Lasergeschweisste Stäbe von 100 Metern für Fusionsmagnete
Die Leiter eines Fusionsmagneten sind von einem Stahlprofil ummantelt, das einen Kilometer ohne Querstoss durchlaufen muss – eine Fertigungsfrage, lange bevor es eine physikalische ist. In Zusammenarbeit mit dem Swiss Plasma Center der EPFL, Mitglied des EUROfusion-Konsortiums, wollte Montanstahl nachweisen, dass das Längs-Laserschweissen an einem solchen Profil industriell machbar ist, das aus zwei Halbschalen aus Edelstahl 316L besteht, die gleichzeitig auf beiden Seiten verschweisst werden. Drei Stäbe von je 100 Metern wurden gefertigt, um die strukturelle Integrität der Naht und die Wiederholbarkeit des Prozesses zu prüfen.
Eine Machbarkeitsstudie für ein kilometerlanges Profil
Das Projekt ist Teil des Forschungs- und Entwicklungsprogramms, das das Swiss Plasma Center der EPFL als Mitglied des EUROfusion-Konsortiums leitet und dessen Arbeit auf die Entwicklung der Supraleiter für die Magnete des künftigen Fusionsreaktors DEMO Tokamak ausgerichtet ist. Konkretes Ziel war es, die technische und industrielle Machbarkeit des Längs-Laserschweissens an einem ein Kilometer langen Profil nachzuweisen, das aus zwei Halbschalen aus Edelstahl 316L besteht, die gleichzeitig an beiden Seiten verschweisst werden. Der Grund für diese Anforderung: Ein supraleitendes Kabel wird auf seiner ganzen Länge in seinen Mantel eingezogen, sodass jede Unterbrechung im Profil zu einer Diskontinuität im Magneten wird. Zur Validierung des Ansatzes schweisste Montanstahl drei Profile von je 100 Metern und konzentrierte sich dabei auf die strukturelle Integrität der Schweissnaht und auf die Wiederholbarkeit des Prozesses – die Frage, die darüber entscheidet, ob aus einem Laborergebnis eine Lieferkette für die Energie- und Stromerzeugung werden kann.
Vier Probleme, die erst bei dieser Länge auftreten
Jede Schwierigkeit in diesem Projekt ist eine bekannte, die erst durch die Grössenordnung ungewohnt wird. Die erste war das Warmwalzen einer sehr präzisen U-Form in 100 Meter langen Stäben, die anschliessend per Laser verschweisst werden sollten, wobei die Zeichnung den Querschnitt auf drei Zehntelmillimeter genau bei 63 mm Höhe und 28,8 mm Breite festlegt. Die zweite war das sichere und kontrollierte Handling und der Transport von Stäben dieser Länge, denn ein 100 Meter langes Profil biegt sich unter seinem Eigengewicht durch und kann schon beim Bewegen beschädigt werden. Die dritte war die präzise Ausrichtung der beiden Halbschalen über die gesamte Länge, da eine Fehlausrichtung von Bruchteilen eines Millimeters an einer Stelle örtlich eine fehlerhafte Naht erzeugt, auch wenn alles andere stimmt. Die vierte war die Gewährleistung einer gleichbleibenden, hochwertigen, durchgeschweissten Naht von Anfang bis Ende – die Grundlage sowohl für die strukturelle Integrität des Mantels als auch für die Wiederholbarkeit, die das Programm nachweisen musste.
Anwendungskontext
Montanstahl begann bei den Halbschalen selbst und fertigte die Stäbe durch präzises Walzen, das die exakte Geometrie und Massgenauigkeit lieferte, ohne dass die Profile kaltgezogen werden mussten – ein Arbeitsgang, der bei dieser Länge kaum praktikabel gewesen wäre. Anschliessend wurden die Profile nach Projektspezifikation verschweisst, wobei eigens angefertigte Führungen die beiden Halbschalen beim Einlauf in die Schweisszone präzise ausgerichtet hielten, sodass die Position der Fuge laufend kontrolliert und nicht nur einmal zu Beginn eingestellt wird. Eine Inline-Ultraschallprüfung überwachte die Schweissnaht durchgehend und machte Qualität und Wiederholbarkeit über die gesamten 100 Meter messbar, statt sie aus Stichproben abzuleiten – ein Ansatz im Einklang mit dem Qualitätsmanagement von Montanstahl. Der Versuch bewies, dass Edelstahlprofile dieser Länge zuverlässig geschweisst werden können, und öffnet den Weg zu industriellen Anwendungen in der Fusionstechnologie. Profile dieser Art werden als Sonderprofile entwickelt; Details finden sich in den technischen Q&A.