DE2559345A1

DE2559345A1 - Verfahren zum verbinden von metall und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2559345A1
Application number: DE19752559345
Authority: DE
Inventors: John William Zelahy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-01-02
Filing date: 1975-12-31
Publication date: 1976-07-08
Also published as: US4012616A; FR2296488A1; IT1052014B; BE837278A; JPS5192767A; FR2296488B1; GB1534287A; JPS5952025B2

Description

Dr. rer. nat. Horst Schüler

PATENTANWALT

6 Frankfurt/Main 1, 30. Dez. 1975 Niddastraße 52 Dr . Sb . /he .

Telefon (0611) 235555
Telex: 04-16759 mapat .1 Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt/M. Bankkonto: 225/0389
Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

3655-I3DV-6327

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Verfahren zum Verbinden von Metall und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf das metallurgische Verbinden von Metallkomponenten und im besonderen auf das Anwenden einer Kombination von Wärme und Schlagenergie zur Schaffung einer geschmiedeten Verbindungsstelle.

Die Technik des Druckverbindens oder miteinander Verschweißens zusammenwirkender Metallkomponenten wird am vorteilhaftesten ausgeführt, indem man die zusammenwirkenden Oberflächen örtlich er-

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hitzt und sie dann zusammenpreßt. Um ein solches lokalisiertes oder sich über eine kontrollierte Tiefe erstreckendes Erhitzen zu ermöglichen und doch das Zusammenpress ei der erhitzten Teile zu gestatten, ist nach bekannten Verfahren das Hochfrequenz-WIderstandaerhitzen benutzt worden, um die zu verbindenden Oberflächen rasch bis zu einer geringen Tiefe zu erhitzen, während die zu verbindenden Oberflächen miteinander In Berührung stehen. Der Hochfrequenz-Widerstandsstrom wird mit Hilfe elektrischer Kontakte, z. B. solcher aus Kupfer, eingeführt. Wird die elektrische Energie angelegt, dann bewegt sich der Strom entlang jeder Fläche und erhitzt so die gesamte Verbindungslänge. Ist eine vorausgewählte Verbindungstemperatur erreicht worden, dann wird die Zuführung elektrischer Energie beendet und die Komponenten werden zusammengepreßt. Ein solches Verfahren sowie die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in einer Ausführungsform In der US-PS 3 591 757 beschrieben.

Obwohl man mit solchen bekannten Verfahren Verbindungsstellen herstellen kann, welche die mechanischen Eigenschaften der verbundenen Komponenten aufweisen, sind diese Verfahren doch nur auf Körper mit rechteckförmigem Querschnitt anwendbar. Da solche Verfahren von einer engen Kontaktanpassung von Teil-zu-Energie (im Englischen "part-to-power contact fit-up" genannt) der zu verbindenden Komponenten abhängen, haben sich Schwierigkeiten hinsichtlich der Reproduzierbarkeit beim Verbinden nicht-rechteckförmiger Querschnitte ergeben, z. B. bei Querschnitten von FlugzeugflügeIn.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum metallurgischen Verbinden einer Vielzahl von Metallkomponenten an zusammenwirkenden Grenzflächen werden als erstes die zu verbindenden Teile mit einem Spalt dazwischen einander gegenüber angeordnet. Dann erhitzt man die Grenzflächenteile von innerhalb des Spaltes mit Hochfrequenzinduktion auf eine Temperatur, die gering genug ist, um das Metall der zu verbindenden Komponenten nicht nachteilig zu beeinflussen, die jedoch für ein Anstauchen des Metalles.ausreichend hoch ist. Die gegenüber angeordneten Teile werden dann

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bei einer hohen Energierate mit einer ausreichenden Kraft zusammengeschlagen, daß jeder dieser Teile gestaucht wird und von jeder der Komponenten aus dem Teil zwischen den zusammenschlagenden Komponenten Metall verdrängt bzw. ausgestoßen wird. Dabei erhält man eine geschmiedete Verbindungsstelle, deren mechanische Eigenschaften im wesentlichen gleich denen der verbundenen Metallkomponenten sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung schließt eine Halterung zum Halten der Komponenten im Abstand voneinander ein, wobei sich die zu verbindenden Grenzflächenteile mit einem Spalt dazwischen gegenüberstehen und die Vorrichtung schließt weiter eine Einrichtung für eine hochenergiereiche Kraft ein, um die Komponenten an den Grenzflächen zusammenzuschlagen. Weiter schließt die Vorrichtung eine Induktionseinrichtunp; mit einem Heizelement zur Erhitzung der zu verbindenden Teile ein, wobei die Gestalt des Heizelementes in Abhängigkeit von beträchtlichen Variationen in der Querschnittsfläche der zu verbindenden Grenzflächenteile variiert, um in jedem Falle ein im wesentlichen gleichförmiges Erhitzen zu gewährleisten. Schließlich umfaßt die Vorrichtung auch eine Einrichtung zum Bewegen des Heizelementes in den Spalt und zum Herausziehen aus dem Spalt.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Paares zum Verbinden angeordneter zusammenwirkender Metallkomponenten,

Figur 2 eine" Querschnittsansicht zusammenwirkender Komponenten mit Induktionsheizspulen, die sich außerhalb der Position gemäß der vorliegenden Erfindung befinden,

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Figuren 3 und H perspektivische Ansichten zusammenwirkender Komponenten mit Induktionsheizspulen, die gemäß Ausführungsformen der Erfindung angeordnet sind,

Figur 5 eine fragmentarische Ansicht der Ausführungsform nach Figur 4 im Schnitt,

Figur 6 eine fotografische Aufnahme mit sechsfacher Vergrößerung von einem Querschnitt zweier gemäß der vorliegenden Erfindung verbundener Komponenten,

Figur 7 eine fotografische Aufnahme mit 50-facher Vergrößerung von dem Verbindungsbereich der Figur 6 und

Figur 8 eine teilweise diagrammartige perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Bei der Fabrikation gewisser, Energie erzeugender Vorrichtungen, wie von Gasturbine^wurde erkannt, daß beträchtliche Kostenverringerungen bei der Herstellung der Komponenten möglich sind, wenn die Teile aus separaten Komponenten zusammengebaut werden könnten und nicht durch maschinelle Bearbeitung aus großen Schmiedestücken hergestellt werden müssen. Mit den Verfahren des Reibungsschweißens und Diffusionsverbindens war es möglich, Verbindungsstellen-Festigkeiten zu erhalten, die für eine solche Herstellung ausreichen. Beide Verfahren haben jedoch ihre Nachteile, so ist das Reibungsschweißen sehr schwierig auszuführen oder gar unmöglich bei irregulär gestalteten Teilen und das Diffusionsverbinden ist teuer und zeitaufwendig.

Der metallurgisch verbundene Teil, der gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wird, die ein lokalisiertes Erhitzen durch Induktion und ein Schlagdruckverbinden kombiniert, ist ähnlich einer durch Reibungsschweißen hergestellten Verbindungsstelle, da beide durch oberflächliches Erhitzen auf Temperaturen unter-

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halb des Schmelzpunktes des Metalles der zu verbindenden Komponenten an den die Verbindungsstelle bildenden Grenzflächen in Kombination mit äußerem Druck zur Schaffung einer geschmiedeten Verbindungss^ellen-Mikrostruktur erhalten werden. Das bekannte Verfahren unter Verwendung des Hochfrequenz-Widerstandserhitzens kombiniert mit dem Zusammenpressen der sich berührenden zusammenwirkenden Oberflächen weist jedoch beträchtliche Probleme auf, wenn mindestens eine der zusammenwirkenden Oberflächen einen nicht-rechteckförmigen Querschnitt hat.

In Figur 1 ist ein Paar Metallkomponenten gezeigt, deren Querschnittsgestalt voneinander verschieden ist, die jedoch mit der vorliegenden Erfindung vorteilhaft metallurgisch miteinander verbunden werden können. Der Flügel 10 mit einer zusammenwirkenden Oberfläche 12 ist so angeordnet, daß ein Spalt 14 zu einem vergrößerten rechteckförmigen Teil 15 besteht, welches eine Oberfläche 18 aufweist, die mit der Oberfläche 12 zusammenwirkt.

Bei einer anfänglichen Auswertung der Induktionsheizung anstelle der Widerstandsheizung, um vor dem Verbinden den Teil der Komponente von der zusammenwirkenden Oberfläche von innen aus zu erhitzen, wurde ein Induktionsheizelement oder eine solche Spule 20 in Figur 2 außerhalb des Spaltes l4 angeordnet. Es war beabsichtigt, den Spalt rasch zu schließen, wenn die zusammenwirkenden Komponenten eine erwünschte Temperatur erreicht haben. Die zusammenwirkenden Teile 16 und 16a der Figur 2 hatten jeweils einen rechteckförmigen Querschnitt. Es wurde jedoch erkannt, daß mit einer solchen Anordnung der Spulen außerhalb des Spaltes eine Tendenz bestand, den äußeren Oberflächenteil bis zu einer größeren Tiefe zu erhitzen als den inneren Oberflächenteil, wie durch die gestrichelten Linien in Figur 2 angedeutet. Es wurde auch erkannt, daß bei einer Anordnung der Spulen^wie in Figur gezeigt, Variationen bezüglich der Gestalt oder Größe der Induktionsheizspule 20 kein angemessen gleichmäßiges Erhitzen der zusammenwirkenden Grenzflächenteile 22 und 22a gewährleisten. Bei diesen anfänglichen Versuchen zum Verbinden von Titan-Legierungen

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und Superlegierungen wurde der Spalt in Figur 2 zwischen etwa 3 bis etwa 6 mm gehalten. Die Induktionsspule 20 wurde mit Energie versorgt und die zusammenwirkenden Grenzflächenteile 22 und 22a wurden bis zu der gewünschten Verbindungstemperatur erhitzt. Dann wurde die Energiezufuhr zur Spule 20 beendet und es wurde Druck ausgeübt, um die zusammenwirkenden Grenzflächenteile 22 und 22a zusammenzuschlagen. Die Probleme der in unerwünschter Weise tiefen Wärmeeindringung und das ungleichmäßige Erhitzungsmuster schlossen ein gleichförmiges Anstauchen der zusammenwirkenden Grenzflächenteile 22 und 22a aus. Außerdem wurde auch nur eine relativ geringe Aufheizrate erhalten.

Die Anordnung nach Figur 3 gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der die Spule 20 in dem Spalt 14 zwischen den zusammenwirkenden Grenzflächenteilen 22 und 22a liegt, führte zu einem gleichförmigen Erhitzen und einer gleichförmigen Anstauchung der genannten Teile sowie einer rascheren örtlichen Erhitzungsrate und demgemäß einer geringeren Tiefe der Wärmepenetration. In der Anordnung nach Figur 3 wurde die Spule nach dem Erreichen der erwünschten Verbindungstemperatur in den Teilen 22 und 22a aus dem Spalt 14 herausgezogen und die Teile 16 und l6a wurden zur Schaffung der metallurgischen Bindung zusammengeschlagen.

Da das Heizelement bzw. die Heizspule 20 gemäß der vorliegenden Erfindung innerhalb des Spaltes 14 angeordnet ist, kann seine Gestalt variiert werden, um mit der Querschnittsfläche jedes der

zu

Grenzflächenteile zusammenarbeiten, um ein im wesentlichen gleichförmiges Erhitzen jedes Teiles zu gestatten. Eine solche Anordnung ist in der fragmentarischen perspektivischen Ansicht der Figur 4 und in der fragmentarischen Ansicht der Figur 5 im Schnitt gezeigt, bei denen ein flügelartiges Teil 10 und ein rechteckförmiges Teil 16 miteinander verbunden werden. Zur klareren Darstellung sind das Flügelteil 10 und das rechteckförmige Teil 16 als Phantombilder gezeigt. Wegen der variierenden Querschnittsfläche des Flügels 10 wäre das Induktionserhitzen seines zusammenwirkenden Grenzflächenteiles 22a durch die Oberfläche 12 in dem

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dünneren Querschnittsteil rascher. Der Teil 20a der Spule 20 ist daher so gestaltet, daß er dichter an den dickeren Teilen liegt als den dünneren Teilen. Da jedoch die Querschnittsfläche des rechteckförmigen Teiles 16 im wesentlichen gleichmäßig ist, muß der Teil 20b der Spule 20 nicht in dieser Weise ausgebildet sein, sondern er kann ein relativ gerader Teil sein. Diese Ausbildung ist klarer in der Figur 5 ersichtlich.

Wegen der Anordnung eines Induktionsheizelementes innerhalb des Spaltes I¹I, ohne jedoch die zu verbindenden Teile zu berühren, kann die Gestalt des Heizelementes und seine Nähe zu den Komponenten, die es erhitzen soll, so eingestellt werden, daß ein gleichmäßiges Erhitzen erfolgt, ohne daß dünne Kanten übermäßig erhitzt werden. Durch die vorliegende Erfindung kann ein rasches Erhitzen der zusammenwirkenden Grenzflächenteile ermöglicht werden und auf diese Weise wird die Tiefe, bis zu der die Wärme in die zu verbindenden Komponenten eindringt, begrenzt. Außerdem gestattet die Anwendung des Induktionserhitzens mit einer Einrichtung, die eine Berührung der zu erhitzenden Oberflächen miteinander im Gegensatz zum Widerstandserhitzen nicht erfordert, das rasche Einführen bzw. Herausziehen des Heizelementes in bzw. aus dem Spalt zwischen den zu verbindenden Teilen. Dies gestattet eine rasche Anwendung einer Kraft hoher Energierate, um die zusammenwirkenden Grenzflächenteile zusammenzuschlagen und dies wiederum vermeidet Verluste bei der Herstellung und vermeidet die Notwendigkeit, die Grenzflächenteile zu einer Temperatur zu erhitzen, die höher ist, als sie erwünscht sein könnte. Da nur ein lokales Erhitzen stattfindet, bleibt die Hauptmenge der zu verbindenden Komponenten und die gesamte Vorrichtung, die zur Halterung und Bewegung der Komponenten erforderlich ist, bei Umgebungstemperatur und diese Vorrichtung bleibt daher während des Verbindens starr. Auf diese Weise wird eine größere Genauigkeit erreicht.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere bei Titan-Legierungen und den Superlegierungen angewandt worden, die üblicherweise in

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Gasturbinen eingesetzt werden. Solche Superlegierungen schließen Legierungen auf Eisen-j Nickel- oder Kobaltbasis ein. Eine in großem Umfang ausgewertete Legierung auf Titanbasis ist die manchmal als Ti-6-4 bezeichnete Legierung, die 6 Gew.-% Aluminium, k Gew.-I Vanadium und als Rest Titan enthält. Aus Komponenten einer solchen Legierung wurden mit Druck verbundene Verbindungsstellen hergestellt, wobei eine Komponente einen flügelartipen Querschnitt hatte, während die andere Komponente einen rechteckförmigen Querschnitt aufwies. Die Anordnung von Spule und Komponenten war ähnlich der in den Figuren k undJ5 gezeigten. Um das gleichmäßige Erhitzen weiter zu fördern, ist es bevorzugt, daß die zusammenwirkenden Oberflächen, wie die in der Zeichnung gezeigten Oberflächen 12 und 18 im wesentlichen flach sind. Die zu verbindenden Komponenten waren, wie in Figur k gezeigt, unter Freilassung eines Spaltes lH im Abstand voneinander angeordnet und die zu verbindenden Grenzflächenteile wurden für eine Zeit von 1 bis 11/2 Sek. unter Verwendung einer Heizvorrichtung mit 15 kW und 15 kHz auf eine Temperatur von etwa 955°C (entsprechend 1750⁰F) erhitzt. Nach Erreichen der erwünschten Temperatur, wie durch einen Strahlungswärmesensor, wie ein optisches Pyrometer, angezeigt wurde, wurde die Zufuhr elektrischer Energie beendet und das Heizelement aus dem Spalt zwischen den beiden Komponenten herausgezogen. Unmittelbar nach dem Herausziehen betätigte man eine hydraulische Ramme und schlug die zu verbindenden Grenzflächen bei einer hohen Energierate zusammen. Auf diese Weise wurden die zu verbindenden Teile plastisch deformiert bzw. angeschlagen und es-wurde Metall von jeder der beiden Komponenten aus dem Raum zwischen den zusammenschlagenden Teilen ausgestoßen, und auf diese Weise wurde eine feste geschmiedete Bindung erhalten. Bei dieser Art Anordnung ist die Verbindungsanstauchung durch Einrichtungen an der Vorrichtung, wie Anschläge, kontrolliert. In diesem Beispiel wurde der ganze Verbindungszyklus innerhalb J bis 10 Sek. vom Aufheizen bis zum Abkühlen ausgeführt_; und zwar in einem Vakuum, um eine Verunreinigung der erhitzten Oberfläche zu vermeiden. Es wurde jedoch festgestellt, daß solche Legierungen, wie auf Titan-

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basis, mit nur einer geringen Kantenwirkung,z. B. etwa 0,5 mm (entsprechend 1/50 Zoll), die von der Oberfläche entfernt werden kann, in Luft verbunden werden können. Es ist Jedoch für andere Legierungen, wie die Eisen-, Nickel- oder Kupfer-Superlegierungen bevorzugt, ein Vakuum oder eine nicht-oxidierende Atmosphäre zum Verbinden zu benutzen.

In dem Beispiel, in dem Komponenten aus der Ti-6-4-Legierung verbunden wurden, erfolgte das Zusammenschlagen der Teile nach dem Erhitzen bei einer hohen Energierate im Gegensatz zu der beträchtlich geringeren Geschwindigkeit einer üblichen Schmiedepresse. Bei einem solchen Schmieden mit hoher Energierate kann die Rammgeschwindigkeit 2,5 m/sek oder mehr betragen und sie kann sich bis zu 100 m/sek (entsprechend ¹IOOO Zoll/sek) steigern, wie beim Explosionsschmieden. Für Titan ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Druck im Bereich von etwa 2800 bis

35OO kg/cm bevorzugt. Ähnliche Auswertungen bei kommerziellen Superlegierungen auf Nickel- und Eisenbasis, wie korrosionsfestem Stahl, haben ergeben, daß für solche Legierungen ein Druck von etwa 3500 bis 4200 kg/cm erwünscht; ist. In jedem Falle wird die entsprechende Kraft rasch und bei einer hohen Energierate angewandt und dies in einer Menge, wie sie erforderlich ist, um Metall bei der Bearbeitungstemperatur auszustoßen, wobei die Bearbeitungstemperatur gering genug ist, um das zu verbindende Metall nicht nachteilig zu beeinflussen. Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch gegossene Superlegierungen auf Nickelbasis j durch beginnende Schmelztemperatur und Anstauchtemperatur sehr eng zusammenliegen, ohne nachteilige Beeinflussung des Metalles der zu verbindenden Komponenten miteinander verbunden werden. Es wurde bei solchen gegossenen Superlegierungen auf Nickelbasis festgestellt, daß nach dem raschen lokalen Erhitzen und dem Zusammenschlagen, um Material aus dem Spalt zwischen den verbundenen Komponenten auszustoßen, die Komponenten und das ausgestoßene Metall fast unmittelbar erstarrten. Nach der Wärmebehandlung ist die gemäß der vorliegenden Erfindung erhaltene Verbindungsstelle, wie sich aus fotomikrogra-

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fischen Studien ergibt, von dem Metall der verbundenen Komponenten nicht zu unterscheiden. Für Legierungen auf Eisen^7V Kobalt ~ und Titanbasis liegt die bevorzugte Erhitzungstemperatur im Bereich von etwa 87O bis etwa 126O°C (entsprechend I6OO - 230O⁰P) und der angewandte Druck zum Zusammenschlagen im Bereich von etwa 2100 bis etwa 4200 kg/cm².

In Figur 6 ist eine mikrofotografische Querschnittsansicht mit 6-facher Vergrößerung des Zustandes von zwei Teilen Ti-O-¹J-Legierung gezeigt, die gemäß dem oben beschriebenen Beispiel miteinander verbunden wurden. Da das Verbinden im Vakuum ausgeführt wurde, können in der geschmiedeten Verbindungsstelle selbst an der Kante der verbundenen Fläche keine Einschlüsse oder Verun-r reinigungen festgestellt werden. Nach dem Verbinden auf diese Weise wurde die Druckverminderung aufgehoben. Eine fotomikrografische Auswertung der Verbindungsstelle zeigte, daß sie sehr ähnlich einer durch Reibungsschweißen erhaltenen Verbindungsstelle war. Ein Teil der Verbindungsstelle der Figur 6 ist in Figur 7 in einer Aufnahme bei 50-facher Vergrößerung gezeigt.

An den gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Verbindungsstellen wurde eine Vielzahl mechanischer Untersuchungen ausgeführt, Fehler, die als Ergebnis von Zugfestigkeit, Belastungsbruch und Ermüdungsuntersuchungen auftraten, waren fast in allen Fällen im Material der verbundenen Komponenten zu finden, kaum aber in der Verbindungsstelle, wenn das Metall bei diesen Testen in der Verbindungsstelle versagte, dann im wesentlichen bei dem Niveau des Metalles der verbundenen Komponenten.

Eine Form der Vorrichtung zur Durchführung der vorliegenden Erfindung ist teilweise diagrammartig in perspektivischer Ansicht in Figur 8 gezeigt. In dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die zusammenwirkenden Teile 16 und 16a einer in Figur gezeigten Art durch eine Halterungseinrichtung, wie die Halterungen 30 und 3Oa^m Abstand voneinander gehalten, so daß die zusammenwirkenden Grenzflächenteile 12 und 18 einander über"

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einen Spalt gegenüberstehen. Ein Induktionsheizelement bzw. eine Induktionsheizspule 20 ist durch die Halterung 32 so gehalten, daß das Heizelement 20 mittels eines rotierenden Stiftes oder einer einer Gelenkeinrichtung 34 zwischen die Teile 16 und 16a bewegt und aus diesen in eine Lage, wie sie'. Figur R durch das Phantombild 20a gezeigt ist, herausgezogen werden kann. Eine solche Rotation kann z. B. durch Verwendung eines Solenoids 36 erfolgen, der auf eine strahlungsempfindliche Einrichtung 38, wie ein optisches Pyrometer anspricht, welches die Temperatur der zusammenwirkenden Grenzflächenteile 22 und 22a der zusammenwirkenden Teile 16 und 16a anzeigt. Die Vorrichtung weist auch eine Quelle 40 für hochfrequente Energie auf, z. B. die kommerziell erhältliche Induktionsheizeinheit von Cycledyne, um elektrische Energie an Heizelement oder Spule 20 zu liefern. Zusammen bilden die Spulen und die Energiequelle eine Induktionsheizeinrichtung.

Weiter gehört zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Druck bei einer hohen Energierate ausübende Einrichtung, die diagrammartig durch die Pfeile 42 dargestellt ist und die z. B. von Enerpac als eine hydraulisch betriebene Achsenpresse erhältlich ist, die mit einem hydraulischen Akkumulator von Greer Olaer gekoppelt ist, und Drucke im Bereich von etwa 2100 bis 4200 kg/cm ausüben kann. Die druckausübende Einrichtung kann entweder ein oder vorzugsweise beide zusammenwirkende Teile 16 und l6a rasch aufeinander zubewegen, um die zusammenwirkenden Grenzflächenteile 22 und 22a zusammenzuschlagen. Eine solche Druckerzeugungseinrichtung kann programmiert werden, um, wie in Figur 8 gezeigt, durch ein hydraulisches Rammsystem betrieben zu werden. Ein solches System wirkt auf die Halterungen 30 und 30a auf ein Signal vom Solenoid 36, der auf die strahlungsanzeigende Einrichtung 38 anspricht und auf die Kontrolleinrichtung 46 wirkt, wenn die erwünschte Temperatur erreicht ist und die Spule oder das Heizelement 20 aus dem Spalt zwischen den zusammenwirkenden Teilen 16 und 16a herausgezogen ist und drückt die Halterungen 30 und 30a gegeneinander oder rückt sie auseinander. Um die Genauigkeit zu verbessern, ist es bevorzugt, einen Anschlag 48

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zu verwenden, um den Grad des Anschlagens zu regulieren. Eine solche das Anstauchen regulierende Einrichtung kann eine Vielzahl von Formen haben, z. B. kann sie ein einfacher physischer Anschlag sein oder eine komplexere Einrichtung, um die Rammposition und Bewegung anzuzeigen und die Rammbewegung zu beenden, wie durch Beendigung des Betätigens hydraulischer Flüssigkeit usw.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Vakuum oder einer nicht-oxidierenden Atmosphäre ausgeführt. Die Vorrichtung der Figur 8 kann daher in einer Kammer angeordnet werden, in der ein normales Vakuum oder eine kontrollierte Atmosphäre ist, um solche Bedingungen zu schaffen.

Obwohl die Spulen oder Heizelemente in der Zeichnung der Einfachheit halber als im wesentlichen kreisförmig im Querschnitt gezeigt sind, können die Spulen für das Induktionsheizen doch auch in jeder anderen Querschnittskonfiguration hergestellt sein, z. B. oval, rechteckig usw. Für weitere komplexer gestaltete, zusammenwirkende Teile können Mehrfachspulen verwendet werden mit einer Vielzahl von Gestalten und Größen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Gestalt des Heizelementes bei beträchtlichen Variationen in der Querschnittsfläche jeder der Grenzflächenteile in einer Weise variiert, daß ein im wesentlichen gleichförmiges Erhitzen jedes Teiles erfolgt, wobei berücksichtigt wird, daß die Heizraten der verschiedenen Materialien variieren und schließlich als Funktion der Engergiezuführung.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Anwendung des Induktionserhitzens innerhalb des Spaltes zwischen den beiden zusammenwirkenden Teilen, die durch Zusammenschlagen verbunden werden sollen. Dies gestattet ein gleichmäßiges Erhitzen mit minimaler Eindringtiefe und vermeidet verschiedene Probleme sowohl hinsichtlich des Verfahrens als auch der Vorrichtung, wie sie beim Anwenden des Widerstandsheizens, einschließlich der Notwendigkeit elektrischer Kontakte mit den zu verbindenden Kompo-

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nenten und des anfänglichen physischen Kontaktes zwischen den Komponenten während des Aufheizens, auftreten. Die bekannten Anordnungen schließen natürlich den Einsatz der Heizeinrichtung in einem Spalt zwischen den zusammenwirkenden Teilen aus.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum metallurgischen Verbinden einer Vielzahl von Metallkomponenten an zusammenwirkenden Grenzflächenteilen der Komponenten. gekennzeichnet durch folgende Stufen:

Anordnen der zusammenwirkenden Grenzflächenteile in einem Abstand voneinander,

Hochfrequenz-Induktionserhitzen der Grenzflächenteile aus dem Raum zwischen ihnen, um die Teile bis zu einer Temperatur zu erhitzen, bei der das Metall der Komponenten noch nicht nachteilig beeinflußt wird, bei der jedoch ein Anstauchen des Metalles stattfinden kann und

Zusammenschlagen der gegenüberstehenden Teile bei einer hohen Energierate mit einer Kraft, die ausreicht, die gegenüberstehenden Teile anzustauchen und Metall von zwischen den zusammenstoßenden Teilen jeder Komponente auszustoßen, um eine geschmiedete Verbindungsstelle zu erhalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jede der Metallkomponenten auf einem Element aus Eisen, Nickel, Kobalt, Titan und deren Legierungen beruht, die Teile auf eine Temperatur im Bereich von etwa 870 bis 126O°C erhitzt werden und der angewandte Druck im Bereich von etwa 2100 bis etwa 4200 kg/cm liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der zusammenwirkenden Grenzflächenteile eine vom Rechteck abweichende Querschnittsgestalt aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß eines der beiden zusammenwirkenden Grenzflächenteile die Querschnittsgestalt eines Flügels hat.

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5. Vorrichtung zum metallurgischen Verbinden einer Vielzahl von Metallkomponenten an zusammenwirkenden Grenzflächenteilen, gekennzeichnet durch folgende Bestandteile:

eine Einrichtung zum Halten der Komponenten im Abstand voneinander, wobei die zusammenwirkenden Grenzflächenteile einander über einen Spalt gegenüberstehen; eine Druck bei einer hohen Energierate ausübende Einrichtung, um die Komponenten an den Grenzflächenteilen zusammenzuschlagen;

eine Induktionsheizeinrichtung mit einem Heizelement, um die Teile zu erhitzen, wobei die Gestalt des Heizelementes als Punktion beträchtlicher Abweichungen in der Querschnittsfläche jedes Grenzflächenteiles variiert, damit in jedem Teil ein im wesentlichen gleichmäßiges Erhitzen erfolgt und eine Einrichtung, um das Heizelement in den Spalt zu bewegen und von dort herauszuziehen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß sie weiter folgende Teile aufweist:

eine wärmeanzeigende Einrichtung, um die Temperatur jedes der Grenzflächenteile zu bestimmen und

eine Kontrolleinrichtung, die auf die wärmeanzeigende Einrichtung anspricht, um nacheinander die Einrichtung zum Bewegen des Heizelementes und die Druck bei einer hohen Energierate ausübende Einrichtung zu betätigen, damit die Betätigung der Druck ausübenden Einrichtung vermieden wird, wenn sich das Heizelement noch in dem Spalt zwischen den zusammenwirkenden Grenzflächenteilen befindet.

7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß sie auch eine Einrichtung zum Regulieren des Anstauchens aufweist, um das Ausmaß des Anstauchens an den Grenzflächenteilen zu kontrollieren.

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