AT13440U1 - Schweißverbindung von Refraktärmetallen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung, die mindestens zwei Bauteilabschnitte (2,12), die über eine Schmelzschweißverbindung miteinander verbunden sind, aufweist, wobei der/die Grundwerkstoff(e) der Bauteilabschnitte (2,12) jeweils aus Mo, W, Cr oder aus einem auf Mo, W und/oder Cr basierten Werkstoff gebildet ist/sind. Dabei wird die Schweißzone der Schmelzschweißverbindung durch eine Schmelzlegierung aus einem Schweißzusatzwerkstoff (28) und dem/den Grundwerkstoff(en) der Bauteilabschnitte (2, 12) gebildet, wobei der Schweißzusatzwerkstoff (28) eine von dem/den Grundwerkstoffen) der Bauteilabschnitte (2, 12) abweichende Zusammensetzung aufweist und aus V, Re, Nb, Ta, Ni, Ru, Cr oder aus einer auf V, Re, Nb, Ta, Ni, Ru und/oder Cr basierten Materialkombination gebildet ist.

Description

österreichisches Patentamt AT13 440U1 2013-12-15

Beschreibung

SCHWEISSVERBINDUNG VON REFRAKTÄRMETALLEN

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung, die mindestens zwei Bauteilabschnitte aufweist, die über eine Schmelzschweißverbindung miteinander verbunden sind, wobei der/die Grundwerkstoff(e) der Bauteilabschnitte jeweils aus Mo (Molybdän), W (Wolfram), Cr (Chrom) oder aus einem auf Mo, W und/oder Cr basierten Werkstoff gebildet ist/sind, sowie ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen einer Schweißverbindung.

[0002] Grundsätzlich können Refraktärmetalle durch Schmelzschweißverfahren (z.B. Lichtbogenschweißen, Strahlschweißen mit Laser oder Elektronenstrahl) miteinander verbunden werden. Bei vielen Refraktärmetallen ist die Anwendung von herkömmlichen Schmelzschweißverfahren problematisch, da die Schweißverbindung nur eine eingeschränkte mechanische Belastbarkeit aufweist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der/die Grundwerkstoff(e) der zu verbindenden Bauteilabschnitte aus Mo, W, Cr oder aus einem auf Mo, W, und/oder Cr basierten Werkstoff gebildet ist/sind. Aufgrund der Energieeinbringung während der Durchführung des Schmelzschweißverfahrens kommt es bei diesen Grundwerkstoffen insbesondere im Bereich der Schweißzone zu Veränderungen in der Mikrostruktur mit negativen Auswirkungen auf die Festigkeit und die Duktilität der Schweißverbindung. Innerhalb der Schweißzone kommt es bei diesen Grundwerkstoffen insbesondere zur Versprödung mit einer deutlichen Erhöhung der Übergangstemperatur. Die Festigkeit solcher herkömmlich hergestellten Schmelzschweißverbindungen erreicht abhängig von den Schweißbedingungen nur einen verhältnismäßig niedrigen Anteil des ursprünglichen Grundwerkstoffs. Ferner werden durch das Schmelzschweißen Spannungen verursacht, die mit einer Wärmebehandlung vor, während oder nach dem Schweißvorgang nur bedingt verbessert werden können. Bei dünnwandigen Schweißkonstruktionen (Bleche, Folien, Drähte, etc.) dieser Grundwerkstoffe wirken sich diese Nachteile besonders stark aus. Insbesondere ist dann eine weitere Verarbeitung und/oder Verwendung von geschweißten Bauteilen aufgrund der Versprödung und des damit verbundenen hohen Rissrisikos oftmals nicht mehr möglich.

[0003] Die Entwicklung von schweißbaren Refraktärmetallen führte unter anderem zu Mo-Re-Legierungen (Mo: Molybdän, Re: Rhenium). Diese werden aufgrund der hohen Herstellungskosten nur relativ wenig angewendet.

[0004] Aus der Druckschrift AT 500 494 A1 ist ein Zusatzwerkstoff bekannt, der zur thermischen Herstellung einer Fügeverbindung von Gegenständen aus Leichtmetall und/oder Zinklegierungen mit einer Wärmeleitfähigkeit von höher 110 W/mK einsetzbar ist. Der Zusatzwerkstoff besteht aus einer Ummantelung aus Aluminium und/oder Magnesium und/oder Zink oder einer verformbaren Legierung dieser Metalle mit einer Wärmeleitfähigkeit von höher 110 W/mK sowie aus einem verdichteten Kernmaterial. Die Herstellung der Fügeverbindung kann insbesondere mittels Schweißen erfolgen.

[0005] Aus der Druckschrift EP 0 677 355 A1 ist ein Hartlot für Hochtemperatur-Lötungen zum Verbinden von hoch-temperaturfesten Werkstoffen, insbesondere von Chrom und Legierungen auf Chrombasis, bekannt. Das Hartlot besteht dabei aus 40 bis 70 Gew.% Chrom, aus bis zu 2 Gew.% von einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Vanadium, Niob, Tantal, Titan, Zirkon und Hafnium, aus bis zu 2 Gew.% von einem oder mehreren Metallen und/oder deren Oxiden aus der Gruppe Seltene Erden und Yttrium sowie aus Nickel als Rest. Beim Löten wird die Trennfuge zwischen zwei zu verbindenden Bauteilen durch flüssiges Metall ausgefüllt. Bei solchen Hochtemperatur-Lötungen ist im Hinblick auf die Hochtemperaturstabilität der Lötverbindung die Wiederaufschmelztemperatur des Lotes in der Regel der begrenzende Faktor. Ferner kann bei Lötverbindungen die Haftung des Lotes an den angrenzenden Bauteilen problematisch sein.

[0006] Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Fügeverbindung zwischen mindestens zwei Bauteilabschnitten, deren Grundwerkstoff(e) jeweils aus Mo 1 /16 österreichisches Patentamt AT 13 440 Ul 2013-12-15 (Molybdän), W (Wolfram), Cr (Chrom) oder aus einem auf Mo, W und/oder Cr basierten Werkstoff gebildet ist/sind, sowie ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung bereitzustellen, wobei sich die Fügeverbindung durch eine hohe thermische und mechanische Belastbarkeit auszeichnet.

[0007] Die Aufgabe wird durch eine Anordnung aus mindestens zwei Bauteilabschnitten, die über eine Schmelzschweißverbindung miteinander verbunden sind, gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen einer Schmelzschweißverbindung gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0008] Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung bereitgestellt, die mindestens zwei Bauteilabschnitte aufweist, die über eine Schmelzschweißverbindung miteinander verbunden sind, wobei der/die Grundwerkstoff(e) der Bauteilabschnitte jeweils aus [0009] - Mo (Molybdän), [0010] - W (Wolfram), [0011] - Cr (Chrom) oder [0012] - aus einem auf Mo, W und/oder Cr basierten Werkstoff gebildet ist/sind.

[0013] Die Schweißzone der Schmelzschweißverbindung wird durch eine Schmelzlegierung aus einem Schweißzusatzwerkstoff und dem/den Grundwerkstoff(en) der Bauteilabschnitte gebildet. Der Schweißzusatzwerkstoff weist dabei eine von dem/den Grundwerkstoff(en) der Bauteilabschnitte abweichende Zusammensetzung auf und ist aus [0014] - V (Vanadium), [0015] - Re (Rhenium), [0016] - Nb (Niobium), [0017] - Ta (Tantal), [0018] - Ni (Nickel), [0019] - Ru (Ruthenium), [0020] - Cr (Chrom) oder [0021] - aus einer auf V, Re, Nb, Ta, Ni, Ru und/oder Cr basierten Materialkombination gebil det.

[0022] Die genannten Schweißzusatzwerkstoffe sind duktil und weisen gute Hochtemperatureigenschaften auf. Dies gilt insbesondere in Kombination mit den genannten Grundwerkstoffen. Insbesondere können dadurch, dass der Schweißzusatzwerkstoff eine von dem/den Grundwerkstoffen) der Bauteilabschnitte abweichende Zusammensetzung aufweist, gezielt gewünschte Eigenschaften (Duktilisierung, homogene Gefügestruktur, möglichst geringe Kornvergröberung) in dem Bereich der herzustellenden Schmelzschweißverbindung eingestellt werden. Der Schweißzusatzwerkstoff und der/die Grundwerkstoffe) der zu verbindenden Bauteilabschnitte werden in dem Bereich der Schweißzone während der Anwendung des Schmelzschwei ßverfahrens aufgeschmolzen und die Metallschmelzen vermischen sich miteinander. D.h. gemäß der Definition von „Schweißen" werden die über die Schmelzschweißverbindung zu verbindenden Bauteilabschnitte zumindest in einem Randbereich derselben aufgeschmolzen. Nach dem Erstarren der Schmelze bildet sich in dem Bereich der Schweißzone eine in einer Schmelzphase vorliegende Schmelzlegierung aus dem Schweißzusatzwerkstoff und dem/den Grundwerkstoffen) der Bauteilabschnitte aus. Dabei kann die Konzentration des/der Grundwerkstoffeis) und des Schweißzusatzwerkstoffes in der Schmelzlegierung in Richtung von dem einen Bauteilabschnitt über die Schweißzone hinweg zu dem mindestens einen anderen Bauteilabschnitt variieren. Nach dem Erstarren wird eine Schmelzschweißverbindung (Mischschweißverbindung) erhalten, die im Bereich der Schweißzone ein homogenes Gefüge mit nur 2/16 österreichisches Patentamt AT13 440U1 2013-12-15 unwesentlicher Kornvergröberung und mit einem niedrigen Anteil an interstitiellen Verunreinigungen aufweist. Im Vergleich zu herkömmlichen Schmelzschweißverbindungen dieser Grundwerkstoffe weist die erfindungsgemäße Schmelzschweißverbindung eine höhere Festigkeit und eine höhere Duktilität auf. Sie zeichnet sich durch eine hohe thermische und mechanische Belastbarkeit aus. Ferner ist sie relativ kostengünstig herstellbar.

[0023] Mit „Schmelzschweißen" wird auf ein Schweißverfahren Bezug genommen, bei welchem die Grundwerkstoffe der zu verbindenden Bauteilabschnitte bei örtlich begrenztem Schmelzfluss ohne Anwendung von Kraft miteinander vereinigt werden. Dabei wird vorliegend noch ein Schweißzusatzwerkstoff eingesetzt, der - wie bereits beschrieben wurde - zusammen mit dem/ den Grundwerkstoffen der Bauteilabschnitte die Schmelzlegierung ausbildet. Mit „Schmelzschweißen" wird insbesondere auf Lichtbogenschweißen und Strahlschweißen (Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen) Bezug genommen, nicht aber auf z.B. Reibschweißen, Diffusionsschweißen oder Explosionsschweißen. Voraussetzung ist jeweils eine ausreichend starke Energiequelle (Lichtbogen, Elektronenstrahl, Laserstrahl), damit die hochschmelzenden Schweißzusatzwerkstoffe vollständig umgeschmolzen werden und eine Schmelzlegierung mit dem/den Grundwerkstoff(en) der zu verbindenden Bauteilabschnitte ausbilden.

[0024] Die Bauteilabschnitte sind zumindest jeweils in den Bereichen, die an die Schmelzschweißverbindung angrenzen, aus dem/den jeweiligen Grundwerkstoffen) ausgebildet. Dabei können an diese Bauteilabschnitte auch noch Abschnitte aus einem anderen Material angrenzen und/oder sie können noch mit anderen Bauteilen verbunden sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass an dem jeweiligen Bauteilabschnitt vor Durchführung des Schmelzschweißverfahrens eine Beschichtung, eine Deckschicht, ein Lack, etc., auf dem jeweiligen Grundwerkstoff aufgebracht ist (was auch nach Durchführung des Schmelzschweißverfahrens noch an den Bereichen außerhalb der Schweißzone erkennbar ist). Die Bauteilabschnitte können gemäß einer ersten Variante jeweils den gleichen Grundwerkstoff aufweisen. Sie können gemäß einer zweiten Variante aber auch aus verschiedenen der genannten Grundwerkstoffe ausgebildet sein. Auf diese beiden Varianten wird jeweils mit „der/die Grundwerkstoff(e) der Bauteilabschnitte" Bezug genommen. In die Schmelzlegierung geht immer Material aus den mindestens zwei, über die Schmelzschweißverbindung verbundenen Bauteilabschnitten ein, da beide zu verbindenden Bauteilabschnitte bei Durchführung des Schmelzschweißverfahrens zumindest in einem Randbereich derselben aufgeschmolzen werden.

[0025] Der auf Mo, W und/oder Cr basierte Werkstoff besteht zu mindestens 50 Gew.% aus einem oder mehreren der genannten Elemente Mo, W und Cr. In gleicher Weise besteht die auf V, Re, Nb, Ta, Ni, Ru und/oder Cr basierte Materialkombination zu mindestens 50 Gew.% aus einem oder mehreren der genannten Elemente V, Re, Nb, Ta, Ni, Ru und Cr. Neben den jeweils explizit genannten Elementen können der Werkstoff sowie die Materialkombination auch noch weitere Elemente und/oder Verbindungen sowie Dotierungen (z.B. Wolfram dotiert mit Kalium) enthalten. Sowohl der Werkstoff als auch die Materialkombination können nicht-metallische Bestandteile, wie beispielsweise Oxide, Karbide und/oder Nitride, enthalten. Wird auf eine „Legierung" Bezug genommen, so ist in dem Zusammenhang der vorliegenden Anmeldung der Anteil an nicht-metallischen Bestandteilen < 5 Gew.%. Wird auf einen „Werkstoff" oder eine „Materialkombination" Bezug genommen, so kann der Anteil an nichtmetallischen Bestandteilen auch deutlich höher sein. Wird auf die jeweiligen Elemente Bezug genommen, so können diese Verunreinigungen und/oder Dotierungen bis zu einem Anteil von < 5 Gew.% aufweisen.

[0026] Mit „Schweißzone" der Schmelzschweißverbindung wird auf den Bereich Bezug genommen, in welchem die Schmelzlegierung vorliegt. Sie entspricht folglich dem Bereich, in welchem der Energieeintrag während der Durchführung des Schmelzschweißverfahrens ausreichend hoch ist, so dass die jeweiligen Materialien aufgeschmolzen werden. Mit „Schmelzlegierung" wird auf eine Legierung Bezug genommen, die in einer Schmelzphase vorliegt und die -wie oberhalb erläutert wird - auch über die Schweißzone variierende Konzentrationen an Grundwerkstoff(en) und Schweißzusatzwerkstoff aufweisen kann. Typischerweise ist die Konzentration des jeweiligen Grundwerkstoffes in den an die Bauteilabschnitte angrenzenden Bereichen höher, während in einem zentralen Bereich der (ursprünglichen) Trennfuge typischer- 3/16 österreichisches Patentamt AT 13 440 Ul 2013-12-15 weise die Konzentration des Schweißzusatzwerkstoffes höher ist. Die Tatsache, dass ein Schweißzusatzwerkstoff eingesetzt wurde, der eine von dem/den Grundwerkstoff(en) der Bauteilabschnitte abweichende Zusammensetzung aufweist, ist an der fertiggestellten Schmelzschweißverbindung durch Untersuchung der Zusammensetzung in dem Bereich der Schweißzone erkennbar, da die Zusammensetzung zumindest abschnittsweise von der Zusammensetzung des/der eingesetzten Grundwerkstoffe(s) und deren Mischungen (z.B. Mischlegierungen) abweicht. Als „Schmelzphase" wird eine Phase bezeichnet, die durch Erstarren aus einer Schmelze erhalten wird. Wie in dem Fachgebiet bekannt ist, kann das Vorliegen einer Schmelzphase durch metallurgische Untersuchungsmethoden erkannt werden. Eine Schmelzphase weist bei dem Erstarrungsvorgang neu gebildete Kristalle auf. Diese für eine Schmelzphase typische Mikrostruktur ist für einen Fachmann unterscheid bar von der Mikrostruktur des/der Grundwerkstoffe(s) und des Schweißzusatzwerkstoffes, wie sie vor Durchführung des Schmelzschwei ßverfahrens vorliegen. Eine geeignete metallurgische Untersuchungsmethode zum Bestimmen, ob eine Schmelzphase vorliegt, ist, dass ein Querschnitt (typischerweise senkrecht zu der Schweißstrecke) durch die Schmelzschweißverbindung und die angrenzenden Bauteilabschnitte hergestellt, die dabei erhaltene Oberfläche in ein Harz eingebettet, geschliffen, poliert und mit einem Rasterelektronenmikroskop (oder alternativ mit einem Lichtmikroskop) in dem Bereich der Schweißzone untersucht wird.

[0027] Die erfindungsgemäße Schmelzschweißverbindung (bzw. Anordnung) ist in verschiedenen Verbindungsgeometrien ausführbar, wie beispielsweise als Stumpfverbindung oder als Überlappverbindung, ggf. kombinierbar mit verschiedenen Nahtformen (z.B. V-Naht, I-Naht, Kehlnaht, etc.). Der Schweißzusatzwerkstoff kann in dem Ausgangszustand (d.h. vor Durchführung des Schmelzschweißverfahrens) in unterschiedlichen Formen in den Bereich der Trennfuge eingebracht werden, wie beispielsweise als Formteil (z.B. angepasst an die Geometrie der Trennfuge), als Draht (als Vollmaterial oder alternativ ggf. auch mit Ummantelung und abweichendem Kernmaterial), als Plättchen oder Blech, als Folie, als Paste, als Pulver, als Beschichtung, etc.. Vorteilhaft im Hinblick auf eine gleichmäßige Dosierung des zugeführten Schweißzusatzwerkstoffes ist unter anderem, wenn der Schweißzusatzwerkstoff in Drahtform mit einem geeigneten Schwei ßdrahtzuführgerät in den Lichtbogen oder auch in den Strahl (Laser oder Elektronenstrahl) der Schweißanordnung zugeführt wird. Grundsätzlich sind insbesondere alle vorkommenden Halbzeugformen des Schweißzusatzwerkstoffes möglich. Der Schweißzusatzwerkstoff kann in dem Ausgangszustand grundsätzlich - sofern er eine Materialkombination aus mehreren Elementen und/oder Verbindungen bildet - auch mehrphasig ausgebildet sein oder aus zwei räumlich trennbaren Bestandteilen aufgebaut sein. Letzterer Fall ist beispielsweise gegeben, wenn der Schweißzusatzwerkstoff durch einen Draht gebildet wird, der eine Ummantelung und ein Kernmaterial abweichender Zusammensetzung aufweist, oder wenn der Schweißzusatzwerkstoff durch zwei Folien oder durch zwei Schichten mit jeweils unterschiedlicher Zusammensetzung gebildet wird. Im Hinblick auf eine zuverlässig einstellbare, hohe Verbindungsqualität mit möglichst konstant bleibenden Eigenschaften (und insbesondere homogener Materialverteilung innerhalb der Schweißzone) ist bevorzugt, wenn der Schweißzusatzwerkstoff in dem Fall, in dem er durch eine Materialkombination gebildet wird, im Ausgangszustand eine möglichst homogene Zusammensetzung aufweist, insbesondere wenn er als Legierung ausgebildet ist. Die bevorzugte Variante, dass der Schweißzusatzwerkstoff, sofern er durch eine Materialkombination gebildet wird, vorzugsweise durch eine Legierung gebildet wird, gilt entsprechend bei den nachfolgend erläuterten Varianten und Weiterbildungen bezüglich des Schwei ßzusatzwerkstoffes.

[0028] Gemäß einer Weiterbildung ist/sind der/die Grundwerkstoff(e) der Bauteilabschnitte jeweils aus Mo (Molybdän), W (Wolfram), Cr (Chrom), einem auf Mo basierten Werkstoff (d.h. enthält Mo zu mindestens 50 Gew.%), einem auf W basierten Werkstoff (d.h. enthält W zu mindestens 50 Gew.%) oder einem auf Cr basierten Werkstoff (d.h. enthält Cr zu mindestens 50 Gew.%) gebildet. Herkömmliche Fügeverbindungen dieser Grundwerkstoffe, die entweder Mo oder W oder Cr zu mindestens 50 Gew.% enthalten, sind mit herkömmlichen Schweißverfahren besonders schwierig herstellbar, so dass die erfindungsgemäße Schmelzschweißverbindung besonders vorteilhaft ist. 4/16 österreichisches Patentamt AT13 440U1 2013-12-15 [0029] Gemäß einer Weiterbildung ist der Schweißzusatzwerkstoff aus V, Re, Nb, Ta, Ni, Ru, Cr oder aus einer Materialkombination, die auf genau einem der Elemente V, Re, Nb, Ta, Ni, Ru und Cr basiert (d.h. eine Materialkombination, die genau eines dieser Elemente zu mindestens 50 Gew.% enthält), gebildet. Schweißzusatzwerkstoffe, die genau eines dieser Elemente V, Re, Nb, Ta, Ni, Ru und Cr zu mindestens 50 Gew.% enthalten, sind im Hinblick auf die Erzielung der gewünschten Eigenschaften (Duktilisierung, homogene Gefügestruktur, möglichst geringe Kornvergröberung) im Bereich der Schweißzone besonders vorteilhaft.

[0030] Bauteile mit Grundwerkstoffen aus Mo, W, Mo basierten Legierungen und/oder W basierten Legierungen werden aufgrund ihrer sehr hohen Schmelztemperaturen insbesondere für Hochtemperaturanwendungen benötigt. Typische Anwendungen dieser Grundwerkstoffe sind beispielsweise Kathodenwendeln (z.B. aus W), die mit Mo-basierten Halterungsstiften verbunden werden, Glühwendeln für Lampen, Rotating Foil Traps (deutsch: rotierende Folien-Fallen; dienen zum Abfangen von störenden Partikeln) für EUV-Lichtquellen (EUV: extreme ultraviolet; deutsch: Extrem-Ultraviolett), etc.. Dabei ist häufig erforderlich, dass Bauteilabschnitte aus solchen Grundwerkstoffen zuverlässig durch eine thermisch und mechanisch hochbelastbare Fügeverbindung miteinander verbunden werden. Mit herkömmlichen Schmelzschweißverfahren ist die Verbindung dieser Grundwerkstoffe problematisch, da sie eine sehr hohe Tendenz zur Versprödung aufweisen. Die Möglichkeiten von Hochtemperaturlötverfahren sind - wie oberhalb erläutert wird - durch die Wiederaufschmelztemperatur des Lotes und durch die ggf. nicht ausreichende Haftung des Lotes an dem jeweiligen Bauteilabschnitt begrenzt. Aufgrund der sehr hohen Schmelztemperaturen der genannten Grundwerkstoffe ist die Aufgabenstellung, eine zuverlässige, thermisch und mechanisch belastbare Fügeverbindung bereitzustellen, besonders schwierig zu lösen. Dementsprechend ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass der Grundwerkstoff mindestens eines Bauteilabschnittes aus Mo, W, einer auf Mo basierten Legierung oder einer auf W basierten Legierung gebildet ist, da bei diesen Grundwerkstoffen die erfindungsgemäße Schmelzschweißverbindung besonders vorteilhaft im Vergleich zu herkömmlichen Fügeverbindungen ist. Vorzugsweise sind der/die Grundwerkstoff(e) sämtlicher verbundener Bauteilabschnitte aus Mo, W, einer auf Mo basierten Legierung und/oder aus einer auf W basierten Legierung gebildet.

[0031] Gemäß einer Weiterbildung ist der Schweißzusatzwerkstoff aus V oder aus einer auf V basierten Materialkombination gebildet. V oder eine auf V basierte Materialkombination (insbesondere Legierung) hat den Vorteil, dass es eine gute Mischbarkeit mit den jeweiligen Grundwerkstoffen aufweist. Dies gilt insbesondere in Kombination mit den oberhalb genannten Grundwerkstoffen aus Mo, W, aus einer auf Mo basierten Legierung und/oder aus einer auf W basierten Legierung. Die Schweißzone zeichnet sich durch eine hohe Duktilität sowie eine hohe thermische und mechanische Belastbarkeit aus. V als Hauptbestandteil des Schweißzusatzwerkstoffes hat gerade in Kombination mit einem Grundwerkstoff aus Mo oder aus einer auf Mo basierten Legierung den Vorteil, dass es keine intermetallische Phase mit Mo ausbildet und dass bei der Vermischung mit Mo eine Schmelzpunkterhöhung auftritt. Aber auch bei den weiteren Grundwerkstoffen gemäß der vorliegenden Erfindung (Mo, W, Cr oder ein auf Mo, W und/oder Cr basierter Werkstoff) ist V oder eine auf V basierte Materialkombination als Schweißzusatzwerkstoff vorteilhaft. Darüber hinaus ist V hochvakuumkompatibel, korrosionsbeständig und vergleichsweise kostengünstig.

[0032] Bauteile aus Cr oder aus Cr basierten Legierungen (z.B. Chrom-Eisen-Basislegierun-gen) werden wegen Ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihres vergleichsweise hohen Schmelzpunktes unter anderem als Bauteile (z.B. als Interkonnektor oder als bipolare Platte) für Hochtemperatur-Brennstoffzellen eingesetzt. Auch hier besteht ein Bedarf an der Herstellung von thermisch und mechanisch belastbaren Fügeverbindungen zwischen derartigen Bauteilen. Als Schweißzusatzwerkstoff für derartige Grundwerkstoffe sind insbesondere Ni, eine auf Ni basierte Materialkombination (insbesondere Legierung) oder eine auf Cr-Ni basierte Materialkombination (insbesondere Legierung) gut geeignet. Dementsprechend ist als Weiterbildung vorgesehen, dass der Grundwerkstoff mindestens eines Bauteilabschnittes aus Cr oder aus einer auf Cr basierten Legierung gebildet ist und dass der 5/16 österreichisches Patentamt AT 13 440 Ul 2013-12-15

Schweißzusatzwerkstoff aus Ni, aus einer auf Ni basierten Materialkombination oder aus einer auf Cr-Ni basierten Materialkombination gebildet ist. Vorzugsweise ist/sind der/die Grundwerkstoffe) sämtlicher verbundener Bauteilabschnitte aus Cr oder aus einer auf Cr basierten Legierung gebildet. Eine „Cr-Ni basierte Materialkombination" besteht dabei zu mindestens 50 Gew.% aus Cr und/oder Ni, wobei vorzugsweise der Anteil von Cr und/oder Ni > 80 Gew.% ist.

[0033] W oder auf W basierte Legierungen eignen sich u.a. aufgrund des hohen Schmelzpunktes von W für Anwendungen, bei denen die betreffenden Bauteile besonders hohen Temperaturen standhalten müssen. W sowie W basierte Legierungen sind aufgrund der starken Neigung zur Versprödung bisher nicht oder nur bedingt über Schweißverbindungen verbindbar. Dabei hat sich gezeigt, dass die Neigung von W, bei Herstellen einer Schmelzschweißverbindung zu verspröden, besonders gut reduziert werden kann, wenn als Schweißzusatzwerkstoff Re oder eine auf Re basierte Legierung (z.B. eine W-Re-Legierung) eingesetzt wird. Dementsprechend ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass der Grundwerkstoff mindestens eines Bauteilabschnittes aus W oder aus einer auf W basierten Legierung gebildet ist und dass der Schweißzusatzwerkstoff aus Re oder aus einer auf Re basierten Materialkombination (insbesondere Legierung) gebildet ist. Vorzugsweise ist/sind der/die Grundwerkstoffe) sämtlicher verbundener Bauteilabschnitte aus W oder aus einer auf W basierten Legierung gebildet. Aber auch bei den weiteren Grundwerkstoffen gemäß der vorliegenden Erfindung (Mo, W, Cr oder ein auf Mo, W und/oder Cr basierter Werkstoff) ist Re oder eine auf Re basierte Materialkombination als Schweißzusatzwerkstoff vorteilhaft.

[0034] Gemäß einer Weiterbildung erstreckt sich die Schmelzlegierung zumindest an einem Abschnitt (bezogen auf die Schweißstrecke) der Schmelzschweißverbindung durchgehend von einem Bauteilabschnitt bis zu dem mindestens einen anderen Bauteilabschnitt. Ein derartiges Aufschmelzen des gesamten, innerhalb der Trennfuge angeordneten Schweißzusatzwerkstoffes ist für eine Ausbildung einer thermisch und mechanisch hochbelastbaren Schmelzschweißverbindung besonders vorteilhaft. Vorzugsweise erfolgt ein derartiges, vollständiges Aufschmelzen des Schweißzusatzwerkstoffes entlang der gesamten Länge (bzw. Schweißstrecke) der auszubildenden Schmelzschweißverbindung.

[0035] Gemäß einer Weiterbildung weist die Schmelzlegierung in dem Bereich der Schweißzone eine von einem Bauteilabschnitt in Richtung zu dem mindestens einen anderen Bauteilabschnitt variierende Zusammensetzung auf. Insbesondere variiert die Konzentration des/der Grundwerkstoffe(s) der Bauteilabschnitte und des Schweißzusatzwerkstoffes entlang dieser Richtung. Dabei ist das Konzentrationsprofil in der Regel derart ausgebildet, dass in den an die Bauteilabschnitte angrenzenden Bereichen der Anteil an dem jeweiligen Grundwerkstoff vergleichsweise hoch ist, während in einem zentralen Bereich der (ursprünglichen) Trennfuge der Anteil an dem Schweißzusatzwerkstoff relativ hoch ist. Wie stark die Konzentration des jeweiligen Grundwerkstoffes von dem zugehörigen Bauteilabschnitt zu dem zentralen Bereich der (ursprünglichen) Trennfuge hin abfällt, hängt unter anderem von dem Verhältnis der Schmelzpunkte des/der Grundwerkstoffe(s) und des Schweißzusatzwerkstoffes sowie von der Intensität und Dauer der Energieeinbringung während der Durchführung des Schmelzschweißverfahrens ab. Insbesondere ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass Grundwerkstoffe mit vergleichsweise hohem Schmelzpunkt nur in einem schmalen Randbereich des zugehörigen Bauteilabschnittes aufgeschmolzen werden. Dies kann gerade bei dünnen Bauteilabschnitten gewünscht sein, um das Grundmaterial möglichst wenig zu schwächen.

[0036] Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Schmelzschweißverbindung zwischen mindestens zwei Bauteilabschnitten, wobei der/die Grundwerkstoffe) der Bauteilabschnitte jeweils aus Mo, W, Cr oder aus einem auf Mo, W und/oder Cr basierten Werkstoff gebildet ist/sind. Gemäß dem Verfahren werden die Bauteilabschnitte durch ein Schmelzschweißverfahren unter Anwendung eines Schweißzusatzwerkstoffes derart verbunden, dass sich im Bereich der Schweißzone eine Schmelzlegierung aus dem Schweißzusatzwerkstoff und dem/den Grundwerkstoffen) der Bauteilabschnitte ausbildet, wobei der Schweißzusatzwerkstoff eine von dem/den Grundwerkstoffen) der Bauteilabschnitte abweichende Zusammensetzung aufweist und aus V, Re, Nb, Ta, Ni, Ru, Cr oder aus einer auf V, Re, 6/16 österreichisches Patentamt AT 13 440 Ul 2013-12-15

Nb, Ta, Ni, Ru und/oder Cr basierten Materialkombination gebildet ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden im Wesentlichen die gleichen Vorteile wie bei der oberhalb erläuterten Anordnung (aufweisend mindestens zwei Bauteilabschnitte, die über eine Schmelzschweißverbindung miteinander verbunden sind) erzielt. Die nachfolgend in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren erläuterten Weiterbildungen sind entsprechend auch bei der erfindungsgemäßen Anordnung realisierbar. Umgekehrt können die oberhalb erläuterten Weiterbildungen und Varianten der Anordnung entsprechend auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angewendet werden.

[0037] Gemäß einer Weiterbildung wird das Schmelzschweißverfahren durch ein Laserschwei ßverfahren gebildet. Hierbei ist vorteilhaft, dass die Wärmeeinflusszone lokal sehr begrenzt gehalten werden kann. Gemäß einer Weiterbildung erfolgt die lokale Energieeinbringung bei dem Schmelzschweißverfahren derart, dass der Schweißzusatzwerkstoff zumindest an einem Abschnitt (bezogen auf die Schweißstrecke) der herzustellenden Schmelzschweißverbindung durchgehend von einem Bauteilabschnitt bis zu dem mindestens einen anderen Bauteilabschnitt aufgeschmolzen wird und eine Schmelzlegierung mit dem/den Grundwerkstoff(en) der Bauteilabschnitte ausbildet. Vorzugsweise erfolgt ein derartiges vollständiges Aufschmelzen des Schweißzusatzwerkstoffes entlang der gesamten Länge (bzw. Schweißstrecke) der auszu-bildenden Schmelzschweißverbindung.

[0038] Gemäß einer Weiterbildung wird nach Durchführung des Schmelzschweißverfahrens eine moderate Wärmebehandlung (Entspannungsglühen) der Schmelzschweißverbindung, insbesondere der Anordnung, durchgeführt. Insbesondere erfolgt die Wärmebehandlung bei Temperaturen, die unterhalb der Rekristallisationstemperatur des/der Grundwerkstoffe(s) der Bauteilabschnitte und des Schweißzusatzwerkstoffes liegen. Beispielsweise kann die Anordnung in einem Ofen für z.B. eine Stunde bei moderaten Temperaturen behandelt werden.

[0039] Weitere Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.

[0040] Von den Figuren zeigen: [0041] Fig. 1: eine Vorderansicht eines Röntgenkathodenfilaments zur Veranschauli chung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor Herstellung der Schmelzschweißverbindung; [0042] Fig. 2: eine dreidimensionale Darstellung eines Teilbereichs der Fig. 1; [0043] Fig. 3: eine dreidimensionale Darstellung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche eine Halterungsplatte und einen in dem Spalt der Halterungsplatte aufgenommenen Blechabschnitt zeigt; [0044] Fig. 4: eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts von Fig. 3; [0045] Fig. 5A, 5B: Querschnittsansichten einer dritten Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung, wobei Fig. 5A eine Darstellung vor und Fig. 5B eine Darstellung nach Durchführung des Schmelzschweißverfahrens zeigen und wobei durch die erfindungsgemäße Schmelzschweißverbindung zwei Platten aus einer Cr-basierten Legierung im Stumpfstoß miteinander verbunden werden; und [0046] Fig. 5C, 5D: den Figuren 5A und 5B entsprechende, dreidimensionale Darstellungen.

[0047] In Fig. 1 ist ein Röntgenkathodenfilament 2 zur Veranschaulichung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Röntgenkathodenfilament 2 weist ein als Drahtfilament ausgebildetes Heizfilament 4 mit zwei abstehenden Drahtendabschnitten 6, 8 auf. Der Elektronen emittierende Abschnitt des Heizfilaments 4 ist dabei als Drahtwendel 10 ausgebildet, wobei die Drahtendabschnitte 6, 8 durch die abstehenden Drahtenden der Drahtwendel 10 gebildet sind. Der Draht des Heizfilaments 4 ist aus Wolfram mit entsprechenden Hochtem-peratur-stabilisierenden Dotierungen (wie z.B. Kalium) gebildet. Ein geeignetes Material ist z.B. 7/16 österreichisches Patentamt AT 13 440 Ul 2013-12-15 mit AKS dotiertes Wolfram, d.h. mit Aluminium, Kalium und Silizium dotiertes Wolfram. Ferner sind zwei, den beiden Drahtendabschnitten 6, 8 zugeordnete Halterungsstifte 12, 14 (Durchmesser: 1,5 mm; Länge: 24 mm) aus Mo (Molybdän) vorgesehen. Sie dienen zur mechanischen Halterung sowie elektrischen Kontaktierung des Heizfilaments 4. Die Halterungsstifte 12, 14 sind jeweils von der Stirnseite 16 beginnend mit einem Spalt 18 (Spaltbreite: 0,3 mm) versehen. Durch den (in radialer Richtung 20 verlaufenden) Spalt 18 wird der jeweilige Halterungsstift 12 bzw. 14 in dem betreffenden Endabschnitt in zwei Halterungsfüße 24, 26 unterteilt, die sich jeweils entlang der axialen Richtung 22 erstrecken. In der Darstellung in Fig. 1 ist jeweils der zu dem Betrachter zugewandte Halterungsfuß 24 abgeschnitten dargestellt.

[0048] Vorliegend weist die Drahtwendel 10 nachfolgende Abmessungen und Parameter auf: [0049] Außendurchmesser der Drahtwendel: 1,7 mm [0050] Steigung: 37 Windungen auf eine Gesamtlänge von 12,7 mm [0051] Drahtdurchmesser: 0,25 mm [0052] Gesamthöhe (Höhe der Drahtendabschnitte + Durchmesser der Wendel): 6,2 mm [0053] Als Schweißzusatzwerkstoff wird ein Formteil 28 in Form einer axial geschlitzten Hülse aus reinem Vanadium eingesetzt, die einen Durchmesser von 0,30 mm, eine Wandstärke von beispielsweise 90 gm und eine Länge entlang der axialen Richtung 22 von 2,2 mm aufweist. Im Rahmen der Herstellung der Schmelzschweißverbindung zwischen dem ersten Drahtendabschnitt 6 und dem ersten Halterungsstift 12 werden zunächst die Einzelteile gereinigt. Dann wird die Hülse 28 über den Drahtendabschnitt 6 geschoben. Anschließend werden diese in den Spalt 18 eingeführt, so dass die in Fig. 2 dargestellte Anordnung erhalten wird. Zur präzisen und stabilen Positionierung der Einzelteile zueinander wird eine Montagevorrichtung verwendet.

[0054] Für den Laserschweißvorgang wird ein gepulster Yb: YAG - Scheibenlaser (Yb: Ytterbium; YAG: Yttrium-Aluminium-Granat) mit einer Wellenlänge von 1030 nm (nm: Nanometer) eingesetzt. Die eingestellten Laserparameter umfassen 200 W (W: Watt) Strahlleistung und eine Pulslänge von 800 ms (Millisekunden). Es wird eine stationäre Laseroptik mit einer Brennweite von 200 mm und einem Fokus von 400 gm eingesetzt. Der Schweißvorgang wird unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Vorliegend wird Argon als Schutzgas verwendet.

[0055] Die durch die oberhalb beschriebene Positionierung und Montage erhaltene Schweißanordnung wird auf dem Koordinatentisch der Laserschweißanlage mit dem Justierlaser auf die genaue Schweißposition einjustiert. Die Anordnung erfolgt derart, dass der Laserstrahl parallel zu oder leicht schräg zu der Spaltrichtung in den Spalt 18 eintritt. Der Auftreffpunkt des Laserstrahls wird derart gewählt, dass bei Durchführung des Laserschweißverfahrens der Schweißzusatzwerkstoff zumindest an einem Abschnitt durchgehend in dem Bereich zwischen Drahtendabschnitt 6 und Halterungsstift 12 aufgeschmolzen wird und dass ferner auch der Grundwerkstoff des Halterungsstiftes 12 und der Grundwerkstoff des Drahtendabschnittes 6 in diesem Abschnitt aufgeschmolzen werden. Dabei wird der Drahtendabschnitt 6 nur an einem schmalen Randbereich desselben aufgeschmolzen, so dass der Drahtendabschnitt 6 möglichst wenig geschwächt wird. Die Schmelzen durchmischen sich zumindest teilweise in dem Bereich der Trennfuge (zwischen dem Drahtendabschnitt 6 und dem Halterungsstift 12). Nach Erstarren derselben wird in dem Bereich der Schweißzone eine Schmelzlegierung aus dem Schweißzusatzwerkstoff und den beiden Grundwerkstoffen mit gradierter Zusammensetzung erhalten. Anschließend wird ein Entspannungsglühen bei 1.000 °C über 1 Stunde durchgeführt.

[0056] Die fertiggestellten Röntgenkathoden werden einer Bauteilprüfung unterzogen, wobei im Rahmen einer visuellen Prüfung äußere Qualitätsmerkmale der erhaltenen Schmelzschweißverbindung beurteilt werden, wie zum Beispiel Riss- und Porenbildung, Benetzung und Spaltfüllung mit der Schmelzlegierung. In weiteren Untersuchungen werden Mikrostruktur und Festigkeit der Schmelzschweißverbindung durch metallkundliche Untersuchungen (Metallographie, Rasterelektronenmikroskop, Zugversuch) beurteilt. Die hergestellte Schmelzschweißverbindung zeigte dabei eine homogene Gefügestruktur mit geringer Kornvergröberung, die hohen thermischen und mechanischen Belastungen standhielt. 8/16 österreichisches Patentamt AT13 440U1 2013-12-15 [0057] Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. In den Figuren 3 und 4 sind jeweils zwei miteinander über eine Schmelzschweißverbindung 29 verbundene Bauteile, nämlich ein dünner Blechabschnitt 30 (Abmessungen: 60 x 40 x 0,20 mm) und eine Halterungsplatte 32 (Abmessungen: 30 x 40 x 2,2 mm) mit einem stirnseitigen Spalt 34 (Spaltbreite: 0,22 mm), der zur Aufnahme des Blechabschnittes 30 dient, dargestellt. Eine derartige Anordnung aus der Halterungsplatte 32 und dem Blechabschnitt 30 wird beispielsweise in Rotating Foil Traps (deutsch: rotierende Folien-Fallen) zum Abfangen von störenden Partikeln eingesetzt, wobei eine typische Anwendung von solchen Rotating Foil Traps in EUV-Lichtquellen (EUV: extreme ultraviolet; deutsch: Extrem-Ultraviolett) ist. Der Blechabschnitt 30 ist aus MLS (entspannungsgeglühte Mo-Lanthanoxid-Legierung mit 0,7 Gew.% La203) und die Halterungsplatte 32 ist aus TZM (Zusammensetzung: 0,5 Gew.% Ti, 0,08 Gew.% Zr, 0,01-0,04 Gew.% C, O-Anteil von weniger als 0,03 Gew.%, Rest Mo) ausgebildet.

[0058] Um den Blechabschnitt 30 mit der Halterungsplatte 32 in dem Bereich des Spaltes 34 über solch eine Schmelzschweißverbindung 29 miteinander zu verbinden, wird zunächst der Blechabschnitt 30 stirnseitig in den Spalt 34 eingeführt. Als Schweißzusatzwerkstoff wird vorliegend bei einer ersten Variante reines Vanadium und bei einer zweiten Variante eine Ni-Cr-Legierung (Zusammensetzung: 90 Gew.% Ni, 10 Gew.% Cr) eingesetzt. Der Schweißzusatzwerkstoff liegt in Drahtform (Durchmesser: 0,35 mm; Länge:, 40 mm) vor. Die Ausrichtung und Positionierung der flachen Schweißprobe wird mit einer Montagevorrichtung gewährleistet, die auch zur Aufnahme und Fixierung des drahtförmigen Schweißzusatzwerkstoffes geeignet ist. Die Positionierung des drahtförmigen Schweißzusatzwerkstoffes erfolgt entlang der Schweißstrecke parallel zu der Ausrichtung des Spaltes 34. Die Befestigung des drahtförmigen Schweißzusatzmaterials an der vorgesehenen Schweißposition erfolgt über Laserschweißpunkte, die im Abstand von 3-5 mm entlang der Schweißstrecke angebracht werden. Nach der Montage der gereinigten Einzelteile in der Montagevorrichtung wird die gesamte Schweißanordnung auf dem CNC-Koordinatentisch (CNC: Computer Numerical Controlled; deutsch: computernumerisch gesteuert) einer Laserschweißanlage mit dem Justierlaser auf die genaue Schweißstartposition einjustiert.

[0059] Für den anschließenden Laserschweißvorgang wird ein Yb: YAG - Scheibenlaser (Yb: Ytterbium; YAG: Yttrium-Aluminium-Granat) mit einer Wellenlänge von 1030 nm (nm: Nanometer) eingesetzt. Die eingestellten Laserparameter umfassen 400 W (W: Watt) Strahlleistung in dem CW-Modus (CW: continuous wave; deutsch: Dauerstrich). Es wird eine stationäre Laseroptik mit einer Brennweite von 200 mm und einem Fokus von 400 pm eingesetzt. Ferner wird ein Vorschub von 1.500 mm/min (Millimeter pro Minute) eingestellt. Der Schweißvorgang wird unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Vorliegend wird Argon als Schutzgas verwendet. Bei der in den Figuren 3 und 4 dargestellten Variante wird der Spalt entlang beider Seiten des Blechabschnittes 30 abgefahren, so dass auf beiden Seiten eine Schweißraupe ausgebildet wird. Je nach Anforderungen an die mechanische Stabilität kann auch das Abfahren von nur einer Seite ausreichend sein. Bei der Durchführung des Laserschweißverfahrens wird ferner darauf geachtet, dass der Blechabschnitt 30 nur an einem schmalen Randbereich desselben aufgeschmolzen wird, um dessen mechanische Stabilität möglichst wenig zu beeinträchtigen. Anschließend wird ein Entspannungsglühen bei 1.000 °C über 1 Stunde durchgeführt. Wie insbesondere anhand der Fig. 4 ersichtlich ist, erstreckt sich die erhaltene Schmelzschweißverbindung 29 über die gesamte Länge des Spaltes 34 und der Blechabschnitt 30 wird durch die Schmelzschweißverbindung 29 stabil in der Halterungsplatte 32 gehalten. In dem Bereich der Schweißzone 36 liegt eine Schmelzlegierung aus dem Schweißzusatzwerkstoff (1. Variante: V; 2. Variante: Ni-Cr-Legierung) und den beiden Grundwerkstoffen (MLS und TZM) vor.

[0060] Nach dem Laserschweißen werden die flachen Schweißproben einer Bauteilprüfung unterzogen, wobei im Rahmen einer Maß- und Sichtkontrolle äußere Qualitätsmerkmale der Schmelzschweißverbindung 29 beurteilt werden, wie z.B. Risse, Poren, Schweißverzug und Benetzung. In weiteren Untersuchungen werden die Mikrostruktur und die Festigkeit der Schmelzschweißverbindung 29 durch metallkundliche Untersuchungen (Metallographie, Ras- 9/16 österreichisches Patentamt AT 13 440 Ul 2013-12-15 terelektronenmikroskop, Zugversuch) ermittelt. In technologischen Zugversuchen bei Raumtemperatur wurde die Bruchlast einer solchen Schmelzschweißverbindung 29 bei 3 kN (Kilo-Newton) ermittelt.

[0061] Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 5A - 5D eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Die Fig. 5A zeigt eine Querschnittsansicht von zwei im Stumpfstoß zueinander angeordneten Platten 38, 40, die mittels einer Schmelzschweißverbindung miteinander zu verbinden sind. Fig. 5B zeigt eine schematische Querschnittsansicht der über eine Schmelzschweißverbindung 42 verbundenen Platten 38, 40. Die Figuren 5C und 5D zeigen den Figuren 5A und 5B entsprechende, dreidimensionale Darstellungen. Die Platten 38, 40 (Abmessungen jeweils 100 x 100 x 3,3 mm) sind jeweils aus einer gesinterten Chrom-Eisen-Yttrium-Legierung (CFY) bestehend aus 95 Gew.% Chrom und 5 Gew.% einer Fe-Y-Vorlegie-rung mit 0,5 Gew.% Y203 (0,5 Gew.% Y203 bezogen auf die Zusammensetzung der CFY-Legierung). Die zu verschweißenden Stirnlängskanten werden als Doppel-Y-Naht ausgeführt, wie anhand der Fig. 5A zu erkennen ist. Dabei betragen die beiden Flankenhöhen und h2 jeweils 1,15 mm, die Steghöhe c beträgt 1 mm und der Öffnungswinkel α beträgt 60°.

[0062] Zur Herstellung der Schmelzschweißverbindung wird vorliegend ein WIG-Schweißver-fahren (WIG: Wolfram-Inertgas) eingesetzt. Als Schweißzusatzwerkstoff wird eine Ni-Cr-Legierung (Zusammensetzung: 0,025 Gew.% C, 0,4 Gew.% Si, 5,0 Gew.% Mn, 19,0 Gew.% Cr, 1,5 Gew.% Mo, 2,2 Gew.% Nb, 3,0 Gew.% Fe, < 0,08 Gew.% Co, Rest Ni) in Drahtform mit einem Durchmesser von 1,0 mm verwendet. Zur Vermeidung von Schweißporen werden vor dem Schweißprozess die durch die mechanische Bearbeitung möglicherweise eingebrachten Kohlenwasserstoffverunreinigungen mittels einer Glühung im Hochvakuum bei 1.200°C über die Dauer von einer Stunde entfernt. Anschließend werden die Bauteile in einer Montagevorrichtung mit einem Stegabstand b von 1 mm positioniert. Ein Bauteilverzug wird über das Setzen von Heftpunkten (mittels WIG-Punktschweißen) in einem Abstand von 20 mm vermieden. Anschließend wird das WIG-Schweißverfahren zum Herstellen der Schmelzschweißverbindung 42 durchgeführt. Der Schweißzusatzwerkstoff wird während der Durchführung des WIG-Schweißverfahrens mit einem Schweißdrahtzuführgerät direkt in den Lichtbogen eingebracht. Zunächst wird dabei die Wurzellage geschweißt, nach dem Umdrehen der Platten erfolgt die Decklagenschweißung. Hierbei werden folgende Schweißparameter verwendet:

Stromstärke Wurzellage 75 A Decklage 100 A A: Ampere Spannung 38 V 38 V V: Volt Stromart DC DC DC: Gleichstrom Elektrode WL10 WL10 1 Gew.% La203 Polung Elektrode: negativ negativ Vorschub 7 cm/min 7 cm/min cm/min: Zentimeter/Minute Schutzgas Argon Argon [0063] Durch das beidseitige Schweißen wird im Wesentlichen eine Schmelzschwei ßverbin-dung 42, wie sie in Fig. 5B dargestellt ist, erhalten. Sie erstreckt sich über die gesamte Länge der miteinander zu verbindenden Kanten, wobei in der Schweißzone 44 eine Schmelzlegierung aus dem Schweißzusatzwerkstoff (Ni-Cr-Legierung) und dem Grundwerkstoff (CFY) der beiden Platten 38, 40 vorliegt. Nach dem Schweißen werden die Schweißproben einer Bauteilprüfung unterzogen. Hierbei werden speziell äußere Qualitätsmerkmale der Schweißverbindung hinsichtlich Poren, Risse und Benetzung beurteilt. Zur Detektion möglicher Fehlstellen und Inhomogenitäten innerhalb der Verbindungszone erfolgt zusätzlich noch eine Ultraschallprüfung.

[0064] Die beschriebene Prozessroute ermöglicht die Herstellung einer verzugsarmen und porenfreien Schweißverbindung von Bauteilen aus Chrom-basierten Legierungen, wie sie insbesondere in Hochtemperatur-Brennstoffzellen eingesetzt werden. 10/16 österreichisches Patentamt AT13 440U1 2013-12-15 [0065] Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere sind noch weitere Kombinationsmöglichkeiten zwischen Grundwerkstoffen und Schweißzusatzwerkstoffen möglich, wie insbesondere aus dem allgemeinen Beschreibungsteil hervorgeht.

[0066] Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Anwendung der genannten Schweißzusatzwerkstoffe auch zur Verbindung von Bauteilabschnitten mit Grundwerkstoffen aus anderweitigen hochschmelzenden Metallen/Legierungen (z.B. Ta, Ta basierte Werkstoffe, Nb, Nb basierte Werkstoffe, etc.) zu vorteilhaften Eigenschaften der hergestellten Schmelzschweißverbindung führen kann. Zwar sind solche weiteren, hochschmelzenden Metalle/Legierungen oftmals bereits ohne Einsatz eines Schweißzusatzwerkstoffes relativ gut durch Schmelzschweißverfahren verbindbar, durch den Einsatz der genannten Schweißzusatzwerkstoffe können aber gezielt vorteilhafte Eigenschaften in dem Bereich der Schweißzone eingestellt werden (insbesondere z.B. durch Ni, Ni basierte Werkstoffe, Re, Re basierte Werkstoffe als Schweißzusatzwerkstoff bei Grundwerkstoffen aus Ta, Ta basierten Werkstoffen, Nb, Nb basierten Werkstoffen), wodurch die Qualität der Schmelzschweißverbindung noch weitergehend verbessert werden kann. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass die Anwendung der genannten Schweißzusatzwerkstoffe auch zur Herstellung einer Schmelzschweißverbindung zwischen Bauteilabschnitten mit Grundwerkstoffen aus Cermets oder Hartmetall (z.B. Wolframkarbid und ggf. weitere Karbi-de/Nitride in einer Binderphase aus Co) zu guten Ergebnissen führt. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Verbindung von zwei Bauteilabschnitten derart eingesetzt werden, dass nur der Grundwerkstoff eines Bauteilabschnittes und der Schweißzusatzwerkstoff aufgeschmolzen werden und eine Schmelzlegierung bilden, während zwischen der Schmelzlegierung und dem Grundwerkstoff des anderen Bauteilabschnittes nur Diffusionseffekte auftre-ten. Dies wäre dann eine Mischform zwischen Schweißen und Löten. Sie kann insbesondere dann angebracht sein, wenn die Grundwerkstoffe der zu verbindenden Bauteilabschnitte stark unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen. 11 /16

Claims (13)

1. österreichisches Patentamt AT 13 440 Ul 2013-12-15 Ansprüche 1. Anordnung aufweisend mindestens zwei Bauteilabschnitte (2, 12, 14; 30, 32; 38, 40), die über eine Schmelzschweißverbindung miteinander verbunden sind, wobei der/die Grundwerkstoffe) der Bauteilabschnitte (2, 12, 14; 30, 32; 38, 40) jeweils aus Mo, W, Cr oder aus einem auf Mo, W und/oder Cr basierten Werkstoff gebildet ist/sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißzone (36; 44) der Schmelzschweißverbindung (29; 42) durch eine Schmelzlegierung aus einem Schweißzusatzwerkstoff (28) und dem/den Grundwerkstoffen) der Bauteilabschnitte (2, 12, 14; 30, 32; 38, 40) gebildet wird, wobei der Schweißzusatzwerkstoff (28) eine von dem/den Grundwerkstoffen) der Bauteilabschnitte (2, 12, 14; 30, 32; 38, 40) abweichende Zusammensetzung aufweist und aus V, Re, Nb, Ta, Ni, Ru, Cr oder aus einer auf V, Re, Nb, Ta, Ni, Ru und/oder Cr basierten Materialkombination gebildet ist.
2. 2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Grundwerkstoffe) der Bauteilabschnitte (2, 12, 14; 30, 32; 38, 40) jeweils aus Mo, W, Cr, einem auf Mo basierten Werkstoff, einem auf W basierten Werkstoff oder einem auf Cr basierten Werkstoff gebildet ist/sind.
3. 3. Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißzusatzwerkstoff (28) aus V, Re, Nb, Ta, Ni, Ru, Cr oder aus einer auf V, Re, Nb, Ta, Ni, Ru oder Cr basierten Materialkombination gebildet ist.
4. 4. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff mindestens eines Bauteilabschnittes (2, 12, 14; 30, 32) aus Mo, W, einer auf Mo basierten Legierung oder einer auf W basierten Legierung gebildet ist.
5. 5. Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißzusatzwerkstoff (28) aus V oder aus einer auf V basierten Materialkombination gebildet ist.
6. 6. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff mindestens eines Bauteilabschnittes (38, 40) aus Cr oder aus einer auf Cr basierten Legierung gebildet ist und dass der Schweißzusatzwerkstoff aus Ni, aus einer auf Ni basierten oder aus einer auf Cr-Ni basierten Materialkombination gebildet ist.
7. 7. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff mindestens eines Bauteilabschnittes aus W oder aus einer auf W basierten Legierung gebildet ist und dass der Schweißzusatzwerkstoff aus Re oder aus einer auf Re basierten Materialkombination gebildet ist.
8. 8. Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schmelzlegierung zumindest an einem Abschnitt der Schmelzschweißverbindung (29; 42) durchgehend von einem Bauteilabschnitt (2; 30; 38) bis zu dem mindestens einen anderen Bauteilabschnitt (12; 32; 40) erstreckt.
9. 9. Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzlegierung in dem Bereich der Schweißzone (36; 44) eine von einem Bauteilabschnitt (2; 30; 38) in Richtung zu dem mindestens einen anderen Bauteilabschnitt (12; 32; 40) variierende Zusammensetzung aufweist.
10. 10. Verfahren zum Herstellen einer Schmelzschweißverbindung zwischen mindestens zwei Bauteilabschnitten (2, 12, 14; 30, 32; 38, 40), wobei der/die Grundwerkstoff(e) der Bauteilabschnitte (2, 12, 14; 30, 32; 38, 40) jeweils aus Mo, W, Cr oder aus einem auf Mo, W und/oder Cr basierten Werkstoff gebildet ist/sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilabschnitte (2, 12, 14; 30, 32; 38, 40) durch ein Schmelzschweißverfahren unter Anwendung eines Schweißzusatzwerkstoffes (28) derart verbunden werden, dass sich im Bereich der Schweißzone (36; 44) eine Schmelzlegierung aus dem Schweißzusatzwerk- 12/16 österreichisches Patentamt AT13 440U1 2013-12-15 Stoff (28) und dem/den Grundwerkstoff(en) der Bauteilabschnitte (2, 12, 14; 30, 32; 38, 40) ausbildet, wobei der Schweißzusatzwerkstoff (28) eine von dem/den Grundwerkstoff(en) der Bauteilabschnitte (2, 12, 14; 30, 32; 38, 40) abweichende Zusammensetzung aufweist und aus V, Re, Nb, Ta, Ni, Ru, Cr oder aus einer auf V, Re, Nb, Ta, Ni, Ru und/oder Cr basierten Materialkombination gebildet ist.
11. 11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzschweißverfahren durch ein Laserschweißverfahren gebildet wird.
12. 12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Energieeinbringung bei dem Schmelzschweißverfahren derart erfolgt, dass der Schweißzusatzwerkstoff zumindest an einem Abschnitt der herzustellenden Schmelzschweißverbindung (29; 42) durchgehend von einem Bauteilabschnitt (2; 30; 38) bis zu dem mindestens einen anderen Bauteilabschnitt (12; 32; 40) aufgeschmolzen wird und eine Schmelzlegierung mit dem/den Grundwerkstoff(en) der Bauteilabschnitte (2, 12; 30, 32; 38, 40) ausbildet.
13. 13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchführung des Schmelzschweißverfahrens eine moderate Wärmebehandlung der Schmelzschweißverbindung (29; 42) durchgeführt wird. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 13/16