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Es ist bekannt, Teile aus demselben hochschmelzenden Metall, insbesondere
Thorium, durch unmittelbares Aufeinanderlegen unter Zusammenpressung durch eine
Feder im Vakuum durch ein Hochfrequenzfeld zu erhitzen und unter Schmelzflüssigwerden
der Teile im Bereich ihrer Anlageflächen zu verschweißen (deutsche Patentschrift
903 848).
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Ferner ist das Kaltpreßschweißen von Metallen bekannt, bei dem die
Oberflächen der zu verbindenden Teile gereinigt und durch Anwendung von Druck zum
Fließen und damit zum Verschweißen gebracht werden, Hierbei werden die zu verschweißenden
Teile an den Berührungsstellen außerordentlich stark plastisch verformt, so daß
eine erhebliche Vergrößerung ihrer Berührungsfläche eintritt. Es kommt bei der Kaltpreßschweißung
nicht nur auf die hohe Oberflächenvergrößerung an der Berührungsstelle, sondern
vor allem auf die Größe der ohne Anwendung von Wärme gegebenen thermischen Schwingungen
der Atome in der Oberfläche an (deutsche Patentschrift 966 193).
Es ist ferner
bekannt, Metalle stumpf, schmelzfrei unter Druckanwendung und unter Fernhaltung
von Luft praktisch naht- und nacharbeitsfrei an ihrer von Fremdstoffen, wie Oxyden
und Ölen, zunächst gesäuberten Oberfläche durch wechselseitige Diffusion in den
Oberflächenschichten bei solchen Temperaturen und Drücken zu verbinden, bei denen
die Werkstoffe noch derart fest sind, daß in den Verbindungszonen eine makroplastische
Verformung nicht eintritt (deutsche Patentanmeldung D 8062 Ib/49h).
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Im bekannten Fall muß durch mechanische Reinigung der zu verbindenden
Oberflächen sichergestellt sein, daß diese von Fremdstoffen, beispielsweise Ölen,
absolut frei sind. Ferner ist im bekannten Fall ein Verschweißen unter Schutzgas
vorgesehen. Insoweit wurde festgestellt, daß Schutzgasteile und Luftteile, selbst
molekularer Größe, die sich auf den zu verbindenden Oberflächen festsetzen, den
Verbindungsvorgang stören und die Festigkeit, die Dichte und die Korrosionsbeständigkeit
der Verbindung nachteilig beeinflussen.
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Die Erfindung geht von dem letztgenannten Stand der Technik aus und
zielt über diesen hinaus nicht nur auf das Verbinden metallischer, sondern auch
keramischen bzw. metallkeramischer Werkstoffe.
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Es war demgegenüber die Aufgabe zu lösen, in einem einzigen Arbeitsgang
sowohl die Oberflächen der zu verbindenden Werkstoffe ohne Anwendung mechanischer
Maßnahmen zu reinigen und gleichzeitig während des Verbindungsvorganges Gasreste
völlig von den Oberflächen fernzuhalten. Und zwar sollte dies ohne Anwendung eines
die zu verbindenden Werkstoffe plastizierenden Druckes erfolgen, wie dies beispielsweise
bei dem vorgenannten Stand der Technik (deutsche Patentschrift 966193) der Fall
ist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verbindungsvorgang
im Hochvakuum von 10-s bis 10-$ mm Hg erfolgt und der Druck 0,4 bis 2 kg/mm2 beträgt.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß unter
Mitwirkung einer zwischen die zu verbindenden Werkstoffe eingelegten, leicht diffundierenden
Metallfolie diese eine Stärke von 0,02 bis 0,05 mm aufweist.
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Sofern unter Erwärmung der zu verbindenden Werkstoffe gearbeitet wird,
liegt deren Temperatur, wie an sich bekannt, über der Rekristallisationstemperatur
des Werkstoffes mit der niedrigsten Schmelztemperatur. Die Temperatur der zu verbindenden
Werkstoffe kann auch bei Raumtemperatur liegen. In diesem Fall werden an die Werkstoffe
Wechselstromimpulse angelegt.
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Zum Stand der Technik ist noch folgendes auszuführen: Es ist beim
Herstellen von aus Nickelpulver bei 700°C gesinterten Rohren, die stirnseitig mit
einem Stöpsel aus Metall verschlossen werden sollen, bekannt, den Stöpsel in das
Rohr einzustecken und die Verbindung dieser beiden Teile auf dem Diffusionswege
in einer Vakuumkammer unter Erhitzen auf 1100°C durchzuführen (USA: Patentschrift
2 920 171). Angaben über die Höhe des Vakuums und über die Größe des Drucks
der ineinandersitzenden Teile sind in dieser Druckschrift nicht genannt.
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Mit Hilfe der Erfindung können beispielsweise Teile aus Gußeisen mit
solchen aus Stahl, Stahlteile mit Kupferteilen, Stähle mit Sintermetallen, Stähle
mit Keramiken, Stähle mit Wolfram, Stähle mit Aluminium, Stähle mit Buntmetallegierungen,
Aluminium mit Kupfer, Buntmetalle mit seltenen Metallen und deren Legierungen sowie
seltene Metalle und deren Legierungen untereinander verbunden werden. Die Nähte
haben eine hohe mechanische Festigkeit, eine hohe Dichte und sind sehr korrosionsbeständig.
Es bilden sich im Verbindungsbereich keine wesentlichen Mischzonen mit unterschiedlichen
Eigenschaften. Durch das hohe Vakuum werden die Oberflächen gereinigt, gleichzeitig
wird die Einlagerung von Gasatomen in die Verbindung, die die Festigkeit herabsetzen
würde, vermieden.
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Der Hauptanspruch- gewährt lediglich Schutz für die Gesamtkombination
der beanspruchten Maßnahmen. Die im folgenden beschriebenen Vorrichtungen dienen
lediglich zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens, stellen aber für sich
keinen Teil der Erfindung dar.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von sechs Figuren beschrieben:
F i g. 1 zeigt das Grundschema einer Diffusionsanlage zum gleichzeitigen Verbinden
von zwölf Werkstücken, F i g. 2 das Schema der hydraulischen Schaltung der Anlage
gemäß F i g. 1, F i g. 3 das Schema einer halbautomatischen Vierkammerdiffusionsanlage,
F i g. 4 das Schema einer halbautomatischen Diffusionsanlage mit fünf Kammern, F
i g. 5 das Grundschema einer Diffusionsanlage unter Widerstandserhitzung der Werkstücke
und Druckzufuhr von unten, F i g. 6 das Grundschema einer Diffusionsanlage zum Verbinden
von Werkstücken aus Buntmetall mit solchen aus seltenen Metallen und deren Legierungen
sowie von Werkstücken aus seltenen Metallen und deren Legierungen untereinander.
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Diese Anlagen unterscheiden sich voneinander nach Bauart und Leistungsfähigkeit.
Den Anlagen gemein-Sam sind Vakuumkammern, rotierende Ölpumpen zur Vorvakuumerzeugung
und Öldampfdiffusionspumpen zur Hochvakuumerzeugung, hydraulische Pumpen nebst hydraulischen
Zylindern zur Druckerzeugung sowie zugehörige elektrische Steuer- und Meßeinrichtungen;
Röhren- oder Maschinengeneratoren mit Induktoren zur Hochfrequenzerwärmung dienen
zur kontaktlosen Erhitzung und Schweißtransformatoren mit Stromunterbrechern zwecks
Widerstandserhitzung der zu verbindenden Werkstücke. Die Überwachung
und
Steuerung aller Vorgänge erfolgt von einem Bedienungspult aus.
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(I). In der Anlage gemäß F i g. 1 erfolgt das. Verbinden der Einzelteile
in der Vakuumkammer 1, die mit Wasserkühlung in ihrem oberen Teil, einem Hitzeschirm
über den zu verbindenden Werkstücken und zweckmäßig mit Schauluken versehen ist.
Die Werkstücke sind in einer besonderen, der Form und den Abmessungen der zu verbindenden
Teile angepaßten Vorrichtung in einer 0,5- bis 1,5-mm-Entfernung vom Induktor untergebracht.
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Nach Verschließen der Kammer werden aus .dieser Luft und Gase zuerst
mit der Vorvakuumpumpe 2 und sodann mittels der Dampfstrahldiffusionspumpe 3, die
gemeinsam mit der Vorvakuumpumpe 2 arbeitet, entfernt. An der Austrittsseite der
Dampfstrahlpumpe 3 und der Vorvakuumpumpe 2 sowie zwischen diesen sind verblockte
Verschlüsse 4 eingebaut, mit deren Hilfe das heiße Öl der Dampfstrahldiffusionspumpe
gegen das Eindringen von Luftsauerstoff geschützt und die Pumpe nach dem ersten
Erhitzen des Diffusionsöls im heißen Zustand gehalten wird.
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Sobald nach Erreichen des erforderlichen Unterdruckes die Werkstücke
mittels Hochfrequenzstrom auf die vorgegebene Temperatur erhitzt sind, wird mittels
der hydraulischen Pumpe 5 Drucköl aus dem Behälter 6 über die Umsteuerventile 7
in den ortsfesten Zylinderblock 8 gefördert; letzterer überträgt mit Hilfe der zwölf
Stempel 9 den Druck auf die Werkstücke. Nach Erreichung des erforderlichen Kontaktdruckes
wird dieser mittels eines Sicherheitsventils während der gesamten Haltezeit aufrechterhalten.
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Nach Beendigung des Verbindungsvorgangs wird der Strom ausgeschaltet
und die Werkstücke unter Druck auf eine von der chemischen Zusammensetzung der Werkstücke
abhängige Temperatur abgekühlt, sodann das Lufteinlaßventil10 geöffnet und die hydraulische
Pumpe 5 abgeschaltet, worauf mit Hilfe des Umsteuerventils 7 und des Stempels
11 die Kammer 1
gehoben, die Verbundkörper ausgetragen, ein neuer Satz
zu verbindender Werkstücke gesetzt und der Verbindungsvorgang wiederholt wird.
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Das hydraulische System der beschriebenen Anlage gemäß F i g. 2 funktioniert
folgendermaßen: Zwecks Zuleitung des Drucköls aus dem Ölbehälter zu den zwölf Stempeln
9 des Zylinderblocks 8 ist in diesem ein Längskanal angeordnet. Die Höhe des Kontaktdruckes
wird mittels des Rückschlagventils 12 gehalten. Die hydraulische Pumpe 5
bewirkt gleichfalls die Ölzufuhr in das hydraulische System über die Umsteuerventile
7 zum Heben und Verschließen der Vakuumkammer 1.
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(II). Die Anlage gemäß F i g. 3 gewährleistet eine Steigerung der
Leistungsfähigkeit durch das Vorliegen von vier Vakuumkammern, in denen man folgende
Drücke einhält: (a) beim Beschicken und Austragen - Atmosphärendruck; (b) bei der
Temperaturerhöhung - Unterdruck bis auf 10-3 mm Hg; (c) beim Diffusionsverbinden
- Unterdruck bis auf 10-5 mm. Hg; (d) beim Abkühlen - allmähliche Druckerhöhung
auf Atmosphärendruck.
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Auf die Werkstücke wird im Verlauf der Verbindungsvorgänge (b), (c),
(d) mittels Federn oder hydraulisch ein spezifischer Druck in den Grenzen von 0,4
bis 2 kg/mm 2 ausgeübt. Die Werkstücke werden - bei einer Haltezeit von höchstens
3 Minuten - mittels eines über die Schiene 17 dem Induktor 16 zugeführten
Stroms nicht höher als auf 950 bis 1000°C erhitzt.
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Die Vakuumkammern 13 der F i g. 3 sind - zum Unterschied von
der Vakuumkammer in der F i g. 1-als Stahlzylinder ausgeführt. Die Luke
14 dient sowohl zum Einsetzen und Austragen der Werkstücke als auch zum Beobachten
des Verbindungsvorganges. Durch die Luken 14 herausrollbare Einrichtungen
bestehen aus Klemm- und Zentriervorrichtungen sowie geeichten Federn, durch die
während der gesamten Behandlungsdauer (von der Temperatursteigerung bis zum Abkühlungsvorgang)
ein konstanter Kontaktdruck aufrechterhalten wird.
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Die Regelung der Luftzufuhr erfolgt mittels des elektrisch gesteuerten
Magnetventils 15. Zur raschen Handhabung des Ventils, das die Vakuumkammer 13 vom
Ausgleichsbehälter 18 trennt, dienen die. mit elektrischem Einzelantrieb versehenen
verblockten Verschlüsse 4. Zwecks bequemer Bedienung sind die Vakuumkammern
13 und der Ausgleichsbehälter 18 auf einem Karussell angeordnet, das mittels- eines
besonderen Elektromotors und über das Untersetzungsgetriebe 19 von einer
Drehvorrichtung geschwenkt wird. Der Rauminhalt des Ausgleichsbehälters 18 beträgt
das Doppelte des Gesamtvolumens der Vakuumkammern 13. Zum Schutz gegen das
Eindringen von Wasser- und Öldämpfen dient die Stickstoff-Ausfrierfalle 20.
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(III). Die halbautomatische Karusselldiffusionsanlage gemäß F i g.
4 arbeitet ohne Ausgleichsbehälter. In den fünf Vakuumkammern 13, von denen
nur zwei gezeigt sind,- werden folgende Drücke aufrechterhalten: (a) beim Beschicken
und Austragen - Atmosphärendruck; (b) dann ein Vorvakuum bis 5 -10-3 mm Hg;
(c) hierauf ein Hochvakuum von 10-3 bis 10-g mm Hg; (d) beim Diffusionsverbinden
ein Hochvakuum von 10-g bis 10-$ mm Hg; (e) beim Abkühlen ein Vakuum von 10-3 Hg
unter allmählicher Lufteinströmung.
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Das Vakuum erzeugen die drei Vorvakuumpumpen 2; zur Verbesserung der
Dämpfung und der Abdichtung sind am Austritt der Pumpen 2 die Faltenbälge 26 angeordnet.
Außerdem dienen für die Arbeitsstufen (c) und (d) die zwei Dampfstrahldiffusionspumpen
3. Die für die Stufe (b) bestimmte Vor-Vakuumpumpe 2 und beide Diffusionspumpen
3 sind unmittelbar mit der unbeweglichen Scheibe des unteren Vakuumventils 27 verbunden;
mit der beweglichen oberen Ventilscheibe 28 sind die fünf Vakuumkammern 13 über
die Vakuumleitungen 29 verbunden. Die unbewegliche Ventilscheibe 27 besitzt vier
Öffnungen - und zwar eine für die Stufe (b) zur Verbindung mit der Vorvakuumpumpe
2, je eine für die Stufen (c) und (d) zur Verbindung mit einer der Dampfstrahldiffusionspumpen
3 und eine für die Stufe (a) zur Verbindung der Vakuumkammer 13 mit der Außenatmosphäre.
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Die Werkstücke werden dem gleichen Kontaktdruck und der gleichen Erhitzung
wie bei der Anlage in F i g. 3 unterworfen, jedoch wird die Haltezeit auf 5 bis
10 Minuten erhöht. Die Induktoren 31 sind mit einem Hochfrequenzgenerator verbunden.
Das
Karussell wird durch den Elektromotor 23 über das Untersetzungsgetriebe 24 mit Hilfe
eines Zeitrelais angetrieben. Die Zufuhr von Kühlwasser zum Karussell erfolgt über
die rotierenden Dichtungen 25.
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Die im beweglichen Teil des Karussells angeordnete hydraulische Pumpe
5 fördert über ein Ventil Drucköl zum hydraulischen Zylinder 30, von welchem der
Druck mittels Stempel auf die Werkstücke übertragen wird. Der Druck wird in den
Arbeitsstufen (d) und (e) aufrechterhalten.
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(IV). In der Anlage gemäß F i g. 5 ist zwecks Erhöhung der Leistung
die Dampfstrahldiffusionspumpe3 fortwährend in Betrieb. Innerhalb der Vakuumkammer
34, die aus durchsichtigem Werkstoff gefertigt sein kann, ist zur Erzeugung eines
starren Systems die Tragstütze 35 angeordnet.
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Das Drucköl wird aus dem Ölbehälter 6 mittels der hydraulischen Pumpe
5 dem hydraulischen Zylinder 8 über das Umsteuerventil7, welches das Heben und Senken
des Kolbens bewirkt, zugeführt. Der Druck wird vom hydraulischen Zylinder 8 über
die gekühlte untere Elektrode 32 auf die Werkstücke übertragen und ist in den Grenzen
von 0 bis 12,5 kg/mmz regelbar. Die Werkstücke können bei einer Haltezeit von höchstens
0,5 bis 2 Minuten im Bereich von 300 bis 900°C erhitzt werden. Der Heizstrom wird
der Elektrode 32 über den Hebelschalter 36, die Sicherung 37 dem als Schaltschütz
verwendeten Ignitron 33 und dem Umspanner 38 zugeführt.
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In der Anlage gemäß F i g. 6 besitzt die mit der Schauöffnung
40 versehene Vakuumkammer 39 für den Kühlwasserumlauf Doppelwände. Die übrigen
Anlageteile 2 bis 8, 23 und 26 entsprechen denjenigen der vorbeschriebenen
Anlagen.
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Je nach der chemischen Zusammensetzung und den physikalischen Eigenschaften
der zu verbindenden Werkstoffe sowie der Form und dem Ausmaß der zum Einsatz kommenden
Werkstücke, die sich in den genannten Richtungen beträchtlich voneinander unterscheiden
können, ist eine der beschriebenen oder ähnlich gebauten Anlagen benutzbar. Wie
dargelegt, arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren ohne Anwendung von elektrolytischen
Maßnahmen, Lötmetall, Flußmittel und Schutzgas. Es bietet zudem die Möglichkeit,
ohne Rücksicht auf die unterschiedliche Festigkeit, die Härte und den gegenseitigen
Adhäsionsgrad verschiedenster Werkstoffe, selbst Hartwerkstoffe und metallkeramische
Legierungen, die durch Verschmelzen nicht ausreichend verbunden werden können, lediglich
unter mikroplastischer Verformung zu verschweißen.
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Durch das neue Verfahren werden gegenüber einschlägigen vorbekannten
Verfahren vor allem folgende fortschrittliche Vorteile erzielt: 1. Eine praktisch
vollständige Luft- und Gasfreiheit der Kontaktflächen, da bereits bei einem Unterdruck
von 5. 10-4 mm Hg die Mindestreinheit bzw. Gasfreiheit in den Vakuumkammern
99,9999870/0 beträgt, wogegen die Reinheit bei einer Schutzgasatmosphäre von Helium
99,990/0, von Argon nur 99,950/0 ausmacht (»hochreines« Argon enthält 0,003 0/0
02 und 0,03 0/0 N2, »reines« Argon sogar 0,05 0/0 02 und 0,23 0/0 N2). Die erfindungsgemäße
Gasfreiheit bewirkt demzufolge maximalen Kontakt und optimalen Korrosionsschutz
der Verbindungsflächen sowie erhöhte Diffusion in der Kontaktzone selbst nach Ausmaß,
Masse und physikochemischen Kenndaten sehr unterschiedlicher Werkstoffe; hierdurch
wird auch eine Erniedrigung der Temperatur und Behandlungsdauer ermöglicht.
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2. Erhöhte mechanische Verbindungsfestigkeit der erzielten Verbundkörper,
die ein sicheres Arbeiten mit hochbeanspruchten Maschinenteilen ermöglichen und
an denen Beschädigungen zuerst außerhalb der Verbindungszonen auftreten.
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3. Erhöhte Dichte in den Verbindungszonen der Verbundkörper im Vergleich
zu derjenigen außerhalb dieser Zonen.
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4. Erhöhte Hitzefestigkeit, die nur durch die Eigenschaften der verbundenen
Werkstoffe bedingt ist. 5. Keine Änderung der physikomechanischen Eigenschaften
der Werkstoffe im Verbundkörper, wie dies bei den bisherigen Schweiß- und Lötverfahren
auftritt.
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6. Kein Auftreten von Haarrissen in den Kontaktzonen beim Verbindungsvorgang
und bei der Anwendung der Verbundkörper.