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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf metallurgische Verfahren. Insbesondere bezieht sie sich auf Verfahren zum Verbinden von Strukturen, die aus unterschiedlichen Metallegierungen gefertigt sind, z. B. solche Strukturen, die Teil einer Röntgenanlage sind.
Hochleistungsmetallegierungen sind kritische Materialien für eine Vielzahl von heute hergestell- ter Anlagen. Als ein Beispiel besitzen viele Molybdänlegierungen ein grosses Mass an Hochtempera- turfestigkeit. Andere Arten von hitzebeständigen Metallegierungen zeigen auch wünschenswerte Kombinationen von hoher Festigkeit und geringer Wärmeleitfähigkeit.
Röntgengeräte sind ein gutes Beispiel für die Nützlichkeit von Hochleistungslegierungen Viele Komponenten in diesen Geräten sind aus solchen Materialien gefertigt. Oft sind das Röntgentarget und einige damit zusammenhängende Komponenten aus Molybdänlegierungen wie Titan- Zirkonium-Molybdän (TZM) gefertigt. Andere Komponenten im Inneren der Vorrichtung können aus Niob- oder Tantallegierungen gefertigt sein. Die Nützlichkeit dieser Materialien beruht grossteils auf ihrer Fähigkeit, in einer Hochtemperaturumgebung gut zu funktionieren, die während des Betriebes einer Röntgeneinheit erzeugt wird.
Offensichtlich müssen die Schweissungen bzw. Schnittstellen zwischen den verschiedenen Me- tallstrukturen in einer Vorrichtung wie einem Röntgengerät verlässlich und dauerhaft sein. Einige der Eigenschaften von Hochleistungslegierungen stellen jedoch eine Herausforderung dar, wenn es gilt, qualitativ hochwertige stabile Verbindungen zu erzielen. Beispielsweise hat die Oberfläche von TZM die Tendenz, bis zu einem gewissen Grad zu oxidieren. Dieses Oxid, welches schwer zu entfernen ist, kann das Verbinden mit anderen Legierungen ziemlich schwierig gestalten.
Darüber hinaus weist TZM eine begrenzte Verformbarkeit bei Raumtemperatur auf. Beim Zu- sammenbauen der vielen Komponenten eines Röntgengerätes müssen Teile aus TZM mit Teilen zusammengefügt werden, die aus besser verformbaren Legierungen gefertigt sind. Beispielsweise wird bei Röntgenröhren, die in der Radiologie verwendet werden, häufig eine Drehanode einge- setzt. Das "Target" ist jener Teil der Anode, wo der Elektronenstrahl auftrifft und die Röntgenstrah- len erzeugt werden. Das Target hat üblicherweise die Form einer Scheibe und ist an einem Träger- schacht befestigt, welcher seinerseits an einen Rotor angeschlossen ist. Das Anodentarget ist üblicherweise aus TZM gefertigt. Es wird manchmal mit einem Einsatz verbunden, der aus einer verformbaren Legierung auf Tantalbasis gebildet ist, wie sie beispielsweise in dem US-Patent 5 498 186 (M.
Benz et al.) offenbart ist.
Dieses Verbinden zwischen Metallen unterschiedlicher Verformbarkeit kann sich bei der Ferti- gung und des Betriebes eines Röntgengerätes als problematisch erweisen. Rotierende Targets unterliegen häufig sehr starken thermischen Beanspruchungen (Schocks) und können sehr hohe Temperaturen erreichen. Ein Ausfall von Röntgengeräten im Feld wurde schon oft auf die Verbin- dungsstellen in diesem Bereich der Vorrichtung zurückgeführt. In einigen Fällen können mechani- sche Beanspruchungen das Drehtarget lockern und die gesamte Anodenanordnung wird unwuch- tig. Nicht mehr akzeptable Vibrationen und/oder ein mechanischer Bruch der Anordnung ist dann die Folge. Die Notwendigkeit einer ausgewuchteten Target/Schaft-Anordnung ist auch während des Herstellungszyklus kritisch, besonders im Falle von grossen Röntgentargets, wie sie heutzutage gefertigt werden.
Das häufige Auftreten von unwuchtigen Anordnungen führt zu verringerten Ferti- gungsausbeuten.
Es ist daher klar, dass es einen kontinuierlichen Bedarf für Verbesserungen beim Verbinden von Strukturen gibt, die aus unterschiedlichen Metallegierungen gebildet sind. Insbesondere läge ein beträchtlicher Vorteil in neuen Techniken zum Verbinden von Strukturen, die aus Legierungen mit unterschiedlichen Verformbarkeitsgraden gebildet sind, z. B. Legierungen auf Molybdänbasis, die mit Strukturen verbunden werden, die aus besser verformbaren Legierungen wie solchen auf Tantalbasis gefertigt sind. Diese Techniken sollten speziell für das Verbinden der verschiedenen Röntgenkomponenten geeignet sein - besonders von jenen in Röntgengeräten vom Drehanoden- typ. Darüber hinaus sollten diese Verfahren mit existierenden Herstellungsverfahren kompatibel sein, wie sie derzeit in der Fertigung von Röntgengeräten verwendet werden.
Die oben genannten Anforderungen werden erfindungsgemäss durch ein neues Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einer Legierungsstruktur auf Molybdänbasis und einer Struk- tur erfüllt, die aus einer im Vergleich zu der vorgenannten Legierungsstruktur besser verformbaren Legierung gebildet ist, wobei die Legierungsstruktur auf Molybdänbasis ein drehbares Röntgen- target aufweist, wogegen die aus der besser verformbaren Legierung gebildete Struktur einen
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Röntgentargeteinsatz aufweist, wobei das Verfahren das Festkörperverbinden der beiden Strukturen über eine Verbindungs- zeit von weniger als 1 min umfasst, wobei das Festkörperverbinden ein Reibungsverschweissen mittels Trägheitsschweissen umfasst, welches die folgenden Schritte umfasst:
a) Anordnen der zu verbindenden Strukturen in einer Trägheitsschweissvorrichtung, wobei die jeweiligen Verbindungsoberflächenbereiche der Strukturen voneinander beabstandet sind ; b) Drehen einer der Strukturen mit einer vorgegebenen Drehgeschwindigkeit und einer ent- sprechenden mechanischen Energie, während die andere Struktur in einer nicht-drehenden Stel- lung fest bleibt ; c) Inkontaktbringen der beiden Strukturen miteinander, um das Metall an der Schnittstelle pla- stisch zu verformen, was die Ausbildung einer Verbindung zwischen den beiden Strukturen bewirkt.
Häufig umfasst die Legierung auf Molybdänbasis (oder "Molybdänlegierung" zwecks Kürze) Titan, Zirkonium und Molybdän (z. B. TZM), wogegen die besser verformbare Legierung ein Materi- al auf Tantalbasis, Niobbasis oder Nickelbasis sein könnte. Das Verfahren ist besonders nützlich bei der Herstellung von Röntgengeräten wie jenen, welche Drehanodenanordnungen enthalten.
Somit ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung auf ein verbessertes Verfahren zum Ver- binden eines Targets mit einem rohrförmigen Schaft zur Verwendung in einer rotierenden Röntgen- röhre gerichtet, bei welchem ein Einsatz am Target befestigt und für eine zusätzliche Befestigung an dem rohrförmigen Schaft angeordnet wird, wobei das Target eine Legierung auf Molybdänbasis aufweist und der Einsatz eine Legierung aufweist, die besser verformbar ist als die Targetlegie- rung, welches Verfahren die Schritte aufweist: (I) Festkörperverbinden des Einsatzes mit dem Target, wobei die Verbindungsdauer weniger als etwa 1 min beträgt;
(11) Befestigen des rohrförmigen Schaftes an der Kombination aus Target und Einsatz, um eine Schaft/Target-Anordnung zu bilden; und (III) Verbinden der im Schritt (II) gebildeten Schaft/Target-Anordnung mit einer Rotorkörper- anordnung.
Die Erfindung schafft ferner eine Anodenanordnung für eine Röntgenröhre, mit: (a) einem Röntgentarget, das aus einer Legierung auf Molybdänbasis gebildet ist, und eine zentrale Aussparung darin aufweist; (b) einem Einsatz im Inneren der zentralen Aussparung, der zur Aufnahme eines Teiles eines rohrförmigen Schaftes geformt ist und aus einem Legierungsmaterial gebildet ist, das besser verformbar ist als die Targetlegierung; (c) einem rohrförmigen Schaft, der mit dem Target verbunden ist, um eine Target/Schaft- Anordnung zu bilden; und (d) einer Rotorkörperanordnung, die zur Verbindung mit der Target/Schaft-Anordnung und zur Drehung mit dieser ausgebildet ist, wobei das Target mit dem Einsatz festkörperverbunden ist.
Weitere Merkmale, Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be- schreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines typischen Röntgensystems mit einer darin an- geordneten Röntgenröhre. Fig. 2 ist eine teilweise Perspektivansicht einer repräsentativen Rönt- genröhre, mit Teilen entfernt, Teilen im Schnitt und Teilen aufgebrochen. Fig. 3 ist ein Querschnitt einer Target/Schaft-Anordnung für eine Röntgenröhre mit erfindungsgemässen Merkmalen. Fig. 4 ist ein Querschnitt einer Target/Schaft-Anordnung, bei welcher ein Einsatz in Form eines verjüng- ten Zylinders eingebracht wird. Fig. 5 ist ein Querschnitt ähnlich jenem von Fig. 4, nachdem der Einsatz zu einer Ringform zur Aufnahme eines Schaftabschnittes maschinell bearbeitet worden ist.
Fig. 6 ist eine Draufsicht der Anordnung von Fig. 5, welche den verformbaren Einsatz an dem aus einem weniger verformbaren Material gebildeten Röntgentarget angebracht zeigt.
Wie oben erwähnt, wird ein "Festkörperverbinden" bei der vorliegenden Erfindung verwendet, um eine Verbindung zwischen einer Legierungsstruktur auf Molybdänbasis und einer aus einer besser verformbaren Legierung gebildeten Struktur herzustellen. Die "besser verformbare" Legie- rung kann auf Tantalbasis, Niobbasis oder z.B. Nickelbasis sein und wird nachstehend erläutert.
Materialien, die in diese Klassifikation (relativ zu der Legierung auf Molybdänbasis) fallen, sind
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jene, welche erfolgreich fusionsgeschweisst werden können, ohne Sprünge zu bekommen. Darüber hinaus können Materialien dieser Art üblicherweise fest mit Teilen aus einer Molybdänlegierung verschraubt werden, ohne dass eine wesentliche Anzahl von lokalen Sprüngen an der Verschrau- bungsstelle auftritt. Ein weiterer Parameter, der zur Klassifizierung der Verformbarkeit im Rahmen dieser Erörterung nützlich ist, ist die Verformbarkeit bei Raumtemperatur. Mit anderen Worten haben Molybdänlegierungen wie TZM üblicherweise eine Raumtemperaturverformbarkeit von weniger als etwa 5% (gemessen in einem Standard-Raumtemperatur-Zugversuch). Im Gegensatz dazu haben Legierungen auf Niobbasis häufig eine Raumtemperaturverformbarkeit von uber etwa 20%.
Der Ausdruck "Festkörperverbinden" wird hier verwendet, um eine Anzahl von Verbindungs- techniken zu umfassen, bei denen zwei Metalloberflächen in einer Weise in innigen Kontakt ge- bracht werden, welche es zulässt, dass eine Kohäsionskraft zwischen den Atomen der beiden Ober- flächen sie zusammenhält bzw. zusammenschweisst, ohne dass der Schmelzpunkt der Materialien an der Schnittstelle erreicht wird. Der Ausdruck ist beispielsweise in "Welding and Welding Techno- logy" von R. L. Little, McGraw-Hill, Inc., 1973, beschrieben.
So wie hier verwendet, ist das "Festkörperverbinden" definiert als Ausschluss von Diffusions- verbindungsverfahren, die ausserhalb des Rahmens dieser Erfindung sind. Die Verbindungszeit- spanne zum Verbinden von Strukturen gemäss dieser Erfindung wird definiert als die Zeitspanne, über welche die Strukturen bei der entsprechenden Verbindungstemperatur in gegenseitigem Kontakt sind. Diese Zeitspanne ist weniger als etwa 1 min, und in bevorzugten Ausführungsformen weniger als etwa 30 s. In einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen ist die Zeitspanne weniger als etwa 10 s. Diese Zeitspannen sind viel kürzer als die Verbindungszeiten für Diffusions- verbindungstechniken, wie nachstehend erläutert wird. Zumindest drei spezielle Techniken liegen im Rahmen des Festkörperverbindens : Widerstands- bzw.
Stauchstumpf- schweissen, und Explosionsschweissen.
Beim Reibungsschweissen werden die beiden Metalle oder Metallegierungen verschmolzen, in- dem ein Widerstand zwischen den zu verbindenden Oberflächen erzeugt wird. Das Verfahren ist in dem oben genannten Artikel von Little beschrieben, sowie in "Welding and Other Joining Proces- ses" von R. Lindberg et al., Allyn and Bacon, Inc., 1976 ; und in "Smithells Metals Reference Book", 7. Ausgabe, Butterworth-Heinemann, 1992. Üblicherweise werden die miteinander reibungszu- verschweissenden Teile axial aufeinander ausgerichtet, so dass ein Teil gegenüber einem sta- tionären Teil gedreht werden kann. Die Reibungswärme wird durch die Rotationsgeschwindigkeit und den Axialdruck des nicht-rotierenden Teiles gesteuert. Wenn die Temperatur an der Schnitt- stelle der beiden Teile ansteigt, erreichen die Teile die entsprechende Schweisstemperatur.
An diesem Punkt erfolgt die Schmiedephase : Drehung wird angehalten (oder in einigen Varianten wird der drehende Teil ausdrehen gelassen, bis die mechanische Energie dissipiert ist), und der Druck wird erhöht, bis der Schweissvorgang abgeschlossen ist. Die Schweisszeit dauert üblicher- weise zwischen etwa 1 bis etwa 10 s, abhängig von den zu verschweissenden Materialien und dem Schnittstellendesign.
Als ein Beispiel kann ein Stab aus einer Legierung auf Molybdänbasis mit einem Durchmesser von 1,59 cm in angemessener Weise mit einer Legierung auf Tantalbasis von gleicher Grösse und Form unter einem Kontaktdruck im Bereich von etwa 27,58 MPa bis etwa 44,13 MPa verbunden werden, während die Molybdänlegierung mit etwa 5000 U/min bis etwa 7000 U/min gedreht wird Die Schwungraddrehträgheit liegt üblicherweise im Bereich von 0,1264 bis etwa 0,2528 kgm2 (3-6 Ib-ft2). (Manchmal wird die Komponente auf Molybdänbasis auf eine Temperatur im Bereich von etwa Raumtemperatur bis etwa 800 C vorerhitzt). Fachleuten ist klar, dass bei einigen Varian- ten dieser Technik geringere Rotationsgeschwindigkeiten mit einer höheren Axialkraft verwendet werden, wogegen andere Varianten höhere Drehgeschwindigkeiten mit einer geringeren Axialkraft erfordern.
Die geeignetste Geschwindigkeit und Axialkraft hängen grossteils von den speziell zu verschweissenden Legierungen ab.
Um eine qualitativ hochwertige Schweissung zu gewährleisten, muss die für das Reibungs- schweissen erforderliche Anlage in der Lage sein, drei Variable sehr genau zu steuern : DenAxial- druck, die Rotationsgeschwindigkeit und die Schwungraddrehträgheit. Geeignete Anlagen, welche diese Anforderungen erfüllen, sind kommerziell erhältlich. Üblicherweise können die zu verschwei- #enden Teile beinahe jede beliebige Form haben, solange sie eine gemeinsame Achse teilen. Nur
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einer der Teile dreht sich um eine Symmetrieachse. Die maximale Grösse der Teile wird offensicht- lich durch die Grösse der Schweissmaschine bestimmt. Zahlreiche Formen von Reibungsschweissen werden industriell durchgeführt, wie das kontinuierliche Rotationsschweissen.
Wie oben erwähnt, ist eine spezielle Art des Reibungsschweissens in der Technik als Träg- heitsschweissen bekannt, welches sehr nützlich ist, um unterschiedliche Metalle und/oder Metalle- gierungen ohne Schmelzen an der Schnittstelle (welches die Mikrostruktur verändern würde) rasch zu verbinden. Trägheitsschweissen ist üblicherweise das bevorzugte Verbindungsverfahren für verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Es ist in einer Vielzahl von Literatur- stellen beschrieben, wie dem oben genannten Lindberg-Text und in den US-Patenten 4 757 932, 4 129 241 und 3 882 593, welche alle durch Bezugnahme hier aufgenommen werden.
Fachleuten ist klar, dass beim Trägheitsschweissen verschiedenste Parameter gewählt werden müssen, wie das polare Trägheitsmoment, die Winkelgeschwindigkeit des Schwungrades und der elektrostatische
Druck im Kolben für die axiale Belastung. Typischerweise wird ein Schwungrad zunächst an einer der zu verbindenden Komponenten befestigt. Das Schwungrad wird dann auf eine vorgegebene Winkelgeschwindigkeit gebracht, welche mit Hilfe eines Elektromotors exakt geregelt wird, und speichert die kinetische Rotationsenergie. Wenn das richtige Mass an kinetischer Energie erreicht ist, wird das Schwungrad vom Motor mit Hilfe einer Kupplung abgekoppelt. Die andere zu verbin- dende Komponente (d. h. die nicht drehende Komponente) wird rasch mit der drehenden Kompo- nente in Kontakt gebracht, u. zw. unter einer konstanten, grossen Axialbelastung.
Die mechanische
Rotationsenergie wird an der Verbindungsstelle durch Reibung in Wärme umgewandelt. Während die mechanische Rotationsenergie aufgebraucht wird, hebt die erzeugte Wärme die Temperatur an der Schnittstelle an. Weil die aufgebrachte Axiallast sehr gross ist, tritt eine Verformung ("axiale Stauchung") lokal an der Schnittstelle auf, wo der Temperaturanstieg am grössten ist. Das Metall verformt sich somit plastisch unter der Axiallast, und Metallmaterial, das ursprünglich an der Schnittstelle war, wird radial nach aussen gekehrt und bildet den "Grat". Das Schwungrad kommt üblicherweise in einigen Sekunden zur Ruhe. Typischerweise wird die Axiallast aufrechterhalten, bis die Schweissung abgekühlt ist.
Fachleuten ist klar, dass es ziemlich viele Variationen bei den dargestellten Schritten gibt, das Verfahren wird jedoch stets als Trägheitsschweissen bezeichnet. Ein beträchtlicher Vorteil bei der Verwendung des Trägheitsschweissens ist, dass es das Aufbrechen von Oberflächenverunreini- gungsstoffen und Oxiden fördert, sie praktisch in den Grat "spült". Dies erlaubt wiederum, dass freiwerdendes frisches Material der Komponenten miteinander in Berührung gebracht wird.
Somit sind einige der Hauptschritte bei einem typischen Verfahren zum Trägheitsverschweissen der Molybdänlegierungsstruktur mit einer besser verformbaren Legierung gemäss der vorliegenden Erfindung wie folgt: a) Anordnen der zu verbindenden Strukturen gemeinsam in einer Trägheitsschweissvorrich- tung, wobei die jeweiligen Verbindungsoberflächenbereiche der Strukturen voneinander einen Ab- stand haben und so angeordnet sind, dass sie einander an einer Verbindungsschnittstelle berühren können;
und b) Drehen einer der Strukturen mit einer vorgegebenen Drehgeschwindigkeit und einer ent- sprechenden mechanischen Energie, während die andere Struktur in einer nicht-drehenden Stel- lung feststeht, wobei die vorgegebene Drehgeschwindigkeit hoch genug ist, um ausreichende Energie zum Verbinden zur Verfügung zu stellen, wenn die drehende Struktur mit der feststehen- den Struktur in Berührung gelangt ; c) gegenseitiges Inkontaktbringen der beiden Strukturen, wobei die erzeugte Wärme, wenn die mechanische Energie der drehenden Struktur dissipiert wird, ausreichend ist, um das Metall an der Verbindungsschnittstelle plastisch zu deformieren, was die Ausbildung einer Verbindung zwi- schen den beiden Strukturen bewirkt.
Wie oben erwähnt, wird die Schweissung dann abkühlen gelassen, und eine starke, sehr ver- lässliche Verbindung wird auf diese Weise zwischen den beiden Strukturen erzielt. Fachleuten ist klar, dass die Parameter des Trägheitsschweissens natürlich an die Arten der zu verbindenden Materialien angepasst werden müssen. Die geeignetsten Parameter können ohne grosse Mühe auf Grundlage der hier gegebenen Lehren bestimmt werden.
Ein Verbindungsverfahren für Röntgenkomponenten wird als spezielles Beispiel für eine Aus- führungsform der vorliegenden Erfindung nun gegeben. Bei diesem Beispiel wird ein Röntgentarget
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mit einem Aussendurchmesser von etwa 10,16 bis etwa 20,32 cm mit einem drehbaren Target 1 (wie nachstehend in der Figur beschrieben) verbunden. Der Einsatz hat einen Aussendurchmesser von etwa 2,54 cm bis etwa 5,08 cm. Die Dicke des Mittelabschnittes des Targets beträgt etwa 1,016 cm bis etwa 1,905 cm, und der Winkel (bzw. die Verjüngung) zwischen den beiden Kompo- nenten wird auf etwa 25 bis etwa 45 bezüglich der Drehachse des Targets eingestellt.
Unter diesen Bedingungen und unter Verwendung einer Standardträgheitsschweissvorrichtung ist die erforderliche Kontaktbeanspruchung senkrecht zur Schweissschnittstelle üblicherweise im Bereich von etwa 31,03 MPa bis etwa 68,95 MPa. Typischerweise wird dieser Druck in Hydraulikdruck- oder "Kolbendruck"-Werte übersetzt, die auf der Trägheitsschweissvorrichtung eingestellt werden.
Die Geschwindigkeit der rotierenden Komponente (üblicherweise des Einsatzes, während das Target feststeht) liegt im Bereich von etwa 4000 U/min bis etwa 8000 U/min. Die Trägheitsmasse d. h. die polare Rotationstragheit, liegt üblicherweise im Bereich von etwa 0,6321-1,054 kgm (15-25 Ib-ft2), während die Schweissstauchung (ein bekannter Ausdruck, der in den folgenden Beispielen beschrieben wird) üblicherweise im Bereich von etwa 1,27 mm bis etwa 1,27 cm liegt.
Wiederum können Fachleute einige dieser Parameter wie die Drehgeschwindigkeit anpassen, um Abmessungs- oder Zusammensetzungsänderungen der zu verbindenden Komponenten zu berück- sichtigen.
Noch ein weiteres geeignetes Verfahren zum Verbinden der Molybdänstruktur mit der aus der besser verformbaren Legierung gebildeten Struktur ist das Explosionsschweissen, bei welchem ein explosives Material oder ein intensives elektromagnetisches Feld als Energiequelle für das Verbin- den der Strukturen verwendet wird. Das allgemeine Verfahren zum Explosionsschweissen ist in den oben genannten Artikeln von Little und Lindberg beschrieben, sowie in anderen verfügbaren Litera- turstellen. Kurz gesagt erfolgt ein Explosionsverschweissen, wenn die beiden Strukturen unter einer Explosionskraft mit hoher Geschwindigkeit, z. B. etwa 152,4 bis etwa 304,8 m/s, miteinander verpresst werden. Die durch die Geschwindigkeit an der Schnittstelle der beiden Strukturen erzeug- ten Drücke liegen üblicherweise im Bereich von etwa 689,5 MPa bis etwa 6,895 GPa.
Das Aufein- anderprallen der Teile scheint einen Wellenzug entlang der Teileoberflächen hervorzurufen, wel- cher sie plastisch verformt, dehnt und die Oberflächenfilme zerreisst, um so eine Verbindung zuzu- lassen. Üblicherweise wird dadurch eine hochfeste Schweissung erzeugt.
Weitere Details des Explosionsschweissens können in der Literatur einfach aufgefunden wer- den. Im allgemeinen sind die Vorteile dieser Technik unter anderem ihre Einfachheit, die grossen Oberflächenbereiche, die verbunden werden können, und die Fähigkeit, ungleiche, inkompatible Legierungen miteinander zu verbinden. Darüber hinaus haben explosionsgeschweisste Verbindun- gen keine durch Wärme beeinträchtigte Zonen. Da die Verbindung zwischen den beiden Teilen hauptsächlich durch hohe Druckkräfte erzeugt wird, ist kein Schmelzen des Materials erforderlich.
Daher tritt auch kein daraus folgendes Kornwachstum oder keine Versprödung in der Verbindungs- struktur auf. Dies ist ein sehr wesentlicher Vorteil für die Art von Anlagen, welche verlangen, dass solche Strukturen eine hohe Dauerhaftigkeit und Verlässlichkeit haben, z. B. für die nachstehend erörterten Röntgengeräte.
Eine weitere Form des Festkörperverbindens, die bei einigen Ausführungsformen der vorlie- genden Erfindung verwendet werden kann, ist als Widerstands- oder Stauchstumpfschweissen be- kannt und beispielsweise in dem Artikel von R. Lindberg beschrieben. Um ein Beispiel zu nennen, können die zu verschweissenden Komponenten in geeignete Elektrodenklemmen eingesetzt wer- den. Die Verbindungsoberflächen werden miteinander in Kontakt gebracht, und dann wird ein Strom angelegt, üblicherweise mit einer Stromdichte von etwa 310 bis 775 A/cm2 (2000 bis 5000 A/Zoll2). Der hohe Widerstand der Verbindungsstelle bewirkt ein Erwärmen des Materials (unterhalb seiner Schmelztemperatur) an der Schnittstelle, wobei gerade genug Druck aufgebracht wird, um eine Lichtbogenbildung zu verhindern.
Wenn das Metall plastisch wird, ist die Kraft übli- cherweise gross genug, um eine grosse, symmetrische Materialaufwerfung zu erzeugen, die oxidier- tes Metall aus dem Verbindungsbereich heraustreibt. Enddrücke werden üblicherweise angewen- det, nachdem die Erhitzung abgeschlossen ist. Die Druckkraft hängt von den speziellen, zu verbin- denden Materialien ab, liegt jedoch üblicherweise im Bereich von etwa 17,24 MPa bis etwa 55,16 MPa. Der Stauchungs- bzw. Aufwerfungsbereich muss nach dem Schweissvorgang und vor der Inbetriebnahme der verbundenen Gegenstände möglicherweise maschinell bearbeitet werden.
Wie im Falle der anderen hier beschriebenen Verbindungstechniken gibt es verschiedenste
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Kategorien dieses Verfahrens, wie das Stauchstumpfschweissen und das Gratstumpfschweissen.
Darüber hinaus können Fachleute die verschiedenen Schweissparameter modifizieren, um speziel- len Arten, Geometrien und Grössen der Verbindungskomponenten entsprechen zu können.
Eine Vielzahl auf Molybdän basierender Legierungen kann bei der vorliegenden Erfindung ver- wendet werden, d. h. verbunden mit einer weiteren Legierung mit grösserer Verformbarkeit. Einige Legierungen sind in dem US-Patent 4 574 388 von J. Port et al. beschrieben, das hier durch Be- zugnahme aufgenommen wird. So, wie der Begriff hier verwendet wird, ist "eine auf Molybdän basierende Legierung" eine Legierung, die zumindest 50% Molybdän enthält, zusammen mit einem beliebig anderen kompatiblen Metall oder einer beliebigen anderen Kombination von Metallen. Eine beispielhafte Art von Molybdänlegierung umfasst Molybdän und Zirkonium.
Einige Molybdänlegierungen, die besonders interessant sind, enthalten ferner auch Titan. Ein typisches Legierungsmaterial dieser Art wird als TZM bezeichnet und enthält (bezogen auf das Gewicht) etwa 0,5% Titan und etwa 0,1% Zirkonium, wobei der Rest Molybdän ist. Fachleuten ist klar, dass unter die allgemeine Definition "TZM" fallende Materialien kleinere Mengen an anderen Metallen oder Legierungen enthalten können, z. B. weniger als 1 Gew. -% eines oder mehrerer legierungsbildender Elemente wie Kohlenstoff, Hafnium oder Vanadium.
Die Legierung, welche eine grössere Verformbarkeit aufweist als die Legierung auf Molybdän- basis (und welche damit verbunden werden soll), kann aus einer Vielzahl von Materialien gewählt werden. Wenn die Erfindung auf dem Gebiet der Röntgenanlagen verwendet wird, ist diese Legie- rung manchmal auf Tantalbasis, d. h. enthält zumindest etwa 50 Gew.-% Tantal. Tantallegierungen sind in der Technik bekannt und beispielsweise in den US-Patenten 5 498 186 (M. Benz et al.) und 5 171 379 (P. Kumar et al.) beschrieben, die beide durch Bezugnahme hier aufgenommen werden.
Häufig umfasst die Legierung auf Tantalbasis Tantal und Wolfram, z. B. etwa 85 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-% Tantal und etwa 1 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Wolfram, bezogen auf das Gewicht der Legierung, und bevorzugt etwa 90 Gew.-% bis etwa 98 Gew.-% Tantal und etwa 2 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% Wolfram. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Legierung auf Tantalbasis ferner (jeweils) weniger als 1 % zumindest eines zusätzlichen Metalles oder einer zusätzlichen Legierung, wie Hafnium, Rhenium oder Yttrium.
Spezielle, nicht einschränkende Beispiele geeigneter Legierungen auf Tantalbasis sind wie folgt: Ta-10W (Ta; 10W); T-111 (Ta; 8W; 2Hf); T-222 (Ta; 9,6W; 2,4Hf ; 0,01C); ASTAR-811C (Ts; 8W ; 1Re ; 1Hf; 0,025C); GE-473 (Ta; 7W; 3Re); Ta-2,5W (Ta; 2,5W); und Ta-130 (Ta mit etwa 50 bis 200 ppm Y).
Eine weitere Legierung, welche eine grössere Verformbarkeit aufweist als die Legierung auf Molybdänbasis (und welche damit verbunden werden kann), ist ein Material auf Niobbasis, d.h. eine Legierung mit zumindest 50% Niob, zusammen mit jedem beliebigen anderen kompatiblen Metall oder jeder beliebig anderen kompatiblen Kombination von Metallen. Als ein Beispiel kann die Nioblegierung Niob und Molybdän enthalten, und in einigen Ausführungsformen ferner Titan.
Spezielle Beispiele anderer geeigneter Nioblegierungen sind wie folgt: CB-752 (Nb; 10W; 2,5 Zr); C129Y (Nb; 10W; 10 Hf ; Y); FS-85 (Nb; 28 Ta; 11W; 0,8 Zr); C103 (Nb; 10 Hf ; Ti ; Zr).
C103 ist manchmal die bevorzugte Legierung dieser Art, besonders wenn die Endanwendung ein Röntgengerät ist. Wie im Falle von Tantal kann die Nioblegierung manchmal (jeweils) weniger als etwa 1% zumindest eines zusätzlichen Metalles oder einer zusätzlichen Legierung enthalten, wie Hafnium, Rhenium oder Yttrium.
Nickelbasierende Legierungen stellen noch eine weitere Art von Material dar, das eine grössere Verformbarkeit aufweist als die Legierung auf Molybdänbasis und welches damit verbunden wer- den könnte. Für die vorliegende Beschreibung wird angenommen, dass diese Legierungen zumin- dest etwa 50% Nickel enthalten, zusammen mit jedem beliebigen anderen kompatiblen Metall oder jeder beliebigen anderen kompatiblen Kombination von Metallen. Spezielle Beispiele geeigneter Legierungen auf Nickelbasis sind wie folgt: HastelloyTM B2 (Ni; 28 Mo ; Fe ; Co); Hastelloy X (Ni; 22 Cr; 18,5 Fe ; 9 Mo); InconelTM 718 (Ni; 19 Cr ; Fe ; Nb ; Mo); InconelTM 625 (Ni; 21,5 Cr ; 9 Mo ; Fe ; Nb); und WaspaloyTM (Ni; 19,5 Cr; 13,5 Co ; 4,3 Mo ; Ti ; Fe). Viele weitere Nickellegierungen sind in der Technik bekannt und kommerziell erhältlich.
Die Nickellegierungen können darüber hinaus auch weniger als (jeweils) etwa 1% zumindest eines zusätzlichen Metalles oder einer zusätzlichen Legierung enthalten, wie Hafnium, Rhenium oder Yttrium.
In einigen Ausführungsformen wird die Legierung auf Molybdänbasis vor dem Verbinden vor
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erhitzt, z. B. auf eine Temperatur zwischen etwa Raumtemperatur und etwa 800 C, und bevorzugt im Bereich von etwa 400 C bis etwa 800 C. Einige bevorzugte Ausführungsformen setzen dem
Bereich auf zwischen etwa 400 C und etwa 600 C. Der Vorerhitzungsschritt trägt dazu bei, die Verformbarkeit der Legierung zu fördern, was ihre Strömungs- und Verformungseigenschaften während des tatsächlichen Verbindungsschrittes verbessert. Im Effekt gleicht dieser Schritt die Verformung unterschiedlicher Legierungen aus.
Wie oben erwähnt, ist jede Struktur, die gemäss der vorliegenden Erfindung verbunden wird, häufig eine Komponente einer Röntgenvorrichtung, z. B. ein Teil der Anodenanordnung eines solchen Gerätes. Diese Geräte sind in der Technik gut bekannt, eine gewisse allgemeine Erörte- rung ist jedoch hier von Nutzen. Beispielhafte Patente, welche Röntgengeräte und die damit zusammenhängende Technologie beschreiben, sind z. B. jenes von Benz et al. und Port et al., die oben erwähnt sind, sowie die US-Patente 4 736 400 (Koller et al.); 4 670 895 (Penato et al.) und 4 367 556 (Hubner et al.), die hier alle durch Bezugnahme aufgenommen werden. Zahlreiche andere Literaturstellen sind eine Quelle nützlicher Information über Röntgenröhren. Ein Beispiel ist die Encyclopedia Americana, Band 29,1994, Grolier, Inc., Seiten 619ff.
Fig. 1 zeigt ein typisches Röntgensystem 20, das allgemein in einem Gehäuse 52 eingeschlossen ist. Das Röntgensystem enthält ein Anodenende 24, ein Kathodenende 26 und einen Mittelab- schnitt 28, der zwischen dem Anodenende und dem Kathodenende liegt. Der Mittelabschnitt enthält die Röntgenröhre 30. Das System weist ferner eine Kathodenplatte 54, ein rotierendes Target 56 (üblicherweise aus einer Molybdänlegierung wie TZM) und einen Rotor 58 auf, der in einem Glasgehäuse 60 eingeschlossen ist. Ein Fenster 64 zum Aussenden der Röntgenstrahlen ist in dem Gehäuse 52 in einer solchen Position relativ zum Target 56 angeordnet, dass die Röntgenstrahlen das Röntgensystem verlassen können. Wie in dem angegebenen US-Patent 5 498 186 beschrieben, weist das System üblicherweise weitere Merkmale auf, die keiner ausführlichen Beschreibung bedürfen, z.
B. einer Kühlung. Das Gehäuse ist üblicherweise mit Öl gefüllt, um die von den Röntgenstrahlen erzeugte Wärme zu absorbieren.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 liegt die Kathode 54 im Inneren der Glashülle 60 in einem Vakuum. Wie hinlänglich bekannt ist, erzeugt elektrische Energie einen Elektronenstrahl, der vom Kathodenfaden 68 zur Oberseite des Targets 56 gerichtet ist. Das Target ist üblicherweise an einem rotierenden Schaft 61 mit Hilfe herkömmlicher Mechanismen befestigt. Hier sichert beispielsweise eine Belleville-Mutter 63 ein Ende des Schaftes am Target, während eine weitere Mutter dazu verwendet wird, das Ende 64 des Schaftes festzuhalten. Ein vorderes Lager 66 und ein hinteres Lager 67 sind in Wirkverbindung auf dem Schaft 61 angeordnet und ebenfalls auf herkömmliche Weise befestigt.
Eine Vorspannfeder 70 ist auf den Schaft 61 zwischen den Lagern 66 und 67 aufgezogen. Sie hält die Belastung auf den Lagern während der Expansion und Kontraktion der Anodenanordnung aufrecht. Ein Rotorstiel (Zapfen) 72 wird dazu verwendet, das dem Target 56 nächstliegende Ende des Rotors von der Rotornabe 74 zu beabstanden. Die Lager 66 und 67 werden durch Halteringe 80 und 78 festgelegt. Die Rotorkörperanordnung umfasst auch einen Stiel- bzw. Schaftring und einen Schaft, welche alle dazu beitragen, die Drehung des Rotors 58 mit dem Target 56 zu ermöglichen.
Hohe Temperaturen können in verschiedensten Abschnitten des Röntgensystems während des Betriebes auftreten, wie zuvor beschrieben wurde und auch in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung (RD-24238) von Melvin R. Jackson und Michael R. Eggleston beschrieben ist, die an den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen wurde und hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Hohe Temperaturen und damit zusammenhängende thermische Schocks können zu einer Vielzahl von Problemen führen, wie ein Lockern oder eine Beschädigung der Drehanode.
Dies kann wiederum zur Folge haben, dass die gesamte Anodendrehanordnung unwuchtig wird.
Wie zuvor erwähnt, unterliegen einige der Verbindungen in der Anodenrotoranordnung der Gefahr von Beschädigungen, wenn sie thermisch beansprucht werden, weil sie aus Legierungen unterschiedlicher Verformbarkeit gebildet sind. Fig. 3 zeigt eine typische Anodenanordnung und dient zur Veranschaulichung dieser Situation. Die Anordnung ist allgemein mit dem Bezugszeichen 90 bezeichnet und weist eine Target/Schaft-Anordnung 100 und eine Rotorkörperanordnung 124 auf.
Die Target/Schaft-Anordnung umfasst ein Target 102, das auf einem Graphitrücken 103 befestigt ist. Die Anordnung 100 weist auch eine Brennspur 104 auf (die am Target mit Hilfe von metallurgi-
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schen Standardtechniken befestigt ist), auf welcher die Röntgenstrahlen erzeugt werden. Diese Röntgenstrahlen treten durch das Fenster 64 hindurch, wie zuvor in Fig. 1 gezeigt. Der Schaft 108 ist üblicherweise rohrförmig und häufig aus Niob oder einer Legierung auf Niobbasis gebildet.
Ein Einsatz 106, welcher eine zentrale Aussparung im Target 102 auskleidet, ist üblicherweise aus einer Legierung auf Tantalbasis wie oben beschrieben gebildet, oder aus einer Legierung auf Niobbasis, wie in der angegebenen gleichzeitig anhängigen Anmeldung RD-24238 beschrieben Die Befestigung eines aus einer Legierung auf Tantal- oder Niobbasis gebildeten Einsatzes an einem Target, das aus einer Legierung auf Molybdänbasis gefertigt ist, ist für die Integrität der Anordnung kritisch. Die unterschiedliche Verformbarkeit der beiden Strukturen kann zu den oben benannten Problemen führen.
Diese Probleme werden im wesentlichen durch das Festkörperverbinden des Einsatzes mit dem Target wie oben erörtert überwunden. Somit besteht eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem verbesserten Verfahren zum Verbinden eines Targets mit einem rohrförmigen Schaft zur Verwendung in einer Drehröntgenröhre, mit den Schritten: (I) Festkörperverbinden des Einsatzes mit dem Target; (II) Befestigen des rohrförmigen Schaftes an der Kombination aus Target und Einsatz, um eine Schaft/Target-Anordnung zu bilden; und (III) Verbinden der in Schritt (II) gebildeten Schaft/Target-Anordnung mit einer Rotorkörperan- ordnung.
Fig. 4 ist ein Querschnitt einer Target/Schaft-Anordnung, die gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, bei welcher ein Einsatz 106A zunächst in Form eines verjüngten Zylinders vorliegt und in eine zentrale Aussparung des Targets 102 eingebracht wird.
Die Verbindung zwischen dem Einsatz und dem Target wird durch Festkörperverbinden wie zuvor erörtert gebildet. Nachdem die Verbindung gebildet worden ist, kann das Target maschinell bear- beitet werden, so dass der geformte ringförmige Einsatz 106 nun auf der Innenfläche des Targets wie in Fig. 5 dargestellt vorliegt. Eine Draufsicht der Anordnung von Fig. 5 ist in Fig. 6 gezeigt. Wie zuvor erwähnt, führt das Festkörperverbinden zu einer sehr starken Verbindung zwischen einem aus einer Molybdänlegierung gebildeten Target und einem Einsatz, der aus einem besser verform- baren Material gebildet ist, wie einer Tantallegierung. Die Verbindung ist sehr gut reproduzierbar, d. h. soweit es mehrere in einer Produktionslinie gefertigte Anodenanordnungen betrifft.
Diese Konsistenz in der Schweissqualität kann die Produktivität wesentlich erhöhen und die Fertigungs- kosten entscheidend verringern.
Der Einsatz wird anfänglich wie in Fig. 4 verjüngt, weil dieses Verjüngen das Einführen des Einsatzzylinders in das Target in einigen Fällen erleichtert. Fachleuten der Schweisstechnik ist jedoch klar, dass es Alternativen für das Zusammenfügen der Komponenten gibt. Beispielsweise könnte eine Stirnseite des Einsatzes mit einer Stirnseite des Targets stumpf verschweisst werden.
In diesem Fall wäre die zentrale Aussparung des Targets 102 nicht erforderlich.
Darüber hinaus muss der Einsatz nicht variable Dicke haben, d. h. einen Oberflächendurchmes- ser 107, der grösser ist als der Oberflächendurchmesser 105, wie in Fig. 5 gezeigt. Stattdessen könnte der Einsatz einen gleichmässigen Durchmesser wie in Fig. 3 gezeigt haben. Die Form des Einsatzes wird teilweise von der Form der Aussparung im Target sowie der zum Anordnen des Einsatzes in der Aussparung verwendeten Technik bestimmt.
Wenn ein Explosionsschweissen als Festkörperverbindungsverfahren gewählt wird, wird übli- cherweise zunächst eine axiale Aussparung an der Verbindungsschnittstelle der Strukturen aus- gebildet, d. h. an der zusammenpassenden Oberfläche von Target 102 und Einsatz 106 in den Fig. 4 und 5. Für Fachleute des Explosionsschweissverfahrens ist es klar, dass die Aussparung dazu dient, den Explosionsverbindungsdruck in Richtung radial nach aussen zu lenken, d. h. in eine Rich- tung normal oder im wesentlichen normal zur Schnittstelle zwischen dem Target und dem Einsatz.
Weitere Details der Herstellung einer Röntgenanodenanordnung sind allgemein in der Technik bekannt und können in einer Vielzahl von Literaturstellen gefunden werden, z. B. in den oben genannten Patenten US 5 498 186 und 4 670 895. Beispielsweise kann ein Entspannungsglüh- schritt an der Kombination aus Target und Einsatz vorgenommen werden, bevor der rohrförmige Schaft darin eingeführt wird. Darüber hinaus kann die Kombination aus Target und Einsatz, nach- dem sie auf die Endabmessungen maschinell bearbeitet worden ist, beschriftet, geprüft und gerei- nigt werden.
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Die Verbindung zwischen dem Einsatz und dem rohrförmigen Schaft kann auf eine Vielzahl gut bekannter Verfahren durchgeführt werden, wie Diffusionsverbinden, das beispielsweise in dem US-Patent 4 736 400 beschrieben ist, welches durch Bezugnahme hier aufgenommen wird. Bei diesem Verfahren wird der Schaft mit Presssitz in den Einsatz eingeführt, so dass ein ausreichender Diffusionsverbindungsdruck zwischen den beiden Strukturen hergestellt wird. Das Verbinden wird dann gemäss einem entsprechenden Zeit/Temperatur-Plan vorgenommen.
Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird ein Target mit einem rohrförmigen Schaft mittels eines Verfahrens verbunden, das die Schritte aufweist: (a) Pressen und Sintern des Targets, das aus einer Molybdänlegierung gebildet ist ; (b) Schmieden des Targets bei einer Temperatur von etwa 1400 C bis etwa 1700 C, (c) Festkörperverbinden eines verformbaren Einsatzes (d. h. besser verformbar als das Tar- getmaterial) mit dem Target wie zuvor beschrieben; (d) Entspannungsglühen der Target/Einsatz-Kombination bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1500 C bis etwa 1900 C; (e) maschinelles Bearbeiten der Target/Einsatz-Kombination; (f) Zurverfügungstellen eines rohrförmigen Schaftes; (g) Zurverfügungstellen einer Bodenplatte; (h) Verbinden der Bodenplatte mit dem rohrförmigen Schaft; (i) Einführen des rohrförmigen Schaftes in die Target/Einsatz-Kombination;
(j) abschliessendes Wärmebehandeln der Schaft/Target-Kombination von etwa 1200 C bis etwa 1600 C über eine Zeitspanne, die ausreicht, um die Kombination aus Target und Einsatz mit dem rohrförmigen Schaft diffusionszuverbinden, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Schaftmaterials grösser ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Einsatzmaterials, welcher seinerseits grösser als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Targetmaterials ist ; und (k) Verbinden der Target/Schaft-Anordnung mit einer Rotorkörperanordnung.
Es gibt zumindest einige Varianten des Verfahrens, und sie fallen alle in den Rahmen dieser Erfindung. Beispielsweise könnte der Schritt (b) nach dem Schritt (c) ausgeführt werden, d. h. das Schmieden erfolgt, nachdem der Einsatz mit dem Target verschweisst worden ist. Weitere Details bezüglich alternativer Ausführungsformen können in verschiedensten Literaturstellen gefunden werden, wie in den hier bereits angeführten.
Der Festkörperverbindungsschritt sollte zu einer sehr starken Verbindung zwischen dem Target und dem Einsatz führen, was dazu beiträgt, zu verhindern, dass die Anodenanordnung im Betrieb unwuchtig wird. Dies trägt wiederum dazu bei, eine grössere Zuverlässigkeit der gesamten Rönt- genvorrichtung zu gewährleisten. Darüber hinaus haben die Verbindungstechniken spezielle Vor- teile gegenüber jenen des Standes der Technik, wie Diffusionsverbinden - besonders im Falle der hier beschriebenen Endanwendungen. Beispielsweise führen die hier verwendeten sehr kurzen Verbindungszeiten zu stark herabgesetzten Verarbeitungszeiten für die Fertigung von Geräten aus diesen Legierungen, wie Röntgengeräten. Im Gegensatz dazu erfordert das Diffusionsverbinden oft mehr als 1 Stunde Verbindungszeit.
Ferner trägt die lokalisierte Art der Verbindung gemäss der Erfindung dazu bei, die Gesamtin- tegrität der Anlage zu gewährleisten. Im Vergleich dazu erfordert das Diffusionsverbinden häufig das Erhitzen der ganzen Verbindungskomponente bis auf die Verbindungstemperatur, was Teile der Komponente zerstören kann, die beim eigentlichen Verbindungsschritt gar nicht involviert sind.
Somit ist offensichtlich, dass die Verwendung der vorliegenden Erfindung sehr vorteilhaft ist, sowohl vom Standpunkt der Fertigung als auch der Eigenschaften des Endproduktes.
Beispiele Beispiel 1
Dieses Beispiel dient lediglich zur Veranschaulichung und sollte in keiner Weise als irgendeine Form von Einschränkung des Umfanges der hier beanspruchten Erfindung ausgelegt werden.
Fünf Testläufe wurden durchgeführt. Jeder umfasste das Trägheitsverschweissen von Stäben mit einem Durchmesser von 1,588 cm aus TZM (0,5% Titan ; Zirkonium ; RestMolybdän) mit zwei verschiedenen Tantallegierungen. Die Trägheitsschweissparameter sind in der Tabelle ange- führt. Die Kommentare in Bezug auf die Schweissqualität beruhen auf Beobachtungen von Einzel- personen, die ein hohes Mass an Fachkunde in der Schweisstechnik haben.
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EMI10.1
<tb>
Tabelle <SEP> 1- <SEP> Schweisserqebnisse
<tb>
<tb> Durchlauf <SEP> Legierung* <SEP> Schwungrad- <SEP> Druck <SEP> Schweiss- <SEP> Verbindungsergebnis
<tb> Nr. <SEP> masse** <SEP> (MPa)*** <SEP> stauchung <SEP> (qualitativ)
<tb> 1 <SEP> Ta-10W <SEP> 0,1385 <SEP> 1,724 <SEP> 0,8128 <SEP> mm <SEP> schlecht; <SEP> auseinandergebrochen <SEP> nach <SEP> dem
<tb> Schweissen
<tb> 2 <SEP> Ta-10W <SEP> 0,2173 <SEP> 2,758 <SEP> 6,629 <SEP> mm <SEP> mittel; <SEP> grosse <SEP> Fehlstellen
<tb> an <SEP> der <SEP> Schnittstelle
<tb> 3 <SEP> SGS <SEP> Ta <SEP> 0,2173 <SEP> 2,758 <SEP> 16,13 <SEP> mm <SEP> gut <SEP> ; <SEP> übermässige
<tb> Auswerfung
<tb> 4 <SEP> SGS <SEP> Ta <SEP> 0,1385 <SEP> 1,724 <SEP> 7,391 <SEP> mm <SEP> gut <SEP> ;
<SEP> unzureichende
<tb> TZM-Aufwerfung
<tb> 5 <SEP> SGSTa <SEP> 0,1385 <SEP> 1,724 <SEP> 7,112 <SEP> mm <SEP> gut(TZM-Vorerhitzung
<tb> auf <SEP> 400 C)
<tb>
* Ta-10W: Tantal mit 10 Gew.-% Wolfram; SGS Ta: Tantallegierung mikrolegiert mit Yttrium zwecks stabilisierter Korngrösse, auch als TA-130 bekannt, von H.C Stark, Inc. erhältlich.
** Polare Schwungradträgheit (d. h. Drehträgheit), Einheiten sind kgm2; anfängliche Schwungrad- drehgeschwindigkeit: 6050 U/min.
*** Hydraulikdruck.
Die Testschweissung von Durchlauf Nr. 1 war von verhältnismässig schlechter Qualität. Dies scheint auf die ungenügende Einstellung verschiedenster Schweissparameter zurückzuführen zu sein, wie Hydraulikdruck und Schwungradmasse. "Schweissstauchung" bzw. "Aufwerfung" ist ein in der Technik anerkanntes Mass für die Materialverdrängung, wenn zwei Metallteile in einem Fest- körperschweissverfahren zusammengebracht werden. Das Material wird um die Kanten des Teile- kontaktbereiches nach aussen gedrückt. Ein zu kleiner "Stauchungs"-Wert ist üblicherweise uner- wünscht, ebenso wie ein zu grosser Stauchungswert. Beim Durchlauf Nr. 1 war der Wert zu klein.
Die Testschweissung von Durchlauf Nr. 2 war von wesentlich besserer Qualität als jene von Durchlauf Nr. 1, grossteils auf Grund der Einstellung der Schwungradmasse und des Hydraulik- druckes. Ein Schnitt der Probe enthüllte kleine Fehlstellen bzw. Leerstellen an der Schnittstelle.
Diese Leerstellen waren nicht besonders erwünscht, es wurde jedoch angenommen, dass eine weitere Anpassung verschiedenster Parameter sie im wesentlichen beseitigen würde.
Die Musterschweissung von Durchlauf Nr. 3 unter Verwendung der mikrolegierten Tantallegie- rung war von guter Qualität, auch wenn der Schweissstauchwert etwas zu gross war. Der Druck und die Schwungradmasse wurden beim Durchlauf Nr. 4 reduziert, und noch eine Schweissung guter Qualität wurde hergestellt, obwohl der Stauchungswert etwas geringer als gewünscht erschien.
Die Musterschweissung von Durchlauf Nr. 5 war ebenfalls von guter Qualität. Der TZM-Stab war auf 400 C vorerhitzt worden, um seine Verformbarkeit zu verbessern, indem man besseres Fliess- verhalten eine bessere Deformation herbeiführte.
Beispiel 2
Bei diesem Beispiel wurde Trägheitsschweissen verwendet, um Schweissungen zwischen einer rohrförmigen TZM-Komponente und einer rohrförmigen Komponente aus einer der oben beschrie- benen Legierungen auf Nickelbasis zu bilden, u. zw. Hastelloy B2. Jedes Rohr hat einen Aussen- durchmesser von 1,588 cm und einen Innendurchmesser von 1,072 cm. Die Rohre wurden stumpfverschweisst, und zehn Testdurchläufe wurden durchgeführt. Die verschiedenen Schweisspa- rameter sind in Tabelle 2 angegeben. In jedem Fall betrug die tatsächliche Schweisszeit weniger als 10 s. Wie in Beispiel 1 beruhen die Kommentare bezüglich der Schweissqualität auf visuellen Beo- bachtungen einer Person, die ein hohes Mass an Fachkunde und Erfahrung in der Schweisstechnik hat. An den Schweissungen wurden keine physikalischen Tests durchgeführt.
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Tabelle 2 - Schweissergebnisse (TZM-Ni)
Durch- Legie- U/min** Trägheits- Kolben- Schweiss- Axiale Energie- Verbindungs- lauf rung* masse*** druck beanspru- Stauchung dichte ergebnisse
Nr. (kgm2) (MPa) **** chung (mm) (mkg/m2) (qualitativ)a (MPa)
6 Ni-Mo 4267 0,1385 3,254 95,42 0,9398 13,07x106 keine Schwei- #
ung
7 Ni-Mo 4267 0,1385 3,254 95,42 0,508 13,07x106 Schweissung
8 Ni-Mo 4917 0,1385 4,654 242,6 1,245 17,36x106 Schweissung
9 Ni-Mo 5212 0,1385 9,308 485,2 3,581 19,5 x106 Schweissung
10 Ni-Mo 5490 0,1385 9,308 485,2 8,204 21,64x106 Schweissung
11 Ni-Mo 5490 0,1385 9,308 485,2 4,089 21,64x106 Schweissung
12 Ni-Mo 5212 0,1385 9,308 485,2 5,258 19,5 x106 Schweissung
13 Ni-Mo 7648 0,06431 9,308 485,2 4,089 19,5 x106 Schweissung
14 Ni-Mo 7648 0,06431 9,308 485,2 7,315 19,5 x106 Schweissung
15 Ni-Mo 11629 0,02781 9,308 485,2 7,112 19,5 x106 keine Schwei- #ung * HastelloyTM B2 mit Zusammensetzung wie folgt : (Rest) ; 28 Mo ; Fe ; Co; plus Spurenele- mente ** Umdrehung pro Minute *** Polare Schwungradträgheit (d. h.
Drehträgheit) **** Hydraulikdruck (a) Basierend auf einer visuellen Untersuchung der Verbindungen.
Der Durchlauf Nr. 6 führte nicht zu einer Schweissung, u. zw. wegen eines "Blockierungs"- Zustandes. Wahrscheinlich wurde die richtige Temperatur an der Schnittstelle nicht erreicht. Der Durchlauf Nr 15 war ebenfalls eine blockierte Schweissung. Die Stauchung mag zu gross gewesen sein, und die Drehgeschwindigkeit war ebenfalls sehr hoch, was möglicherweise dazu führte, dass zu viel an Metall in plastischem Zustand vom Schweissort nach aussen gedrückt wurde.
Erfolgreiche Schweissungen wurden in den Durchläufen Nr. 7 bis 14 gemacht.
Es ist klar, dass, obwohl verschiedenste Parameter eingestellt werden müssen, um die Schweissqualität für ein gegebenes Paar von miteinander zu verbindenden Materialien zu optimie- ren, die Festkörpertechniken wie das Trägheitsschweissen sehr gut dafür geeignet sind, eine star- ke, verlässliche Verbindung zwischen Materialien auf Molybdänbasis und besser verformbaren Materialien zu erzielen.
Nachdem bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, sind alternative Ausführungsformen für Fachleute ersichtlich, ohne den Geist dieser Erfindung verlassen zu müssen. Dementsprechend versteht es sich, dass der Umfang dieser Erfindung nur durch die anschliessenden Ansprüche eingeschränkt ist.
Alle oben genannten Patente, Artikel und Textstellen werden hier durch Bezugnahme aufge- nommen. Die in der Anmeldung angegebenen Mengen und Prozentsätze sind in Gew.-% ausge- drückt, soferne nicht anders angegeben.
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