DE2347203B2

DE2347203B2 - Koaxiale metallurgische verbindung, insbesondere fuer thermionische wandler, spezialoefen, in der vakuumtechnik

Info

Publication number: DE2347203B2
Application number: DE19732347203
Authority: DE
Inventors: Martin 8520 Erlangen Belicic
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-09-19
Filing date: 1973-09-19
Publication date: 1976-04-08
Also published as: FR2244094A1; GB1469029A; US3968982A; DE2347203A1; FR2244094B1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Verbindung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Die metallurgische Verbindung koaxialer Teile, wie z. B. Rohre oder Bolzen mit Rohren mit Hilfe der Schweiß- oder Hartlöttechnik, bereitet normalerweise keine Schwierigkeiten. Dies gilt allerdings nur dann, wenn die zu verbindenden Teile aus gleichen Werkstoffen bestehen oder wenigstens aus solchen, deren Wärmeausdehnungskoefiizienten nicht sehr unterschiedlich sind. In jenen Fällen jedoch, wo aus technischen oder wirtschaftlichen Erwägungen Rohre oder andere Formstücke mit sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten miteinander stoffschlüssig verbunden werden sollen, besteht die Schwierigkeit, daß beim Auftreten von Wärmewechselbeanspruchungen in der Fügezone sehr hohe Spannungen entstehen und diese somit reißt und undicht wird. Diese Gefahr besteht insbesondere beim Auftreten zahlreicher Temperaturwechsel im Bereich von beispielsweise 20 und 1000⁰C.

Bei einer metallischen Verbindung zweier übereinander geschobener Rohre oder einer koaxialen Rohr-Bolzenverbindung treten bei Änderungen der Temperatur in der Fügezone dreidimensionale Spannungszustände auf, die umso größer sind, je größer der Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten beider Partner ist und je größer der Unterschied zwischen der augenblicklichen Temperatur und jener Temperatur ist, bei der die Spannungen in der Fügezone der Verbindung am geringsten sind.

Diese Spannungen treten in axialer- und Umfangsrichtung als Schubspannungen, in radialer Richtung als Zug- bzw. Druckspannungen auf. Beim Aufheizen oder Abkühlen wird dabei die Spannungsrichtung umgekehrt. Eine Fügezone ist besonders dann rißempfindlich, wenn die in radialer Richtung wirkende Kraft als Zugkomponente auftritt. In jenen Fällen, wo die Bruchdehnung der Fügezone geringer ist als die Differenz der Durchmesserzunahme beider Verbindungspartner, kommt es zur Rißbildung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für aile jene Fälle, bei denen ein Ausweichen auf Werkstoffpartner entsprechender Ausdehnungskoeffizienten nicht möglich ist, eine konstruktive Ausbildung der Verbindungszone zu finden, bei der die Entstehung radialer Spannungen sehr verringert wird und die dadurch weitestgehend unempfindlich gegenüber Temperaturwechselbeanspruchung wird. Eine solche Konstruktion soll dabei nicht nur Verbindungen zwischen metallischen Partnern, sondern auch zwischen metallischen und nichtmetallischen, z. B. keramischen ermöglichen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei der Erfindung darin, daß das äußere Teil im Verbindungsbereich mit achsparallelen Schlitzen versehen ist, die vom inneren Teil vollkommen überdeckt sind.

Es ist durch die US-PS 12 77 982 eine Rohrverbindung bekanntgeworden, bei der ein äußeres Verbindungsteil Schlitze aufweist, die von den inneren zu verbindenden Teilen vollkommen überdeck! sind. Jedoch sind die sonstigen technischen Verhältnisse bei diesem Stand der Technik ganz anders gelagert als bei der Erfindung.

Das Entstehen der radial wirkenden Spannungen wird bei der Erfindung also dadurch unterbunden, daß wenigstens ein Bauteil, wenn möglich beide, in ihrer Verbindungszone wenigstens einmal, am besten mehrmals, geschlitzt werden. Die Schlitzlänge richtet sich nach dem Durchmesser der zu verbindenden Teile sowie deren Wandstärke. Als Faustregel kann daher gelten, daß die Schlitzlänge jeweils etwa dem Durchmesser des Werkstückes entspricht. Dabei muß die Verbindungstiefe so groß sein, daß die Schlitze gegenseitig voll überdeckt werden. Wesentlich ist dabei auch, daß die Schlitze des einen Bauteiles jeweils mittig zu den Schlitzen der anderen Bauteile liegen. Die Berührungsflächen können in an sich bekannter Weise verlötet oder verschweißt werden. Eine ausreichende Verbindung wird aber auch dann erreicht, wenn beide Bauteile, z. B. Rohre, entlang der Außenrohrschlitze und der oberen Segmentkante verschweißt werden. Es ist dabei jedoch in diesem Fall darauf zu achten, daß die Schlitze des Außenrohres auf jeden Fall erhalten bleiben, sie müssen also von vornherein entsprechend breit gemacht werden.

Da die zu verbindenden Bauteile durch die Schlitzung derart weich geworden sind, daß ein Abbiegen der durch die Schlitze gebildeten Rohrsegmente beim Erwärmungsvorgang möglich wird, muß beim eigentlichen Verbindungsvorgang durch eine Hilfsvorrichtung dafür gesorgt werden, daß der gegenseitige Kontakt der zu verbindenden Bauteile erhalten bleibt. Dies kann beispielsweise durch übergeschobene Ringe und durch innere Bolzen oder Spreizdorne geschehen. Diese Teile müssen dann selbstverständlich aus einem Material gefertigt sein, das beim eigentlichen Verbindungsprozeß keine metallurgische Verbindung mit dem Werkstück eingeht. Dies kann auch durch künstlich aufgebrachte Oxydationsschichten oder andere Überzüge erreicht werden.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die

F i g. 1 stellt zwei zu verbindende rohrförmige Bauteile vor ihrem Zusammenfügen dar; die

F i g. 2 zeigt dieselben Bauteile im zusammengesteckten Zustand, für die Hartlötung vorbereitet.

Nach Fig. 1 wird ein Bauteil 1, z.B. aus einer Nioblegierung, das andere Bauteil 2 aus einem

Chromnickelwerkstoff. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Werkstoffes von Bauteil 1 beträgt dabei alpha = 7,9 · 10⁶, der Ausdehnungskoeffizient des Bauteiles 2 beträgt alpha = 18 · 10^β. Die Durchmesser der Bauteile liegen in der Fügezone bei etwa 28 mm, jede Wandstärke beträgt etwa 1 mm. Die Schlitze 11 bzw. 21 haben eine Länge von etwa 18 mm und eine Breite von 1,5 mm. Zur Herstellung der Verbindung zwischen diesen beiden Bauteilen werden diese ineinander geschoben, s. F i g. 2 und in dieser Lage durch nicht dargestellte Mittel gehalten. Die Schlitze 11 bzw. 21 werden dabei vom anderen Bauteil jeweils vollständig überdeckt. Zur Halterung des äußeren Bauteiles 2 ist ein Ring 3 über den Rand desselben geschoben, der sich durch einen nach innen vorspringenden Bund 31 hält. Dieser Bund 31 kann dabei gezahnt sein, so daß der eingelegte Lötdrahtring 4 beim Hartlötvorgang nach dem Schmelzen leicht in die Fuge zwischen den Bauteilen 1 und 2 einfließen kann. Selbstverständlich könnte das Lotmaterial auch in den Schlitzen 11 oder 21 deponiert werden. In diesem Beispiel wird das innere Bauteil 1 durch einen eingesteckten Dorn an einer mechanischen Verformung gehindert. Dieser Dorn kann z. B. aus einem keramischen Material gefertigt sein, so daß ein Festbacken desselben nicht befürchtet zu werden braucht. Selbstverständlich können auch metallische Bauteile Verwendung finden, die für den Fall einer Lotung mit einem Stoppmittelaufstrich oder einer Schutzschicht gegen eine Benetzung durch das Lot geschützt sind. Bei dem gewählten Werkstoffbeispiel kann z. B. als Lot eine Nickelbasislegierung Verwendung finden.

Bei Versuchsmustern wurde im Hochvakuum bei einem Druck von etwa 1 · 10*mbar und einer Temperatur von etwa i120°C gelötet. Anschließend wurden der Haltering und der innere Dorn entfernt. Die Lötverbindung wurde dann im Hochvakuum im Bereich von 50 bis 1000°C auf Temperaturwechselbeständigkeit geprüft, wobei die Erhitzung auf 1000⁰C innerhalb von 5 Minuten erfolgte und die Abkühlung auf 50° nach 10 Minuten erreicht war. Die Dichtigkeit der Verbindungsfuge wurde mit Hilfe des Heliumlecktestes geprüft, die Heliumleckrate war äußerst gering und betrug ζ) kleiner als 1 · 10°mbar · dm³ - s¹ und hatte sich auch nach etwa 30 Temperaturwechseln nicht geändert.

Selbstverständlich läßt sich dieses Konstruktionsprinzip nicht nur für Bauteile mit kreisrundem Querschnitt anwenden, vielmehr ist es auch denkbar, Rohre mit quadratischem Querschnitt auf diese Weise spannungsarm zu verbinden. Hierbei wird man dann die Schlitze des einen Bauteiles in die Außenkante verlegen.

Bei Verbindungen zwischen metallischen und nichtmetallischen, also z. B. keramischen Bauteilen oder Bauteilen aus Graphit, ist es selbstverständlich notwendig, die üblichen Oberflächenbehandlungen durchzuführen, damit eine Benetzung durch das Lot möglich wird.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß selbstverständlich die Lötung auch unter normaler Atmosphäre oder Schutzgas durchgeführt werden kann, wobei die Wärmeeinbringung durch Flammen- oder über Induktionsheizung zugeführt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Koaxiale metallurgische Verbindung zwischen Teilen mit sehr unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten. insbesondere für thermische Wandler, SpezialÖfen, in der Vakuumtechnik, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Teil (2) im Verbindungsbereich mit achsparallelen Schlitzen (21) versehen ist, die vom inneren Teil (1) vollkommen überdeckt sind, wobei sie mit Hilfe der Lot- oder Schweißtechnik hergestellt ist, wobei zur Fixierung der Form des äußeren Bauteiles aufgeschobene Ringe (3) verwendet werden, die gleichzeitig der Halterung des Lotmaterials dienen, wobei ferner innere Bolzen oder Spreizdome vorgesehen sind, wobei diese Teile aus einem Material gefertigt sind, das beim Verbindungsvorgang keine metallurgische Verbindung mit dem Werkstück eingeht.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Teil (1) aus einem Rohr besteht und ebenfalls mit axialen Schlitzen (11) versehen ist, die mittig zwischen den Schlitzen (21) des äußeren Teiles (2) liegen.

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