Hermetisches Verschweißen mit Mikro-WIG-Schweißen: gas-, flüssigkeits- und vakuumdichte Verschlüsse
Hermetische Verschlüsse, im Englischen hermetic sealing, sind gas-, flüssigkeits- und vakuumdichte Abschlüsse von Kapseln, Sensorgehäusen und elektronischen Bauteilen. Sie müssen zugleich die geforderte Leckrate einhalten, den Wärmeeintrag auf den Kapselinhalt gering halten und eine über die Charge reproduzierbare Nahtqualität liefern. Mikro-WIG-Schweißen mit dem Lampert Micro Arc Welder erfüllt diese Anforderungen für Labor, Forschung, Sensor-Kleinserien und Medizintechnik.
Warum hermetisches Verschließen ein Prozessproblem ist.
Eine Kapsel, ein Sensorgehäuse oder ein Elektronikgehäuse vakuumdicht zu verschließen, scheitert selten an der Schweißnaht selbst. Die eigentliche Randbedingung ist der Inhalt: radioaktive Seeds, Lithium-Elektrolyt, biologische Proben, luftempfindliche Katalysatoren, vorbestückte Sensorelektronik oder die kalibrierte Füllung eines Druckaufnehmers. Wärme, Vibration und Kontamination dürfen den Inhalt nicht erreichen. Damit verschiebt sich die Frage von „lässt sich diese Naht gasdicht ausführen?“ zu „lässt sie sich gasdicht ausführen, ohne den Inhalt zu verändern?“.
Drei Eigenschaften entscheiden, in dieser Reihenfolge:
- Dichtheit unter der anwendungsspezifischen Leckrate:
Welcher Wert nötig ist, gibt die Anwendung vor. - Minimaler Wärmeeintrag auf den Inhalt:
Die Wärme soll in der Kapselwand bleiben und nicht den Inhalt beeinträchtigen.
Der entscheidende Faktor dabei ist die gewählte Impulsdauer im Millisekundenbereich. - Reproduzierbarkeit über die Charge:
Voreingestellte Schweißkurven, dokumentierte Parameter und eine definierte Werkstückaufnahme sind wichtiger als die Bedienererfahrung allein.
Wie dicht ist „hermetisch dicht“?
„Hermetisch“ ist kein Absolutwert. Der Begriff bezieht sich immer auf eine spezifizierte Leckrate. Geprüft wird gestuft: zuerst der Feinleck-Test per Helium-Massenspektrometrie, danach der Grobleck-Test. Helium dient als Prüfgas, weil es in der Atmosphäre nur in Spuren vorkommt, chemisch inert ist und sich massenspektrometrisch empfindlich nachweisen lässt.
Typische Spezifikationen liegen je nach Anwendung zwischen etwa 10⁻⁶ mbar·l/s für größere industrielle Gehäuse und 10⁻⁹ mbar·l/s für implantierbare Elektronik und Hochpräzisionsanwendungen. Die US-Norm MIL-STD-883 Method 1014, die für Mikroelektronik-Gehäuse gilt, staffelt die zulässige Leckrate nach Hohlraumvolumen in genau diesem Bereich. Welche Leckrate eine konkrete Naht erreicht, hängt von Geometrie, Werkstoff und Vorbereitung ab und wird am fertigen Bauteil per Helium-Lecktest validiert.
Typische Anwendungen
Labor und wissenschaftliche Kapselung
- Brachytherapie-Kapseln:
Radioaktive Seeds in dünnwandigen Edelstahl- oder Titankapseln verschließen, ohne den Inhalt thermisch zu beeinflussen. Die WIG-Verschweißung des offenen Kapselendes ist für umschlossene Strahlenquellen ein etabliertes Produktionsverfahren - Hochdruckkapseln:
Platin- und Pt-Rh-Kapseln für die experimentelle Hochdruckforschung und die Hydrothermalsynthese - Kapselung in einer Glovebox:
Luft- oder feuchtigkeitsempfindliche Proben unter Inertgasatmosphäre verschließen - Referenz- und Standardkapseln:
Z. B. für die isotopische, die Neutronenaktivierungs- und die Spurenelementanalytik
Industrielle Sensorik und Elektronik
- Drucksensor-Verschluss:
Edelstahl-Sensorgehäuse der Schutzart IP67/IP68 dicht verschließen - Beschleunigungssensor- und Gyroskop-Kapseln:
Luft- und vakuumdichte Sensorbauformen für Luft- und Raumfahrt, Fahrzeugtechnik und Messtechnik - Gehäuse um Glas-Metall-Durchführungen verschließen:
Der finale, hermetische Gehäuseverschluss am Sensor
Glas-Metall-Durchführungen mit Kovar sind der Standard für die elektrischen Leitungen; das Schweißen schließt das Gehäuse darum herum. - Hermetische Elektronikgehäuse:
Z. B. für Hochzuverlässigkeitsanwendungen in Luft- und Raumfahrt, Subsea-Technik, Verteidigung und Medizintechnik
Medizintechnik
- Implantierbare Sensoren und Stimulatoren:
Titan- und Edelstahlgehäuse verschließen, ohne die innenliegende Elektronik thermisch zu schädigen - Implantierbare Freisetzungssysteme:
Dichte Wirkstoffreservoire für die kontrollierte Medikamentenabgabe - Schutz empfindlicher Elektronik:
Z. B. gegen Körperflüssigkeiten in aktiven Implantaten
Werkstoffe für hermetische Verschlüsse
| Werkstoff | Typischer Einsatz | Anmerkung |
|---|---|---|
| Edelstahl 1.4404 / 316L | Sensor- und Druckaufnehmergehäuse, Brachytherapie-Kapseln | sehr gut schweißbar, biokompatibel |
| Edelstahl 1.4307 / 304L | allgemeine Laborkapselung, lebensmittelkonforme Anwendungen | sehr gut schweißbar |
| Titan Grad 2 / Grad 5 | implantierbare Gehäuse, korrosionskritische Laborkapseln | sehr gut schweißbar, biokompatibel |
| Platin und Pt-Rh-Legierungen | Hochdruckkapseln, Hochdruckforschung | sehr gut schweißbar, dünne Wandstärken |
| Kovar (FeNiCo) | Glas-Metall-Durchführungen, Elektronik-Hermetik | etabliert für hermetische Verbindungen |
| Nickelbasislegierungen (Inconel, Hastelloy) | Hochtemperatur-Sensorgehäuse | sehr gut schweißbar |
| Tantal | korrosionskritische Kapselung | bedingt geeignet, Probeschweißung empfohlen |
| Niob, Zirkonium | Laborspezialanwendungen | bedingt geeignet, Probeschweißung empfohlen |
Warum Mikro-WIG-Schweißen für hermetische Verschlüsse?
Minimaler Wärmeeintrag auf den Inhalt:
Impulsdauern von 0,1 bis 34 Millisekunden halten das Kapselinnere während der Verschlussschweißung praktisch auf Umgebungstemperatur. Bei Brachytherapie-Seeds, biologischen Proben, luftempfindlichen Substanzen und vorbestückter Sensorelektronik entscheidet das über ein brauchbares oder ein beschädigtes Bauteil.
Validierbare Dichtheit:
Bei sauberer Vorbereitung erreicht die Naht reproduzierbare Leckraten im industriellen Hermetikbereich. Den konkreten Wert weist ein Helium-Lecktest am fertigen Bauteil nach; er ist anwendungsspezifisch.
Reproduzierbarkeit durch voreingestellte Schweißkurven:
Der Micro Arc Welder bringt zwölf Werkstoffprogramme mit (Universal, Gold, Silber, Platin, Palladium, Bronze, Edelstahl, Titan, Aluminium, Zinn, Messing, Kupfer). Nickelbasislegierungen wie Inconel lassen sich ebenfalls verschweißen. Parameter sind dokumentiert, Abläufe wiederholbar.
Einsatz in der Glovebox:
Mit entsprechender Vorbereitung arbeitet das Gerät unter Inertgasatmosphäre.
Reine metallurgische Verbindung:
Kein Flussmittel, keine Lötgrenze, keine Kontaminationspfade. Das ist bei Laboranwendungen mit isotopischer oder chemischer Analytik wichtig.
Kosten- und Bauraumvorteil gegenüber dem Laser bei Kleinserien:
Vergleichbare Verschlussqualität bei einem Bruchteil der Investition eines Lasersystems, dazu eine mobile Tischbauform.
Für Großserien bleibt der Laser die wirtschaftlichere Wahl.
Vergleich der Hermetik-Verfahren
| Verfahren | Stärke | Schwäche | Beste Eignung |
|---|---|---|---|
| Mikro-WIG-Schweißen (Lampert Micro Arc Welder) | Einzelteile und Kleinserien, mobil, Tischbauform mit Mikroskop, breites Werkstoffspektrum, niedrige Investition | nicht für Großserien im Millionenbereich ausgelegt | Labor, Forschung, Sensor-Kleinserien, Medizintechnik-Implantate |
| Laserschweißen | hohe Präzision, automatisierbar, großserientauglich | hohe Investition, stationär | Großserien mit definierter Geometrie |
| Elektronenstrahlschweißen | tiefe, schmale Naht, sehr kleine Wärmeeinflusszone | sehr teuer, Vakuumkammer nötig | hochwertige Hermetik in der Luft- und Raumfahrt |
| Glas-Metall-Durchführung (gelötet) | Standard für elektrische Durchführungen | eine Komponente, kein Gehäuseverschluss | elektrische Leitungsdurchführungen |
| Widerstands- und Bahnnahtschweißen | großserientauglich | nur für definierte Geometrien | Lithiumzellen, Dosenverschlüsse |
| Ultraschallschweißen | schnell, kein thermischer Eintrag | auf Polymere beschränkt | Polymer-Hermetik |
Als Faustregel gilt: Laboreinzelteile, Forschungskapseln, Sensor-Kleinserien und Implantatgehäuse sprechen für den Micro Arc Welder, die millionenfache Serienfertigung für Laser oder Bahnnahtschweißen.
Praxis-Empfehlungen
Vorbereitung
- Werkstück gründlich vorreinigen, üblicherweise im Ultraschallbad. Verunreinigungen führen zu Poren in der Naht.
- Bauteil vor dem Schweißen fertigbearbeiten: versäubern, beschriften, Oberfläche behandeln.
- Erst den Inhalt einbringen, dann die Kapsel verschließen.
Schweißparameter
- Niedrige Energie und eine spitz angeschliffene Wolframelektrode für dünne Kapselwände. Praktischer Einstieg: 15 bis 25 % Energie, 0,5 bis 1,5 ms Impulsdauer, ggf. schrittweise erhöhen.
- Schutzgas Argon ≥ 99,9 % (Argon 4.6), Durchfluss etwa 2 l/min mit automatischem Vor- und Nachströmen.
- Bei sehr wärmeempfindlichem Inhalt eine Aufnahme zur Wärmeableitung oder Spannvorrichtung nutzen, die Wärme vom Inhalt wegleitet.
Validierung
- Helium-Lecktest nach der Schweißung. Die erreichbare Leckrate hängt von Geometrie und Vorbereitung ab.
- Sichtprüfung unter dem Mikroskop: saubere, oxidfreie Naht ohne Poren.
- Querschliff am Erstmuster, um Einschweißtiefe und Nahtqualität zu dokumentieren.
Geräteempfehlung: der Lampert Micro Arc Welder
| Spezifikation | Wert |
|---|---|
| Spitzenstrom (WIG) | 5 bis 1.200 A |
| Impulsdauer | 0,1 bis 34 ms |
| Minimale Werkstückdicke | 0,1 mm |
| Schweißpunkt-Durchmesser | 0,2 bis 4,0 mm; über 1 mm Einbrand mit 1,3 mm-Elektrode |
| Werkstoffprogramme (voreingestellt) | 12 (Universal, Gold, Silber, Platin, Palladium, Bronze, Edelstahl, Titan, Aluminium, Zinn, Messing, Kupfer) |
| Aluminium-Modus | speziell optimiert |
| Industrie-4.0-Schnittstelle | Modbus TCP/IP über LAN (21 dokumentierte Register) |
| Patentierte Schweißprozessregelung | ja (Echtzeit-Fehlererkennung) |
| Schutzgas | Argon ≥ 99,9 %, etwa 2 l/min |
| Display | hochauflösend, 768 × 576 Pixel |
| Gewicht | 10,9 kg |
| Zertifizierung | EN 60974-6, EN 61000-6-2/-6-4, RoHS 2011/65/EU; UKCA-konform |
| Garantie | 1 Jahr, in Deutschland entwickelt und hergestellt |
| Investition (Komplett-Einstieg) | ab etwa 7.000 EUR netto |
| Schulung | eintägiger Workshop in Werneck (eigene Werkstücke willkommen) |
Häufige Fragen zum hermetischen Verschweißen
Ja. Dünnwandige Titan- und Edelstahlkapseln lassen sich mit minimalem Wärmeeintrag verschließen. Die WIG-Verschweißung umschlossener Strahlenquellen ist ein etabliertes Verfahren. Eine anwendungsspezifische Validierung per Helium-Lecktest ist sinnvoll.
Ja. Die Naht lässt sich nach dem Schweißen per Helium-Lecktest prüfen. Die erreichbare Leckrate hängt von Geometrie, Werkstoff und Vorbereitung ab.
Mit entsprechender Vorbereitung ja. Der Prozess läuft unter Argon-Inertgasatmosphäre.
Mikro-WIG ist bei Einzelteilen und Kleinserien wirtschaftlicher und mobil einsetzbar, der Laser bei Großserien mit definierter Geometrie. Die Verschlussqualität ist im Kleinserienbereich vergleichbar, die Investition deutlich niedriger.
Ja. Platin und Pt-Rh-Legierungen sind dünnwandig sehr gut schweißbar und in der experimentellen Hochdruckforschung gebräuchlich.
Argon ≥ 99,9 % (Argon 4.6) bei etwa 2 l/min, mit automatischem Vor- und Nachströmen.
Das Elektronenstrahlschweißen erzeugt im Vakuum sehr tiefe, schmale Nähte mit kleinster Wärmeeinflusszone, verlangt aber eine Vakuumkammer und hohe Investitionen. Mikro-WIG arbeitet an Atmosphäre unter Schutzgas und eignet sich für Einzelteile und Kleinserien im Aerospace- und Automotive-Bereich.
Das Lampert-Applikationsteam nimmt Anfragen unter [email protected] entgegen und erstellt auf Wunsch eine Probeschweißung mit schriftlichem Schweißbericht.
Wann Mikro-WIG-Schweißen die richtige Wahl ist
Für Laborkapseln, Forschungskapselung, Sensor-Kleinserien und Implantatgehäuse passt der Lampert Micro Arc Welder: Er liefert dichte Nähte im industriellen Hermetikbereich, hält die Impulsdauer kurz genug für den Schutz des Kapselinhalts und bringt zwölf voreingestellte Werkstoffprogramme für reproduzierbare Ergebnisse über die Charge mit. Die Investitionsschwelle von etwa 7.000 EUR für einen kompletten Tischarbeitsplatz liegt eine Größenordnung unter vergleichbaren Lasersystemen. Entscheidend ist das, wenn das Produktionsvolumen im Dutzend- bis Tausenderbereich liegt und nicht im Millionenbereich.
Für millionenfache Großserien mit definierter Geometrie, etwa Sensorgehäuse in der Fahrzeugtechnik oder Lithiumzellen-Verschlüsse, bleiben Laser- und Bahnnahtschweißen wirtschaftlicher. Die Verfahren ergänzen sich: Mikro-WIG für Entwicklung, Prototypvalidierung und Kleinserie, der Wechsel auf den Laser dann, wenn das Jahresvolumen die Investition trägt.
Für Probeschweißungen und eine anwendungsspezifische Beratung ist das Lampert-Applikationsteam unter [email protected] erreichbar.
Jeder Probeschweißung liegt ein schriftlicher Schweißbericht bei.