DE102010041532A1

DE102010041532A1 - Verbundbauteil

Info

Publication number: DE102010041532A1
Application number: DE102010041532A
Authority: DE
Inventors: Sven Fritzler; Jan Matschulla; Gunter Röhrich; Wolfgang Schäff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil, mit – einem inneren Bauteil (1), das einen Außenumfang (11) aufweist, und – einem äußeren Bauteil (3), das einen Innenumfang (31) aufweist, wobei – das innere Bauteil (1) am Außenumfang (11) unter Bildung eines vorgebbaren Spalts (4) vollständig von dem äußeren Bauteil (3) umschlossen ist und – das innere Bauteil (1) am Außenumfang (11) zumindest teilweise eine Schräge (11a) aufweist und/oder – das äußere Bauteil (3) am Innenumfang (31) zumindest teilweise eine Schräge (31a) aufweist, und wobei – zwischen dem inneren Bauteil (1) und dem äußeren Bauteil (3) ein Verbindungselement (2) angeordnet ist, das zumindest eine korrespondierende Schräge (21a, 22a) aufweist und aus einem Material mit einer höheren plastischen Verformbarkeit besteht als das Material des inneren Bauteils (1) und als das Material des äußeren Bauteils (3), wobei – das Verbindungselement (2) durch einen thermischen Verbindungsprozess mit dem inneren Bauteil (1) und dem äußeren Bauteil (3) verbunden ist. Ein derartiges Verbundbauteil ist ausfallsicher und weist auch bei starken dynamischen und/oder starken thermischen Belastungen eine hohe mechanische Festigkeit und eine gute thermische Leitfähigkeit auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil.
Verbundbauteile bestehen aus wenigstens zwei Bauteilen und werden in verschiedenen technischen Bereichen verwendet.
So ist beispielsweise in der EP 1 465 205 B1 ein Verbundbauteil für einen Fusionsreaktor bekannt. Dieses Verbundbauteil besteht aus einem ersten Bauteil (aus Wolfram oder einer Wolframlegierung) und einem zweiten Bauteil (aus einem Refraktärmetall-Kupfer-Verbundwerkstoff) sowie einem dritten Bauteil aus Kupfer.
In der DE 103 01 069 B4 ist ein Werkstoffverbund aus einem faserverstärkten Werkstoff und einem weiteren Werkstoff offenbart, der z. B. für eine Anode einer Röntgenröhre geeignet ist. Hierbei bildet der faserverstärkte Werkstoff den Anodenteller, wohingegen die Brennbahn aus dem weiteren Werkstoff gefertigt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein ausfallsicheres Verbundbauteil zu schaffen, das auch bei starken dynamischen und/oder starken thermischen Belastungen eine hohe mechanische Festigkeit aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verbundbauteil gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verbundbauteils sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Das Verbundbauteil nach Anspruch 1 umfasst

– ein inneres Bauteil, das einen Außenumfang aufweist, und
– ein äußeres Bauteil, das einen Innenumfang aufweist, wobei
– das innere Bauteil am Außenumfang unter Bildung eines vorgebbaren Spalts vollständig von dem äußeren Bauteil umschlossen ist und
– das innere Bauteil am Außenumfang zumindest teilweise eine Schräge aufweist und/oder
– das äußere Bauteil am Innenumfang zumindest teilweise eine Schräge aufweist, und wobei
– zwischen dem inneren Bauteil und dem äußeren Bauteil ein Verbindungselement angeordnet ist, das zumindest eine korrespondierende Schräge aufweist und aus einem Material mit einer höheren plastischen Verformbarkeit besteht als das Material des inneren Bauteils und als das Material des äußeren Bauteils, wobei
– das Verbindungselement durch einen thermischen Verbindungsprozess mit dem inneren Bauteil und dem äußeren Bauteil verbunden ist.

Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verbundbauteil zwischen dem inneren Bauteil und dem äußeren Bauteil ein Spalt vorliegt und dadurch, dass das innere Bauteil am Außenumfang und/oder das äußere Bauteil an seinem Innenumfang zumindest teilweise eine Schräge aufweist, kann das Verbindungselement, das an seinem Außenumfang zumindest eine korrespondierende Schräge aufweist, auf einfache Weise in den Spalt zwischen dem inneren Bauteil und dem äußeren Bauteil eingefügt werden. Anschießend werden das innere Bauteil mit dem Verbindungselement und das Verbindungselement mit dem äußeren Bauteil thermisch miteinander verbunden. Während dieser thermischen Behandlung rutscht das Verbindungselement vollständig in den Spalt, so dass der vorhandene Spalt vollständig durch das Verbindungselement ausgefüllt wird. Man erhält auf diese Weise eine spaltfreie Verbindung.
Das Verbindungselement besitzt eine höhere plastische Verformbarkeit als das innere Bauteil und eine höhere plastische Verformbarkeit als das äußere Bauteil. Das Verbindungselement weist also von allen beteiligten Bauteilen die höchste Duktilität auf. Damit tritt beim Abkühlen eine bleibende plastische Verformung im Verbindungselement auf, wodurch die auftretenden Spannungen reduziert werden, so dass die thermische Verbindung mit dem inneren Bauteil und die thermische Verbindung dem äußeren Bauteil nicht beschädigt werden. Bei dem Verbundbauteil nach Anspruch 1 ist somit auch bei starken dynamischen und/oder starken thermischen Belastungen, also unter allen Betriebsbedingungen, eine hohe Ausfallsicherheit und eine gute thermische Leitfähigkeit gegeben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das innere Bauteil am Außenumfang und das äußere Bauteil am Innenumfang jeweils eine Schräge auf weiterhin besitzt das das Verbindungselement zwei korrespondierende Schrägen.
Im Rahmen einer alternativen Ausführungsform kann das innere Bauteil am Außenumfang eine Schräge und das Verbindungselement eine korrespondierende Schräge aufweisen.
Gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verbundbauteils besitzt das äußere Bauteil am Innenumfang eine Schräge und das Verbindungselement weist eine korrespondierende Schräge auf.
Bevorzugte thermische Verbindungsprozesse, durch die das Verbindungselement mit dem inneren Bauteil und dem äußeren Bauteil verbindbar ist, sind Schmelzlöten, Diffusionslöten oder Kleben. Das Schmelzlöten kann durch Weichlöten (bis 450°C), Hartlöten (ab 450°C) oder Hochtemperaturlöten (über 900°C) im Vakuum oder unter Schutzgas) erfolgen, wobei die Anwendung über das verwendete Lötverfahren entscheidet.
Nachfolgend werden vier schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils im Bereich der thermischen Verbindung,
2 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils im Bereich der thermischen Verbindung,
3 eine Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils im Bereich der thermischen Verbindung,
4 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils vor der thermischen Verbindung der Bauteile,
5 das Verbundbauteil gemäß 4 während und nach der thermischen Verbindung der Bauteile.
In den 1 bis 3 ist mit 1 ein inneres Bauteil bezeichnet, das einen Außenumfang 11 aufweist. Weiterhin ist mit 3 ein äußeres Bauteil bezeichnet, das einen Innenumfang 31 aufweist. Das innere Bauteil 1 ist am Außenumfang 11 unter Bildung eines vorgebbaren Spalts 4 vollständig von dem äußeren Bauteil 3 umschlossen. Zwischen dem inneren Bauteil 1 und dem äußeren Bauteil 3, also im Spalt 4, ist ein Verbindungselement 2 eingefügt, das einen Innenumfang 21 und einen Außenumfang 22 aufweist.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt das innere Bauteil 1 am Außenumfang 11 eine Schräge 11a. Das äußere Bauteil 3 weist am Innenumfang 31 eine Schräge 31a auf. Weiterhin weist das Verbindungselement 2 am Innenumfang 21 eine zur Schräge 11a des inneren Bauteils 1 korrespondierende Schräge 21a auf. Außerdem besitzt das Verbindungselement 2 am Außenumfang 22 eine zur Schräge 31a des äußeren Bauteils 3 korrespondierende Schräge 22a.
Für das innere Bauteil 1 mit einem Ausdehnungskoeffizienten α₁ und für das äußere Bauteil 3 mit einem Ausdehnungskoeffizienten α₃ sowie für das Verbindungselement 2 mit einem Ausdehnungskoeffizienten α₂ gelten folgende Beziehungen:
α₂ > α₁ und α₂ < α₃ und α₁ ≠ α₃.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das innere Bauteil 1 am Außenumfang 11 eine Schräge 11a auf. Das Verbindungselement 2 besitzt am Innenumfang 21 eine zur Schräge 11a des inneren Bauteils 1 korrespondierende Schräge 21a.
Für das innere Bauteil 1 mit einem Ausdehnungskoeffizienten α₁ und für das äußere Bauteil 3 mit einem Ausdehnungskoeffizienten α₃ sowie für das Verbindungselement 2 mit einem Ausdehnungskoeffizienten α₂ gelten folgende Beziehungen:
α₂ > α₁ und α₂ > α₃ und α₁ ≠ α₃.
Bei der Ausführungsform gemäß 3 besitzt das äußere Bauteil 3 am Innenumfang 31 eine Schräge 31a. Das Verbindungselement 2 weist am Außenumfang 22 eine zur Schräge 31a des äußeren Bauteils 3 korrespondierende Schräge 22a auf.
Für das innere Bauteil 1 mit einem Ausdehnungskoeffizienten α₁ und für das äußere Bauteil 3 mit einem Ausdehnungskoeffizienten α₃ sowie für das Verbindungselement 2 mit einem Ausdehnungskoeffizienten α₂ gelten folgende Beziehungen:
α₂ < α₁ und α₂ < α₃ und α₁ ≠ α₃.
Bei den in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Verbindungselement 2 weiterhin durch einen thermischen Verbindungsprozess mit dem inneren Bauteil 1 und mit dem äußeren Bauteil 3 verbunden. Bevorzugte thermische Verbindungsprozesse, durch die das Verbindungselement 2 mit dem inneren Bauteil 1 und mit dem äußeren Bauteil 2 verbindbar ist, sind Schmelzlöten, Diffusionslöten oder Kleben.
Während dieser thermischen Behandlung rutscht durch Ausdehnung das Verbindungselement 2 vollständig in den Spalt 4, so dass aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungen der vorhandene Spalt 4 vollständig durch das Verbindungselement 2 ausgefüllt wird. Man erhält auf diese Weise eine spaltfreie Verbindung.
Das Verbindungselement 2 besitzt eine höhere plastische Verformbarkeit als das innere Bauteil 1 und eine höhere plastische Verformbarkeit als das äußere Bauteil 3. Das Verbindungselement 2 weist also von allen beteiligten Bauteilen 1, 2 und 3 die höchste Duktilität auf. Damit tritt beim Abkühlen eine bleibende plastische Verformung im Verbindungselement 2 auf, wodurch die auftretenden Spannungen reduziert werden, so dass die thermische Verbindung mit dem inneren Bauteil 1 und die thermische Verbindung dem äußeren Bauteil 2 nicht beschädigt werden. Bei einem auf diese Weise hergestellten Verbundbauteil ist somit auch bei starken dynamischen und/oder starken thermischen Belastungen, also unter allen Betriebsbedingungen, eine hohe Ausfallsicherheit gegeben.
Das in den 4 und 5 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine als Anode ausgebildetes Verbundbauteil. Die Anode umfasst hierbei einen Anodenflansch, der das innere Bauteil 1 bildet und die Form eines Kegelstumpfs aufweist, sowie einen Anodenteller, der das äußere Bauteil 3 bildet.
Das innere Bauteil 1 besteht z. B. aus Molybdän oder aus einer Molybdänlegierung, z. B. TZM. Das äußere Bauteil 3 ist beispielsweise aus einem Kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff (CFC, Carbon Fiber reinforced Carbon) gefertigt. Das Verbindungselement 2 besteht aus Kupfer.
Das innere Bauteil 1 (Anodenflansch) und das äußere Bauteil 3 (Anodenteller) sowie das Verbindungselement 2 sind rotationssymmetrische Bauteile. Die erfindungsgemäße Lösung ist jedoch auch für eine großflächige Verbindung bei einem Verbundbauteil mit einer anderen Symmetrie oder bei einem Verbundbauteil mit nicht-symmetrischen Bauteilen realisierbar.
Die in 4 und 5 dargestellte Anode (Verbundbauteil) umfasst also einen Anodenflansch 1 (inneres Bauteil mit einem Ausdehnungskoeffizienten α₁) und einen Anodenteller 3 (äußeres Bauteil mit einem Ausdehnungskoeffizienten α₃) sowie einen Zwischenring 2 (Verbindungselement mit einem Ausdehnungskoeffizienten α₂), wobei für die Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Bauteile 1, 2 und 3 folgende Beziehungen gelten:
α₂ > α₁ und α₂ > α₃ und α₁ > α₃.
Diese Beziehung liegt auch den Prinzipdarstellungen in den 1 bis 3 zugrunde, wobei die Neigungswinkel der korrespondierenden Schrägen abhängig sind von den Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Bauteile.
Die beteiligten Bauteile (Anodenflansch 1, Anodenteller 3 und Zwischenring 2) sind im dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Vakuumlötung miteinander verbunden.
Zwischen den zu verbindenden Bauteilen 1, 2 und 3 der Anode ist eine geeignete Lotlegierung als Lotfolie oder als Lotdraht einzubringen.
Um die optimale Position der zu verlötenden Bauteile 1, 2 und 3 (Lötpartner) zu gewährleisten ist es von Vorteil die betreffenden Bauteile mit Gewichten zu beschweren.
Um die bei der Abkühlung nach der Lötung auftretenden Spannungen zu kompensieren, ist der Zwischenring 2 aus einem duktilen Material (z. B. Kupfer oder eine Kupferlegierung) gefertigt. Das Material des Zwischenrings 2 kann zur Optimierung des Spannungsverlaufs auch einen gradierten Aufbau haben.
Die drei Lötpartner 1, 2 und 3 können – müssen jedoch nicht – rotationssymmetrisch ausgeführt sein. So ist auch möglich, dass der Anodenflansch 1 z. B. im Bereich des Außenumfangs 11 eine nicht-rotationssymmetrische Außenkontur aufweist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Anodenflansch 1 jedoch rotationssymmetrisch und weist am Außenumfang 11 eine umlaufende Wulst 12 auf.
Da bei dem in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der duktile Zwischenring 2 einen deutlich höheren Ausdehnungskoeffizienten α₂ aufweist, sind die zueinander weisenden Oberflächen (Außenumfang 11 des Anodenflansches 1 und Innenumfang 21 des Zwischenrings 2) konisch ausgeführt.
In 4 sind die Lötpartner, nämlich der Anodenflansch 1 (aus Mo) und der Zwischenring 2 (Cu) sowie der Anodenteller 3 (CFC) bei Raumtemperatur (also vor der der Vakuumlötung) dargestellt. Der Zwischenring 2 ist derart geformt, dass er keinen Spalt zum Anodenflansch 1 und einen großen Spalt 4 zum Anodenteller 3 besitzt. Der Zwischenring 2 weist zum Wulst 12 einen Abstand 5 auf.
Die Geometrien der jeweiligen Lötpartner 1, 2 und 3 sind so ausgeführt, dass der Lötpartner 2 (Zwischenring bzw. Verbindungselement) beim Erreichen der Löttemperatur in die gewollte Position rutscht (5) und sich die optimalen Lotspalte einstellen. Der Zwischenring 2 ist nun nicht mehr zum Wulst 12 beabstandet, sondern liegt auf diesem auf.
Die Geometrien der Lötpartner 1, 2 und 3 können beispielsweise konisch/konisch, zylindrisch/konisch oder konisch/zylindrisch (siehe 1 bis 3) ausgestaltet sein.
Zwischen den zu verbindenden Bauteilen 1, 2 und 3 ist eine geeignete Lotlegierung als Lotfolie oder Lotdraht einzubringen. In 4 und 5 ist das Lot aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung können schadensfreie Verbindungen von massiven rotationssymmetrischen Körpern stark unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten durch Löten realisiert werden. Durch das Einbringen eines Verbindungselements 2 (duktiler Zwischenring) werden die beim Abkühlen der Lötpartner 1, 2 und 3 auftretenden Zugspannungen durch eine plastische Verformung des Verbindungselements 2 abgebaut.
Der vorstehend beschriebene thermische Verbindungsprozess ist beispielsweise für die Herstellung eines Verbundbauteils geeignet, das auch bei starken dynamischen und/oder starken thermischen Belastungen eine hohe mechanische Festigkeit besitzen muss, wie dies beispielsweise bei Drehanoden für Röntgenröhren gefordert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1465205 B1 [0003]
DE 10301069 B4 [0004]

Claims

Verbundbauteil, mit – einem inneren Bauteil (1), das einen Außenumfang (11) aufweist, und – einem äußeren Bauteil (3), das einen Innenumfang (31) aufweist, wobei – das innere Bauteil (1) am Außenumfang (11) unter Bildung eines vorgebbaren Spalts (4) vollständig von dem äußeren Bauteil (3) umschlossen ist und – das innere Bauteil (1) am Außenumfang (11) zumindest teilweise eine Schräge (11a) aufweist und/oder – das äußere Bauteil (3) am Innenumfang (31) zumindest teilweise eine Schräge (31a) aufweist, und wobei – zwischen dem inneren Bauteil (1) und dem äußeren Bauteil (3) ein Verbindungselement (2) angeordnet ist, das zumindest eine korrespondierende Schräge (21a, 22a) aufweist und aus einem Material mit einer höheren plastischen Verformbarkeit besteht als das Material des inneren Bauteils (1) und als das Material des äußeren Bauteils (3), wobei – das Verbindungselement (2) durch einen thermischen Verbindungsprozess mit dem inneren Bauteil (1) und dem äußeren Bauteil (3) verbunden ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, bei dem das innere Bauteil (1) am Außenumfang (11) und das äußere Bauteil (3) am Innenumfang (31) jeweils eine Schräge (11a, 31a) und das Verbindungselement (2) zwei korrespondierende Schrägen (21a, 22a) aufweisen.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, bei dem das innere Bauteil (1) am Außenumfang (11) eine Schräge (11a) und das Verbindungselement (2) eine korrespondierende Schräge (21a) aufweisen.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, bei dem das äußere Bauteil (3) am Innenumfang (31) eine Schräge (31a) und das Verbindungselement (2) eine korrespondierende Schräge (22a) aufweisen.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, wobei der thermische Verbindungsprozess Schmelzlöten ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, wobei der thermische Verbindungsprozess Diffusionslöten ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, wobei der thermische Verbindungsprozess Kleben ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, bei dem das innere Bauteil (1) aus Molybdän besteht.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, bei dem das innere Bauteil (1) aus einer Molybdänlegierung besteht.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, bei dem das äußere Bauteil (3) aus einem Kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff besteht.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, bei dem das Verbindungselement (2) aus Kupfer besteht.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, bei dem das innere Bauteil (1) als Anodenflansch und das äußere Bauteil (3) als Anodenteller ausgebildet ist.