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Verfahren zur Herstellung ultrahochvakuumdicht er Schweißverbin-
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dungen zwischen Aluminium und Stahl, insbesondere Edelstahl.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ultrahochvakuumdichter
Verbindungen zwischen Konstruktionsteilen aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen
einerseits und Konstruktionsteilen aus Stahl, insbesondere Edelstahl andererseits,
die den höchsten Anforderungen an Dichtigkeit entsprechen, gute mechanische Festigkeit
und Wårmebeständigkeit bis weit über 100°C, z.B. 200°C, haben sowie auch gegen Temperaturschwankungen
sehr widerstandsfähig sind, und zwar durch Schweißen unter Schmelzen eines Schweißpartners,
was bisher nicht möglich war, und auch vor Ort ohne Verwendung eines separat angefertigten
Zwischenstückes anwendbar ist, was bei keinem bisher bekannten Verfahren der Fall
war. Verbindungen zwischen Konstruktionsteilen aus Al und Stahl, die den obigen
Anforderungen genügen, konnten bisher nur auf andere Weise als durch Schweißen unter
Schmelzen eines Schweißpartners hergestellt werden, die leber gegenüber dem Schweißen
erhebliche wirtschaftliche und technologische Nachteile haben.
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So kann z.B. eine einwandfreie Verbindung zwischen einem Konstruktionsteil
aus Al und einem aus Stahl, die auch mechanisch und thermisch allen Anforderungen
entspricht, durch Sprengplattierung erreicht werden. Nach diesem bekannten Verfahren
werden eine Al- und eine Stahlplatte durch Sprengplattieren fest und dicht miteinander
verbunden und die miteinander zu verbindenden Konstruktionsteile mit den entsprechenden
Seiten der so hergestellten Verbundplatte durch Schweißen verbunden.
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Abgesehen davon, daß dieses Verfahren außerordentlich teuer ist, ermöglicht
es eine Verbindung der Konstruktionsteile praktisch nur über die Verbundplatte,
was konstruktiv oft nachteilig ist, und gestattet daher nicht das direkte Verschweißen
zweier fluchtender Rohre miteinander.
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Eine andere bekannte Methode zur Herstellung ultrahochvakuumdichter
Verbindungen von Stahl und Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen ist das Diffusionsschweißen,
wie es z.B. in OLS 2 060 728 beschrieben ist. Nach diesem Verfahren werden die zu
verbindenden Werkstücke aus A1 und Stahl zwischen zwei Stützrohren unter hohem Druck
(2000 bis 4000 N/cm2) unter sehr genau einzuhaltender hoher Temperatur zusammengepreßt.
Druck, Temperatur und Verweilzeit müssen so aufeinander abgestimmt werden, daß einerseits
eine für die Verbindung der beiden Teile ausreichende Diffusionsschicht gebildet
wird, andererseits diese Schicht zu keiner größeren Dicke als wenigen P anwächst,
weil sie anderenfalls zu spröde wird.
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Nach erfolgter Verschweißung müssen die Stützrohre spanabhebend entfernt
werden. Das Verfahren ist daher recht aufwendig, zeitraubend und teuer, und ist
nicht vor Ort anwendbar, sondern gestattet die vakuumdichte Verbindung von Konsbruktionsteilen
aus Stahl und Al nur über ein vorher angefertigtes Zwischenstück.
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Auch durch Lötung im Vakuum kann Al mit Stahl vakuumdicht verbunden
werden, und zwar nach dem sog. Bi-3raze-Verfahren. Nach diesem Verfahren werden
die miteinander zu verbindenden Teile zunächst mechanisch so vorbearbeitet, daß
zwischen ihnen eine größere Bindungsfläche mit sehr engem Zwischenspalt gebildet
wird, und hierauf gemeinsam mit einem neben dem Spalt angebrachten Lot im Vakuum
auf eine Temeperatur knapp oberhalb des Schmelzpunktes des Lotes erhitzt wird, welches
in den Spalt zwischen den beiden Werkstücken eindringt. Da der Schmelzpunkt des
verwendeten Lotes stets sehr knapp, höchstens 600C, unterhalb des Schmelzpunktes
des Werkstückes aus Aluminium oder Aluminium-Legierungen liegt, erfordert dieses
Verfahren eine besonders genaue Temperaturkontrolle und wegen der Notwendigkeit,
den Spalt zwischen den beiden Werkstücken sehr eng zu halten, auch eine genaue Bearbeitung
auf knappe Toleranzen.
Auch dieses Verfahren ermöglicht nur die
Verbindung solcher Stücke miteinander, die gemeinsam in einem Ofen untergebracht
werden können, und nicht die vakuumdichte Verbindung der Konstruktionsteile vor
Ort.
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Schweißverbindungen zwischen Al bzw. Al-Legierungen einerseits und
Fe bzw. Eisenlegierungen andererseits sind zwar ebenfalls bekannt, jedoch nicht
solche, die ultrahochvakuumdichte Verbindungen guter mechanischer Festigkeit und
Wärmebeständigkeit ergeben. Zwar kann man A1 auf Stahl unter Verwendung anderer
Metalle als Haftvermittler aufschweißen. Die meisten dieser Haftvermittler ergeben
aber spröde intermetallische Verbindungen, die zwar nicht ganz so spröde sind wie
die intermetallischen Verbindungen von Fe und A1, aber doch so spröde, daß sie eine
Zwischenschicht verringerter Festigkeit bilden. Die einzigen als Haftvermittler
für das Aufschweißen von Al auf Stahl bisher praktisch verwendeten Metalle, die
keine spröden Zwischenschichten bilden, sind Sn und Zn (vergl. z.B.
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H. Schultz Schweißen und Schneiden 17 (1965) 288-296). Nachdem das
stählerne Konstruktionsteil mit einer Zwischenschicht aus Sn uder Zn versehen worden
ist, üblicherweise durch Eintauchen in das geschmolzene Überzugsmetall, kann auf
diese Zwischenschicht der Konstruktionsteil aus Aluminium ohne größere Schwierigkeiten
aufgeschweißt werden. Auf diese Weise kann man aber keine ultrahochvakuumdichte
Schweißverbindung erhalten, weil Zn einen für die Anwendbarkeit in der Ultrahochvakuumtechnik
zu hohen Dampfdruck hat und weil der Schmelzpunkt von Sn mit 232°C zu niedrig ist,
um das für die Austreibung oberflächlich absorbierter Gasmoleküle unentbehrliche
Ausheizen der Anlage vor Inbetriebnahme zu gestatten.
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Die Verwendung galvanisch aufgetragener Silberschichten als Zwischenschicht
ist auch schon vorgeschlagen worden (Hess u. Nippes, Welding Journal 25 (1946),
129 S-1485). Die Versuchsergebnisse waren aber sehr enttäuschend, weil sich der
Überzug allzu leicht beim Biegetest ablöste (Andrew, British Welding Journal, 9
(1962), 650-658).
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Ein Verfahren zur Verbindung von A1 mit Stahl, das eine vakuumdichte
Verbindung geben soll, sieht das Aufbringen einer Zwischenschicht aus Al auf dem
Stahlteil durch Schweißreibnng vor (OLS 2 126 596). Die damit
erzielbare
Vakuumdichtheit mit Leckverlusten von 1 bis 4.10 Torr.1/sec genügt bei weitem nicht
den Anforderungen der Hochvakuumtechnik.
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Nach einem anderen bekannten Verfahren - OLS 1 808 013 - zum Verbinden
von Schwermetallen, insbesondere Cu mit Al, wird das Schwermetall mit einer ziemlich
dicken (etwa 400 /u) Silberlotschicht beschichtet und das Auflegieren des Schweißgutes
mit den Schwermetallkomponenten des Silberlotes durch Aufbringung einer Auftragsschweißschicht
aus Al auf die Silberlotschicht vor Anbringung der Verbindungsschweißung verhindert.
Eine Übertragung dieses Verfahrens auf Schweißverbindungen zwischen Al und Stahl
ergibt, wie Versuche gezeigt haben, ebenfalls keine verläßlichen ultrahochvakuumdichten
Schweißnähte mit guter mechanischer Festigkeit und ausreichender Wärmebeständigkeit.
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Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Nachteile des bekannten
Standes der Technik, indem sie die Möglichkeit eröffnet, Konstruktionsteile aus
Stahl, insbesondere Edelstählen, z»B. den bekannten chromnickelhaltigen austenitischen
VA-Stähien, mit solchen aus Al und/oder Aluminiumlegierungen durch Schweißung so
absolut vakuumdicht zu verbinden, daß die Verbindung auch den höchsten Anforderungen
moderner Ultrahochvakuumtechnik genügt, d.h. eine mit üblichen Mitteln heutiger
Ultrahochvakuummeßtechnik nicht mehr nachweisbare Leckage, d.h. eine solche von
unter 1.0.10-10 Torr.1/sec (1,3 10-10 N m³/sec) aufweist, hitzebeständig genug ist,
um das wiederholte Ausheizen der die erfindungsgemen Schweißnähte aufweisenden Apparatur
auf mindestens 1500C zu gestatten und schroffste Temperaturwechselbeanspruchungen,
z.B. Eintauchen der auf 2000C erhitzen Schweißnaht in flüssigen Stickstoff, ohne
Beschädigung übersteht.
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Die Erfindung beruht im wesentlichen auf der Verwendung einer besonders
vorbehandelten Haftvermittlungsschicht aus Ag oder Ag-Legierung, die in an sich
bekannter Weise vorzugsweise über eine Zwischenschicht aus Ni oder Co auf dem sorgfältig
gereinigten Stahlkonstruktionsteil aufgebracht ist, und anschließender Verwendung
eines bestimmten, an sich
bekannten Schweißverfahrens, nämlich des
Argonarc-Verfahrens. Obwohl die sorgfältige Reinigung des Stahls, z.B. durch Beizung
mit geeigneten Beizlöungen und - mindestens fur die Anwendung auf Cr-haltige Stähle
-auch das Aufbringen der zweckmäßig 1 bis 5/u dicken, vorzugsweise etwa 1 /u dicken
Co- bzw. Ni-Schicht wesentlich für die Erfindung sind, gehören diese beiden Verfahrensschritte
für sich allein zum allgemein bekannten Stand der Technik und bedürfen keiner näheren
Erläuterung.
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Erfindungsgemäß wird die 5 bis 50 u starke Ag-Schicht während oder
nach ihrer Aufbringung durch genügend lange Wårmebehandlung im Vakuum und anschließend
unter Schutzgas so rekristallisiert, daß schon die Ag-Schicht selbst völlig frei
von Poren, Lunkern und Gas- oder anderen Einschlüssen ist.
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Die Art der Wårme- und Vakuumbehandlung der Ag-Schicht richtet sich
zweckmäßig danach, wie sie aufgebracht ist bzw. wird.
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Ist das Silber auf galvanischem Wege aufgebracht worden, dann enthält
die Schicht unvermeidlicherweise Einschlüsse aus dem Elektrolyten und aus den an
der Kathode anfallenden Gasen, die erfindungsgemäß durch eine Wärmebehandlung von
genügend hoher Temperatur und ausreichend langer Dauer im Vakuum entfernt werden
müssen. In dieser Verfahrensstufe soll die Behandlungstemperatur mindestens 6000C,
die Behandlungszeit mindestens eine Stunde, vorzugsweise etwa 2 Stunden und der
Druck höchstens 10'1. vorzugsweise nicht mehr als 10 Torr betragen. Die Behandlungszeit
kann bei Erhoulg der Behandlungstemperatur und Verbesserung des Vakuums zwar etwas
herabgesetzt werden, auf keinen Fall aber sollte sie unter einer Stunde liegen.
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Anschliessend an die Entgasungsstufe wird die Silberschicht in einer
Schutzgasatmosphäre von z.B. Edelgas (Argon) oder einem Edelgas-Wasserstoff-Gemisch
einer weiteren, mindestens einstündigen, vorzugsweise zweistündigen Wärmebehandlung
bei Temperaturen bis zum Silberschmelzpunkt (9610), vorzugsweise jedoch bei etwa
7500C unterworden.
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Der Gasdruck darf dabei eine Atmosphäre oder mehr betragen, sollte
jedoch nicht unter 10 Torr sinken, um Ag-Verluste durch Abdampfung zu vermeiden.
Wesentlich ist auf jeden Fall die Anwesenheit der Schutzgasatmosphäre, da schon
minimalste örtliche Oxydationsvorgänge, die bei Abwesenheit der Schutzgasatmosphare
nie mit Sicherheit ausgeschlossen werden können, die erfindungsgemaß angestrebte
und verwirklichte Ultrahochvakuumdichtheit vereiteln würden.
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Die Silberschicht kann anstatt auf galvanischem Wege auch durch kathodische
Zerstbubung, z .3. nach dem Dioden-, Trioden- oder liF-System mit oder ohne Hilfsmagnetfeld
oder durch Bedampfung im Vakuum aufgebracht werden. Auch in diesem Falle ist eine
Überflächenreinigung der Stahloberfläche erforderlich, die zweckmäßig durch eine
Glimmentladung mit etwa 5.10- 5 Ah/cm² bewirkt werden kann. Sowhhl Zerstäubung wie
auch Vakuumbedampfung werden zweckmmßig in Edelgasatmosphare, vorzugsweise Argon,
bei DrUcken von 10 bis Torr durchgeführt, wobei wieder praktisch vollständige Abwesenheit
von Sauerstoff wesentlich ist, um auch die kleinsten örtlichen Oxydationsvorgänge
auszuschließen. Der Sauerstoff-Partialdruck muß auf jeden Fall kleiner als 10 Torr
sein.
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Sowohl bei der kathodischen Zerstäubung wie auch bei der Bedampfung
im Vakuum ist es möglich, die Verdichtung der Silberschicht durch Warmebehandlung
gleichzeitig mit ihrer Auftragung vorzunehmen, indem die zu beschichtende Oberfläche
während der Besehichtung auf einer Temepratur von 100 bis 500°C gehalten wird. Je
höher die Oberflächentemperatur gewKhlt wird, desto rascher darf das Auftragen erfolgen,
z.B. 1 t pro Stunde bei 5000C und 0,1 /U pro Stunde bei 100 C.
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Die Verbindung des Konstruktionsteiles aus Al oder Al-Legierungen
mit der so vorbehandelten dichten Ag-Schicht erfolgt erfindungsgemäß durch Schweißen
nach dem bekannten Argonarc-Verfahren, wobei der verwendete Schweißdraht in an sich
bekannter Weise der jeweils verwendete A1-Legierung angepaßt wird. PUr viele Anwendungsfälle
hat sich wegen der besonders niedrigen Schweißtemperatur der an sich bekannte A1Si-Eutektikum-Schweißdraht
S-A1Si 12 als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird mit Wechselstrom
geschweißt. Man erzielt damit den weiteren Vorteil, daß evtl. gebildete Oxyde durch
die während der (auf das Werkstück bezogene) negativen Halbwelle beschleunigten
Argon-Ionen des Plasmas sofort wieder entfernt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachstehend anhand das AusilIhrungsbeispiele
schematisch und beispielsweise, jedoch nicht einschränkend, näher beschrieben.
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Ausf ngsbeispiel Das in der Abbildung dargestellte V-Rohr 1 aus Stahl
1.4301 nach DIN (=X5 CrNi 18 9) mit dem Innendurchmesser 150 mm und 2 mm Wandstärke
sollte mit dem Rohr 2 gleichen Innendurchmessers und der Wandstärke 4 mm vakuumdicht
verbunden werden. Das Rohr 2 bestand aus Aluminium-Legierung 3.3206 nach DIN (=A1
Mg Si 0,5).
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Das Stahlrohr wurde mit Trichloräthylen vorentfettet und anschliessend
90 Sekunden lang in einem "Elektroentfettungsbad N" der Firma Dr. Ing.
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Max Schlötter bei einer Spannung von 6-8 V mit einer Stromdichte von
5-10 A/dm2 entfettet, mit Wasser gespült, mit 10-15fiiger H2504 dekapiert und nochmals
mit Wasser gespült. Auf der so gereinigten Stahloberfläche wurde aus dem Nickelbad
MP der Firma Dr.Ing.Max Schlötter bei einem pH von 1,2-2,0 und bei einer Temperatur
von 20°C mit einer Stromdichte von 0,5 A/dm2 eine 3 /U dicke lJickelschicht abgeschieden.
Nach zweimaligem Abwaschen wurde aus dem Cyanid-Silberbad "Argalux" der Firma Schering
AG, enthaltend 120 g KCN pro Liter und 10 g Ag pro Liter, bei einer Spannung von
5 V, 20 Sekunden lang vorversilbert, ohne Zwischenspülung in das Glanzsilberbad
mit einer Konzentration von 80-100 g KCN/Liter und 30-40 g Ag/Liter mit Glanzzusätzen
gebracht und unter Verwendung einer Silberanode eine Minute lang mit einer Stromdichte
von 0,6-1 A/dm2 glanzversilbert.
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Die Dicke der Gesamtsilberschicht betrug 15 /u.
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Nach Abwaschen des Elektrolyten und Trocknen im Heißluftstrom wurde
der versilberte V-Teil in einem Vakuumofen bei 10 Torr zwei Stunden lang auf 6100C
erhitzt. Anschließend wurde er im gleichen Vakuumofen in einer Atmosphäre aus 90
Argon und 10 Wasserstoff bei einem Druck von 100 Torr weitere 90 Minuten lang auf
750°C erhitzt.
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Das Al-Rohr 2 wurde mit Trichloräthylen entfettet und hierauf in 10%iger
NaCH bei 600C eine Minute lang gebeizt, anschließend gründlich mit Wasser abgespült,
mit 30%iger HNO, neutralisiert, wieder gespült und mit Warmluft getrocknet.
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V-Rohr 1 und A1-Rohr 2 wurden auf der Zentrierungsvorrichtung 3 in
Schweißstellung gebracht. Mit Hilfe des Argonarc-Brenners 4 (W-Elektrode; 2,4 mm
Durchmesser; 10 Liter Argon/min; 90 A) wurde die Schweißnaht 5 gebildet, während
gleichzeitig über die Spüllei-Xng 6 10 Liter Argon/min durchgeleitet wurde, um auch
die Innenseite der Rohre bzw.
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der entstehenden Schweißnaht vor Oxydation zu schlitzen. Als SchweiB-draht
wurde S-AlSi 12 von 2 mm Dicke verwendet.
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Die Prüfung der Schweißnaht nach Abkühlung in Luft ergab keine nachweisbaren
baren Leckagen. (Nachweisgrenze 10-10 Torr.l/sec) Anschliessend wurde das Verbundrohr
fünfmal nacheinander Je 10 Stunden lang auf 2000C gehalten, sofort in kaltes Wasser
geworfen, bei 1000C getrocknet und auf Dichtigkeit geprüft. Auch nach funfmaliger
Wiederholung dieser Behandlung konnte ein Leck bei einer Nachweisgrenze von 10-10
Torr.1/sec nicht festgestellt werden.
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Anschliessend wurde das Stück nochmals auf 2000C erhitzt und in flüssigem
Stickstoff abgeschret. Auch nach dieser Behandlung konnte kein Leck festgestellt
werden. An einer auf gleiche Weise hergestellten Parallelprobe wurde eine Bruchfestigkeit
mit 48 N/mm² bestimmt.