DE2347203C3

DE2347203C3 - Coaxial metallurgical connection, especially for thermionic converters, special furnaces, in vacuum technology

Info

Publication number: DE2347203C3
Application number: DE19732347203
Authority: DE
Inventors: Martin 8520 Erlangen Belicic
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1973-09-19
Publication date: 1976-11-25

Description

Die Erfindung geht aus von einer Verbindung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen ArtThe invention is based on a connection of the type specified in the preamble of claim 1

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 Wärmeausdehnungskoeffizienten 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 1000⁰GThe metallurgical connection of coaxial parts such as B. Pipes or bolts with pipes with the help of welding or brazing technology, usually does not cause any problems. However, this only applies if the parts to be connected are made of the same materials or at least of those whose coefficients of thermal expansion are not very different. In those cases, however, where, for technical or economic considerations, pipes or other fittings with very different coefficients of thermal expansion are to be connected to one another in a materially bonded manner, there is the problem that very high stresses arise in the joining zone when thermal cycling occurs and this thus cracks and leaks. This danger exists in particular when numerous temperature changes occur in the range of, for example, 20 and 1000 ^° C.

Bei einer metallischen Verbindung zweier übereinander geschobener Rohre oder einer koaxialen Rohr-Bol- so zenverbindung 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 SS augenblicklichen Temperatur und jener Temperatur ist bei der die Spannungen in der Fügezone der Verbindung am geringsten sind.In the case of a metallic connection between two pipes pushed one on top of the other or a coaxial pipe-bolt In the event of changes in temperature in the joining zone, three-dimensional stress states occur which are greater, the greater the difference between the coefficients of thermal expansion of the two Partner and the greater the difference between the SS instantaneous temperature and that temperature at which the stresses in the joining zone of the connection are lowest.

Diese Spannungen treten in axialer- und Umfangsrichtung als Schubspannungen, in radialer Richtung als Zug- bzw. Druckspannungen auf. Beim Aufheizen oder Abkühlen wird dabei die Spannüngsrichtüng 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 Durchmesserzuhahme beider Verbindungspartner, kommt es zurThese stresses occur as shear stresses in the axial and circumferential directions and as shear stresses in the radial direction Tensile or compressive stresses. When heating or cooling the voltage direction is reversed A joining zone is particularly sensitive to cracks if the force acting in the radial direction is a tensile component occurs in those cases where the elongation at break of the joining zone is less than the difference in the increase in diameter of both connection partners, it comes to

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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für alle jene FUIe, bei denen eis Ausweichen auf Werkstoffpariaer entsprechender Ausdehnungskoeffizienten nicht mög-Dch ist, eine konstruktive Ausbildung der Verbindungszone zu finden, bei der die Entstehung radialer Spannungen sehr verringert wird und die dadurch weitestgehend unempfindlich gegenüber Teraperattirwechselbeanspruchung wird. Eine solche Konstruktion soll dabei nicht nur Verbindungen zwischen metallischen Partnern, sondern aach zwischen metallischen und nichtmetallischen, z. B. keramischen ermöglichen.The object of the invention is for all those FUIe, where ice shifting to material parallels Corresponding expansion coefficient not possible is to find a constructive formation of the connection zone, in which the emergence of radial Tension is greatly reduced and the result Largely insensitive to alternating teraperattire loads will. Such a construction should not only be connections between metallic Partners, but also between metallic and non-metallic, e.g. B. ceramic allow.

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.The solution to this problem is in the invention that the outer part in the connection area with axially parallel slots are provided which are completely covered by the inner part.

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 überdeckt sind. Jedoch sind die sonstigen technischen Verhältnisse bei diesem Stand der Technik ganz anders gelagert als bei der Erfindung.It has become known from US-PS 12 77 982 a pipe connection in which an outer connecting part has slots which are completely covered by the inner parts to be connected. However, the other technical conditions in this prior art are quite different from those in the invention.

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, em 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.The emergence of the radially acting stresses is prevented in the invention in that at least one component, if possible both, in their connection zone at least once, ideally several times, be slotted. The length of the slot depends on the diameter of the parts to be connected as well as their wall thickness. As a rule of thumb, the slot length should be roughly the same as the diameter of the workpiece corresponds to the connection depth must be so large that the slots are mutually fully covered. It is also essential that the slots of one component are each centered to the slots of the other components. The contact surfaces can be in a manner known per se be soldered or welded. A sufficient connection is also achieved if both Components, e.g. B. tubes, along the outer tube slots and the upper segment edge are welded. In this case, however, it is important to ensure that the The slots in the outer tube are retained in any case, so they must be made accordingly from the outset be made wide.

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.Since the components to be connected have become so soft through the slot that a bending of the tube segments formed by the slots during the heating process is possible during the actual Connection process can be ensured by an auxiliary device that the mutual contact of the The components to be connected are retained. This can be done, for example, by sliding rings over them and by inner bolts or expanding mandrels happen. These parts must then of course be made of one material be manufactured, the no metallurgical connection with the workpiece during the actual joining process comes in. This can also be achieved by artificially applied oxidation layers or other coatings will.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung nähel erläutertDieThe invention is based on an exemplary embodiment explained in more detail in connection with the drawing

F i g. 1 stellt zwei zu verbindende rohrförmi Bauteile Vor ihrem Zusammenfügen dar; dieF i g. Figure 1 shows two tubular components to be joined before they are joined; the

F i g. 2 zeigt dieselben Bauteile im zusammengesteckt ten Zustand, für die Hartlötung vorbereitetF i g. 2 shows the same components plugged together th state, prepared for brazing

Nach Fig. 1 wird ein Bauteil 1, z.B. aus elii Nioblegierung, das andere Bauteil 2 aus einAccording to Fig. 1, a component 1, e.g. made of elii Niobium alloy, the other component 2 from a

Chromnickelwerkstoff. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Werkstoffes von Bauteil 1 beträgt dabei alpha = 7,9 ■ 10* der Ausdehnungskoeffizient des Bauteiles 2 beträgt alpha = 18 · ΙΟ*. Die Durchmesser der Bauteile liegen in der Fügezote 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 gebalten. Die Schütze 11 bzw. 21 werden dabei vom anderen Bauteil jeweils vollständig Oberdeckt Zur Halterung des äußeren Bauteiles 2 ist ein Ring 3 fiber 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 U oder 21 deponiert werden. In diesem Beispiel wird das innere Bauteil 1 durch einen eingesteckten Dorn an einer mechanischen Verformung gehindert Dieser Dom 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 Lötung mit einem Stoppmittelaufstrich oder einer Schutzschicht gegen eine Benetzung durch das Lot geschützt sind. Bei dem gewählten Werkstoffbeispiel kann z.B. als Lot eineChromium-nickel material. The coefficient of thermal expansion of the material of component 1 is alpha = 7.9 ■ 10 * the expansion coefficient of the Component 2 is alpha = 18 · ΙΟ *. The diameter of the components are around 28 mm in the joint, each wall thickness is around 1 mm. The slots 11 and 21 have a length of about 18 mm and a width of 1.5 mm. To establish the connection between these two components they are pushed into one another, see FIG. 2 and in this situation through funds not shown kept. The contactors 11 resp. 21 are completely covered by the other component to hold the outer one Component 2 is a ring 3 pushed over the edge of the same, which is protruding through an inward Collar 31 holds This collar 31 can be toothed so that the inserted solder wire ring 4 when Brazing process can easily flow into the joint between components 1 and 2 after melting. Of course, the solder material could also be deposited in the slots U or 21. In this For example, the inner component 1 is subjected to mechanical deformation by an inserted mandrel hindered This cathedral can z. B. be made of a ceramic material, so that a stuck there is no need to fear this. Of course, metallic components can also be used find that in the event of a soldering with a stop agent spread or a protective layer against are protected from wetting by the solder. In the selected material example, a

Nickel-based alloy can be used.

Bei Versuchsmustern wurde üa Hochvakuum bei einem Druck von etwa 1 · 10-*mbar und einer Temperatur von etwa 1120°C gelötet Anschließend wurden der Haltering und der innere Dorn entfernt Die Lötverbindung wurde dann im Hochvakuum im Bereich von 50 bis 1000⁰C 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 Q kleiner als 1 · IO-⁹ mbar · dm³ · sr¹ und hatte sich auch nach etwa 30 Temperaturwechseln nicht geändertIn test samples was üa high vacuum at a pressure of about 1 x 10 * mbar and a temperature of about 1120 ° C soldered Subsequently, the retaining ring and the inner mandrel are removed The solder joint was then under high vacuum in the range of 50 to 1000 ⁰ C in thermal shock resistance tested whereby the heating to 1000 ⁰ C took place within 5 minutes and the cooling to 50 ° was reached after 10 minutes. The tightness of the joint was tested by means of helium leak test, the helium leak rate was extremely low and amounted to less than Q · dm ³ mbar · sr ¹ and had not changed 1 x IO ⁹ also after about 30 temperature changes

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.Of course, this design principle can not only be used for components with a circular cross-section apply, rather it is also conceivable. In this way, tubes with a square cross-section are stress-free connect to. Here you will then move the slots of one component in the outer edge.

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.For connections between metallic and non-metallic, e.g. ceramic components or Components made of graphite, it is of course necessary to carry out the usual surface treatments, so that wetting by the solder is possible.

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.Finally, it should be noted that of course the soldering can also be carried out under normal atmosphere or protective gas, whereby the Heat can be introduced by flame or induction heating.

1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

! Coaxial metallurgical connection between parts with very different coefficients of thermal expansion, especially for thermal converters, specialty furnaces. in vacuum technology, thereby characterized in that the outer part (2) in the connection area with axially parallel slots (21) is provided, which are completely covered by the inner part (1), using the Soldering or welding technology is produced, rings (3) being used to fix the shape of the outer component, which are simultaneously serve to hold the solder material, with inner bolts or expanding mandrels also being provided are, these parts are made of a material that is not metallurgical during the joining process Connection with the workpiece enters

2. Compound according to claim 1, characterized in that that the inner part (1) consists of a tube and also with axial slots (11) is provided, which lie centrally between the slots (21) of the outer part (2).

25th