CH622191A5

CH622191A5 - Method for the production of a metallic laminar structure

Info

Publication number: CH622191A5
Application number: CH1576A
Authority: CH
Inventors: Charles Howard Hamilton; Leonard Angelo Ascani Jr
Original assignee: Rockwell International Corp
Priority date: 1975-03-20
Filing date: 1976-01-05
Publication date: 1981-03-31
Also published as: JPS5924893B2; GB1495655A; SE414591B; FR2304438B2; CA1055680A; FR2304438A2; SE7600331L; DE2611859A1; JPS51111465A

Description

Mit der vorliegenden Erfindung werden frühere Probleme bei der Formung von Schichtstrukturen behoben. Eine solche Struktur weist normalerweise einen Kern zwischen Abdeckblechen auf. Bisher wurden Schichtstrukturen in der Weise hergestellt, das zuerst Metallbleche oder -bänder gewalzt und diese Metallbleche in die gewünschte Zellstruktur geformt und zusammengefügt werden, um dann diese Struktur durch Löten oder Punktschweissen mit Abdeckblechen zu verbinden. Die Probleme mit dem bekannten Verfahren bestehen in den Kosten der Zelle infolge übermässigen Materialverbrauches und im hohen Schwierigkeitsgrad, im übermässigen Zeitaufwand und in den Kosten der Herstellung der doppelseitigen Beschichtung. Zudem benötigen kompakte Stellen oder Anhängsel einen zusätzlichen Arbeitsgang. Die Herstellung einer ungewöhnlichen Form der Struktur, wié beispielsweise ein Keil, war beinahe unmöglich. The present invention solves previous problems in the formation of layer structures. Such a structure normally has a core between cover plates. So far, layer structures have been produced in such a way that metal sheets or strips are first rolled and these metal sheets are shaped and joined into the desired cell structure, in order to then connect this structure to cover sheets by soldering or spot welding. The problems with the known method consist in the cost of the cell due to excessive material consumption and in the high degree of difficulty, in the excessive expenditure of time and in the cost of producing the double-sided coating. In addition, compact places or appendages require an additional work step. It was almost impossible to create an unusual shape of the structure, such as a wedge.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Kombination von Metallverschweissung und superplastischer Formung zu ermöglichen, um eine metallische Schichtstruktur zu erhalten. An object of the invention is to enable the combination of metal welding and superplastic forming in order to obtain a metallic layer structure.

Eine weitere Aufgabe liegt darin, die Herstellung von metallischen Schichtstrukturen in einem Arbeitsgang zu ermöglichen und dadurch Kosten, Schwierigkeiten und aufgewendete Zeit erheblich zu senken. Another task is to enable the production of metallic layer structures in one work step, thereby significantly reducing costs, difficulties and time spent.

Eine andere Aufgabe besteht darin, Anhängsel oder kompakte Stellen in einer Schichtstruktur im gleichen Arbeitsgang wie die Herstellung der Struktur herzustellen. Another task is to produce appendages or compact locations in a layer structure in the same operation as the production of the structure.

Nochmals eine Aufgabe wird darin gesehen, das Erwärmen, das superplastische Verformen und das Verschweissen der Beschichtung in der gleichen Vorrichtung vornehmen zu können, um Herstellungszeit und Ausrüstungskosten zu spa-5 ren. Another task is seen in being able to carry out the heating, the superplastic forming and the welding of the coating in the same device in order to save production time and equipment costs.

Das Verfahren gemäss der Erfindung zur Herstellung einer metallischen Schichtstruktur aus mehreren Werkstücken ist durch die Merkmale im unabhängigen Patentanspruch gekennzeichnet. The method according to the invention for producing a metallic layer structure from several workpieces is characterized by the features in the independent patent claim.

io Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung in Ausführungsbeispielen beschrieben, dabei zeigt: The following describes the invention in exemplary embodiments with reference to the drawing, which shows:

Fig. 1 eine auseinandergezogene Darstellung eines dreiteiligen Metallblattaufbaus, der behandelt wurde, um eine wahlweise Diffusionsverschweissung vor dem Einbringen in das 15 Formungsgerät zu ermöglichen, 1 is an exploded view of a three-part metal sheet structure that has been treated to enable optional diffusion welding prior to insertion into the molding machine;

Fig. 2 eine Ansicht eines Querschnitts durch eine bevorzugtes Formgerät für die Herstellung einer metallischen Schichtstruktur, den dreiteiligen Metallblattaufbau aus Fig. 1 enthaltend, FIG. 2 shows a view of a cross section through a preferred molding device for the production of a metallic layer structure, containing the three-part metal sheet structure from FIG. 1, FIG.

20 Fig. 3 den vollständig gedehnten, dreiteiligen Metallblattaufbau im Formgerät gemäss Fig. 2 mit eingezeichneten, durchbrochenen Linien, um die endgültige Lage der gedehnten, verschweissten Metallblätter zu veranschaulichen, 3 shows the completely stretched, three-part metal sheet structure in the molding device according to FIG. 2 with broken lines drawn in to illustrate the final position of the stretched, welded metal sheets,

Fig. 4 eine Detailansicht eines Aufblähungsrohranschlusses 25 zum dreiteiligen Metallblattaufbau, 4 shows a detailed view of an inflation pipe connection 25 for three-part metal sheet construction,

Fig. 5 und 6 je eine Ansicht eines Querschnittes durch ein verändertes Formgerät mit einem dreiteiligen Metallblattaufbau in seiner ursprünglichen Form in Fig. 5 und seiner endgültigen, gedehnten Lage in Fig. 6, 5 and 6 each a view of a cross section through a modified molding device with a three-part metal sheet structure in its original shape in Fig. 5 and its final, stretched position in Fig. 6,

30 Fig. 7 und 8 je eine Ansicht eines Querschnittes durch ein anderes Formgerät mit einem zweiteiligen Metallblattaufbau in der ursprünglichen Lage in Fig. 7 und der gedehnten Lage in Fig. 8, 7 and 8 are each a view of a cross section through another molding device with a two-part metal sheet structure in the original position in Fig. 7 and the extended position in Fig. 8,

Fig. 9 eine Ansicht eines Querschnittes durch ein anderes 35 Formgerät für einen dreiteiligen Metallblattaufbau als Keil in der endgültig geformten Lage und mit einem an den durchbrochenen Linien angefügten Anhängsel, 9 is a view of a cross section through another molding device for a three-part metal sheet structure as a wedge in the finally shaped position and with a tag attached to the broken lines,

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht der Schichtstruktur von Fig. 9 mit abgeschnittenen Enden, 10 is a perspective view of the layer structure of FIG. 9 with cut ends,

40 Fig. 11 eine teilweise Ansicht eines Querschnittes durch ein anderes Formgerät, die Anordnung eines Aufblähungsrohranschlusses an einen vierteiligen Metallblattaufbau darstellend, Fig. 12 eine Ansicht eines Querschnittes durch eine Struktur, die aus einem vierteiligen Metallaufbau hergestellt wurde, 45 und Fig. 11 is a partial cross-sectional view through another molding machine showing the arrangement of an inflation tube connector on a four-part metal sheet structure, Fig. 12 is a cross-sectional view through a structure made from a four-part metal structure, 45 and

Fig. 13 eine Teilansicht einer Ansicht in Perspektive der Struktur aus Fig. 12. FIG. 13 is a partial view of a view in perspective of the structure from FIG. 12.

Damit die superplastische Formung erfolgreich wird, muss geeignetes Ausgangsmaterial verwendet werden. Das Aus-50 mass, bis zu dem das gewählte Material superplastische Eigenschaften zeigt, ist in allgemein geltenden Aussagen aus der Bestimmung der Empfindlichkeit bezüglich der Dehnungsgeschwindigkeit (strain rate sensitivity) und der Formbestimmung bezüglich der zugelassenen Veränderung in der Wand-55 stärke voraussehbar. Die Empfindlichkeit bezüglich der Dehnungsgeschwindigkeit kann durch m angegeben werden, wobei m _ dlnó jst un(j £ jer 2Ug in Pfund per Quadratzoll (psi) dine und ê die Dehnungsgeschwindigkeit in (min-1) darstellen. Die 60 Empfindlichkeit bezüglich der Dehnungsgeschwindigkeit kann mittels einer einfachen und heute gut bekannten Torsionsprüfung bestimmt werden, die im Artikel «Determination of Strain Hardening Characteristics by Torsion Testing» von D.S. Fields jr. und W. A. Backofen, veröffentlicht in Proce-65 edings of the ASTM, 1957, Band 57, Seiten 1259-1272, beschrieben ist. Mit einer Empfindlichkeit bezüglich der Dehnungsgeschwindigkeit von rund 0,5 oder grösser können gute Resultate erwartet werden. Je grösser allerdings der Wert ist, For the superplastic forming to be successful, suitable starting material must be used. The extent to which the selected material exhibits superplastic properties can be predicted in generally applicable statements from the determination of the sensitivity to the strain rate and the shape determination with regard to the permitted change in the wall thickness. The strain rate sensitivity can be given by m, where m _ dlnó jst un (j £ jer 2Ug in pounds per square inch (psi) dine and ê represent the strain rate in (min-1). The 60 strain rate sensitivity can be by means of a simple and well known torsion test, which is described in the article "Determination of Strain Hardening Characteristics by Torsion Testing" by DS Fields Jr. and WA oven, published in Proce-65 edings of the ASTM, 1957, volume 57, pages 1259- 1272. Good results can be expected with a sensitivity to the strain rate of around 0.5 or greater. However, the greater the value,

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um so besser sind die superplastischen Eigenschaften. Die höchste Empfindlichkeit bezüglich der Dehnungsgeschwindigkeit wird bei Metallen gefunden, sofern überhaupt, wenn die Metalle in der Nähe der Phasendeformationstemperatur (phase transformation temperature) geformt werden. Dementsprechend kann bei einer Temperatur, gerade unter dieser Phasendeformationstemperatur, die grösste Empfindlichkeit bezüglich der Dehnungsgeschwindigkeit erwartet werden. Für Titanlegierungen reicht der Temperaturbereich für Superplastizität von etwa 790° C bis zu ungefähr 1000° C, je nach gewählter Legierung. the better the superplastic properties. The highest sensitivity to strain rate is found in metals, if at all, when the metals are formed near the phase transformation temperature. Accordingly, the greatest sensitivity to the rate of expansion can be expected at a temperature just below this phase deformation temperature. For titanium alloys, the temperature range for superplasticity ranges from approximately 790 ° C to approximately 1000 ° C, depending on the alloy selected.

Es wurden noch andere Einflüsse gefunden, die die Deh-nungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit beeinflussen, die bei der Auswahl eines geeigneten Metalls in Betracht gezogen werden müssen. Kleinere Korngrösse ergibt entsprechend höhere Werte für die Dehnungsgeschwindigkeit. Zusätzlicher Zug und gefasertes Material beeinflussen die Empfindlichkeit bezüglich der Dehnungsgeschwindigkeit. Für Titan wurde gefunden, dass der m-Wert bei einem mittleren Wert der Dehnungsgeschwindigkeit eine Spitze erreicht (annähernd 10"4 in./in./sec). Für eine maximale bleibende Deformation sollte die superplastische Formung bei oder nahe bei dieser Dehnungsgeschwindigkeit vorgenommen werden. Zu grosse Abweichungen von der optimalen Dehnungsgeschwindigkeit können zu einem Verlust der superplastischen Eigenschaften führen. Other influences have been found that affect strain rate sensitivity that must be considered when choosing a suitable metal. Smaller grain sizes result in correspondingly higher values for the rate of expansion. Additional tension and fibrous material affect the sensitivity to the rate of expansion. For titanium, it was found that the m-value peaks at an average value of the elongation rate (approximately 10 "4 in./in./sec). For maximum permanent deformation, the superplastic forming should be carried out at or near this elongation rate Excessive deviations from the optimal stretching speed can lead to a loss of the superplastic properties.

Die Diffusionsverschweissung, bei der einzelne Elemente eine einzige einheitliche Masse bilden, kann mit einem breiten Spektrum von Metallen und Legierungen durchgeführt werden. Die Qualität der Verbindung und die verwendeten Parameter ändern sich bei jeder speziellen Wahl von Ausgangsmaterialien. Unter den Metallen oder Legierungen, die durch Festkörperdiffusionsverschweissung miteinander verbunden werden können, befinden sich Aluminium, rostfreier Stahl, Titan, Nickel, Tantal, Molybdän, Zirkonium, Niob und Beryllium. Diffusion welding, in which individual elements form a single, uniform mass, can be carried out with a wide range of metals and alloys. The quality of the connection and the parameters used change with each special choice of starting materials. Among the metals or alloys that can be joined by solid diffusion welding are aluminum, stainless steel, titanium, nickel, tantalum, molybdenum, zirconium, niobium and beryllium.

Die vorliegende Erfindung richtet sich besonders auf die reaktionsfreudigen Metalle, deren Oberflächen sich bei den für superplastische Formung und für Diffusionsverschweissung benötigten Temperaturen verunreinigen. Titan und seine Legierungen sind beispielsweise solche Metalle, die sich aber für ein Verfahren gemäss der Erfindung als besonders gut geeignet zeigen, indem diese Legierungen hohe superplastische Eigenschaften in einem für die Diffusionsverschweissung geeigneten Temperaturbereich, z.B. 800 bis etwa 1000° C je nach der verwendeten Legierung aufweisen. The present invention is particularly directed to the reactive metals whose surfaces become contaminated at the temperatures required for superplastic forming and for diffusion welding. Titanium and its alloys are, for example, those metals which, however, prove to be particularly well suited for a process according to the invention in that these alloys have high superplastic properties in a temperature range suitable for diffusion welding, e.g. Have 800 to about 1000 ° C depending on the alloy used.

In Fig. 1 ist eine gedehnte Ansicht eines dreiteiligen Metallblattaufbaus dargestellt, der gemäss dem Verfahren in eine Schichtstruktur verformt werden soll. Der Aufbau besteht aus Metallplatten 10,12 und 14, alle vorzugsweise in Form von Blechen mit oberen und unteren, sich gegenüberliegenden Hauptoberflächen 15 und 16,17 und 18 sowie 19 und 20 (siehe auch Fig. 4). Die Anzahl verwendeter Bleche hängt von der Belastungsart und von der Formgebungsbedingung ab. Jedenfalls muss ein Minimum von zwei Blechen und normalerweise sollten nie mehr als vier Bleche gebraucht werden. Die Bleche müssen geeignet sein, um durch Schweissen, Löten oder Diffusionsverschweissung verbunden zu werden. 1 shows an expanded view of a three-part metal sheet structure which is to be deformed into a layer structure according to the method. The structure consists of metal plates 10, 12 and 14, all preferably in the form of metal sheets with upper and lower, opposing main surfaces 15 and 16, 17 and 18 and 19 and 20 (see also FIG. 4). The number of sheets used depends on the type of load and the shaping condition. In any case, a minimum of two sheets must be used and normally more than four sheets should never be used. The sheets must be suitable to be connected by welding, soldering or diffusion welding.

In Abhängigkeit von der Anzahl der zu dehnenden Bleche muss wenigstens ein Blech superplastische Eigenschaften aufweisen. Während jedes Metall, das superplastische Eigenschaften innerhalb eines betriebsfähigen Temperaturbereiches aufweist, für die verwendeten Bleche benützt werden kann, betrifft die vorliegende Erfindung insbesondere Metalle, die superplastische Eigenschaften innerhalb des für die Diffusionsverschweissung benötigten Temperaturbereichs aufweisen und die bei der Formungstemperatur einer Verunreinigung unterworfen sind, wie Titan oder eine Titan enthaltende Legierung, wie TÌ-6A1-4V. Bei TÌ-6A1-4V ist die Formungstemperatur vorzugsweise etwa 920° C. Die ursprüngliche Dicke der Bleche 10, 12 und 14 hängt von dem Ausmass des zu formenden Teils ab. Depending on the number of sheets to be stretched, at least one sheet must have superplastic properties. While any metal that has superplastic properties within an operable temperature range can be used for the sheets used, the present invention particularly relates to metals that have superplastic properties within the temperature range required for diffusion welding and that are subject to contamination at the forming temperature, such as Titanium or an alloy containing titanium such as TÌ-6A1-4V. For TÌ-6A1-4V, the molding temperature is preferably about 920 ° C. The original thickness of the sheets 10, 12 and 14 depends on the size of the part to be molded.

Damit nur ausgewählte Stellen der Bleche verschweisst s werden, wird in einem bevorzugten Schritt ein geeignetes Trennmittel auf diejenigen Stellen gebracht, wo keine Verbindung der Bleche gewünscht wird. Dementsprechend sind die Stellen 30, 32 und 34 mit einem Trennmittel bedeckt, um eine Verschweissung zu verhindern. Andere Stellen auf den Ober-10 flächen 15, 18 und 20 können ebenfalls derart bedeckt sein, um eine Verschweissung zu verhindern. Anderseits könnte der Stapel an den Stellen, die verschweisst werden sollten, zur Befestigung auch punktgeschweisst oder hartgelötet sein. Insbesondere, wie später beschrieben wird, könnte der Blechauf-15 bau oder -Stapel 40 an ausgewählten Stellen diffusionsver-schweisst sein, indem stellenweise ein Druck ausgeübt wird. In a preferred step, so that only selected locations on the sheets are welded, a suitable release agent is applied to those locations where no connection of the sheets is desired. Accordingly, locations 30, 32 and 34 are covered with a release agent to prevent welding. Other locations on the top 10 surfaces 15, 18 and 20 can also be covered in order to prevent welding. On the other hand, the stack at the points that should be welded could also be spot welded or brazed for attachment. In particular, as will be described later, the sheet metal structure or stack 40 could be diffusion-welded at selected points by exerting pressure in places.

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Formgerät, das im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 42 bezeichnet ist. Die obere Maschinenplatte 44 hat vorzugsweise damit verbundene Seitenwände 20 45 in Ringform mit einem gewünschten Umriss. Die untere Maschinenplatte 46, mit vorzugsweise gleichen Abmessungen wie der obere Maschinenrahmen 42, kann flach ausgebildet sein und wirkt als Auflage für den Stapel von Blechen 40 wie dargestellt. Sowohl die obere als auch die untere Maschinen -25 platte bilden die Formgebungsbestandteile, indem beide zusammen die gewünschte Form der Struktur bilden. Die innere Oberfläche der oberen Maschinenplatte 44 bildet eine innere Kammer 48 und eine Matrizenoberfläche. Einer oder mehrere Stempel (nichtdargestellt) können in der Kammer 48 angeord-30 net sein, um die Form des zu bildenden Teils zu verändern. Der Blechstapel 40, der auf der unteren Maschinenplatte 46 aufliegt, überdeckt die Kammer 48. Alle Bleche des Stapels müssen aus einem Material bestehen, das für eine Verbindung durch Hartlöten, Punktschweissen oder Diffusionsverschweis-35 sung geeignet ist. Wenigstens eines der äusseren Bleche und bevorzugterweise das mittlere Blech muss empfindlich bezüglich Dehnungsgeschwindigkeit sein, um superplastische Eigenschaften bei der gewünschten Formungstemperatur, die vorzugsweise innerhalb eines Temperaturbereiches liegt, der für 40 die Diffusionsverschmelzung des Stapels genügt. Dies ist in Fig. 3 durch den gedehnten Stapel 40 dargestellt, bei dem beide Bleche 12 und 14 superplastisch gedehnt wurden, währenddessen das Blech 10 des geformten Stapels im wesentlichen unverändert geblieben ist. Die ursprüngliche Dicke der 45 Bleche des Stapels 40 ist durch die Ausmasse der zu formenden Teile bestimmt. Das Verfahren zur Verbindung, wie Hartlöten, Punktschweissen oder Diffusionsverschweissen, hängt vom gewählten Material der Rohbleche, der Temperatur für die superplastische Formung und der gewünschten Festigkeit so ab. Jedoch speziell für Titan ist die Diffusionsverschweissung zu bevorzugen, indem dies eine Verbindung mit der grössten Festigkeit ergibt, und die Verschweissungstemperatur im allgemeinen auch für superplastische Formung geeignet ist. Fig. 2 shows a preferred molding device, generally designated by reference numeral 42. The upper machine plate 44 preferably has associated side walls 20 45 in a ring shape with a desired outline. The lower machine plate 46, preferably having the same dimensions as the upper machine frame 42, can be flat and acts as a support for the stack of sheets 40 as shown. Both the upper and the lower machine plate form the shaping components in that both together form the desired shape of the structure. The inner surface of the upper machine plate 44 forms an inner chamber 48 and a die surface. One or more punches (not shown) may be disposed in chamber 48 to change the shape of the part to be formed. The sheet stack 40, which rests on the lower machine plate 46, covers the chamber 48. All sheets of the stack must consist of a material which is suitable for a connection by brazing, spot welding or diffusion welding. At least one of the outer sheets and preferably the middle sheet must be sensitive to the rate of expansion in order to have superplastic properties at the desired molding temperature, which is preferably within a temperature range which is sufficient for the diffusion fusion of the stack. This is illustrated in FIG. 3 by the stretched stack 40, in which both sheets 12 and 14 have been stretched superplastically, during which the sheet 10 of the shaped stack has remained essentially unchanged. The original thickness of the 45 sheets of the stack 40 is determined by the dimensions of the parts to be molded. The method of connection, such as brazing, spot welding or diffusion welding, depends on the chosen material of the raw sheets, the temperature for the superplastic forming and the desired strength. However, diffusion welding is particularly preferred for titanium, since this gives a connection with the greatest strength and the welding temperature is generally also suitable for superplastic forming.

Wie schon erwähnt, können bei den Stellen 30, 32 und 34 55 Trennmittel verwendet werden, um eine Verschweissung an diesen Stellen zu verhindern. Das verwendete Trennmittel muss somit die Verbindung verhindern und mit dem Metall oder dem Metallen des Stapels verträglich sein (nichtreagie-rend mit den Stapelmetallen und kleinste Diffusion in die 60 Metalle). Für Titanbleche eignet sich Graphit, Borstickstoff und Yttererde. As already mentioned, 55, release agents can be used at locations 30, 32 and 34 to prevent welding at these locations. The release agent used must therefore prevent the connection and be compatible with the metal or metals of the stack (non-reactive with the stack metals and minimal diffusion into the 60 metals). Graphite, boron nitrogen and ytter earth are suitable for titanium sheets.

Typisch bei der Verwendung von Yttererde ist, dass die Trennflächen auf den Blechen mit einer Lösung von Yttererde 65 und einem Bindemittel besprüht werden. Das Bindemittel hält die Yttererde während des VerschweissungsVorganges am Platz und verdampft möglicherweise unter der Formungstemperatur. It is typical when using Yttererde that the separating surfaces on the sheets are sprayed with a solution of Yttererde 65 and a binding agent. The binder holds the ytter earth in place during the welding process and may evaporate below the forming temperature.

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Die Verbindung des Stapels 40 an den gewählten Stellen durch Hartlöten und Punktschweissen wird normalerweise ausserhalb des Formgerätes 42 gemacht. Wird eine Diffusionsverschweissung vorgesehen, so wird der nicht verbundene Stapel 40 vorzugsweise nach dem Einlegen in das Formgerät 42 verbunden, um so Herstellungszeit und Ausrüstungskosten zu sparen. (Es wäre aber auch möglich, den Stapel durch Diffusionsverschweissung mittels Pressverbindung oder mittels Rollverbindung vor dem Einbringen in das Formgerät zu verschweissen.) Das Gewicht des oberen Maschinenrahmens 44 wirkt als Klemmvorrichtung für den Stapel 40. Eine einzelne Kante des Stapels 40 ist zwischen oberem 44 und unterem Maschinenrahmen 46 gehalten. Dies bewirkt, dass diese Teile der Bleche des zu formenden Stapels eher gestreckt als gezogen werden. Sofern gewünscht, können zusätzliche Befestigungsmittel, wie Nieten (nichtdargestellt), verwendet werden, um den Stapel 40 besser zusammenzuhalten. Ein weiteres Befestigungsmittel, das verwendbar wäre, könnte eine Presse (nichtdargestellt), vorzugsweise eine hydraulische Presse, mit Pressplatten 50 sein. Das Formgerät 42 wird dabei zwischen die Pressplatten 50 gelegt und damit zusammengepresst, um sicher zu gehen, dass der Stapel 40 gehalten und die Kammer 48 luftdicht geschlossen ist. Diese Anordnung ist sehr vorteilhaft, da die Pressplatten 50 aus keramischem Material gemacht und widerstandsgeheizte Drähte 52 darin eingebettet sein können, um den Stapel 40 auf die Formungstemperatur zu bringen. Ebensogut können aber auch andere Heizverfahren in Zusammenhang mit dem Formgerät 42 vorgesehen sein, das gewöhnlich von Heizmitteln umgeben ist, wenn nicht Heizplatten verwendet werden. The connection of the stack 40 at the selected locations by brazing and spot welding is normally made outside the molding device 42. If diffusion welding is provided, the unconnected stack 40 is preferably connected after insertion into the molding device 42 in order to save manufacturing time and equipment costs. (However, it would also be possible to weld the stack by diffusion welding by means of a press connection or by means of a roller connection before it is introduced into the molding device.) The weight of the upper machine frame 44 acts as a clamping device for the stack 40. A single edge of the stack 40 is between the upper 44 and held lower machine frame 46. This causes these parts of the sheets of the stack to be formed to be stretched rather than drawn. If desired, additional fasteners, such as rivets (not shown), can be used to better hold the stack 40 together. Another fastener that could be used could be a press (not shown), preferably a hydraulic press, with press plates 50. The shaping device 42 is placed between the pressing plates 50 and thus pressed together to ensure that the stack 40 is held and the chamber 48 is closed airtight. This arrangement is very advantageous because the press plates 50 can be made of ceramic material and resistance heated wires 52 can be embedded therein to bring the stack 40 to the molding temperature. However, other heating methods may also be provided in connection with the molding device 42, which is usually surrounded by heating means if heating plates are not used.

Um die Verschmutzung zu verhindern und die Diffusionsverschweissung des Stapels 40 vorzunehmen, wenn dieser in nichtverschweisstem Zustand in das Formgerät 42 eingebracht wird, ist ein Umgebungsüberwachungssystem vorgesehen. Der Zweck des Systems ist, den Stapel 40 während des Heizens, der Formens und des Verbindens optimal der Diffusionsverschweissung mittels Flüssigkeitsdruck eines inerten Gases oder Vakuum auszusetzen. Die Bleche des Stapels 40 reagieren mit dem inerten Gas infolge der Natur des inerten Gases, auch bei den erhöhten Temperaturen für Formen und Verbinden nicht. In einem Hochvakuum befinden sich im wesentlichen keine Elemente, um sich mit dem Stapel 40 zu verbinden. Damit kann die Verunreinigung des Stapels 40 in einer derartigen Umgebung verhindert werden. In order to prevent the contamination and to carry out the diffusion welding of the stack 40 when it is introduced into the molding device 42 in a non-welded state, an environmental monitoring system is provided. The purpose of the system is to optimally expose the stack 40 to diffusion welding using liquid pressure of an inert gas or vacuum during heating, molding and bonding. The sheets of the stack 40 do not react with the inert gas due to the nature of the inert gas, even at the elevated temperatures for molding and joining. There are essentially no elements in a high vacuum to connect to the stack 40. This can prevent the stack 40 from being contaminated in such an environment.

Die Zuleitung 52 ist mit einem nichtdargestellten Ende an eine Quelle mit komprimiertem inertem Gas und mit dem anderen Ende an die Kammer 48 durch die Öffnung 54 im oberen Maschinenrahmen 44 angeschlossen. Ein Ventil 56 zur Leitung des inerten Gases durch die Leitung 52 in die Kammer 48 sowie ein Druckanzeiger 58 zur Anzeige des Druckes sind vorgesehen. Als inertes Gas wird vorzugsweise flüssiges Argon verwendet. Die Leitung 52 dient auch als Ableitung für das inerte Gas in der Kammer 48 und könnte auch an eine Vakuum-Quelle, wie eine Saugpumpe, angeschlossen sein, um in der Kammer 48 ein Vakuum zu erzeugen. Wird die Leitung als Ableitung für inertes Gas benützt, so leitet ein Ventil 56 das Gas ab. Eine zusätzliche Leitung 60 kann auf der anderen Seite der Maschinenplatte 44 vorgesehen sein, die dann als Abfluss für das inerte Gas aus der Kammer 48 dient. Die Leitung 60 ist mit der Kammer 48 durch eine Öffnung 62 in der oberen Maschinenplatte verbunden. Überdies ist die Leitung 60 mit einem Ventil 64 versehen, um den Gasfluss aus der Kammer 48 zu steuern. Die Leitung 60 kann entweder nur als Abzug dienen oder sie kann mit einer Saugpumpe verbunden sein. The feed line 52 is connected at one end not shown to a source of compressed inert gas and at the other end to the chamber 48 through the opening 54 in the upper machine frame 44. A valve 56 for directing the inert gas through line 52 into chamber 48 and a pressure indicator 58 for indicating the pressure are provided. Liquid argon is preferably used as the inert gas. Line 52 also serves as an outlet for the inert gas in chamber 48 and could also be connected to a vacuum source, such as a suction pump, to create a vacuum in chamber 48. If the line is used as a discharge for inert gas, a valve 56 discharges the gas. An additional line 60 can be provided on the other side of the machine plate 44, which then serves as a drain for the inert gas from the chamber 48. The conduit 60 is connected to the chamber 48 through an opening 62 in the upper machine plate. In addition, line 60 is provided with a valve 64 to control gas flow from chamber 48. The line 60 can either only serve as a trigger or it can be connected to a suction pump.

Wie schon erwähnt, kann das System zur Verhinderung von Verunreinigungen auch als Mittel zur Druckdehnung des verbundenen Stapels 40 dienen. Dabei kann der Stapel 40 As already mentioned, the contamination prevention system can also serve as a means for expanding the pressure of the connected stack 40. The stack 40 can

nach Einlegen in das Formgerät 42, wie in Fig. 2 dargestellt, in einer inerten Gasatmosphäre auf eine für Diffusionsverschweissung geeignete Temperatur (etwa 920° C, wenn die Bleche des Stapels 40 aus TÌ-6A1-4V bestehen) mittels der s Heizplatten 50 geheizt werden, um darauf Druck auf den Stapel 40 auszuüben, indem der Druck in der Kammer 48 durch Zugabe von weiterem inertem Druckgas durch die Leitung 52 erhöht wird, während die Leitung 60 durch das Ventil 64 verschlossen ist. In diesem Falle verbinden sich die nicht behan-10 delten Stellen des Stapels 40 durch eine Diffusionsverschweissung unter einem derartigen Druck, der für TÌ-6A1-4V vorzugsweise etwa 500 psi betragen kann, während einer geeigneten Zeit, die von der Dicke des Stapels 40 abhängt und zwischen 30 Minuten und 12 Stunden betragen kann. Die Laschen 15 der Bleche des Stapels 40 können ebenfalls durch eine Diffusionsverschweissung unter der Wirkung des Verschlussdruckes in Form des Gewichtes der oberen Maschinenplatte 44 und überdies einem Druck einer Presse und/oder von Befestigungsmitteln verschweisst werden. Nach der Diffusionsver-20 schweissung des Stapels 40 wird überschüssiges Gas aus der Kammer 48 über die Leitungen 52 und 60 entfernt, um ein Aufblähen des Stapels 40 zu erlauben. after insertion into the molding device 42, as shown in FIG. 2, in an inert gas atmosphere to a temperature suitable for diffusion welding (about 920 ° C., if the sheets of the stack 40 consist of TÌ-6A1-4V) are heated by means of the heating plates 50 to then apply pressure to the stack 40 by increasing the pressure in the chamber 48 by adding further inert compressed gas through the line 52 while the line 60 is closed by the valve 64. In this case, the untreated locations of the stack 40 connect by diffusion welding under such pressure, which for TÌ-6A1-4V may preferably be about 500 psi, for a suitable time, which depends on the thickness of the stack 40 and can be between 30 minutes and 12 hours. The tabs 15 of the sheets of the stack 40 can also be welded by diffusion welding under the effect of the closing pressure in the form of the weight of the upper machine plate 44 and, moreover, a pressure from a press and / or from fastening means. After the diffusion welding of the stack 40, excess gas is removed from the chamber 48 via lines 52 and 60 to allow the stack 40 to inflate.

Für die Dehnung des Stapels 40 in die Form gemäss Fig. 3 sind Dehnungsleitungen 72 und 74 vorgesehen, von denen die 25 Details am besten aus Fig. 1 und 4 ersichtlich sind. Die Dehnungsleitung 72 (und wahlweise auch die Dehnungsleitung 74 auf der entgegengesetzten Seite des Stapels 40) ist zwischen die Bleche 10 und 14 eingelegt und mündet in einen Kanal 75 ein, der durch die Aussparungen 76 und 78 und die entspre-30 chende Stelle der Oberfläche 20 des Bleches 14, das die Aussparung überdeckt, gebildet ist. Auf der gegenüberliegenden Seite der Bleche 10 und 12 sind Aussparungen 77 und 79 vorgesehen, um einen Kanal für eine Dehnungsleitung 74 zu bilden. Die Anordnung der Dehnungsleitung 72 in einem 35 derartigen Kanal 75 verhindert, dass die Leitung 72 durch die Maschinenplatten 44 und 46 zusammengedrückt wird. Auch wenn die Leitung 72 so angebracht wird, dass sie nur teilweise in den Kanal 75 eindringt, fliesst genügend Gas zwischen die Bleche des Stapels 40, in diesem Fall auf beiden Seiten der 40 Bleche, wie durch die Pfeile 80 und 82 angedeutet ist. Wie Fig. 2 zeigt, sind Ventile 84 und 86 in den Dehnungsleitungen 72 und 74 vorgesehen, um den Gasfluss zu steuern und ferner noch Druckanzeiger 88 und 90, um den Druck anzuzeigen. For the expansion of the stack 40 into the shape according to FIG. 3, expansion lines 72 and 74 are provided, the 25 details of which can best be seen from FIGS. 1 and 4. The expansion line 72 (and optionally also the expansion line 74 on the opposite side of the stack 40) is inserted between the sheets 10 and 14 and opens into a channel 75 which passes through the cutouts 76 and 78 and the corresponding location on the surface 20 of the sheet 14, which covers the recess, is formed. Recesses 77 and 79 are provided on the opposite side of the sheets 10 and 12 in order to form a channel for an expansion line 74. The arrangement of the expansion line 72 in a channel 75 of this type prevents the line 72 from being compressed by the machine plates 44 and 46. Even if the line 72 is attached so that it only partially penetrates the channel 75, enough gas flows between the sheets of the stack 40, in this case on both sides of the 40 sheets, as indicated by the arrows 80 and 82. As shown in FIG. 2, valves 84 and 86 are provided in expansion lines 72 and 74 to control gas flow and also pressure indicators 88 and 90 to indicate pressure.

Mit den Dehnungsleitungen 72 und 74 kann auch das 45 verdunstete Bindemittel abgesaugt werden. Soweit könnte die Leitung 72 als Einlass und Leitung 74 als Auslass für einen Fluss inerten Gases dienen, der vor der Dehnung des Stapels 40 durch diesen geleitet wird, um verdunstetes Bindemittel abzuziehen. The 45 evaporated binder can also be sucked off with the expansion lines 72 and 74. To this extent, line 72 could serve as an inlet and line 74 as an outlet for a flow of inert gas that is passed through stack 40 prior to expansion to withdraw evaporated binder.

so Ein Paar seitlicher Nuten 71 (nichtgezeigt) und 73 sind vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten der unteren Maschinenplatte 46 eingelassen, wobei die Nute 71 mit der Aussparung 77 und die Nute 73 mit der Aussparung 76 zusammenfällt. Diese Nuten 71 und 73 sind vorgesehen, um 55 sicherzustellen, dass der Durchfluss von inertem Gas aus den Dehnungsleitungen 72 und 74 zwischen die Bleche des Stapels 40 nicht davon abgehalten wird, die behandelten Flächen 30 und 34 durch Klemmen des Stapels 40 infolge der durch die obere Maschinenplatte 44 und die untere Maschinenplatte 46 60 ausgeübten Pressung zu erreichen. Die Breite der Nuten 71 und 73 ist vorzugsweise gleich wie die der Aussparungen 76 und 77, wobei aber die Nuten 71 und 73 weiter innen beim Stapel 40 enden, so dass das Klemmen nicht auftritt, bevor der Fluss des inerten Gases die behandelten Flächen 30 und 34 65 erreicht. A pair of side grooves 71 (not shown) and 73 are preferably recessed on opposite sides of the lower machine plate 46, the groove 71 coinciding with the recess 77 and the groove 73 coinciding with the recess 76. These grooves 71 and 73 are provided to ensure that the flow of inert gas from the expansion lines 72 and 74 between the sheets of the stack 40 is not prevented from affecting the treated surfaces 30 and 34 by clamping the stack 40 as a result of the by the to achieve upper machine plate 44 and lower machine plate 46 60 applied pressure. The width of the grooves 71 and 73 is preferably the same as that of the recesses 76 and 77, but the grooves 71 and 73 end further inside the stack 40 so that the pinching does not occur before the flow of the inert gas the treated areas 30 and 34 65 reached.

Wenn, wie in Fig. 1 dargestellt, das Verfahren mit durch Trennmittel behandelten Stellen im Stapel 40 zur Verhinderung einer Verschweissung an diesen Stellen durchgeführt If, as shown in FIG. 1, the process is performed with release agent treated locations in the stack 40 to prevent welding at those locations

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wird, sollten bevorzugterweise zusätzliche Stellen 92 und 94 ebenso behandelt werden, um auch dort eine Verschweissung zu verhindern, so dass das Gas aus den Dehnungsleitungen 72 und 74 die ausgewählten, behandelten Stellen zur Dehnung des Stapels 40 erreichen kann. Aussparungen 96 sind ausserdem noch in den behandelten Stellen 30, 32 und 34 vorzusehen, um das inerte Gas aus den Dehnungsleitungen 72 und 74 in das Innere des Stapels 40 zu den übrigen behandelten Stellen zu leiten, um sicherzugehen, dass im Innern des Stapels der Druck ausgeglichen ist (in diesem Fall auf beiden Seiten des Bleches 12). Wenn der Druck nicht ausgeglichen wäre, würde der entstehende Kern der Struktur, das Blech 12 in der Anordnung gemäss Fig. 3, mit einem entsprechenden Einfluss auf die Belastbarkeit der Struktur, verzogen. , additional locations 92 and 94 should preferably be treated as well to prevent welding there as well, so that the gas from expansion lines 72 and 74 can reach the selected, treated locations for expanding stack 40. Recesses 96 are also to be provided in the treated areas 30, 32 and 34, in order to guide the inert gas from the expansion lines 72 and 74 into the interior of the stack 40 to the other treated areas, in order to ensure that the pressure inside the stack is balanced (in this case on both sides of the sheet 12). If the pressure were not balanced, the resulting core of the structure, the sheet 12 in the arrangement according to FIG. 3, would be warped with a corresponding influence on the load capacity of the structure.

Um die gedehnte, metallische Struktur entsprechend Fig. 3 zu erhalten, sind Rohwerkstücke 10,12 und 14 aus Blech vorgesehen. Beide Bleche 12 und 14 müssen aus einem Metall bestehen, das eine empfindliche Dehnungsgeschwindigkeit für superplastische Formung aufweist. Vorzugsweise ist wenigstens ein Blech an ausgewählten Stellen wie bei 30, 32 und 34 behandelt, so dass, wenn die Bleche zu einem Stapel 40 aufgebaut und durch Diffusion verschweisst sind, nur ausgewählte Stellen verschweisst sind. Anderseits könnte der Stapel 40 durch Punktverschweissen oder durch Hartlöten an den ausgewählten Stellen verbunden werden. Soll die Verschweissung durch Diffusion geschehen, so wird der Stapel vorzugsweise in das Formgerät 42 einglegt. Der Druck in der Kammer 48 wird vergrössert, indem inertes Gas unter Druck durch die Leitung 52 in die Kammer 48 gelassen wird. Sobald die Kammer 48 eine inerte Gasatmosphäre aufweist, wird der Stapel 40 durch Widerstandsdrähte 52 in Heizplatten 50 auf eine Temperatur aufgeheizt, die sowohl für Diffusionsverschweissung als auch für superplastische Formung optimal gewählt ist, auch könnte später die Temperatur erhöht oder erniedrigt werden, wenn für die superplastische Formung eine andere Temperatur notwendig wäre. Der Druck in der Kammer 48 wird darauf durch Zuleitung von inertem Gas durch die Leitung 52 erhöht, um den für die Verschweissung durch Diffusion notwendigen Druck zu erzeugen. Dieser Druck wird dann während einer genügend langen Zeit aufrechterhalten, um die Verbindung durch Diffusion zu ermöglichen. Sofern die Bleche des Stapels 40 aus TÌ-6A1-4V bestehen, so muss die verwendete Temperatur etwa 900° C und der Druck etwa 500 psi sein. Diese Werte können natürlich während des Formens und Verschweissens verändert werden, solange sie nur innerhalb eines geeigneten Bereichs konstant gehalten werden. Die Zeitdauer ist entsprechend den verwendeten Legierungen, der Temperatur, dem Druck und der Dicke des Stapels 40 zu wählen. Die Zeitdauer kann zwischen 30 Minuten und 15 Stunden liegen. Wie schon früher erwähnt, kann die Temperatur zwischen 780 bis etwa 1000° C betragen. Der Druck für die Herstellung der Verbindung kann zwischen 100 und 2000 psi bzw. mit dem vorzuziehenden Bereich zwischen 150 und 600 psi liegen. In order to obtain the stretched, metallic structure according to FIG. 3, raw workpieces 10, 12 and 14 made of sheet metal are provided. Both sheets 12 and 14 must be made of a metal that has a sensitive rate of expansion for superplastic forming. Preferably, at least one sheet is treated at selected locations as at 30, 32 and 34, so that when the sheets are assembled into a stack 40 and welded by diffusion, only selected locations are welded. On the other hand, the stack 40 could be joined by spot welding or by brazing at the selected locations. If the welding is to be done by diffusion, the stack is preferably placed in the forming device 42. The pressure in chamber 48 is increased by letting inert gas under pressure through line 52 into chamber 48. As soon as the chamber 48 has an inert gas atmosphere, the stack 40 is heated by resistance wires 52 in heating plates 50 to a temperature which is optimally chosen for both diffusion welding and for superplastic forming, and the temperature could also be increased or decreased later, if for the superplastic molding a different temperature would be necessary. The pressure in chamber 48 is then increased by supplying inert gas through line 52 to generate the pressure necessary for welding by diffusion. This pressure is then maintained for a sufficient period of time to allow diffusion bonding. If the sheets of the stack 40 consist of TÌ-6A1-4V, the temperature used must be about 900 ° C and the pressure about 500 psi. These values can of course be changed during forming and welding as long as they are only kept constant within a suitable range. The time period is to be selected in accordance with the alloys used, the temperature, the pressure and the thickness of the stack 40. The duration can be between 30 minutes and 15 hours. As mentioned earlier, the temperature can range from 780 to about 1000 ° C. The pressure to make the connection can be between 100 and 2000 psi or, with a preferred range, between 150 and 600 psi.

Bevor der Stapel 40 gedehnt wird, wird der Druck in der Kammer durch die Leitungen 52 und 60 vermindert. Sofern der Stapel 40 schon vor dem Einbringen in das Formgerät 42 verschweisst wurde, so ist der vorher beschriebene Verschweis-sungsvorgang auszulassen. Bei der superplastischen Formungstemperatur, die etwa 920° C bei Verwendung von TÌ-6A1-4V-Legierungen betragen sollte (allgemein 890-950° C), wird der Stapel 40 durch Einbringen von inertem Gas unter Druck durch die Leitungen 72 und 74, während ein mögliches Vakuum durch die Leitungen 52 und 60 in der Kammer 48 erzeugt wird, gedehnt. Das gepresste inerte Gas, das das Innere des Stapels 40 vor Verunreinigungen bei erhöhten Formungstemperaturen schützt, gelangt aus den Leitungen 72 und 74 in Kanäle 75, vorzugsweise auf entgegengesetzten Seiten des Stapels 40, worauf das inerte Gas in den Stapel hinein gelangt. Before the stack 40 is stretched, the pressure in the chamber through lines 52 and 60 is reduced. If the stack 40 was welded before it was introduced into the molding device 42, the previously described welding process must be omitted. At the superplastic forming temperature, which should be about 920 ° C when using TÌ-6A1-4V alloys (generally 890-950 ° C), the stack 40 is depressurized by introducing inert gas through lines 72 and 74 during a possible vacuum is created through the lines 52 and 60 in the chamber 48, expanded. The compressed inert gas, which protects the interior of stack 40 from contaminants at elevated molding temperatures, passes from conduits 72 and 74 into channels 75, preferably on opposite sides of stack 40, whereupon the inert gas enters the stack.

Das sich solcherart im Stapel 40 befindende gepresste inerte Gas verstärkt die Dehnung des Stapels 40 infolge des Druckunterschiedes zwischen dem Innern des Stapels 40 und der Kammer 48. Gewöhnlich wird bei TÌ-6A1-4V mit einem Druckunterschied von 25—250 psi gearbeitet. Vorerst wird dabei das Blech 14 infolge des Druckunterschiedes angehoben und zieht das Blech 12 an ausgewählten verschweissten Stellen mit sich. Diese Dehnung erlaubt nun dem unter Druck stehenden inerten Gas durch die Öffnungen 96 zu dringen, wodurch ein gleicher Druck innerhalb der Stapels 40 entsteht, so dass der Kern (Werkstück 12) einheitlich geformt wird. Der ausgeglichene Druck hält das Blech 10 des Stapels 40 in seiner ursprünglichen Lage, wobei es gegen die Auflagefläche der unteren Maschinenplatte 46 gedrückt wird. The compressed inert gas so located in stack 40 increases the expansion of stack 40 due to the pressure difference between the interior of stack 40 and chamber 48. A pressure difference of 25-250 psi is usually used at TÌ-6A1-4V. For the time being, the sheet 14 is raised due to the pressure difference and pulls the sheet 12 with it at selected welded locations. This expansion now allows the pressurized inert gas to penetrate through the openings 96, which creates an equal pressure within the stack 40 so that the core (workpiece 12) is formed uniformly. The balanced pressure holds the sheet 10 of the stack 40 in its original position, whereby it is pressed against the bearing surface of the lower machine plate 46.

Fig. 5 und 6 zeigen die Verwendung einer andersartigen Ausbildung der unteren Maschinenplatte 100, die vorzugsweise innere Seitenwände 102, 104 aufweist, die eine Kammer 106 bilden. Zuleitungen 108 und 110 sind die untere Maschinenplatte 100 eingeführt, um eine Umgebimg mit inertem Gas in der Kammer 106 zu schaffen und die als Auslass oder als Vakuumleitungen arbeiten können, wenn superplastisch geformt wird. Wenn der Stapel 40 im Formgerät 120 mittels Diffusion verschweisst wird, so sollte der Druck in den Kammern 48 und 106 erhöht werden, um einen geeigneten Druck auf den Stapel 40 für die Diffusionsverschweissung auszuüben. Für die superplastische Dehnung des Stapels 40 ist der Druck innerhalb des Stapels 40 zu erhöhen, indem das unter Druck stehende Gas durch die Zuleitungen 72 und 74 in den Stapel 40 eingeführt wird, so dass der Druck im Innern des Stapels 40 grösser ist als der Druck in den Kammern 48 und 106. Zusätzlich sollte der Druck in den Kammern 48 und 106 durch die Leitungen 108, 110, 52 und 60 verringert und möglichst ein Vakuum erzeugt werden. Wie in Fig. 6 dargestellt, sind alle Bleche des Stapels 40 superplastisch geformt, somit muss jedes Blech aus einem Material bestehen, das eine entsprechende Empfindlichkeit bezüglich der superplastischen Formung aufweist. Wie gezeigt, wird das Blech 14 aufwärts in die Kammer 48, das Blech 10 abwärts in die Kammer 106 gedrückt und das Blech 12 wird infolge der stellenweisen Verschweissung mit beiden Blechen 10 und 14 in beide Richtungen verformt und ergibt den Kern der doppelseitig beschichteten Struktur. 5 and 6 show the use of a different design of the lower machine plate 100, which preferably has inner side walls 102, 104 which form a chamber 106. Pipes 108 and 110 are introduced to the lower machine plate 100 to create an inert gas environment in the chamber 106 and which can function as an outlet or as a vacuum line when molding superplastically. When the stack 40 is welded in the molding machine 120 by diffusion, the pressure in the chambers 48 and 106 should be increased to apply a suitable pressure to the stack 40 for the diffusion welding. For the superplastic expansion of the stack 40, the pressure within the stack 40 must be increased by introducing the pressurized gas through the feed lines 72 and 74 into the stack 40, so that the pressure inside the stack 40 is greater than the pressure in chambers 48 and 106. In addition, the pressure in chambers 48 and 106 should be reduced by lines 108, 110, 52 and 60 and a vacuum should be created if possible. As shown in FIG. 6, all the sheets of the stack 40 are shaped superplastically, so each sheet must be made of a material that has a corresponding sensitivity to the superplastic shaping. As shown, the sheet 14 is pushed up into the chamber 48, the sheet 10 down into the chamber 106 and the sheet 12 is deformed in both directions due to the spot welding with both sheets 10 and 14 and results in the core of the double-sided coated structure.

Fig. 7 und 8 zeigen eine anderes Formgerät 130, das eine andere Technik zur Verschweissung erlaubt. Zudem ist die Verwendung eines Stapels 132 mit zwei Blechen 134 und 136 gezeigt. Der Stapel 132 könnte durch Diffusionsverschweissung, Hartlötung oder Punktschweissung vor dem Einbringen in das Formgerät 130 verbunden worden sein. Wenn die Diffusionsverschweissung angewendet wird, so werden die Bleche 134 und 136 vorerst an wahlweise bestimmten Stellen mit einem Trennmittel behandelt, so dass nur gewisse vorbestimmte Flächen des Stapels verschweisst werden. Vorzugsweise wird der Stapel jedoch unverschweisst in das Formgerät 130 eingelegt. Wenn dies der Fall ist, wird kein Trennmittel benötigt. 7 and 8 show another shaping device 130, which allows a different technique for welding. In addition, the use of a stack 132 with two sheets 134 and 136 is shown. The stack 132 could have been joined by diffusion welding, brazing, or spot welding prior to insertion into the mold 130. If diffusion welding is used, the sheets 134 and 136 are initially treated with a separating agent at selectively determined locations, so that only certain predetermined areas of the stack are welded. However, the stack is preferably inserted into the shaping device 130 without being welded. If this is the case, no release agent is required.

Das Formgerät 130 verwendet eine obere Maschinenplatte 140 mit einer unteren gewölbten Oberfläche, die durch mehrere Höcker 142 gebildet ist, die voneinander durch dazwischenliegende Einbuchtungen oder Kammern 144 distanziert sind. Die untere Maschinenplatte 150 weist eine zu der durch die Höcker 142 gebildeten Fläche komplementäre obere gewölbte Oberfläche 152 auf. Zwischen den beiden Blechen 134 und 136 liegen Dehnungszuleitungen 160 und 162. Ähnlich zu den Aussparungen 76 und 77 im Blech 10 (Fig. 1) sind auch die Bleche 134 und 136 mit gegeneinander ausgerichteten Aussparungen (nichtdargestellt) versehen, die ebenfalls nicht-dargestellte zylindrische Kammern bilden, in denen die Zuleitungen 160 und 162 liegen. Die Zuleitungen 164 und 166, Molding machine 130 uses an upper machine plate 140 with a lower curved surface formed by a plurality of bumps 142 spaced apart by intervening indentations or chambers 144. The lower machine plate 150 has an upper curved surface 152 which is complementary to the surface formed by the bumps 142. Expansion leads 160 and 162 lie between the two sheets 134 and 136. Similar to the cutouts 76 and 77 in the sheet 10 (FIG. 1), the sheets 134 and 136 are also provided with mutually aligned cutouts (not shown), which are also cylindrical, not shown Form chambers in which the feed lines 160 and 162 lie. The leads 164 and 166,

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

7 7

622 191 622 191

15 15

20 20th

ähnlich den Zuleitungen 52 und 60 (Fig. 2) bilden eine aus inertem Gas bestehende Umgebung in den Kammern 144 und arbeiten als Auslässe oder sind mit einer Vakuumquelle verbunden, um das inerte Gas aus den Kammern 144 abzuziehen, um eine superplastische Formung des Bleches 124 in diese s Kammern zu erlauben. Jede der Zuleitungen 164 und 166 kann mit einem nicht gezeigten Ventil und Druckanzeiger versehen sein, um den Zusatz oder die Ableitung von inertem Gas zu steuern. Die Zuleitungen 164 und 166 münden in Bohrungen 170 und 172, die je mit einem Zugang zu den io Kammern 144 versehen sind. Similar to leads 52 and 60 (FIG. 2) form an inert gas environment in the chambers 144 and operate as outlets or are connected to a vacuum source to draw the inert gas out of the chambers 144 for superplastic forming of the sheet 124 to allow into these s chambers. Each of the feed lines 164 and 166 may be provided with a valve and pressure indicator, not shown, to control the addition or discharge of inert gas. The feed lines 164 and 166 open into bores 170 and 172, which are each provided with an access to the io chambers 144.

In Abhängigkeit von der Dicke und der gewünschten Krümmung des Stapels 132 kann der Stapel, bevor er in das Formgerät 130 eingelegt wird, durch gewöhnliche Blechformung, wie Rollformung oder superplastische Formung vorgeformt sein, oder anschliessend durch das Einbringen in das Formgerät 130 durch Druck mittels der Höcker 142 an der oberen Maschinenplatte 140 und der Oberfläche 152 der unteren Maschinenplatte 150. Die Vorformung im Formgerät 130 ist vorzuziehen, indem Vorformung und Verschweissen an ausgewählten Stellen gleichzeitig durchgeführt werden können, wenn der Stapel ebenfalls nicht verschweisst in das Formgerät 130 eingelegt wird, um Herstellungszeit und Ausrüstungskosten zu sparen. ^ Depending on the thickness and the desired curvature of the stack 132, the stack can be preformed by conventional sheet metal shaping, such as roll forming or superplastic shaping, before it is inserted into the shaping device 130, or subsequently by insertion into the shaping device 130 by pressure using the Bumps 142 on the upper machine plate 140 and the surface 152 of the lower machine plate 150. The preforming in the forming device 130 is preferred in that preforming and welding can be carried out simultaneously at selected locations if the stack is also not inserted into the molding device 130 in a welded manner Save manufacturing time and equipment costs. ^

Bei Verwendung dieses Formgerätes 130 kann der unver-schweisste Stapel durch Diffusion verschweisst werden, indem mittels oberer Maschinenplatte 140 und unterer Maschinenplatte 150 Druck bei geeigneter Temperatur und während einer geeigneten Zeitdauer ausgeübt wird. Infolge der Höcker 30 142 wird der Druck nur an den ausgewählten Stellen des Stapels 132 ausgeübt, so dass nur diese Stellen durch Diffusion verschweisst werden und so eine Dehnung der nichtverbunde-nen Stellen erlaubt. When using this shaping device 130, the unwelded stack can be welded by diffusion by applying pressure at an appropriate temperature and for a suitable period of time by means of the upper machine plate 140 and lower machine plate 150. As a result of the cusps 30 142, the pressure is exerted only at the selected locations on the stack 132, so that only these locations are welded by diffusion, thus allowing the non-connected locations to expand.

Nach der Verschweissung durch Diffusion (oder Einbrin- 35 gen in das Formgerät 130, sofern der Stapel 132 schon vorher verschweisst wurde) und Vorformung wird der Stapel 132 gebläht, indem inertes Gas durch die Zuführungen 160 und 162 eingelassen wird, wodurch die nichtverschweissten Stellen des Bleches 134 in die Kammern 144 ausgedehnt werden. Indem die Kammern 144 der einzige Raum für die Dehnung darstellen, wird nur das Blech 134 gedehnt und entsprechend muss nur dieses Blech aus einem für superplastische Formung geeigneten Material bestehen. Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, After welding by diffusion (or introduction into the molding device 130, if the stack 132 has already been welded beforehand) and preforming, the stack 132 is inflated by introducing inert gas through the inlets 160 and 162, whereby the non-welded areas of the Sheets 134 can be expanded into the chambers 144. Since the chambers 144 represent the only space for the expansion, only the sheet 134 is expanded and accordingly only this sheet has to be made of a material suitable for superplastic molding. From the above it can be seen

dass Verschweissung durch Diffusion, Vorformung und super plastische Dehnung jeweils in demselben Gerät und in einem Arbeitsgang durchgeführt werden können. that welding by diffusion, preforming and super plastic stretching can be carried out in the same device and in one operation.

Es ist noch nachzutragen, dass die superplastische Dehnung auch vor der Verschweissung des Stapels 132 durch Diffusion so vorgenommen werden könnte, indem der Stapel 132 an seinem Umfang versiegelt würde, ohne Druck auf den Stapel 132 auszuüben. Demnach könnte die obere Maschinenplatte 140 auf den Stapel 132 aufgelegt werden, ohne dass der für die Diffusionsverschweissung notwendige Druck aufgebracht 55 It must also be added that the superplastic stretching could also be carried out by diffusion before the stack 132 was welded, by sealing the stack 132 around its circumference without exerting pressure on the stack 132. Accordingly, the upper machine plate 140 could be placed on the stack 132 without the pressure 55 required for the diffusion welding being applied

würde und nur die Höcker 142 den Stapel berühren. Mit diesem Vorgehen würde der Stapel 132 in die Kammern 144 mittels superplastischer Formung gedehnt, indem die Höcker 142 verhindern, dass auch andere Stellen verformt würden. would and only the bumps 142 touch the stack. With this approach, the stack 132 would be expanded into the chambers 144 by means of superplastic molding, in which the bumps 142 prevent other locations from being deformed.

Nach einer derartigen Dehnung könnte genügend Druck auf so die Maschinenplatten 140 und 150 aufgebracht werden, der sich auf die unteren Flächen der Höcker 142 auswirkt, um die entsprechenden Stellen des Stapels 132 mittels Diffusion zu verschweissen. After such stretching, enough pressure could be applied to the machine plates 140 and 150, which affects the lower surfaces of the bumps 142, to diffuse the corresponding locations on the stack 132.

Fig. 9 zeigt die Formung einer unterschiedlich geformten 65 Struktur, in diesem Fall als verjüngende Struktur mit einem damit verbundenen Aufsatz. Die Verjüngung der Struktur wird dabei durch eine geeignete Formgebung der entsprechen40 Fig. 9 shows the formation of a differently shaped structure, in this case as a tapered structure with an attached attachment. The tapering of the structure will correspond to that of a suitable shape40

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den Formungsoberfläche der oberen Maschinenplatte bewirkt. In Fig. 9 weist die obere Maschinenplatte 170 eine obere Formungsoberfläche 172 auf, die von links nach rechts geneigt ist. Damit wird das obere Blech 174 des Stapels 176 superplastisch gegen die Oberfläche 172 gedehnt und es wird dadurch gemäss der Verjüngung dieser Oberfläche geformt. Der mit dem Blech 178 des Stapels 176 geformte Kern ist dementsprechend auch verjüngt, indem seine Form von der endgültigen Lage des oberen Bleches 174 abhängt. the forming surface of the upper machine plate. In Fig. 9, the upper machine plate 170 has an upper molding surface 172 that is inclined from left to right. The upper sheet 174 of the stack 176 is thus stretched superplastically against the surface 172 and is thereby shaped in accordance with the tapering of this surface. The core formed with the sheet 178 of the stack 176 is accordingly also tapered in that its shape depends on the final position of the upper sheet 174.

Der Aufsatz 180 in einer willkürlichen Darstellung wird mit dem oberen Blech 174 des Stapels 176 entlang der Verbindungslinie 183 während der superplastischen Verformung des Stapels 176 verschweisst, um dadurch Herstellungszeit, Gerätekosten und Schwierigkeiten bei der Formung zu vermindern. Der Aufsatz 180 könnte dabei entsprechend einem älteren Schutzrecht in eine geeignet geformte Nute oder Vertiefung, hierbei mit 182 bezeichnet, eingelegt werden, wobei der Aufsatz über die Vertiefung hinausragen kann oder auch nicht, oder er könnte ebensogut in die Formkammer eingebracht sein, ohne dass eine Vertiefung benötigt wird, wodurch entweder eine männlich oder weiblich geformte Oberfläche mittels dieses Aufsatzes geformt würde. Wenn eine Vertiefung vorgesehen ist, so ist diese als Teil der Formkammer anzusehen, so dass der Aufsatz auch dann in der Kammer drin liegt, wenn er in der Vertiefung ist. In der dargestellten Ausführungsform berührt der Stapel 176 bei der superplastischen Verformung den Aufsatz 180 entlang der Linie 183. Infolge der superplastischen Formtemperatur, auf die auch der Aufsatz 180 aufgewärmt ist, und der Druck, der den Stapel 176 ausdehnt und möglicherweise auch das obere Blech 174 zum Anliegen an die Oberfläche 172 und an den Aufsatz 180 drückt, wird der Aufsatz 180 durch Diffusion entlang der Linie 183 mit dem Stapel 176 verschweisst, sofern Temperatur und Druck für eine geeignete Zeitdauer auf einem für Diffusionsverschweissung geeigneten Wert gehalten werden. Vorzugsweise wird die Temperatur und der Druck bei der superplastischen Formung der Bleche 174 und 178 gleich so gewählt, dass sie auch für die Diffusionsverschweissung geeignet sind, um so den Druck und die Tempeatur nicht nach dem Formen für die Diffusionsverschweissung erhöhen oder erniedrigen zu müssen. Das Material für den Aufsatz 180 sollte ein solches sein, das für Diffusionsverschweissung mit dem Material des Bleches 174 geeignet ist, wenn möglich sogar dasselbe Material sein. The attachment 180, in an arbitrary representation, is welded to the top sheet 174 of the stack 176 along the connection line 183 during the superplastic deformation of the stack 176, thereby reducing manufacturing time, equipment costs and molding difficulties. The attachment 180 could be inserted into a suitably shaped groove or depression, here designated 182, in accordance with an older property right, the attachment may or may not protrude beyond the depression, or it could just as well be introduced into the molding chamber without one Indentation is required, whereby either a male or female shaped surface would be formed by means of this attachment. If an indentation is provided, this is to be regarded as part of the molding chamber, so that the attachment lies in the chamber even when it is in the indentation. In the illustrated embodiment, the stack 176 contacts the cap 180 along line 183 during the superplastic deformation. As a result of the superplastic mold temperature to which the cap 180 is also warmed up, and the pressure that expands the stack 176 and possibly also the top sheet 174 presses to abut surface 172 and cap 180, cap 180 is welded to stack 176 by diffusion along line 183, provided the temperature and pressure are maintained at a value suitable for diffusion welding for a suitable period of time. Preferably, the temperature and the pressure during the superplastic forming of the sheets 174 and 178 are selected so that they are also suitable for the diffusion welding, so that the pressure and the temperature need not be increased or decreased after the shaping for the diffusion welding. The material for the attachment 180 should be one that is suitable for diffusion welding with the material of the sheet 174, if possible even the same material.

Indem der typische Gasdruck für die superplastische Formung 150 psi beträgt, der somit erheblich kleiner ist als der für eine Diffusionsverschweissung normalerweise verwendete Gasdruck von 2000 psi, so ergibt sich eine Verbindung, die nicht die ursprüngliche Metallstärke aufweist, aber die doch weitgehend gleich gut ist wie eine qualitativ gute, hartgelötete Verbindung. Jedenfalls könnte, nachdem die Struktur voll ausgebildet ist, wie in Fig. 9 dargestellt ist, der Druck in der gebildeten Struktur über die Dehnungszuleitungen 190 und 192 bis zu einem Wert vergrössert werden, der sich für die Herstellung einer Diffusionsverschweissung eignet. Eine kompakte Stelle, wie durch das Bezugszeichen 194 angedeutet, kann ebenfalls an die gedehnte Struktur mit dem gleichen Arbeitsgang angeformt werden, indem diese kompakte Stelle 194 ein ungedehntes Ende des Stapels 176 ist, und der Stapel 176 auf die Temperatur für eine Diffusionsverschweissung unter gleichzeitigen Anbringen von Druck durch die obere Maschinenplatte 170 und durch die untere Maschinenplatte 171 erwärmt wird. Die gedehnte Struktur 200 aus Fig. 9 ist entformt mit abgeschnittenen Enden in Fig. 10 dargestellt. Since the typical gas pressure for superplastic forming is 150 psi, which is considerably lower than the gas pressure of 2000 psi normally used for diffusion welding, a connection is produced which does not have the original metal thickness, but which is largely as good as a good quality, brazed joint. In any case, after the structure is fully formed, as shown in FIG. 9, the pressure in the formed structure via the expansion lines 190 and 192 could be increased to a value that is suitable for the production of a diffusion weld. A compact location, as indicated by reference number 194, can also be molded onto the stretched structure in the same operation, in that this compact location 194 is an unstretched end of the stack 176, and the stack 176 to the temperature for diffusion welding while being attached is heated by pressure through the upper machine plate 170 and through the lower machine plate 171. The stretched structure 200 from FIG. 9 is shown demolded with cut ends in FIG. 10.

Fig. 11 zeigt die Lage einer Dehnungszuleitung 10 bezüglich eines viertägigen Aufbaus oder Stapels 212 in einem Formgerät mit oberer Kammer 214 und unterer Kammer 216. Die Dehnungszuleitung 210 ist zwischen das obere Blech 217 11 shows the position of an expansion lead 10 with respect to a four-day assembly or stack 212 in a molding device with an upper chamber 214 and a lower chamber 216. The expansion lead 210 is between the upper plate 217

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und das untere Blech 218 gelegt, wobei das untere Blech eine Aussparung 220 an seiner Aussenseite aufweist, gleich wie die Aussparung 76 in Fig. 1. Die inneren Bleche 221 und 222 des Stapels 212 weisen eine Aussparung auf wie die Aussparung 78 in Fig. 1, die gestattet, die Dehnungszuleitung 210 zwischen s die Bleche 217 und 218 einzuführen. Öffnungen 230 sind vorgesehen, um das Dehnungsgas zu leiten und Flächen 232 sind dort mit einem Trennmittel versehen, wo keine Verbindung gewünscht ist. Verdeutlichende Ansichten der Struktur 240 der Fig. 11 sind in Fig. 12 und 13 dargestellt. io and the lower plate 218 is placed, the lower plate having a recess 220 on its outside, similar to the recess 76 in FIG. 1. The inner plates 221 and 222 of the stack 212 have a recess like the recess 78 in FIG. 1 , which allows the expansion lead 210 to insert the sheets 217 and 218 between s. Openings 230 are provided to direct the expansion gas and surfaces 232 are provided with a release agent where no connection is desired. Illustrative views of structure 240 of FIG. 11 are shown in FIGS. 12 and 13. io

Damit wurde ersichtlich, dass ein Verfahren zur Herstellung von Schichtstrukturen aus mehreren Werkstücken erläutert wurde, die das angestrebte Ziel und die weiter oben beschriebenen Vorteile erfüllen. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit speziellen Ausführungsarten beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass viele Alternativen, Änderungen und Variationen für die Fachleute klar dargestellt sind. This made it clear that a method for producing layer structures from several workpieces was explained, which fulfill the desired goal and the advantages described above. Although the invention has been described in connection with specific embodiments, it goes without saying that many alternatives, changes and variations are clearly shown to those skilled in the art.

s s

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

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2nd

PATENT CLAIMS

1. A method for producing a metallic layer structure from a plurality of workpieces, characterized in that a plurality of workpieces made of sheet metal, each with two opposing main surfaces, are provided, of which workpieces at least one has superplastic properties such that these workpieces are stacked to form a stack, such that at least one of the outer workpieces has superplastic properties, that at least two mold parts are then provided, that when the stack is introduced into the mold parts, at least one cavity is delimited, that selected locations on the stack of workpieces are connected to one another so that the stack of workpieces is placed on them a temperature is heated which is sufficient for superplastic shaping of the at least one outer workpiece, and that a tensile stress is generated in said at least one outer workpiece, with the result that at least expands a portion of this workpiece superplastically into said at least one cavity to form on the walls of at least one of said molds.

2. The method according to claim 1, characterized in that the workpieces are treated at those points at which a connection is to be prevented, and that the stack is then kept under a combination of temperature, pressure and time, which is for a diffusion welding for the untreated areas is sufficient.

3. The method according to claim 1, characterized in that the stack is heated to a temperature which, at a certain combination with pressure and time, causes diffusion welding at the selected locations, so that pressure is then exerted on the selected locations for the Diffusion welding at the selected locations is sufficient, and that the pressure and the temperature are maintained for a time sufficient for the diffusion welding.

4. The method according to claim 2, characterized in that the treatment is carried out by applying a suitable release agent.

5. The method according to claim 4, characterized in that the tensile stress is generated by generating an overpressure in the spaces between non-welded areas with respect to the pressure in the at least one cavity.

6. The method according to claim 3, characterized in that the tensile stress is generated by increasing the pressure in the spaces between non-welded areas compared to the pressure in the at least one cavity.

7. The method according to claim 5, characterized in that the pressure of a compressible fluid is allowed to act in order to generate the pressure conditions for diffusion welding.

8. The method according to claim 6, characterized in that a part of the molding tool has at least one protruding section, and that the compressive pressure is exerted on the selected points of the stack by means of this section.

9. The method according to claim 8, characterized in that the stack of workpieces is preformed by means of the pressure.

10. The method according to claim 7, characterized in that the metallic workpieces are sheets consisting of titanium alloys, that the temperature range for superplastic forming is 900 to 955 ° C, and that the pressure within a range of 10 to 42.5 kg / cm2 is held.

11. The method according to claim 6, characterized in that the metallic workpieces are sheets of titanium alloys, and the temperature for superplastic deformation is in the range 900 to 955 ° C.

io It has been known for several years that certain metals, such as titanium and many of its alloys, are superplastic. Superplasticity is a property of materials in which an unusually high tensile deformation is associated with a lower tendency to constrict. These 15 properties show only a few metals and alloys and only within a limited temperature and deformation rate range.

Titanium and titanium alloys have been observed to have superplastic properties that are equal to or greater than that of any other metal. With suitable titanium alloys, surface enlargements of up to 300% are possible.

The advantages of superplastic molding are many. Very complex shapes and deep-drawn parts can easily be formed. In order to form the metal in the superplastic temperature range, low deformation forces are required, the deformation and wear of the tools being kept low by the formation of parts under low pressure, which allows the use of inexpensive tool materials and prevents material migration in the tool; only male tools (stamps) or only female tools (matrices) can be used; there is no jumping back; no Bauschinger effect is created; multiple parts of different shapes can be made in a single operation; very small radii can be formed and there are no problems with compression folds or pits. However, if titanium or similarly behaving metals are shaped superplastically, it is necessary to heat and shape them in a monitored environment to ensure the purity of the titanium, which is particularly sensitive to oxygen, nitrogen and in at higher temperatures the air contains water vapor. If titanium is not protected, it will become brittle and its proper quality will be destroyed.

Diffusion bonding refers to the metallurgical bonding of surfaces of the same or different types of metal by heat and pressure for a period of time in order to cause atoms to mix at the adjacent interface. Diffusion welding is carried out exclusively in the solid state above half the melting point temperature (absolute) of the base metal. The time, temperature and pressure required vary from metal to metal. The opposing surfaces of the adjacent surfaces must be brought into an atomically close distance by the pressure. Adequate pressure must also be provided in order to achieve a low plastic flow to fill ordinary pores. If too little pressure is applied, 60 small pores remain on the bonded surfaces, and the strength of the bond will be less than the maximum achievable. The application of pressure also breaks up surface oxides and surface irregularities in such a way that clean surfaces result for the fusion. 65 The elevated temperature used for diffusion welding helps accelerate the diffusing atoms at the interface to be welded and softens the metal that helps the surface

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deform to allow more intimate contact for atomic fusion and movement across the surfaces to be fused. The elevated temperature and the application of pressure also result in a diffusion of the surface contamination into the base metal during the welding process, which leads to a metallic atom-to-atom fusion and thereby strengthens the connection. To allow the fusion obtained by diffusion of atoms between the interfaces to be welded to harden, a sufficiently long period of time must be allowed. A protective gas atmosphere must be provided for welding titanium or similar metals.

The process of superplastic forming of metals and diffusion welding have been described individually in previous publications. U.S. Patent 3,340,101 (Fields Jr. and others) shows a method for superplastic forming, where the metal is conditioned to obtain strain rate sensitivity and then vacuum alone or in conjunction with a metal tool. The patents relating to solid state or diffusion welding include US Patents 3,145,466; 3,180,022; 3,044,160; 2,850,798 and 3,170,234. In any case, the connection of the two methods is not set out in the prior art.

CH-PS 598 879 describes a process for the superplastic formation of metals with simultaneous diffusion welding. The essence of this invention, however, is to superplastically mold a metal compact against a shaping body and another metal workpiece, so that the metal compact is simultaneously molded and welded to the other metal workpiece in one operation by diffusion. This allows a hollow metal shape fused to peripheral flanges to be formed. In contrast, the method does not provide for the formation of layer structures (sandwich structures). Forming such structures in accordance with the present invention requires separate superplastic forming and connecting steps and a technique to weld selected locations of the compact used.