AT7668U1 - Verfahren zur herstellung eines vakuumventils - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Vakuumventils, bei dem mindestens zwei aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehende Vakuumventilteile miteinander verschweißt werden wird mindestens eine Schweißnaht (10, 16, 19, 20) zwischen den mindestens zwei Vakuumventilteilen im Reibrührschweißverfahren ausgeführt.

Description

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 AT 007 668 U1

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Vakuumventils, bei dem mindestens zwei aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehende Vakuumventilteile miteinander verschweißt werden. Es ist bereits bekannt, bei der Herstellung eines Vakuumventils aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehende Teile des Vakuumventils durch Schweißnähte miteinander zu verbinden, die mittels eines Schmelzschweißverfahrens ausgebildet werden. Übliche zu diesem Zweck ersetzbare Schmelzschweißverfahren sind beispielsweise das WIG-Schweißen, MIG-Schweißen, Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen. Nachteilig bei den meisten Schmelzschweißverfahren ist es, dass es bei der Herstellung der Schweißnaht zu einem Verzug der miteinander verschweißten Teile kommt. Bei Vakuumventilen ist dies insbesondere bei solchen Teilen unerwünscht, die mit einer Dichtfläche ausgebildet werden sollen, da dadurch die Genauigkeit der Dichtfläche beeinträchtigt wird. Auch wird bei den herkömmlichen Schmelzschweißverfahren das Gefüge der miteinander zu verbindenden Teile mehr oder weniger beeinträchtigt. Da Vakuumventile im Einsatz beträchtlichen Temperaturschwankungen ausgesetzt sein können, kann es durch die Beeinträchtigungen der Gefüge in Verbindung mit den Temperaturschwankungen im Laufe der Zeit zu Spannungsrissen kommen, durch die die Vakuumdichtheit verloren geht. Weiters kommt es bei den meisten Schmelzschweißverfahren zu Verunreinigungen bei der Ausführung der Schweißnaht, welche zu Poren in den verschweißten Bereichen führen. Als Dichtflächen sind die verschweißten Bereiche somit in der Folge weniger geeignet. Durch den Einsatz des Elektronenstrahlschweißens als Schmelzschweißverfahren können zwar Verzüge der miteinander verschweißten Teile im Wesentlichen ausgeschlossen werden und Gefügebeeinträchtigungen minimiert werden. Allerdings muss das Elektronenstrahlschweißen in sehr aufwändiger Weise unter Vakuum durchgeführt werden, wodurch die im Elektronenstrahlschweißen hergestellten Teile wesentlich verteuert werden. Üblicherweise werden Ventilteile daher in der Regel spanend aus dem Vollen bearbeitet oder als Gussteile ausgeführt. Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Vakuumventils bereitzustellen, durch welches eine einfache Herstellung des Vakuumventils erreicht werden kann, wobei das Vakuumventil eine hohe Maßgenauigkeit und eine zuverlässige Vakuumdichtheit aufweist. Erfindungsgemäß gelingt dies durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Beim Reibrührschweißverfahren (= "friction stir welding") wird ein zyklisch sich bewegendes, meist rotierendes, Werkzeug in das Material der miteinander zu verbindenden Teile eingefahren. Durch die vom Schweißwerkzeug erzeugte Reibungswärme werden die Materialien der zu verbindenden Teile im Verbindungsbereich in einen teigigen bzw. plastischen Zustand gebracht, in welchem sie sich verbinden. Durch das Reibrührschweißverfahren können auch bei relativ großen Temperaturschwankungen eingesetzte Schweißnähte zuverlässig dauerhaft vakuumdicht ausgebildet werden. Es kommt bei der Ausbildung der Schweißnähte im Reibrührschweißverfahren weiters kaum zu Verzügen der miteinander verbundenen Teile. An den Stellen der Schweißnähte können durch eine spanende Nachbearbeitung der Oberfläche auch hochwertige Dichtflächen ausgebildet werden, die praktisch porenfrei sind. Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert. In dieser zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Ausführungsform eines Schweißwerkzeuges zur Ausbildung einer Reibrührschweißnaht in Seitenansicht; Fig. 2 eine schematische Schrägsicht einer Ventilgehäuseplatte und eines angeschweißten Anschlussflansches; Fig. 3 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie A-A von Fig. 2, während der Ausführung der Schweißnaht; Fig. 4 die beiden miteinander verschweißten halbschalenförmigen Ventilgehäuseplatten mit den angeschweißten Anschlussflanschen, in schematischer Schrägsicht; Fig. 5 die Einheit von Fig. 4, wobei zusätzlich Kraftübertragungsplatten eingeschweißt sind; Fig. 6 die Einheit von Fig. 5, wobei zusätzlich ein Kopfflansch angeschweißt ist; Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie B-B von Fig. 6, wobei zusätzlich ein Deckel angeschweißt ist; 2 55 AT 007 668 U1

Fig. 8 eine schematische Schrägsicht eines anderen, teilweise fertiggestellten Ventilgehäuses.

Schweißwerkzeuge für das Reibrührschweißverfahren sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt und müssen im Rahmen dieser Schrift nicht im Einzelnen erläutert werden. Fig. 1 5 zeigt nur eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform eines solchen Schweißwerkzeuges. Das Schweißwerkzeug besitzt einen im Wesentlichen zylindrischen Schaft 1, an dessen schweißseitigem Ende ein Stichelfortsatz 2 mit einem gegenüber dem Schaft 1 verringerten Durchmesser angeordnet ist. Der Stichelfortsatz 2 verjüngt sich zu seinem freien Ende hin. Die Schulter 3 zwischen dem Schaft 1 und dem Stichelfortsatz 2 ist leicht schräggestellt und schließt 10 mit der Normalen 4 auf die Längsachse 5 einen Winkel 6 von beispielsweise 1 bis 2° ein. An der äußeren Oberfläche des Stichelfortsatzes 2 sind gewindeartige Vorsprünge und/oder Vertiefungen angebracht, die typischerweise nach Art eines Linksgewindes ausgebildet sind, wenn das Werkzeug rechtsdrehend ist. Es wird dadurch beim Schweißvorgang Material in Richtung zum freien Ende des Stichelfortsatzes 2 transportiert. 15 Das Schweißwerkzeug, welches insgesamt durch das Bezugszeichen 7 bezeichnet ist, kann aus Aluminium oder vorzugsweise aus einem gegenüber Aluminium härteren Material bestehen. Beispielsweise ist das Schweißwerkzeug 7 aus Stahl ausgebildet.

Fig. 2 stellt in schematisierter Weise zwei miteinander verschweißte Teile eines Ventilgehäuses eines Vakuumventils dar. Es handelt sich hierbei um eine halbschalenartige Ventilgehäuseplatte 8 20 und einen Anschlussflansch 9, über welchen das Ventilgehäuse mit einem anderen Teil der Vakuumanlage vakuumdicht verbunden werden kann, beispielsweise mit einer Vakuumkammer oder mit einer Vakuumpumpe. Die Schweißnaht 10, über welche diese beiden Vakuumventilteile 8, 9 miteinander verbunden sind, ist in Fig. 2 durch eine strichlierte Linie angedeutet.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Schnitt entlang der Linie A- A von Fig. 2 während der Ausbil-25 düng der Schweißnaht 10. Die Schweißnaht 10 wird erfindungsgemäß im Reibrührschweißverfahren ausgeführt. Hierbei liegt der Anschlussflansch 9 auf einem Maschinentisch 11 auf und die halbschalenförmige Ventilgehäuseplatte 8 liegt auf dem Anschlussflansch 9 auf. Der Anschlussflansch 9 und die Ventilgehäuseplatte 8 weisen konzentrische Öffnungen 13, 12 mit gleichen Durchmessern auf. Das Schweißwerkzeug 7 wird an der dem Anschlussflansch 9 gegenüberlie-30 genden Seite der Ventilgehäuseplatte 8 angesetzt und wird in Rotation versetzt, beispielsweise mit einer Drehzahl im Bereich von 500 Umdrehungen pro Minute. Durch die Reibungswärme fährt der Stichelfortsatz 2 ins Material der Ventilgehäuseplatte 8 ein und durchsetzt diese, sodass sein vorderer Endabschnitt auch ins Material des Anschlussflansches 9 eintaucht, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Durch die Reibungswärme werden die Materialien der Ventilgehäuseplatte 8 und 35 des Anschlussflansches 9 im dem Stichelfortsatz 2 benachbarten Bereich in einen teigigen bzw. plastischen Zustand gebracht. Dieser Eintauchvorgang des Stichelfortsatzes 2 ist nicht zerspanend.

In der Folge wird ein Vorschub des Schweißwerkzeuges 7 in Richtung der auszuführenden Schweißnaht durchgeführt. Die Schulter 3 des Schweißwerkzeuges wird hierbei an die Oberfläche 40 des Anschlussflansches 9 angedrückt. Hinter dem Stichelfortsatz 2 fließt das plastifizierte Material zusammen und bildet die Schweißnaht 10 aus. Die Temperatur, auf welche die Materialien der Ventilgehäuseplatte 8 und des Anschlussflansches 9 bei der Ausbildung der Schweißnaht erhitzt werden, können beispielsweise im Bereich zwischen 550 und 580° C liegen.

Nachdem an die beiden aus Fig. 4 ersichtlichen halbschalenförmigen Ventilgehäuseplatten 8 45 auf diese Weise jeweils ein Anschlussflansch 9 angeschweißt worden ist, werden die beiden halbschalenförmigen Ventilgehäuseplatten 8 an gegenüberliegenden Längsseiten 14, 15 im Reibrührschweißverfahren miteinander verschweißt. Zur Ausführung der Schweißnaht 14 an der Längsseite 14 wird das Schweißwerkzeug 7 im Bereich des Stoßes zwischen den Ventilgehäuseplatten 8 außen an diese angesetzt (senkrecht zur Ventilachse 17). Der Stichelfortsatz 2 durchsetzt 50 beim Ausbilden der Schweißnaht die beiden Ventilgehäuseplatten 8. Beim Verschweißen wird ein Abstützwerkzeug in den Zwischenraum zwischen die beiden Ventilgehäuseplatten 8 eingeführt, um die Abschnitte der Wandungen der Ventilgehäuseplatten 8 abzustützen, welche die Seitenflächen 16 bilden.

In analoger Weise werden die Ventilgehäuseplatten 8 an der gegenüberliegenden Längsseite 55 15 miteinander verschweißt. Die Schweißnaht 16 an der Längsseite 14 ist in Fig. 4 schematisch 3 AT 007 668 U1 durch eine strichlierte Linie dargestellt.

Da Schweißnähte im Reibrührschweißverfahren nicht bis zu den Rändern der miteinander zu verschweißenden Werkstücke ausgeführt werden können, werden die an ihren Längsseiten 14, 15 zu verschweißenden Ventilgehäuseplatten 8 zunächst länger als ihre im fertiggestellten Zustand gewünschte Länge ausgebildet, wobei das Schweißwerkzeug in der Nähe des einen Randes eintaucht und die Vorschubbewegung in der Nähe des anderen Randes endet. In der Folge wird beidseitig ein Endabschnitt der Ventilgehäuseplatten 8 abgeschnitten (der Schnitt verläuft senkrecht zu den Längsseiten 14,15). Dies ist in den Fig. nicht im Einzelnen dargestellt.

Weiters werden Kraftübertragungsplatten 18 zwischen den Anschlussflanschen 9 eingesetzt (wobei die Kraftübertragungsplatten 18 vor den Schweißnähten 16 an den Längsseiten 14,15 der Ventilgehäuseplatten 8 liegen). Zur Ausbildung von Schweißnähten 19, 20 wird das Schweißwerkzeug an die Außenseite 21 der jeweiligen Kraftübertragungsplatte 18 angesetzt und nach dem Eintauchen in das Material in Längsrichtung des Ventilgehäuses verschoben. Die Schweißnähte 19, 20 müssen sich nicht bis zu den Rändern der Kraftübertragungsplatten 18 erstrecken.

In der weiteren Folge wird ein Kopfflansch 22 an den von den Anschlussflanschen 9 entfernt gelegenen Stirnseiten 23 der miteinander verschweißten Ventilgehäuseplatten 8 auf diese aufgeschoben. Der Kopfflansch 22 besitzt hierzu eine innere Ausnehmung, mit welcher er auf die miteinander verschweißten Ventilgehäuseplatten 8 aufschiebbar ist, bis die Stirnseiten 23 der Ventilgehäuseplatten 8 bündig mit der Seitenfläche 24 des Kopfflansches 22 liegen (vgl. Fig. 7). In der Folge erfolgt die Verschweißung im Reibrührschweißverfahren, wobei das Schweißwerkzeug im Bereich der Fuge zwischen den Stirnseiten 23 und der Seitenfläche 24 eingefahren wird und dem Verlauf dieser Fuge folgend um die Gehäuseöffnung 25 herumgeführt wird. Weiters wird noch eine Deckelplatte 26 im Reibrührschweißverfahren an die Ventilgehäuseplatten 8 im Bereich ihrer gegenüberliegenden Stirnseiten 27 (Fig. 4) angeschweißt, wobei das Schweißwerkzeug 7 wiederum von außen her in den Bereich der Fuge zwischen der Deckelplatte 26 und den Ventilgehäuseplatten 8 eingefahren wird und der Vorschub dieser Fuge um ihren gesamten Umfang folgt (die Ventilgehäuseplatten 8 sind mit einer die Deckelplatte 26 aufnehmenden Falz ausgebildet).

Eine spanabhebende Nachbearbeitung wird in der Folge an folgenden Flächen durchgeführt: An den Außenflächen 28 der Anschlussflansche 9; an den die Öffnungen 12, 13 begrenzenden Mantelflächen 29 der Anschlussflansche 9 und 30 der Ventilgehäuseplatten 8; an den Innenflächen der Ventilgehäuseplatten 8 im an die Öffnung 12 angrenzenden Bereich, in welchem die Schweißnaht 10 liegt; an der von der Seitenfläche 24 des Kopfflansches und den Stirnseiten 23 der Ventilgehäuseplatten 8 gebildeten Fläche. Diese nachbearbeiteten Flächen bilden teilweise Dichtflächen des Vakuumventils. Insbesondere liegt eine solche Dichtfläche im Bereich der Schweißnaht 10. Auch im Bereich der Schweißnaht zwischen dem Kopfflansch 22 und den Ventilgehäuseplatten 8 liegt eine solche Dichtfläche.

Beim in Fig. 8 dargestellten Vakuumventilgehäuse sind die Seitenplatten 31 im Reibrührschweißverfahren an die Platten 32, 33 angeschweißt, wobei das Schweißwerkzeug jeweils an den Außenflächen 34 der Seitenplatten 31 angesetzt wird.

Unterschiedliche andere Schweißstellen zur Verbindung von Teilen von Vakuumventilen können im Reibrührschweißverfahren ausgeführt sein. Neben Teilen des Ventilgehäuses können dies beispielsweise auch Teile der Verschlusseinheit oder des Verschlussmechanismus sein.

Auch außerhalb des Vakuums liegende Schweißnähte können im Reibrührschweißverfahren ausgebildet sein.

Der Anschlussbereich zwischen den zu verschweißenden Teilen kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. Die Teile können stumpf aneinander stoßen. Daneben können auch stufenförmige (= falzartige) Anschlüsse oder Nut-Feder-Verbindungen vorliegen. Der Stichelfortsatz des Schweißwerkzeugs kann unterschiedliche weit in die Materialien der zu verbindenden Teile eintau-chen, beispielsweise auch nur über einen Teil der Dicke von einem oder beiden Teilen. Der Stichelfortsatz kann in die Fuge im Stoßbereich zwischen den beiden zu verbindenden Teilen eintau-chen oder durch die Dicke des einen Materials hindurch in das andere Material eintauchen. 4

Claims (9)

1. AT 007 668 U1 Legende zu den Hinweisziffern: 1 Schaft 19 Schweißnaht 5 2 Stichelfortsatz 20 Schweißnaht 3 Schulter 21 Außenseite 4 Normale 22 Kopfflansch 5 Längsachse 23 Stirnseite 6 Winkel 24 Seitenfläche 10 7 Schweißwerkzeug 25 Gehäuseöffnung 8 Ventilgehäuseplatte 26 Deckel platte 9 Anschlussflansch 27 Stirnseite 10 Schweißnaht 28 Außenfläche 11 Maschinentisch 29 Mantelfläche 15 12 Öffnung 30 Mantelfläche 13 Öffnung 31 Seitenplatte 14 Längsseite 32 Platte 15 Längsseite 33 Platte 16 Schweißnaht 34 Außenfläche 20 17 Ventilachse 18 Kraftübertragungsplatte 25 30 35 40 45 50 ANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung eines Vakuumventils, bei dem mindestens zwei aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehende Vakuumventilteile miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schweißnaht (10, 16, 19, 20) zwischen den mindestens zwei Vakuumventilteilen im Reibrührschweißverfahren ausgeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden im Reibrührschweißverfahren miteinander verschweißten Vakuumventilteile Teile des Ventilgehäuses sind.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine im Reibrührschweißverfahren ausgeführte Schweißnaht (10) zumindest über einen Abschnitt ihrer Längserstreckung im Bereich einer auszubildenden Dichtfläche verläuft und nach der Ausführung der Schweißnaht (10) eine spanende Nachbearbeitung zur Ausbildung der Dichtfläche durchgeführt wird, wobei die spanende Nachbearbeitung zumindest über einen Abschnitt der Schweißnaht (10) verläuft.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eines von zwei im Reibrührschweißverfahren miteinander verschweißten Vakuumventilteilen ein Anschlussflansch (9) mit einer Öffnung (13) und das andere der im Reibrührschweißverfah-ren miteinander verschweißten Vakuumventilteile eine Ventilgehäuseplatte (8) mit einer Öffnung (12) ist, die koaxial zur Öffnung (13) im Anschlussflansch (9) liegt und vorzugsweise den gleichen Durchmesser wie diese aufweist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anschweißen des Anschlussflansches (9) an der Ventilgehäuseplatte (8) das Schweißwerkzeug (7) an der dem Anschlussflansch (9) gegenüberliegenden Seite der Ventilgehäuseplatte (8) angesetzt wird und der Stichelfortsatz (2) des Schweißwerkzeugs (7) durch das Material der Ventilgehäuseplatte (8) hindurch bis in das Material des Anschlussflansches (9) eingetaucht wird und das Schweißwerkzeug (7) um die Öffnung (12) in der Ventilgehäuseplatte (8) herumgeführt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (2) halbschalenartige Ventilgehäuseplatten (8) umfasst, die an gegenüberliegenden, miteinander zu verbindenden Längsseiten (14, 15) durch im Reibrührschweißverfah- 5 55 AT 007 668 U1 ren ausgebildete Schweißnähte (16) miteinander verschweißt werden.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an die zusammengeschweißten Ventilgehäuseplatten (8) stirnseitig eine Deckelplatte (26) im Reibrührschweißverfahren angeschweißt wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an die zusammengeschweißten Ventilgehäuseplatten (8) ein Kopfflansch (22) angeschweißt wird, wobei der Kopfflansch (22) mit einer inneren Ausnehmung auf die miteinander verschweißten Ventilgehäuseplatten aufgesteckt wird, bis die Stirnseiten (23) der Ventilgehäuseplatten (8) bündig mit der Seitenfläche (24) des Kopfflansches liegen und in der Folge das Schweißwerkzeug (7) mit seinem Stichelfortsatz (2) von der Stirnseite her in die Fuge zwischen den Ventilgehäuseplatten (8) und dem Kopfflansch (22) eingetaucht wird und entlang dieser Fuge die Schweißnaht ausgebildet wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine im Reibrührschweißverfahren ausgebildete Schweißnaht im Vakuumbereich des Vakuumventils liegt. HIEZU 4 BLATT ZEICHNUNGEN 6