-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern
unter Anwendung einer Diffusionsverbindung, der ein gasdichtes Fügen
der miteinander zu verbindenden Teil unter Vakuum, beispielsweise
durch Elektronen strahlschweißen, vorausgeht.
-
Des
Diffusionsschweißens ist ein ausgesprochen vorteilhaftes
Fügeverfahren insbesondere für Teile und Materialien,
die sich nicht oder nur sehr schwer mit den Werkstoff an der Fügestelle
aufschmelzenden Schweißverfahren ausreichend fest und dauerhaft
verbinden lassen oder die als Fertigteil eine sehr komplizierte,
nur aus Einzelteilen herstellbare Form aufweisen und deren Fügeprozess
durch Schmelzschweißverfahren wegen der erforderlichen Nahttiefe
sehr aufwändig ist. Im Unterschied zu den Schmelzschweißverfahren
entsteht beim Diffusionsschweißen bekanntlich durch die
molekulare und/oder atomare Diffusion im Verbindungsbereich eine
dem bzw. den Werkstoffen der zu verbindenden Teile äquivalente
Verbindungsstruktur, wodurch die Diffusionsverbindung ihre hohe
Festigkeit erlangt.
-
Daher
findet das Diffusionsschweißen seine Anwendung insbesondere
bei der Herstellung von Verschleißschutzschichten für
hoch beanspruchte Bauteile, wie Ventile (
DE 602 08 867 T2 ), Gelenklager
(
DE 20 2004 013
251 U1 ), Zylinderköpfe von Kolben-Verbrennungsmaschinen
aber auch bei der Herstellung von massiven oder hohlen Verbundkörpern, wie
Turbotriebwerksschaufeln, Turbinenschaufeln, Gebläsescheiben
für Gasturbinentriebwerke, u. ä.
-
Damit
an den Fügeflächen tatsächlich auch die
oben erwähnte molekulare und/oder atomare Diffusion stattfinden
kann, müssen diese einen reinen Metall-Metall-Kontakt aufweisen,
d. h. sie müssen frei von jeglichen Verunreinigungen und
Oxiden sein. Nach der damit verbundenen aufwändigen Vorbereitung
der Fügeflächen muss der Zutritt von Sauerstoff zu
den Fügeflächen bis zum Abschluss des Diffusionsschweißvorganges
verhindert werden. Hierzu ist es bereits bekannt, die Fügestelle
unter Vakuum umlaufend abzudichten, beispielsweise dicht zu schweißen.
Dabei wird der äußere Rand der Fügestelle, also
der Bereich, der unmittelbar mit der Umgebungsluft Kontakt hat,
durch Elektronenstrahl- oder Laserschweißen dicht verschweißt,
so dass die Fügeflächen von der Außenatmosphäre
abgeschirmt sind (
DE
36 14 475 C2 ;
EP
0 398 760 B1 ).
-
Die
Abdichtung des Raumes zwischen den zu verbindenden Teilen hat ferner
den Vorteil, dass der Verbundkörper dann aus der Vakuumkammer
der Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung entnommen und nachfolgend
frei und ohne zeitliche Einschränkung weiterverarbeitet
werden kann. Der eigentliche unter Temperatur und Druck ablaufende
Diffusionsschweißvorgang erfordert kein Vakuum mehr sondern
kann unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt
werden.
-
Trotz
dieses inzwischen erreichten wesentlichen Vorteils erfordert die
Anwendung des Diffusionsschweißens immer noch und insbesondere
durch das zusätzliche Dichtfügen unter Vakuum,
z. B. in einer Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung, einen
verhältnismäßig hohen Energieaufwand.
Auch der apparative Aufwand des Diffusionsschweißprozesses selbst
sowie der Platzbedarf für die Vorrichtungen zur Wärme-
und Druckaufbringung sind verhältnismäßig hoch.
-
Die Erfindung und ihre Vorteile
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil,
dass es gegenüber den herkömmlichen Verfahren
einen geringeren Energieaufwand erfordert, da keine oder kaum zusätzliche
Kräfte zur Aufbringung des zum Diffusionsschweißen
erforderlichen Anpressdruckes der Fügeflächen
erforderlich sind. Damit reduziert sich auch der apparative Aufwand
des Diffusionsschweißprozesses deutlich. Das wird dadurch
erreicht, dass die Energie zur Aufbringung der zum Diffusionsschweißen
erforderlichen Anpresskräfte aus den mit der Erwärmung
des Verbundkörpers einhergehenden Eigenschaftsveränderungen
im Material der Teile des Verbundkörpers gewonnen wird.
Dazu werden an dem Verbundkörper Mittel vorgesehen bzw.
Maßnahmen vorgenommen, die dazu geeignet sind, so auf das
Ausdehnungsverhalten der Teile des dicht gefügten Verbundkörpers
infolge seiner Erwärmung Einfluss zu nehmen bzw. zu reagieren,
dass die Fügeflächen der einzelnen Teile gegeneinander
gepresst werden. Diese Mittel bzw. Maßnahmen können grundsätzlich
aktiver oder passiver Natur sein. Unter aktiven Mitteln sollen hier
solche Mittel verstanden werden, die in Form zusätzlicher
Vorrichtungen mit dem dichtgefügten Verbundkörper
in Wirkverbindung gebracht werden müssen. Unter passiven
Mitteln sollen hier solche Mittel verstanden werden, die zwar keine
zusätzlichen Vorrichtungen, jedoch Maßnahmen an
den Teilen, aus denen der Verbundkörper besteht, erfordern.
-
Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als aktives
Mittel, das der Wärmeausdehnung der dicht gefügten
Teile entgegenwirkt, eine Druckvorrichtung verwendet, in die diese
Teile vor deren Erwärmung eingelegt werden. Im einfachsten Fall
besteht diese Druckvorrichtung aus zwei Platten, deren Abstand mit
Schrauben einstellbar ist. Das Material, aus dem diese Druckvorrichtung
besteht, muss selbstverständlich einen gegenüber
dem der gefügten Teile kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Auf diese Weise wird quasi eine Wärmeausdehnung dieser
Teile verhindert, also deren Ausdehnung infolge der Erwärmung
beim Diffusionsschweißprozess ein Widerstand entgegengesetzt. Aufgrund
dessen, dass das Material infolge der Erwärmung an Festigkeit
verliert, baut sich auch an den Fügeflächen zwischen
den dicht gefügten Teilen ein Druck auf, der als Anpressdruck
für den Diffusionsschweißprozess ausgenutzt wird.
-
Gegenüber
herkömmlichen Einrichtungen zur Aufbringung des Diffusionsschweißdruckes
sind diese Druckvorrichtungen deutlich kleiner, einfacher in der
Herstellung und damit kostengünstiger. Aufgrund ihrer kleineren
Baugröße sind sie leichter handhabbar, erfordern
weniger Platz und können daher auch problemlos beispielsweise
in Elektronenstrahlschweißkammern eingesetzt werden. Ebenso ist
es möglich, mehrere Verbundkörper, die lediglich durch
eine stabile Platte voneinander getrennt sind, in eine derartige
Druckvorrichtung einzusetzen.
-
Nach
einer diesbezüglich vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
werden zwischen den zu fügenden Teilen und der Druckvorrichtung
Teile aus Materialien mit einem sich gegenüber den zu fügenden
Teilen deutlich größeren Wärmausdehnungskoeffizienten
ausgeordnet. Auf diese Weise wird der Druck auf die dicht geschweißten
Teile noch erhöht. Außerdem kann dann die Vorrichtung
selbst aus einem preisgünstigen Material, z. B. aus einem üblichen
Baustahl, hergestellt werden.
-
Nach
einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird
als passive Maßnahme, bei der Erwärmung der dicht
gefügten Teile gleichzeitig ein Gegeneinanderpressen der
Fügeflächen der einzelnen Teile zu bewirken, in
mindestens eines der zu fügenden Teile mindestens ein Hohlraum
eingebracht, der zur Fügefläche hin offen ist.
In der Vakuumkammer werden dieser bzw. diese Hohlräume
evakuiert und beim Fügen der Teile hermetisch verschlossen.
Sollte sich ein Hohlraum also bis an den Rand eines der Teile erstrecken,
muss dieser vollständig abgedichtet werden, so dass in
dem Verbundkörper das in der Vakuumkammer anliegende Vakuum
auch dann erhalten bleibt, wenn der Verbundkörper aus dieser
herausgenommen wird.
-
Wird
nun der gasdichte Verbundkörper auf Diffusionsschweißtemperatur
erwärmt, tritt eine Destabilisierung der Festigkeit des
Materials einschließlich der Fügestelle ein. Dadurch
kommt nunmehr das in dem bzw. den Hohlräumen des Verbundkörpers befindliche
Vakuum zur Wirkung, indem es die einzelnen Teile gegeneinander zieht,
wodurch die für das Diffusionsschweißen erforderliche
Anpresskraft auf die Fügeflächen aufgebracht wird.
-
Nach
einer diesbezüglich vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
werden der bzw. die Hohlräume als Funktionskontur oder
Funktionshohlraum in mindestens eines der zu fügenden Teile
eingebracht. D. h. Form, Verlauf und Abmessung des bzw. der Hohlräume
werden bereits vor dem Fügevorgang entsprechend seiner
bzw. ihrer nach Fertigstellung des Verbundkörpers vorgesehenen
Anwendung bzw. Funktion gestaltet. Beispielhaft sei an dieser Stelle die
Anwendung derartiger Hohlräume als Kühlkanäle,
Leitungsführungen für Medien oder auch als konstruktives
Mittel zur Gewährleistung der statischen und/oder dynamischen
Festigkeit des Verbundkörpers genannt.
-
Damit
soll klargestellt sein, dass die Einbringung des bzw. der Hohlräume
in mindestens eines der zu fügenden Teile nicht ausschließlich
zum Zweck der Ausbildung eines Vakuums in den Verbundkörper
eingebracht werden, sondern auf diese Weise generell hohle Verbundkörper
hergestellt werden können. Das Einbringen des bzw. der
Hohlräume kann also bereits bei der Herstellung der einzelnen Komponenten
des Hohlkörpers erfolgen, und zwar in Form, Verlauf und
Abmessung entsprechend der funktionstechnisch vorgesehenen Eigenschaften bzw.
Aufgabe des bzw. der Hohlräume. Sollten die funktionsbedingten
Hohlräume in den einzelnen Teilen bis zu deren Rand verlaufen,
müssen diese offenen Bereiche beim gasdichten Fügen
mit verschlossen werden, um das Vakuum in den Hohlräumen
aufrecht zu erhalten. Nach dem Diffusionsschweißen können
diese Bereiche durch eine mechanische Bearbeitung wieder geöffnet
werden.
-
Nach
einer diesbezüglich vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
wird vor der Aufbringung der zum Diffusionsschweißen erforderlichen
Wärme der dicht gefügte Verbundkörper
in eine Druckvorrichtung eingespannt und mittels dieser unter eine Vorspannung
gebracht, die größer ist als die durch das in
den Verbundkörper eingeschlossene Vakuum ausgeübte
Zugspannung. Das ist dann von Vorteil, wenn das in den Hohlräumen
befindliche Vakuum zur Aufbringung der für das Diffusionsschweißen
erforderlichen Anpresskräfte nicht ausreichend sein sollte.
In dem Fall wird also wie bei den zuvor beschriebenen aktiven Maßnahmen
eine zusätzliche Anpresskraft aus der Verhinderung der
Wärmeausdehnung der Teile des Verbundkörpers gewonnen.
-
Nach
einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
wird der dicht gefügte Verbundkörper außerhalb
der Elektronenstrahl-Vorrichtung auf Diffusionsschweißtemperatur
erwärmt. Auch bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren kann der dicht gefügte Verbundkörper,
wie bereits im Stand der Technik als vorteilhaft beschrieben, ohne
ein äußeres Vakuum den sich anschließenden
Diffusionsschweißprozess durchlaufen, nun allerdings mit
dem entscheidenden Vorteil der vorliegenden Erfindung, allein durch
Beaufschlagung mit einer definierten Temperatur in einem definierten
Zeitintervall. Der Druckaufbau erfolgt mit den genannten Mitteln
bzw. Maßnahmen, jedoch in der Regel ohne eine externe Kraftaufbringung.
Diese Mittel zur Realisierung des Diffusionsschweißdrucks,
also beispielsweise die zuvor genannte Druckvorrichtung, sind in
ihrem Aufbau deutlich kleiner als die bisher für diesen
Zweck verwendeten Pressen, da sie den Verbundkörper lediglich
aufnehmen, selbst also keinen Druck aufbringen müssen.
Die Vorrichtungen, die die Teile des Verbundkörpers nicht
nur fixieren, sondern auch eine Vorspannung auf diese Teile aufbringen
müssen, beispielsweise um den mit dem Elektronenstrahlschweißen
einhergehenden Schrumpfungsprozess zu kompensieren, sind in ihrem
Aufbau auch nicht größer als die zuvor genannten
Vorrichtungen und in ihrer Handhabung sehr einfach.
-
Nach
einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird
die Temperatur eines Wärmbehandlungsprozesses des Verbundkörpers zur
Aufbringung der Diffusionsschweißwärme ausgenutzt.
In der Regel werden die Verbundkörper zur Wiederherstellung
ihrer ursprünglichen Festigkeit nach dem Diffusionsschweißen
einem Vergütungsprozess unterzogen. Dies musste bisher
wegen der verhältnismäßig großen
Vorrichtungen zur Aufbringung der Diffusionsschweißkräfte
immer nach dem Diffusionsschweißen als eigenständiger
Verfahrensschritt erfolgen. Da durch das erfindungsgemäße Verfahren
nunmehr keine oder lediglich kleine Druckvorrichtungen erforderlich
sind, kann der Diffusionsschweißprozess zeitlich gesehen
auch Bestandteil des Wärmbehandlungsprozess sein bzw. zumindest zeitweise
parallel ablaufen, wodurch die Verfahrensdauer zur Herstellung des
Verbundkörpers insgesamt verkürzt wird.
-
Nach
einer besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erfolgt
das feste und gasdichte Fügen der Teile des Verbundkörpers
durch Elektronenstrahlschweißen. Bei diesem Fügeverfahren
ist das Vakuum bereits prozessbedingt für den Elektronenstrahl
vorhanden.
-
Nach
einer diesbezüglich vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
wird die Diffusionsschweißwärme durch den Elektronenstrahl
aufgebracht. Hierbei müssen die zu verbindenden Teile allerdings
in einer Druckvorrichtung unter eine solche Vorspannung gebracht
werden, die den Schrumpfungsprozess, der beim Elektronenstrahlschweißen
der Teile auftritt, überwindet. Für die Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Druckvorrichtung und zu verbindender Teile gilt das zuvor Gesagte:
jener der Druckvorrichtung muss kleiner sein als jener der Teile.
Durch diese Verfahrensweise kann der Verbundkörper bereits
in der Elektronenstrahlkammer diffusionsgeschweißt und somit
fertiggestellt werden.
-
Schließlich
besteht eine zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltung der
Erfindung darin, im Randbereich zwischen den miteinander zu verbindenden
Teilen eine Zwischenlage anzuordnen. Das ist dann notwendig, wenn
diese Teile aus einem Werkstoff oder verschiedenen Werkstoffen bestehen,
der bzw. die sich nicht ohne weiteres durch Elektronenstrahlschweißen
miteinander verbinden lassen. Diese Zwischenlage besteht dann aus
einem Werkstoff, der eine Verbindung mit dem jeweils angrenzenden
Teil durch Elektronenstrahlschweißen ermöglicht.
-
Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen
entnehmbar.
-
Zeichnung
-
Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. In den
Zeichnungen zeigen:
-
1 eine
Druckvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung
eines Verbundkörpers aus Stahl in Sprengdarstellung und
in räumlicher Darstellung und
-
2 eine
zweite Variante einer Druckvorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
-
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
-
Der
in den 1 und 2 dargestellte Verbundkörper
besteht aus einem Grundkörper 1 mit einem Kühlkanal 2 und
einer Deckplatte 3, die mit dem Grundkörper 1 durch
Diffusionsschweißen verbunden werden soll. Der Kühlkanal 2 ist über Öffnungen 4 nach
außen geführt. Die einander zugewandten Flächen
von Grundkörper 1 und Deckplatte 3 werden als
Fügeflächen 5 bezeichnet. Vor dem Einlegen
in die Vakuumkammer einer Elektronenstrahlschweißvorrichtung
werden die Fügeflächen 5 gründlich
gereinigt, so dass sie fettfrei und metallisch blank sind. Danach
werden Grundkörper 1 und Deckplatte 2 zwischen
einer oberen Druckplatte 6 und einer unteren Druckplatte 7 einer
Druckvorrichtung angeordnet, die jeweils vier im montierten Zustand
fluchtende Bohrungen 8 aufweisen. Diese Bohrungen 8 nehmen
hier lediglich durch Pfeile dargestellte Spannschrauben 9 auf,
mit denen die beiden Druckplatten 6, 7 gegeneinander
geschraubt werden können, um Grundkörper 1 und
Deckplatte 2 im positionierten Zustand zueinander zu fixieren.
Der Anpressdruck der beiden Druckplatten 6, 7 wird
so gewählt, dass die durch den anschließenden
Schweißprozess eintretende geringfügige Schrumpfung,
also das Aufeinanderzugehen von Grundkörper 1 und
Deckplatte 3 ausgeglichen wird, d. h. dass trotz des Nachgebens
der beiden Druckplatten 6 und 7 in gleicher Richtung
wie Grundkörper 1 und Deckplatte 3 eine
ausreichende Druckspannung auf den Grundkörper 1 und
die Deckplatte 3 und somit ihre Fixierung erhalten bleibt.
-
In
dieser fixierten Anordnung werden nun Grundkörper 1 und
Deckplatte 3 mit der Druckvorrichtung in der Vakuumkammer
der Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung angeordnet, in
der nunmehr das zum Elektronenstrahlschweißen erforderlich
Vakuum erzeugt wird. Dieses liegt über die Öffnungen 4 sofort
auch im Innern des inzwischen durch die Deckplatte 3 verschlossenen
Grundkörpers 1 an. Würden die Öffnungen 4 fehlen,
müsste sich das Vakuum im Innern des Grundkörpers 1 über
die metallisch blanken Fügeflächen 5 ausbilden,
was durchaus eine bestimmte Zeit in Anspruch nehmen und dadurch
den Dichtschweißprozess verlängern würde.
-
Mit
Erreichen des erforderlichen Unterdrucks werden der Verbundkörper
entlang des äußeren Randes der Fügefläche 5 gasdicht
verschweißt und die beiden Öffnungen verschlossen.
Danach kann der Verbundkörper der Vakuumkammer entnommen werden,
da die einander zugewandten, durch Diffusionsschweißen
zu verbindenden Fügeflächen 5 gegenüber
der Umgebung hermetisch abgeschlossen sind.
-
Zur
Herstellung einer ausreichend festen und dauerhaften Verbindung
zwischen Grundkörper 1 und Deckplatte 3 schließt
sich nun der Diffusionsschweißprozess an, indem der bisher
lediglich gasdichte Verbundkörper der erforderlichen Temperatur, bei
der es zu einer Diffusionsverbindung der Fügeflächen 5 kommt,
ausgesetzt wird. Das ist auf zweierlei Verfahrensweisen möglich.
Bei Verbundkörpern mit einem ausreichend großen
evakuierten Innenraum werden die Zugkräfte des Vakuums
groß genug sein, um bei Erwärmung des Verbundkörpers
den zur Diffusionsverbindung erforderlichen Anpressdruck der Fügeflächen 5 aufzubauen.
In diesem Fall kann die Druckvorrichtung entfernt werden.
-
Ist
das nicht gewährleistet, muss der Verbundkörper
in der Druckvorrichtung verbleiben. In diesem Fall muss die Druckvorrichtung
natürlich aus einem Werkstoff bestehen, der eine geringere
Wärmeausdehnung als das Material des Verbundkörpers aufweist.
Bei Erwärmung auf Diffusionsschweißtemperatur
bietet sie einen ausreichenden Widerstand gegen die stärkere
Ausdehnung des Verbundkörpers, so dass sich an dessen Fügeflächen 5 der
erforderliche Anpressdruck aufbaut. Die gleiche Verfahrensweise
ist zu wählen, wenn der Verbundkörper kein Hohlkörper
ist, also von vorn herein keine Zugkräfte zum Aufbau eines
Anpressdrucks vorhanden sind.
-
2 zeigt
eine zweite Variante einer Druckvorrichtung zur Herstellung des
gleichen Verbundkörpers aus Stahl für den Fall,
dass Verbundkörper und Druckvorrichtung aus dem gleichen
Werkstoff bestehen oder Werkstoffen, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten
nicht ausreichend unterschiedlich sind. Der Verbundkörper
sowie gleiche Teile dieser Druckvorrichtung wurden mit den gleichen
Bezugsziffern versehen wie in 1.
-
Um
mit einer Druckvorrichtung, die ein ähnliches bis gleiches
Wärmeausdehnungsverhalten wie der Verbundkörper
selbst zeigt, ohne großen Aufwand trotzdem einen ausreichend
großen Widerstand gegen die Ausdehnung des Verbundkörpers aufbringen
zu können, werden zwischen dem Verbundkörper und
der oberen und unteren Druckplatte 6, 7 zusätzliche
Druckplatten 10 angeordnet, die aus einem Material mit
einem gegenüber dem Verbundkörper und der Druckvorrichtung
größeren Ausdehnungskoeffizienten, im vorliegenden
Beispiel aus Aluminium bestehen. Diese dehnen sich bei Erwärmung
auf Diffusionsschweißtemperatur mehr aus als die Druckplatten 6, 7 und
als der Verbundkörper. Dadurch erhöht sich der
Anpressdruck der Fügeflächen 5 des Verbundkörpers
in einem Maße, dass nunmehr alle Erfordernisse des Diffusionsschweißprozesses erfüllt
sind. Diese Variante einer Druckvorrichtung kann generell immer
dann gewählt werden, wenn eine Erhöhung des Anpressdrucks
der Fügeflächen 5 gewünscht
wird.
-
Alle
in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der
Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln
als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
-
- 1
- Grundkörper
- 2
- Kühlkanal
- 3
- Deckplatte
- 4
- Öffnungen
- 5
- Fügefläche
- 6
- Obere
Druckplatte
- 7
- Untere
Druckplatte
- 8
- Bohrung
- 9
- Spannschrauben
- 10
- Zusätzliche
Druckplatte
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 60208867
T2 [0003]
- - DE 202004013251 U1 [0003]
- - DE 3614475 C2 [0004]
- - EP 0398760 B1 [0004]