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Vorrichtung und Verfahren zum dichten Verschließen von Hülsen Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum dichten Verschließen von Hülsen mittels eines
stirnseitig in die Hülse eingesetzten Stopfens, wobei im Verlauf einer Relativbewegung
der mit dem Stopfen versehenen Hülse gegenüber einer einen Elektronenstrahl aussendenden
Quelle nacheinander verschiedene Stellen der zu verschließenden Stirnfläche der
Hülse dem aufprallenden Elektronenstrahl ausgesetzt werden.
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Die Erfindung betrifft gleichermaßen eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Dieses Verfahren ist insbesondere bei Hülsen aus solchem Werkstoff
anwendbar, dessen Struktur sich ändert, wenn er auf Schweißtemperatur gebracht wird.
Das Verfahren eignet sich insbesondere für gefrittete Metalle wie beispielsweise
gefrittetes Aluminium. Solche Hülsen werden vorzugsweise zur Aufnahme von Kernreaktor-Verbrennungsstoffen
verwendet.
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Aluminium wird bekanntlich zur Herstellung hülsenförmiger Behälter
zur Aufnahme von Kernreaktor-Verbrennungsstoffen verwendet, weil es besonders günstige
mechanische, thermische und neutronische Eigenschaften aufweist. Auch kann es verhältnismäßig
leicht geschweißt werden. Die Verwendung von gefrittetem Aluminium bereitet dem
Fachmann jedoch hinsichtlich seiner mechanischen Verbindung und der Verschweißung
einige Schwierigkeiten. Aus diesem Grund verarbeitet man bislang gefrittetes Aluminium
im Warmpreßverfahren, im Lichtbogenschweißverfahren und unter Anwendung von Ultraschall.
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Man hat auch schon Schweißungen mittels Elektronenbeschießung im Vakuum
durchgeführt, wobei die Wärmeübertragung durch die Umwandlung der kinetischen Energie
der von einer Elektronenkanone ausgeschossenen Elektronen herrührt. Der von der
Elektronenquelle ausgehende Elektronenstrahl kann sehr dünn gehalten werden, so
daß er sich nur in einer eng begrenzten Schmelzzone auswirkt; dieses Verfahren weist
aber wie alle Schweißverfahren den Nachteil einer metallischen Strukturumwandlung
auf, die insbesondere bei gefritteten Metallen sich sehr ungünstig auf deren Eigenschaften
auswirkt. Es besteht daher die Gefahr, daß eine Verschweißung keine ausreichend
innige und dauerhafte Verschmelzung ergibt.
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Gemäß der Erfindung werden diese Nachteile dadurch vermieden, daß
die Intensität des auf die Schweißstelle auftreffenden Elektronenstrahls so geregelt
wird, daß die Schweißzone sich von der Stirnfläche des zu verschließenden Hülsenendes
nur bis zu einer bestimmten Tiefe erstreckt, nicht aber bis zur unteren Begrenzung
des Verschlußstopfens, wobei die Erwärmung in der der unteren Stopfenbegrenzung
benachbarten Zone ausreicht, um eine Diffusionsverbindung der unteren Zone der Stopfenwandung
mit der entsprechenden Hülsenzone mindestens in dem Bereich zu bewirken, in welchem
der Hülsenkörper mittels mechanischer Mittel gegen die Stopfenmantelfläche gepreßt
wird. Man vereinigt somit die Vorteile einer vollkommenen Dichtheit einer Schweißverbindung
mit den Vorteilen der Festigkeit einer Diffusionsverbindung. Darüber hinaus gibt
die Schweißverschmelzung auf Grund des Fließens die Möglichkeit der Feststellung,
daß eine Verschmelzung stattgefunden hat, was nicht möglich wäre, wenn man sich
mit einer reinen Diffusionsverbindung begnügen würde.
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Bei einer vorteilhaften Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird diejenige Zone, die der einer mechanischen Pressung ausgesetzten Ringzone benachbart
ist, gekühlt und dadurch der Temperaturgradient zur Stirnfläche der Hülse vergrößert.
Die Diffusion, die an der Berührungsfläche zwischen Hülse und Stopfen durch das
Zusammenwirken der mechanischen Pressung mit dem Temperaturgradienten hervorgerufen
wird, zeitigt den doppelten
Vorteil, daß die bestehende Phasenstruktur
nicht geändert wird und trotzdem eine sehr innige Verbindung hervorgerufen wird,
wie man an Hand von Mikrophotographien und auf Grund von Druckversuchen feststellen
konnte.
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Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Vorrichtung
umfaßt in bekannter Weise einen Vakuumbehälter, in welchen eine Halterung für die
zu verschließende Hülse angeordnet ist, sowie eine Elektronenstrahlquelle, die einen
Strahl aussendet, der im wesentlichen parallel zu der Hülsenachse verläuft und etwa
mit der Berührungsfläche des Stopfens mit der Hülse fluchtet, wobei die Hülse zusammen
mit der sie tragenden Halterung gegenüber der Elektrostrahlquelle eine Relativbewegung
ausführen können. Diese Vorrichtung ist gemäß der Erfindung durch mindestens eine
Rolle ergänzt, die in radialer Richtung in Höhe des Stopfens unter der Einwirkung
einer vorzugsweise regelbaren Kraft gegen die äußere Mantelfläche der Hülse wirkt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in schematischer Weise dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen senkrechten
,Achsenschnitt eines Ausschnittes der Vorrichtung, F i g. 2 einen Schnitt durch
eine gegenüber der F i g. 1 abgewandelte Stopfenverbindung und F i g. 3 eine schaubildliche
Darstellung einer gegenüber der F i g. 1 abgewandelten Vorrichtung. In das obere
Ende einer zylindrischen, zur Aufnahme von Kernreaktorstoffen bestimmten Hülse 1
aus gefrittetem Aluminium ist ein ebenfalls aus gefrittetem Aluminium bestehender
Stopfen 2 eingesetzt. Der die Vorrichtung aufnehmende Vakuumbehälter ist nicht dargestellt.
Ein um die Achse X-X' drehbares Backenfutter 6 hält die Hülse 1. Diese ist so unter
einer einen Elektronenstrahl liefernden Quelle 8 angeordnet, daß die Achse Y-Y'
dieses Elektronenstrahles mit der Trennfläche der Hülse und des Stopfens fluchtet.
Eine von einem Bügel 11 gehaltene Walze 9 drückt unter der Wirkung
einer Schraubenfeder 10 gegen die äußere Wandfläche der Hülse auf einer Fläche,
die etwa der Höhe der Mantelfläche des Stopfens entspricht.
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Um einen unrunden Lauf der Hülse 1 zu vermeiden, sind außer der in
Draufsicht dargestellten Druckrolle 9 am Umfang der Hülse um 120° versetzt zwei
weitere Druckrollen 14 angeordnet.
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Unterhalb dieser Druckrollen sind zwei Halbringe 12 aus Kupfer um
die Mantelfläche der Hülse 1 gelegt, die von einem Haltering 13 festgehalten werden
und dazu dienen, die unterhalb des Stopfens gelegene Wandung der Hülse auf niedriger
Temperatur zu halten.
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Die Verbindung der Hülse mit dem Stopfen wird auf folgende Weise vorgenommen:
Die Spannbacken 6 drehen sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 Umdrehungen pro
Minute; der Strahl der Elektronenquelle 8 ist auf die Trennfläche zwischen Hülse
und Stopfen gerichtet. Dadurch wird bei 7 an der stirnseitigen Oberfläche des Stopfens
eine Verschmelzung bewirkt. Die Intensität des Elektronenstrahles wird jedoch so
geregelt, daß die Schmelzzone 7 sich nur bis zu einer gewissen Tiefe erstreckt,
die etwa der Stärke des zylindrischen Teiles 5 des Stopfens entspricht. Die hierdurch
erzielte örtliche Erhitzung ruft einen Temperaturgradienten längs der Berührungsfläche
des Stopfens mit der Hülse und demzufolge eine Erwärmung des Stopfenbodens 3 hervor.
In der Höhe des Stopfenbodens drückt die Schraubenfeder 10 eine in einem gabelförmigen
Bügel 11 gehaltene Rolle 9 gegen die äußere Mantelfläche der Hülse 1 und
begünstigt so unterhalb der Schweißzone 7 eine intermetallische Diffusionsverbindung
zwischen dem Hülsenkörper 1 und dem Stopfenboden 3. Diese Diffusion ruft keinerlei
Veränderung des Gefüges dieser beiden metallischen Teile hervor, da einer solchen
Veränderung die mechanische Festigkeit und die Wärmeleitfähigkeit der beiden metallischen
Teile entgegenwirkt. Die Diffusionsverbindung ist nach etwa 10 Umdrehungen, also
nach etwa 5 Minuten hergestellt. Die der Verschweißung unterworfene Zone reicht
von der stirnseitigen Oberfläche der Hülse 1 und des Stopfens 2 nur etwa bis zur
oberen Begrenzungsfläche des Stopfenbodens und erreicht so in keinem Fall den Teil
der den Nutzraum der Hülse umgebenden Wandung.
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Mittels der beiden Halbringe 12 wird unterhalb des Stopfenbereiches
die Wärme rasch abgeführt, so daß eine Erwärmung unterhalb der Berührungsfläche
zwischen Hülse und Stopfen wirksam vermieden wird.
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Die Dichtheit der Verbindung wurde mittels Helium unter einem Druck
von 20 kg@cm°- und einer Temperatur von etwa 5001 C geprüft, ohne
daß außerhalb der verschlossenen Hülse auf spektrographischem Wege irgendwelche
Spuren von Helium nachgewiesen werden konnten.
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An Stelle des in F i g. 1 dargestellten Stopfens kann auch ein solcher
nach F i g. 2 verwendet werden, der anschließend an den zylindrischen Teil 5 eine
Ringschulter 4 aufweist. Bezeichnet man bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
die Wandstärke der Hülse mit a, so beträgt die Stärke des Stopfenbodens etwa 3 a
und die Wandstärke des zylindrischen Teiles des Stopfens ebenfalls a; die Breite
der Schulter 4 beträgt etwa 2 a und die axiale Erstreckung der Stopfenwandfläche
5 3 a.
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Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt eine
Verbindung des Stopfens mit der Hülse in gleicher Weise wie bei dem Stopfen nach
der F i g. 1. Die Höhe der Schulter 4 ist so bemessen, daß durch den Aufprall
der Elektronen die waagerechte Stirnfläche der Hülse 1 von der Schweißzone 7 noch
erreicht wird, diese sich jedoch nicht merklich weiter nach unten erstreckt. Auf
diese Weise wird eine vollkommene Verschweißung der stirnseitigen Oberflächen der
Hülse und des Stopfens erzielt, die aber nicht bis zu der unteren Begrenzung des
Stopfens reicht.
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Der von der Schraubenfeder 10 auf die äußere Wandfläche ausgeübte
Druck kann dadurch geregelt werden, daß das Widerlager der Schraubenfeder verstellbar
gemacht wird.
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Ein verstellbarer radialer Druck kann auch auf die Weise ausgeübt
werden, wie es die F i g. 3 zeigt. In dieser ist die Hülse 1 mit dem Stopfen 2 zwischen
den Rollen 9 und 14 eingespannt, die ebenfalls aus Aluminium bestehen,
um jegliche Verunreinigung der Hülse zu vermeiden. Die Rollen sind auf Achsen 15
angeordnet, die in den Schenkeln der jochförmigen Teile 16 gelagert sind, die ihrerseits
mit einem Zapfen 17 verbunden sind, der in dem Block 18 verschiebbar gelagert ist,
deren drei auf einem Ring 19 angeordnet sind, der auf den Stäben 20 ruht.
An
jedem Zapfen 17 sind zwei Querbolzen 21 angeordnet, die in einer
schlitzförmigen Aussparung 22 des Körpers 18 geführt sind.
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Je zwei bei 24 gelagerte Kniehebel 23 umfassen mit ihrem kürzeren
gabelförmigen Schenkel die Querbolzen 21.
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An dem Ende der längeren Schenkel 23 der Kniehebel sind Traversen
25 angebracht, an denen Gegengewichte 26 angehängt werden können. Die Wirkung dieser
Gegengewichte kann sowohl durch die Größe des Gewichtes selbst als auch durch die
Anbringung an einer der Traversen geändert werden.