweißkopf mit dem FSW-Werkzeug rotiert bis zu 425°, während der Behälter mit 3200 kN und der Deckel 400 kN eingespannt ist. Die Schweißanlage hat eine Leistung von 110 kW an der Spindel und ist damit eine der leistungsstärksten Schweißanlagen weltweit. Um das Wärmeeinbringen zu steuern, wurde in der Regel nur 40 kW Leistung genutzt. Die Steuerung der Schweißanlage hält während des Schweißzyklus die Schweißtemperatur konstant. Weitere Vorteile sind enthalten, aber nicht begrenzt auf: t � Die Möglichkeit, alle Prozess- Parameter während des Schweißens zu verändern, mit Ausnahme des Anstellwinkels des Werkzeuges. � Die Möglichkeit des automatischen Beschleunigens aus dem Bereich der vorgegebenen Schweißgeschwindigkeit als Funktion der Schweißtemperatur. � Möglichkeit, außerhalb der Verbindungslinie zu starten oder zu parken. Bild 4: Die Schweißanlage im SKB Labor t Schweißzyklus Das Pilotloch wird 75 mm über der Verbindungslinie gebohrt, um einen Anfangsbindefehler in der Verbindungslinie zu vermeiden. Zusätzlich benötigt man keine Überlapp-Region, um mögliche Start- Bindefehler entfernen zu können. Eine gleich bleibende Mikrostruktur, hervorgerufen durch konstante Schweißparameter, zeichnen die Struktur in der Verbindungslinie aus. Sollte sich kein stabiler Prozess während der Startsequenz einstellen, kann man den Prozess einfach abschalten, ein neues Pilotloch bohren, den Startprozess erneut beginnen und die Schweißung durchführen, ohne den Deckel oder den Behälter aussortieren zu müssen. ESAB FENSTER 1/05 31
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