Besteht nach dem Schweißen ein Druck im Rohr, und wie kann er abgebaut werden?
In der Metallkapselung von Präzisionsfaseroptiksensoren, wie z.B. Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensoren, gibt es nach Abschluss und Abkühlung der Löt- oder Schweißprozesse (z.B. Laser-, Hart- oder Weichlöten) tatsächlich eine „innere Spannung“ im Rohr und an der Grenzfläche zwischen Glasfaser und Rohrwand. In der Physik und im Ingenieurwesen wird dies als eingeprägte Restspannung (Residual Packaging Stress) bezeichnet.
Im Folgenden wird die physikalische Entstehung erklärt und die gängigen technischen Methoden der Industrie zur Beseitigung und Entlastung dieser Spannungen vorgestellt.
I. Physikalische Ursachen der „inneren Spannung“ (Restspannung) nach dem Schweißen
Die Entstehung von Restspannungen beruht hauptsächlich auf drei physikalischen Effekten:
- Thermische Fehlanpassung (Thermal Mismatch): Dies ist die Kernursache. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ( \text{CTE} ) von Quarzglasfasern ist extrem niedrig, nur ( \alpha_{\text{f}} \approx 0.5 \times 10^{-6}/\text{K} ); während die Metallschutzrohre für die Kapselung (z.B. Edelstahl mit \alpha_{\text{m}} \approx 16 \times 10^{-6}/\text{K} , Kupfer oder Aluminiumlegierungen noch höher) einen um ein bis zwei Größenordnungen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Glasfaser aufweisen.
Wenn der Schweißprozess abgeschlossen ist und das System von einer hohen Temperatur ( T_{\text{weld}} ) auf Raumtemperatur ( T_{\text{room}} ) abkühlt, schrumpft das Metallrohr weitaus stärker als die Glasfaser. Da beide durch das Lot fest miteinander verbunden sind, übt das starke Schrumpfen des Metallrohrs eine erhebliche axiale Druckspannung auf die Glasfaser aus, was zu einem großen Restspannungsfeld im Inneren des Rohrs führt. - Schrumpfung bei Erstarrung des Lots (Solidification Shrinkage): Beim Abkühlen, Kristallisieren und Erstarren von flüssigem Lotvolumen tritt eine Volumenkontraktion auf, die mikroskopische Scherspannungen an den Fest-Flüssig- und Fest-Fest-Grenzflächen einführt.
- Mechanische Einschränkung durch Spannvorrichtungen (Mechanical Constraint): Während der Montage und des Schweißens müssen die Glasfaser und das Rohrgehäuse durch Spannvorrichtungen fest positioniert und geradegerichtet werden. Wenn die Spannvorrichtungen eine geringe Zug- oder Biegespannung auf die Glasfaser ausüben, wird diese mechanische Verformung nach Abschluss der Schweißung und Entfernung der Spannvorrichtungen dauerhaft im Kapselkörper „eingeschlossen“.
Gefahr: Wenn diese Restspannung bestehen bleibt, wird das Reflexionsspektrum des Faser-Bragg-Gitters verzerrt (z.B. verbreitert, aufgespalten, größere Doppelbrechung), was zu einer verminderten Messgenauigkeit führt. Langfristig beschleunigt die Restspannung auch die Ausbreitung von Mikrorissen in der Glasfaser, was zu einem vorzeitigen Ermüdungsbruch des Sensors führt.
II. Wie können Restspannungen beseitigt und abgebaut werden?
In der Herstellung von Präzisionsoptiksensoren werden üblicherweise folgende wissenschaftliche Methoden angewendet, um diese Spannungen abzubauen und zu stabilisieren:
- Thermische Ausglühbehandlung (Thermal Annealing):
Dies ist die gebräuchlichste und wirksamste Methode zur Spannungsentlastung in der Industrie. Der fertig gekapselte Sensor wird in einen Wärmebehandlungsofen gegeben, langsam auf eine bestimmte Ausglühtemperatur (die unterhalb der Ausfalltemperatur der Glasfaserbeschichtung und des Bragg-Gitters, aber oberhalb der zukünftigen Betriebstemperatur des Sensors liegen muss) erwärmt und für eine bestimmte Zeit (Isotherme Haltezeit) gehalten.
In dieser Phase führen mikroskopische Kriech- und plastische Verformungen der Metallatome, des Lotes und der Glasfaser-Grenzflächen unter thermischer Aktivierung dazu, dass gespeicherte elastische Dehnungsenergie freigesetzt wird. Anschließend muss mit einer extrem langsamen Rate (z.B. 1\ ^{\circ}\text{C}/\text{min} ) bis auf Raumtemperatur abgekühlt werden, um die Entstehung sekundärer thermischer Spannungen durch zu schnelles Abkühlen zu vermeiden. - Vorspannungskontrolle (Pre-tension Control):
Vor dem Schweißen wird durch einen Präzisions-Positioniertisch eine axiale Zugkraft (d.h. eine geringe Vorspannungsdehnung) auf die Glasfaser ausgeübt. Wenn das Metallrohr beim Abkühlen schrumpft, kompensiert die entstehende Druckspannung die ursprüngliche Vorspannung der Glasfaser. Durch diese „positive und negative Kompensation“ durch geometrische und mechanische Anpassung kann die Nettorestspannung bei Raumtemperatur auf Null oder in einen kleinen sicheren Zugspannungsbereich reduziert werden. - Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE Matching):
Bei der Konstruktion werden Materialien mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem von Quarzglasfasern näher kommt, wie z.B. Kovar, Invar oder Federmetalle, verwendet, um den Unterschied im thermischen Schrumpfen von vornherein zu verringern. - Ultraschall-/Vibrations-Spannungsentlastung (Ultrasonic / Vibrational Stress Relief):
Nach dem Schweißen wird das Bauteil mit Ultraschallwellen oder hochfrequenten Wechselvibrationen einer bestimmten Frequenz beaufschlagt, was zu lokalen mikroskopischen plastischen Verformungen des Kristallgitters im Material führt und so die gleichmäßige Verteilung und Entlastung der Restspannungen beschleunigt.
III. OFSCN® Technologielösungen und Produktanwendungen
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) produziert Hochpräzisions-Faseroptiksensoren mit strengen Prozessstandards zur Beseitigung von Restspannungen in der Kapselung:
Für hochpräzise Spannungs- und Dehnungsmessungen verwendet der übliche OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor Kapselrohre aus speziellen elastischen Legierungen. Vor der Auslieferung werden diese einer Hoch- und Tieftemperatur-Zyklisierung und einer thermischen Ausglühbehandlung unterzogen, um Restspannungen in der Kapselung vollständig abzubauen und die Nullpunktstabilität des Sensors im Langzeitbetrieb zu gewährleisten.
OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor
Für verteilte Sensoren, die in extremen Temperaturbereichen arbeiten, wie z.B. der OFSCN® 700°C OFDR Micro All-Metal Strain Sensor, der in einem extrem breiten Temperaturbereich ( -270\ ^{\circ}\text{C} bis 700\ ^{\circ}\text{C} ) arbeitet, wird eine nahtlose Ganzmetall-Schweißkapselung aus Gold-beschichteten Glasfasern und einem speziellen einlagigen elastischen Legierungsrohr verwendet. Während des Herstellungsprozesses werden durch mehrstufige Hochtemperatur-Ausglühbehandlungen die Gitterspannungen vollständig beseitigt und neu geformt, um die absolute Linearität und hohe Wiederholbarkeit der Messungen im ultraweiten Temperaturbereich zu gewährleisten.
