DE2552199C3 - Verfahren zur Herstellung ultrahochvakuumdichter Schweißverbindungen zwischen Aluminium und Stahl, insbesondere Edelstahl - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ultrahochvakuumdichter Verbindungen zwischen Konstruktionsteilen aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierunge.n einerseits und Konstruktionsteilen aus Stahl, insbesondere Edelstahl andererseits, die den höchsten Anforderungen an Dichtigkeit entsprechen, gute mechanische Festigkeit und Wärmebeständigkeit bis weit über 100⁰C, z.B. 200⁰C, 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 aber gegenüber dem Schweißen erhebliche wirtschaftliche und technologische Nachteile haben.

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 Stchlplatte durch Sprengplattieren fest und dicht miteinander verbunden und die miteinander zu verbindenden Konsiruktionsteile mit den entsprechenden Seiten der so hergestellten Verbundplatte durch Schweißen verbunden.

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 miteinader.

Eine andere bekannte Methode zur Herstellung ultrahochvakuumdichter Verbindungen von Stahl und Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen ist das Diffusionsschweißen, wie es z.B. in der DE-OS 20 60 728 beschrieben ist. Nach diesem Verfahren werden die zu verbindenden Werkstücke aus Al und Stahl zwischen zwei Stützrohren unter hohem Druck (2000 bis 4000 N/cm²) und 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 μ anwächst, weil sie anderenfalls zu spröde wird. 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 Konstruktionsteilen aus Stahl und Al

nur über ein vorher angefertigtes Zwischenstück.

Auch durch Lötung im Vakuum kann Al mit Stahl vakuumdicht verbunden werden, und zwar nach dem sogenannten Bi-Braze-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 Temperatur 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.

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 ergtoen. Zwar kann man Al 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 Al, 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. H. Schultz Schweißen und Schneiden 17 (1965) 288-296). Nachdem das stählerne Konstruktionsteil mit einer Zwischenschicht aus Sn oder 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 Inbetriebsnahme zu gestatten.

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 '»'uv.m.-w, British Welding Journal, 9 (1962), 650-658).

Ein Verfahren zur Verbindung von Al mit Stahl, das eine vakuumdichte Verbindung geben soll, sieht das Aufbringen einer Zwischenschicht aus Al auf dem Stahlteil durch Schweißreibung vor (DE-OS 21 26 596). Die damit erzielbare VakiiMmdichtheit mit Leckverlusten von 1 bis 4.10-° Torr · 1/sec genügt bei weitem nicht den Anforderungen der Hochvakuumtechnik.

Nach einem anderen bekannten Verfahren — DE-OS 18 08 013 — zum Verbinden von Schwermetallen, insbesondere Cu mit Al, wird das Schwermetall mit einer ziemlich dicken (etwa 400 μ) Silberlotschichi 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.

Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Nachteile des bekannten Standes der Technik, indem sie die Möglichkeit eröffnet, Konstruktionsteile aus Stahl. insbesondere Edelstahlen, z. B. den bekannten chromnickelhaltigen austenitischen VA-Stählen, 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 ΙΟ-¹⁶ N mVsec) aufweist, hitzebeständig genug ist, um das wiederholte Ausheizen der die erfindungsgemäßen Schweißnähte aufweisenden Apparatur auf mindestens IiO⁰C zu gestatten und schroffste Temperaturwechselbeanspruchungen, z.B. Eintauchen der auf 200°C erhitzten Schweißnaht in flüssigen Stickstoff, ohne Beschädigung übersteht.

Die Erfindung beruht im wesentlichen auf der Verwendung einer besonders vorbehandelten Haflvermittlungsschicht 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 Beizlösungen und — mindestens für die Anwendung auf Cr-haltige Stähle — auch das Aufbringen der zweckmäßig 1 bis 5 μ dicken, vorzugsweise etwa 1 μ dicen 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.

Erfinciungsgemäß wird die 5 bis 50 μ starke Ag-Schicht während oder nach ihrer Aufbringung durch genügend lange Wärmebehandlung 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.

Die Art der Wärme- und Vakuumbehandlung der Ag-Schicht richtet sich zweckmäßig danach, wie sie aufgebracht ist bzw. wird.

1st 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"', vorzugsweise

nicht mehr als ΙΟ-³ Torr betragen. Die Behandlungszeit kann bei Erhöhung der Behandlungstemperatur und Verbesserung des Vakuums zwar etwas herabgesetzt werden, auf keinen Fall aber sollte sie unter einer Stunde liegen.

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 Silberschmelzpulnkt (961 °), vorzugsweise jedoch bei etwa 750⁰C unterworfen.

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 Schutzgasatmosphäre nie mit Sicherheit ausgeschlossen werden können, die erfindungsgemäß angestrebte und verwirklichte Ultrahochvakuuindichtheil vereiteln würden.

Die Silberschicht kann anstatt auf galvanischem Wege auch durch kathodische Zerstäubung, z. B. nach dem Dioden-, Trioden- oder HF-System mit oder ohne Hilfsmagnetfeld oder durch Bedampfung im Vakuum aufgebracht werden. Auch in diesem Falle ist eine Oberflächenreinigung der Stahloberfläche erforderlich, die zweckmäßig durch eine Glimmentladung mit etwa 5.10 ⁵ Ah/cm² bewirkt werden kann. Sowohl Zerstäubung wie auch Vakuumbedampfung werden zweckmäßig in Edelgasatmosphäre, vorzugsweise Argon, bei Drücken von 10"' bis 10~⁴ 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 ΙΟ-⁴ Torr sein.

Sowohl bei der kathodischen Zerstäubung wie auch bei der Bedampfung im Vakuum ist es möglich, die Verdichtung der Silberschicht durch Wärmebehandlung gleichzeitig mit ihrer Auftragung vorzunehmen, indem die zu beschichtende Oberfläche während der Beschichtung auf einer Temperatur von 100 bis 500⁰C gehalten wird. |e höher die Oberflächentemperatur gewählt wird, desto rascher darf das Auftragen erfolgen, z. B. 1 μ pro Siundebei500°Cund0.1 μ pro Stunde bei 100⁰C.

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 verwendeten Al-Legierung angepaßt wird. Für viele Anwendungsfälle hat sich wegen der besonders niedrigen Schweißtemperatur der an sich bekannte AISi-Eutektikum-Schweißdraht S-AISi 12 als besonders vorteilhaft erwiesen.

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.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch näher beschrieben.

Ausführungsbeispiel

Das in der Abbildung dargestellte V-Rohr 1 aus Stahl X5 CrNi 18 9 (Werkstoff Nr. nach DIV 1.4301) 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 Al Mg Si 0,5 (Werkstoffnummer nach DIN 3.3206).

Das Stahlrohr wurde mit Trichlorethylen vorentfettet und anschließend 90 Sekunden lang in einem clektrolylischen Entfettungsbad bei einer Spannung von 6—8 V mit einer Stromdichte von 5—10 A/dm² entfettet, mit Wasser gespült, mit 10—15%iger H2SO4 dekapiert und nochmals mit Wasser gespült. Auf der so gereinigten Stahloberfläche wurde aus einem Nickelbad bei einem pH von 1,2 — 2,0 und bei einer Temperatur von 20⁰C mit einer Stromdichte von 0,5 A/dm² eine 3 μ dicke Nickelschicht abgeschieden. Nach zweimaligem Abwaschen wurde aus einem Cyanid-Silberbad enthaltend 120 g KCN pro Liter und 10 g Ag pro Liter, bei einer Spannung von 5 V₁ 20 Sekunden lang vorversilbert, ohne Zwischenspülung in das Glanzsilberbad mit einer Konzentration von 80—100 g KCN/Litcr 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.

Die Dicke der Gesamtsilberschicht betrug 15 μ.

Nach Abwaschen des Elektrolyten und Trocknen im Heißluftstrom wurde der versilberte V-Teil in einem Vakuumofen bei 10~⁴ 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.

' Das Al-Rohr 2 wurde mit Trichloräthylen entfettet und hierauf in 10%iger NaOH bei 6O⁰C eine Minute lang gebeizt, anschließend gründlich mit Wasser abgespült, mit 30%iger HNO3 neutralisiert, wieder gespült und mit Warmluft getrocknet.

V-Rohr 1 und Al-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 Spülleitung 6 10 Liter Argon/min durchgeleitet wurden, um auch die Innenseite der Rohre bzw. der entstehenden Schweißnaht vor Oxydation zu schützen. Als Schweißdraht wurde S-AlSi 12 von 2 mm Dicke verwendet.

Die Prüfung der Schweißnaht nach Abkühlung in Luft ergab keine nachweisbaren Leckagen. (Nachweisgrenze 10-¹⁰ Torr · 1/sec). Anschließend wurde das Verbundrohr fünfmal nacheinander je 10 Stunden lang auf 200° C gehalten, sofort in kaltes Wasser geworfen, bei 100⁰C getrocknet und auf Dichtigkeit geprüft. Auch nach fünfmaliger Wiederholung dieser Behandlung konnte ein Leck bei einer Nachweisgrenze von 10-¹⁰ · 1/sec nicht festgestellt werden.

Anschließend wurde das Stück nochmals auf 200°C erhitzt und in flüssigem Stickstoff abgeschreckt. Auch nach dieser Behandlung konnte kein Leck festgestellt werden. An einer auf gleiche Weise hergestellten Parallelprobe wurde eine Bruchfestigkeit mit 48 N/mm² bestimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung ultrahochvakuumdichter Schweißverbindungen zwischen Konstruktionsteilen aus Stahl, vorzugsweise aus Cr- und/oder Ni-haltigen, austenitischen rostfreien Stählen einerseits und Al- bzw. Al-Legierungen andererseits unter Verwendung einer auf dem Stahl aufgebrachten Ag-haltigen Haftvermittlerschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Ag-haltige Zwischenschicht einer mindestens einstündigen, vorzugsweise mindestens zweistündigen Hitzebehandlung bei Temperaturen von 100 bis 961⁰C unter Schutzgasatmosphäre und bei vermindertem Druck (höchstens 10-' Torr) unterworfen wird, bevor der Konstruktionsteil aus Al nach dem an sich bekannten Argor.arc-Verfahren aufgeschweißt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ag-Schicht in einer Dicke von 5 bis 50 μ, vorzugsweise etwa 10 bis 20 μ, aufgetragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf einer Zwischenschicht von Co und/oder Ni auf galvanischem Wege abgeschiedene Ag-Schicht einer mindestens einstündigen, vorzugsweise zweistündigen Entgasung bei mindestens 600°C unter einem Druck von maximal 10~³ Torr unterworfen und anschließend in einer Schutzgasatmosphäre 1 bis 2 Stunden auf Temperaturen zwischen 600 und 96ΓC, vorzugsweise 750"C, gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasatmosphäre aus Edelgas, vorzugsweise Argon, besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasatmosphäre aus einem Gemisch eines Edelgases mit Wasserstoff besteht.

b. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzebehandlung in der Schutzgasatmosphäre bei Drücken von mindestens 10 Torr erfolgt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Silberschicht durch kathodische Zerstäubung oder Vakuiimbcdampfung auf die bei einer Temperatur von 100 bis 500⁰C gehaltene, vorher sorgfältig gereinigte Stahloberfläche in einer Edelgasatmosphäre aufgebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff-Partialdruck in der Edelgasatmosphäre kleiner als 10 ~⁴ Torr ist.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß Zerstäubung und/oder Vakuumbedampfung bei einem Druck von 10 ⁴ bis 10 'Torrerfolgt.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubung und/oder Vakuumbeilampfung mit einer Auftragsgeschwindigkeit von 0,1 bis 1 μ/h erfolgt.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Argonarc-Schweißung mit Wechselstrom erfolgt.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Schweißdraht Rcinaluminium verwendet wird.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Schweißdraht Al/Si-Legierungcn mit Si-Gehalt von 4—13%

verwendet werden.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Schweißdraht Al/Mg-Legierungen mit Mg-Gehalten von 3—4,5% verwendet werden.