Eine häufige Fehlerart, die bei der Erprobung und dem Betrieb von Raumfahrzeugen auftritt, ist das sogenannte "Kaltschweißen" ("coldwelding", "contact welding", "adhesion", "sticking" oder "stiction"). Das Kaltschweißen ist ein Festkörperschweißverfahren, bei dem das Fügen ohne Schmelzen oder Erwärmung an der Grenzfläche der beiden zu schweißenden Teile erfolgt. Dieser Effekt betrifft hauptsächlich Metall-Metall-Verbindungen. Er wurde erstmals in den 1940er Jahren als allgemeines Werkstoffphänomen erkannt: Saubere, ebene Metalloberflächen können stark aneinander haften, wenn sie im Vakuum in Kontakt gebracht werden. Aufgrund fehlender experimenteller Daten begann AAC in den 1990er Jahren mit dem Aufbau von Testkompetenz und setzte im Rahmen eines ESA-Vertrages den Aufbau einer Datenbank fort.


Typischer Mechanismus, der zu Kaltverschweißungen neigt

Kaltverschweißung ist ein wichtiges Thema, das die Ingenieure von Raumfahrzeugen berücksichtigen müssen: Im Jahr 1991 versagte bei der Galileo-Sonde die High-Gain-Antenne aufgrund von Kaltschweißproblemen an den Haltepunkten der Rippen. Im Allgemeinen besteht bei Metall-Metall-Kontakten auf einem Raumfahrzeug ein hohes Risiko des Kaltschweißens. Dies sind insbesondere: HDRM (Hold Down and Release Mechanism), Litzen, mechanische Endanschläge, Getriebeverzahnungen, Lager und vieles mehr.


Zwei Situationen werden als Hauptrisikofaktoren angesehen

Kalte Schweißnähte können bei normalem Raumfahrtbetrieb zwischen zwei Metall-Metall-Kontakten aufgrund von Vibrationen, z.B. von Motoren, auftreten. AAC prüft diese Umgebungsbedingungen gemäß STM-279.

Kaltverschweißungen beim Start können in jedem Raumfahrtmechanismus mit Metall-Metall-Kontakt auftreten. Während des Starts und des terrestrischen Transports sind alle Mechanismen einem hohen Maß an Vibration ausgesetzt. Dadurch können Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen bereits in der Luft beschädigt werden. Dies kann zu einer verkürzten Lebensdauer für den regulären Weltraumbetrieb führen - wie bei der Galileo-Sonde geschehen.


Häufige falsche Annahmen

An dieser Stelle möchte ich einige gängige, falsche Annahmen und oft übersehene Probleme ausräumen:

- Kaltverschweißungen finden nicht nur zwischen denselben Metallen statt, sondern auch zwischen verschiedenen Metallen. Um ein Beispiel für Kombinationen zu nennen, die der Reibung ausgesetzt sind: SS440C gegen Ti6Al4V zeigt Adhäsionskräfte bis zu 10N. Ti6Al4V gegen sich selbst hat etwa 6N. SS440C hat gegen sich selbst eine Haftkraft von bis zu 3N.

- Ein häufig übersehenes Problem ist die Beschädigung von Schutzbeschichtungen bei der Prüfung und Handhabung am Boden. Alle verwendeten Schutzbeschichtungen müssen nicht nur den rauen Bedingungen beim Start und im Weltraum standhalten. Sie müssen auch den vorbereitenden Prozess der Lagerung, Handhabung und Prüfung am Boden berücksichtigen. Wir sind oft damit konfrontiert, in letzter Minute Lösungen zu finden, weil die Belastung am Boden unterschätzt oder die Kaltverschweißung überhaupt nicht berücksichtigt wurde. Bitte beachten Sie, dass bei Schütteltests (an der Luft) keine Kaltverschweißung auftritt. Das Risiko wird in der Regel über die Unversehrtheit der Kontaktflächen bei einer nachträglichen Inspektion bewertet.

- Bei AAC hat man die Erfahrung gemacht, dass potenzielle Kaltschweißprobleme oft erst in einer späten Phase beim Bau von Raumfahrtmechanismen berücksichtigt werden, wenn erste Tests im Vakuum durchgeführt werden. Es ist jedoch viel weniger Aufwand, potenzielle Kaltverschweißungsprobleme in einer frühen Entwurfsphase zu berücksichtigen/analysieren.


Lösungen und Wege in die Zukunft

AAC betreibt verschiedene Testeinrichtungen, um Kombinationen von Materialien, Beschichtungen und Schmiermitteln auf ihre Neigung zum Kaltschweißen zu testen. Diese Tests sind nicht kostenintensiv und beinhalten in der Regel eine Beratung - Sie müssen kein Kaltschweißprofi sein - das ist unsere Aufgabe. Nutzen Sie die Gelegenheit und kontaktieren Sie uns in einer frühen Entwurfsphase, um Probleme mit dem Kaltschweißen zu vermeiden.
Die ESA unterstützt die europäische Raumfahrtindustrie mit einem Kaltschweißdatenbankdie von AAC betrieben wird. Registrieren Sie sich kostenlos und erhalten Sie Zugang zu den Kaltschweißdaten der wichtigsten gängigen Werkstoffkombinationen. - Falls Ihre bevorzugte Werkstoffkombination nicht in der Datenbank vorhanden ist, kontaktieren Sie uns für weitere Informationen.

Tribologische Tests in der Weltraumumgebung angeboten von AAC


Sind Sie an weiteren Informationen oder Messungen zum Kaltschweißen interessiert? Nehmen Sie Kontakt mit unserem Expertenteam auf office@aac-research.at oder besuchen Sie uns unter Luft- und Raumfahrt und fortgeschrittene Verbundwerkstoffe: Raumfahrttechnik und -technologie