DE2458739C3

DE2458739C3 - Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs mittels Explosivschweißens, der neben einer Tantalschicht weitere Metallschichten aufweist

Info

Publication number: DE2458739C3
Application number: DE19742458739
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Ing. 7530 Pforzheim Jaehn; Christian Dr.-Ing. 8752 Michelbach Liesner; Rolf Dr.-Ing. 7014 Kornwestheim Pruemmer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1974-12-12
Filing date: 1974-12-12
Publication date: 1978-04-20
Also published as: DE2458739B2; DE2458739A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs mittels Explosivschweißens, der neben einer Tantalschicht weitere Metallschichten aufweist, wobei die Dicke der Tantalschicht so gering ist, daß sie ohne Hilfsmittel nicht als Blech mit einer der weiteren Metallschichten explosiv verschweißbar ist.

Die einfachste Anordnung zum explosiven Plattieren ebener Bleche zeigt Abb. 1. Eine mit Explosivstoff E beschichtete Metallplatte F (Flugplatte) eines Auflagewerkstoffes ist gegenüber einer Grundplatte C aus einem Basiswerkstoff in einem bestimmten Abstand und der Neigung et angeordnet (Abb. la). Die Einleitung der Detonation erfolgt an der Seite mit geringstem Abstand mittels Zünder Z Unter der Wirkung des hohen Detonationsdruckes D wird die Flugplatte F in Richtung der Grundplatte G beschleunigt. Bei der mit hoher Geschwindigkeit v_p erfolgenden Kollision tritt eine Verschweißung zwischen beiden Platten auf. Maßgebend hierfür ist, daß die Kollisionsgeschwindigkeit ν/, riehl ig gewählt und auch der Winkel ß, unter dem die Kollision erfolgt, einen kritischen Wert übersteigt (Abb. I b). Die Kollisionsgeschwindigkeit v_k darf auf keinen Fall größer sein als 120% der Schallgeschwindigkeit im zu verschweißenden Werkstoff, Der minimale Kollisionswinkel β richtet sich ebenfalls nach der Art der Metallpartner und liegt für die gebräuchlichsten Metallebei-7°bisl0°.

Zur Einstellung der für einen guten Verbund maßgebenden Plattierparameter ist die Kenntnis des Zusammenhanges mit den Sprengstoffdaten Voraussetzung. Bei der heute üblichen Plattenanordnung mit dem

■o Ausstellwinkel et = 0 ist die Kollisionsgeschwindigkeit vt durch die meistens bekannte Detonationsgeschwindigkeit vd des Sprengstoffs gegeben und kann somit auch leicht eingestellt werden. Für den Kollisionswinkel β ist allein das Verhältnis aus der aufgewandten

'5 Sp, engstoffmenge und der Masse der Flugplatte maßgebend. Erst bei größeren Plattenabmessungen sind von dieser Regel abweichende Befunde zu berücksichtigen.

Beim Explosivschweißen von großflächigen Behälter-

Jo wandungen sind Blechstärken > 0,8 mm erforderlich. Der auf die Flugplatte aufgebrachte Sprengstoff biegt nämlich diese neben dem Eigengewicht durch seine zusätzliche Belastung weiter durch. Deshalb muß die Flugplatte mit Abstandshaltern unterstützt werden,

*5 welche den Schweißvorgang allerdings erheblich beeinträchtigen.

Diesem Umstand versucht bei dünnen Blechen ein Verfahren gerecht zu werden, das ir.it versteifenden Deckblechen arbeitet (DT-AS 15 27 509). Hierbei wird die explosiv zu verschweißende Folie mit einer dicken Metallplatte zu einem Verbund verklebt. Dieser Verbund wird dann als Flugplatte explosiv auf eine Grundplatte plattiert. Die stützende Metallplatte muß, da die dazwischenliegende Klebeschicht ein Verschwei- Ben verhindert hat, nach dem Plattiervorgang entfernt werden; sie ist wegen der aufgetretenen Verformungen für weitere Explosivverschweißungen verloren. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens ist daß streng auf einen guten Verbund geachtet verden nuß. Luftblasen zwischen Folie und Metallplatte, die sich oft aufgrund der Walzspannungen (Blechdeckeleffckt) nicht vermeiden lassen, führen zu Rissen, Falten und/oder Spannungen im plattierten Blech. Andererseits sind die einzusetzenden Sprengstoffmengen unterkritisch. Eine einwandfreie Detonation ist dann nicht mehr gewährleistet; Verwerfungen, Biegungen und aufgerissene Oberflächen sind meistens die Folge.

Der Anordnung liegt daher die Aufgabe zugrunde, beim Herstellen eines neben einer Tantalschicht weitere Metallschichten aufweisenden Verbundwerkstoffes mittels Explosivschweißens die Nachteile der bisher bekennten Verfahren zu vermeiden, insbesondere in denjenigen Fällen, bei denen die Dicke der Tantalschicht so gering ist, daß sie ohne Hilfsmittel nicht als Blech mit einer weiteren Metallschicht verschweißbar ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte gelöst:

a) ein Tantalblech, dessen Dicke die zum Explosivschweißen ohne Hilfsmittel erforderliche Mindest dicke überschreitet, wird mit einem Blech, das eine der weiteren Metallschichten bildet, zu einem Zweischichtverbundmaterial verschweißt;

b) durch ein- oder mehrmaliges Auswalzen des Verbundmaterials wird die Dicke der Tantalschicht auf eine wesentlich unterhalb der bei Explosionsschweißen ohne Hilfsmittel erforderlichen Mindestdicke vermindert;

c) das ausgewalzte Verbundmaterial wird durch Explosionsschweißen mit einem weiteren Blech (Trägerschicht) zu einem großflächigen Mehrschichtverbundwerkstoff verbunden.

Es ist zwar bekannt (vgL DT-OS 15 27 580, Seiten 7 und 13), die Dicke eines durch Explosionsschweißen hergestellten Verbundwerkstoffes durch ein- oder mehrfaches Walzen bis zur gewünschten Querschnittsminderung zu reduzieren, sogar starke Verringerungen sind möglich, z.B. von 10:1 oder mehr. (Vgl. auch Weinhold, »Plattierte Werkstoffe«, Leipzig 1952, Seiten 14 und 15.)

Es ist ferner bekannt (vgl. Druckschrift der E. I. du Pont de Nemours & Co. Inc.: »Recent advances in metal working with explosives«, April 1962, Seite 11, Abs. 2), ein Mehrfachschichtmetall aus 16 abwechselnden Lagen von rostfreiem und gewöhnlichem Stahl mit einem einzigen Schuß herzustellen. Dies erfordert aber, daß alle Bleche die erforderliche Mindeststärke haben müßten, damit ohne Hilfsmittel ein Verbinden der einzelnen Bleche durch Explosionsschweißcn möglich würde. Es wäre auch außerordentlich schwierig und aufwendig, bei einem großflächigen Merhschichtverbundmaterial die Schichtdicke z. B. des Tantalbleches durch Walzen so weit zu reduzieren, daß seine Dicke schließüch geringer als die vorgenannte Mindeststärke ist, d. h. die Anwendung dieses Verfahrens bei der Plattierung vorgeformter Behälter, die nach der Plattierung einem Walzvorgang nicht mehr unterzogen werden können, ist nicht möglich.

Demgegenüber besteht die Erfindung in der Kombination der im Patentanspruch la) bis c) genannten Maßnahmen, durch die es leichter möglich wird, einen Doppelschichtverbund zu walzen als einen großflächigen Mehrschichtverbund. Außerdem bietet der gewalzte Doppelschichtverbund den Vorteil, daß er mit einem beliebigen Metallwerkstoff explosionsplattiert werden kann, der sich beispielsweise in seinen Materialeigenschaften erheblich von dem gewalzten Doppelschichtverbund untei scheidet.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels erörtert. Es zeigen:

A b b. 2 einen Querschnitt durch das Verbundmaterial (Tantal und Kupfer),

A b b. 3 einen Querschnitt durch das Verbundmaterial (Tantal und Kupfer) nach dem Walzen,

Abb. 4 einen Querschnitt durch das auf eine Stahlschicht aufgeschweißte Verbundmaterial (Tantal und Kupfer).

Als Ausführungsbeispiel ist ein Verbund von Tantal und Kupfer gewählt.

Tantal weist eine auch bei höheren Temperaturen hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf, die nur mit der von Platin oder Gold zu vergleichen ist. Zusammen mit hoher mechanischer Festigkeit, guter Wärmeleitfähigkeit und guter Schweißbarkeit hat Tantal eine vielseitige Anwendung im chemischen Apparatebau, in der Verfahrenstechnik und in der Reaktortechnik gefunden,

Hochdruckapparate, in denen aus Korrosionsgründen Tantal eingesetzt werden muß, werden immer ausgekleidet und nie in selbsttragender Konstruktion gebaut. Die Auskleidung kann als loses Hemd oder durch Explosivschweißen al^c Verbund hergestellt werden. Der plattierte Verbund besitzt gegenüber der losen Auskleidung Vorteile, z. B. bei Vemperaturwechselbeanspruchune. wenn die verbundenen Werkstoffe unterschiedliche Wärmedehnungskoeffizienten besitzen, und bei Apparaten, in denen auch Unterdruck auftreten kann. Aus Gewichtsgründen (Tantal hat ein spezifisches Gewicht von 16,6 g/cm³) und aus Kostengründen ist

s man bestrebt, die Dicke der Tantalauflage möglichst dünn zu halten. Technisch gebräuchlich waren bisher Tantalauflagen von 0,8 bis 1,0 mm Stärke, bedingt durch die Grenzen, die durch das Verfahren beim normalen Explosivplattieren gesetzt sind.

ίο Gemäß der Erfindung ist nun aber ein Verbundmaterial herstellbar, welches ein- oder mehrmalig ausgewalzt ein ca. 1 mm starkes Kupfer-Blech mit U₁I mm Tantal-Auflage ergibt Dieses Halbzeug kann dann in derselben Weise weiter verarbeitet werden, wie massive Bleche, z. B. durch explosives Aufplattieren der Kupferseite auf Stahl. Die nur 0,1 mm starke Tantal-Auflage reicht für verfahrenstechnische Zwecke völlig aus.

Bei dem explosiven Schweißen von Tantal auf Kupfer hat es sich als günstig erwiesen, be^: <;iner parallelen Anordnung der Metallplatten einen Sprengstoff mit einer Detonationsgeschwindigkeit von 2700 m/s und eine Sprengstoffmenge vom 0,74fachen der Tantalplattenmasse einzusetzen.

In Abb. 2 ist die Bindezone nach dem Explosivschweißen von rekristallisiertem Tantal auf Elektrolytkupfer wiedergegeben. Die Tatsache, daß keine intermediären Phasen im Verbund vorhanden sind, weist auf die Güte der Verbindungsschichi hin.

Der Tantal-Kupfer-Verbund konnte ohne Zwischenglühen einwandfrei gewalzt (Abb.3) und auch tiefgezogen werden, unabhängig vom Tantal-Ausgangsmaterial. Man kann in A b b. 3 deutlich erkennen, daß die durch das Explosivschweißen gebildeten Wellenkämme beim anschließenden Walzen flachgedrückt und eingeebnet werden.

Der ausgewalzte Verbund mit einer Auflagestärke von ca. 0,1 mm Tantal wurde gerichtet und dann ohne Zwischenglühen auf eine 4,5 mm starke Stahlunterlage (St 37) explosiv aufgeschweißt. Auch hierbei wurde der ursp. angliche Tantal-Kupfer-Verbund in keiner Weise geschädigt. A b b. 4 zeigt die beiden Verbindungszonen. Die Tantal-Kupfer-Schicht bleibt unverändert, während sich jetzt naturgemäß zwischen Kupfer und Stahl wieder eine ausgeprägte wellige Verbindungsschicht gebildet hat.

An dem Tantal-Kupfer-Verbund wurden im geschweißten Ausgangszustand und auch nach dem Walzen (Walzgrad 90%) Biegetests und Verdrillungsversuche durchgeführt. Dabei traten keine Materialtrennungen oder Anrisse in der Bindezone auf. Ebenfalls führten Temperaturwechsel versuche zwischen 300° C und E*',wassertemperatur trotz der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Tantal und Kupfer zu keinem Lösen ües Verbundes.

Die Ergebnisse zeigen, daß Tantal sich sehr gut mit Kupfer explosiv vsrschweißen IiSJt. Die Gefügeaufnahmen der Schweißnonen lassen die typischen wellenförmigen Bindezonen erkennen. Ohne Einfluß auf die Güte der Verschweißung und auf die anschließende Verformung ist das Herstellungsverfahren des Tantato. Das weichere elektronenstrahlgeschmolzen« Material und das etwas härtere gesinterte Material können mit den gleichen Parametern auf Kupfer explosiv verschweißt

(■i werden. Die Schweißverbindung weist in keinem Fall intermediäre Phasen auf. Die einwandfreie Bindung nach dem Explosivschweißen bleibt auch noch nach einer ca. 90%ieen Verformung des Tanlal-Kupfer-Ver-

bundes erhalten. Die durchgeführten Biegetests und Verdrillungsversuch«! zeigen keine Materialschädigungen in der SchweiOzone.

Parallel an Tantal-Stahl durchgeführte Versuche haben auch für diesen Verbund ein gleiches Verhalten erbracht.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:

1. Kostenersparnis durch [!xplosivplatticren nur kleiner Flächen, durch Wegfall von zusätzlichen Schutzblechen bzw. notwendigen Abstandshaltern und durch eine wesentliche Verringerung der Tantal-Auflage.

2. vereinfachte Herstellung von großflächigen plattierten Behälterwandungen,

3. höhere Sicherheit der Bindung gegenüber dem Explosionsplattieren dünner Bleche.

Die nach diesem Verfahren hergestellten Tantal-Kup ferplattierten Stahl-Halb/euge können in der chemi sehen Industrie vor allem in Hochdruckapparaten Reaktionsgefäßen, Verdampfern und Wärmeaustau schern eingesetzt werden, wenn hohe Temperaturer und hohe Drücke für den Prozeßablauf notwendig sind Tantal-Kupfer-Verbundstoffe mit einer sehr dünner Tantal-Auflage werden in der Elektrolyse verwendet.

Es ist selbstverständlich, daß die zum Verbinden dei Apparate erforderlichen Rohrleitungen ebenfalls au¹ Tantal-Plattierungen hergestellt werden können. Nacr diesem Verfahren können aber auch Werkstoffpaarun gen z. B. von Platin, Gold, Silber, Niob, Titan mi anderen metallsichen Unter- und Zwischenlagen herge stellt und weiterverarbeitet werden.

3 Blatt

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs mittels Explosivschweißens, der neben einer Tantalschicht weitere Metallschichten aufweist, wobei die Dicke der Tantalschicht so gering ist, daß sie ohne Hilfsmittel nicht als Blech mit einer der weiteren Metallschichten explosiv verschweißbar ist, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte:

a) ein Tantalblech, dessen Dicke die zum Explosivschweißen ohne Hilfsmittel erforderliche Mindestdicke überschreitet, wird mit einem Blech, das eine der weiteren Metallschichten bildet, zu einem Zweischichtenverbundmaterial verschweißt;

b) durch ein- oder mehrmaliges Auswalzen des Verbundmaterials wird die Dicke der Tantalschicht auf eine wesentlich unterhalb der bei Explosionsschweißen ohne Hilfsmittel erforderliche Mindestdicke vermindert;

c) das ausgewalzte Verbundniaterial wird durch Explosionsschweißen mit einem weiteren Blech (Trägerschicht) zu einem großflächigen Mehrschichtverbundwerkstoff verbunden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht aus Kupfer von ca. 10 mm Dicke und das aufgebrachte Plattiermaterial aus Tantal von ca. 1 mm Dicke besteht und daß das Plattiermateriaf -inter Beibehalten eines Dickenverhältnisses von 1:10 durch auswalzen auf eine gewünschte Dicke von 0,1 mm gebracht und durch Explosivschweißen mit einer weiteren Trägerschicht aus Stahl verbunden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Explosivschweißen von Tantal auf Kupfer bei paralleler Anordnung der beiden Metallplatten ein Sprengstoff mit einer Detonationsgeschwindigkeit von 2700 m/s und eine Sprengstoffmenge vom 0,74fachen der Tantalplattenmasse eingesetzt wird.