DE2501631C3

DE2501631C3 - Verfahren zum Verbinden von Metallteilen

Info

Publication number: DE2501631C3
Application number: DE19752501631
Authority: DE
Inventors: Yoshiki Yokohama Kanagawa Oshida (Japan)
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1975-01-16
Filing date: 1975-01-16
Publication date: 1978-11-16
Also published as: DE2501631A1; DE2501631B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Metallteilen, bei dem die miteinander zu verbindenden Metallflächen unter Druck und insbesondere unter höherer Temperatur aneinander gehalten werden, wobei der Bereich der Verbindungsstelle einem mehrfachen Temperaturwechsel-Zyklus im Temperaturbereich um mindestens einen Umwandlungspunkt unter Einstellung eines superplastischen Zustandes unterworfen wird, nach Patent 2501617.

Unter den bekannten Verfahren zum stumpfen Aneinanderschweißen von Metallteilen wird außer dem Elektro- oder Autogenstumpfschweißen das Diffusionsschweißen am häufigsten verwendet. Beim Diffusionsschweißen werden die miteinander zu verbindenden Metallteile längere Zeit bei hoher Temperatur, nämlich bei einer Temperatur dicht unterhalb der Solidus-Linie der Metallteile, gegeneinander gepreßt, wobei Diffusionsvorgänge eine feste Verbindung bewirken.

Abgesehen von Aufwand und Zeit für ein langes Aufheizen auf die hohe Arbeitstemperatur und eine lange Haltedauer bei dieser Temperatur wird dadurch das Gefüge zumindest der der Verbindungsstellen nahen Bereiche der Metallteile insbesondere bezüglich der mechanischen Eigenschaften und gegebenenfalls auch der Korrosionsbeständigkeit sehr nachteilig beeinflußt. Letzteres gilt vor allem bei korrosionsbeanspruchten Teilen, wie z. B. Stahlrohre für Kessel in stark schwefelhaltiger Atmosphäre. Außerdem ist bei diffusionsgeschweißten Teilen oft keine flache und glatte Schweißstellenoberfläche erreichbar.

Mit dem Verfahren nach dem Hauptpatent wird demgegenüber erreicht, daß zwei miteinander zu verbindende Metallteile in kürzerer Zeit und zugleich bei niedriger Temperatur ohne Anwendung eines höheren Anpreßdrucks verbunden werden können. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß in einer Umwandlungspunktphase eine plötzliche, sehr wesentliche Erweichung des Metallgefiiges, und zwar verbunden mit einer um Größenordnungen erhöhten Diffusionsgeschwindigkeit beispielsweise von Kohlenstoff in Stahl eintritt (Superplastizität).

Es hat sich jedoch gezeigt, daß beim Verfahren nach dem Hauptpatent sicherzustellen ist, daß die is Anlageflächen der Metallteile ausreichend eben und fein bearbeitet sind, um einen ausreichenden -Oberflächenkontakt für die gewünschten Diffusionserscheinungen zu erzielen. Darüber hinaus ist ein gewisser apparativer Aufwand erforderlich, um insbesondere

bei Metallen mit einer starken Affinität zu Sauerstoff wie etwa Titan, -rostfreier Stahl, Aluminium usw. im Bereich der Verbindungsstelle eine reduzierende Atmosphäre zu erzeugen, um eine Behinderung der Diffusionsvorgänge durch Metalloxydschichten zu vermeiden.

Um auch bei grobbearbeiteten oder gar unbearbeiteten Oberflächen, etwa Sprödbruchoberflächen ohne umständliche Feinbearbeitung eine dauerhafte Verbindungsstelle zu erzielen und den Aufbau einer redu-

jo zierenden Atmosphäre oder Vakuum im gesamten Arbeitsbereich um die Verbindungsstelle zu vermeiden, besteht die erfindungsgemäße Weiterbildung des Verfahrens nach dem Hauptpatent darin, daß eine Zwischenschicht zwischen die Verbindungsflächen der zu verbindenden Metallteile eingefügt ist, die beim Verbinden eine reduzierende Atmosphäre zu bilden vermag.

Durch die Einfügung einer Zwischenschicht aus beispielsweise Kohlenstoff oder pastenförmig aufgebrachtem Metallpulver werden jegliche auch mikroskopische Zwischenräume zwischen den aneinandergrenzenden Stoßflächen der zu verbindenden Metallteile sauber ausgefüllt und so ein inniger Oberflächenkontakt erzielt Darüber hinaus läßt sich auch der Ablauf der Diffusionsvorgänge hierdurch in geeigneter Weise steuern, so daß ein geringerer Streubereich der Festigkeitswert tür die fertige Verbindung auftritt. Da die Zwischenschicht selbst eine reduzierende Atmosphäre ausbildet, die unmittelbar dort entsteht, wo sie gebraucht wird, kann der Aufwand für die Schaffung einer reduzierenden Atmosphäre oder Vakuum im gesamten Arbeitsbereich vermieden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für Verbindung von Teilen wie Rändelrohren, Kessel-Stahlrohren, Gußeisen bzw. Graugußteile und ähnliche Teile.

Versuchsbeispiel

Aus Weichstahl (Kohlenstoffstahl bis ca. 0,3% C) wurden Proben hergestellt, die durch das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung von Kohlenstoff sowie Weichstahlpulver als Zwischenschicht verbunden wurden, während Vergleichsproben ohne eine Zwischenschicht, also nach dem Verfahren des Hauptpatentes, verbunden wurden und diese Probenkörper mit einem Probekörpe-r aus Weichstahl ohne Verbindungsstelle verglichen wurden.

Der bei der Verbindung angewandte Temperaturwechsel-Zyklus schwankte sägezahnfö'rmig um die Umwandlungspunkte von 723°C und 85O°C mit einem oberen Grenzwert von 950"C und einem unteren Grenzwert von 600⁰C. Die Erwärmung und Abkühlung erfolgte in fünf Zyklen pro Minute, wobei eine Druckbelastung von 2 kg/mm² angelegt wurde.

Das Eigebnis einer Zugfestigkeitsprüfung an den vorgenannten Proben ist in folgender Tabelle zusammengefaßt

Tabelle

Proben

Maximale Zugfestigkeit

(kg/mm²)

Weichstahl bis 0,3% C mit Zwischen- 46,82

schicht aus Kohlenstoff verbunden (Druckbelastung 2 kg/mm²)

Weichstahl bis O^VoCmitZwischen- 45,47

schicht aus gleichem Weichstahl verbunden (Druckbeiastyng 2 kg/mm²'

Weichstahl bis 0,3% C ohne Zwischen- 43,02 schicht verbunden (Druckbelastung 2 kg/mm²)

Weichstahl bis 0,3% C ohne Verbin- 42,32 dungsstelle

Beim vorstehend beschriebenen Versuchsbeispiel sind die oberen und unteren Grenzwerte des Temperaturbereichs des Temperaturwechsel-Zyklus auf etwa ± 120⁰C zum Umwandlungspunkt eingestellt, während die Frequenz der Temperaturzyklen mit 5 Zyklen/min gewählt ist Der Grund für die Auswahl dieser Werte

liegt in der Berücksichtigung der Änderungen oder Abweichungen des Umwandlungspunktes infolge der

Änderungen der Erwärmungs- und AbkübJgeschwindigkeiten sowie der von Beginn bis zur Beendigung -der Umwandlung erforderlichen Zeitspanne. Bei der ■ praktischen Durchführung des Verfahrens können die Bedingungen für den in Aufwärts-und Ab wärtsrichtung

-. durch den Umwandlungspunkt verlaufenden, die Erscheinung der Superplastizität erzeugenden Temperaturzyklus, etwa Temperaturbereich, Frequenz, Dauer --und dgL in Abhängigkeit von der Art und Form der-MetaHteile in geeigneter Weise gewählt werden. Die anzulegende Belastung kann dabei in der Größen-Ordnung von etwa V₁₀ bis V₃₀ der Streckgrenze (der maximalen Dauerbelastung) des metalllischen Werkstoffs liegen.

Wie aus dem in der Tabelle zusammengefaßten Versuchsergebnis hervorgeht, wird die Verbindung beim erfindungsgemäßen Verfahren fester. Dies ist auch dann -der Fall, wenn die Druckbelastung zur Erzeugung der Verbindung verringert wird. Die reduzierende Atmosphäre kann in der Praxis in jedem Falle dadurch erzielt werden, daß das Material der Zwischenschicht zunächst pulverförmig bereitgestellt wird und sodann in einen pastenformigen Zustand überfuhrt wird, wobei die Paste so gewählt wird, daß bei ihrer Vergasung im Zuge der Erwärmung die reduzierende Atmosphäre gebildet wird.

Claims

25 Ol

Patentanspruch:

Verfahren zum Verbinden von Metallteilen, bei dem die miteinander zu verbindenden Metallflächen unter Druck und insbesondere unter höherer Temperatur aneinander gehalten werden, wobei der Bereich der Verbindungsstelle einem mehrfachen Temperaturwechsel-Zyklus im Temperaturbereich um mindestens einen Umwandlungspunkt unter Einstellung eines superplastischen Zustandes iinierworfen wird, nach Patent 2501617, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenschicht «wischen die Verbindungsflächen der zu verbindenden Metallteile eingefügt ist, die beim Verbinden eine reduzierende Atmosphäre zu bilden vermag.