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Verfahren zur Herstellung ultrahochvakuumdichter Schweißverbin-
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dungen zwischen Aluminium und Stahl, insbesondte Edelstahl.
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- Zusatz zu DBP 25 52 199.7 -Das Hauptpatent betrifft ein Verfahren
zur Herstellung ultrahoch"a:<uumdichter Verbindungen durch Schweißen unter Schmelzen
eines Schweißpart ners zwischen Konstruktionsteilen aus Aluminium bzw. #luminiumlegierungen
einerseits und Konstruktionsteilen aus Stahl, insbesondere Edelstahl andererseits,
das Schweißnähte ergibt, welche den höchsten Anforderungen an Dichtigkeit entsprechen
und dabei gute mechanische Festigkeit, Wärmebeständigkeit und Beständigkeit gegen
Temperaturschwankungen haben. Es beruht im wesentlichen auf der Verwendung einer
auf den zweckmäßig vorher gründlich gereinigten Stahlteil aufgebrachten,zweckmäßig
auf einer Zwischenschicht von z.B. Ni oder auch Co abgeschiedenen vorzugsweise nicht
über 20/u starken, Aq-haltigen Haftwermittlungsschicht, die durch eine besondere,
mindestens einstündige Wärmebehandlung im Vakuum und anschließend unter Schutzgas
bei sorgfältigem Sauerstoffausschluß so entgast,
rekristallisiert
und verdichtet worden ist, daß sie frei von Poren, Lunkern und Cas- oder anderen
Finschlüssen ist. Die Verbindung des mit dieser besonders behandelten Schicht überzogenen
Konstruktionsteiles aus Stahl mit dem zweckmäßig ebenfalls vorher sqrgfältig gereinigten
Konstruktionsteil aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierung erfolgt gemäß dem Verfahren
des Hauptpatentes nach dem an sich bekannten Årgonarc-Verfahren, wobei der verwendete
Schwelßdraht zweckmäßig in an sich bekannter Weise der jeweils verwendeten Aluminlumlegierung
angepaßt wird.
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In weiterer Ausgestaltung dieser Erfindung wurde gefunden, daß die
ultrahochvakuumdichte, mechanisch feste und wärmebeständige Schweißverbindung des
nach dem Verfahren des Hauptpatentes mit der besonders behandelten, vorzugsweise
auf einer Zwischenschicht von Ni oder Co abgeschiedenen Ag-haltigen Haftvermittlerschicht
versehenen Stahlkonstruktionsteiles mit dem Konstruktionsteil aus Aluminium oder
Aluminiumlegierung anstatt nach dem Argonarc-Verfahren auch nach dem für andere
Zwecke ebenfalls an sich bekannten Verfahren der Reibschweißung erfolgen kann.
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Ein Verfahren zur Verbindung von Stahl, z.B. Edelstahl, mit luminiui
unter Verwendung des Reibschweißverfahrens ist in OLS 2 126 596 beschrieben. Nach
diesem Verfahren wird aber die Reibschweißung nicht zum direkten Verschweißen der
beiden Konstruktionsteile,sondern nur dazu benützt, um auf dem einen der beiden
zu verbindenden Metallteile eine Zwischenschicht aus einem Metall oder einer Legierung
aufzubringen, die sich mit dem Metall des anderen Teiles zusammenschweißen oder
zusammenlöten läßt, (wobei das Überziehen so lange durchgeführt wird, bis sich auf
der Oberfläche des Schweißteiles eine Schicht bildet, deren Dicke zum Durchführen
des Schweiß- oder Lötvorganges ausreicht,
um anschließend die beiden
Konstruktionsteile zusammenzuschweißen oder zu löten. Das Aufbrinoen einer Haftvermittlungsschicht
aus Ag oder Ag-Legierung mit oder ohne Wärmebehandlung dieser Haftvermittlungsschicht
ist bei diesem bekannten Verfahren nicht vorgesehen. Dementsprechend ist die Dichtigkeit
der so erzeugten Schweißnähte mit Leckverlusten von 0,004/u QS~l/se- (= 1 bis 4.1D##
Torr.l/sec) wohl für Zwecke ausreichend, die keine besonders hohen Anforderungen
an die Dichtigkeit stellen, bei weitem aber nicht für Zwecke der Ultrahochvakuumtechnik,
die Dichtiqkeiten entsprechend einer Leckage von unter 10 Torrl/sec verlangt.
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Im Gegensatz zu diesem bekannten Verfahren sieht das Verfahren gemäß
vorliegender Erfindung anstatt dem Auftrag einer schweiß- oder lötbaren Zwischenschicht
mittels Reibschweißuno die direkte Verbindung des nach dem Verfahren des Hauptpatentes
mit einer besonderen, vorzugsweise auf einer 7wischenschicht von Ni oder Co abgeschiedenen
vakuum- und wärmebehandelten Schicht aus Ag oder Ag-Legierung überzogenen Stahlteiles
mit dem Konstruktionsteil aus Aluminium oder Aluminiumlegierung durch Reibschweißung
vor. Da eine technisch-wirtschaftliche Durchführung der Reibschweißung voraussetzt,daß
mindestens eines der beiden zu verbindenden Konstruktionsteile rotiert, ist das
Verfahren der vorliegenden Erfindung schlecht zur Burchführunq vor Drt,sondern hauptsächlich
zur Herstellung von Iwischenstücken geeignet, die anschließend an beliebiger Stelle,
z.B.
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vor fort, mit den beiden verschiedenen Metallen zusammengeschweißt
werden.
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Dieser Nachteil wird aber für viele Anwendungsfälle mehr als wettgemacht
durch die außerordentliche Leichtigkeit und Schnelligkeit, mit der solche an beliebiger
Stelle einsetzbaren Zwischenstücke hergestellt werden können, welche abgesehen von
einer Dichtigkeit, die den höchsten Ansprüchen
genügt, auch hervorragende
mechanische Eigenschaften, Wärmebeständigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit
haben.Diese Vorteile schlagen besonders dann zu Buche, wenn es sich um die Herstellung
von Zwischenstücken mit mindestens einem rotationssymmetrischen Teil handelt, die
in größerer Zahl benötigt werden, wie z.B. Rohransätze für Pumpen und Meßgeräte,
Flanschen und dergleichen.
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Um in jedem Falle eine in jeder Hinsicht einwandfreie Schweißnaht
garantieren zu können, genügt es im Gegensatz zur Lehre der OLS 2 126 596 nicht,
sich auf die Zerstörung der Oxydhäute auf dem Stahlteil durch die Reibungskräfte
als Voraussetzung für eine gute Verschweißung zu verlassen, sondern es ist wie nach
dem Verfahren des Hauptpatentes notwendig, mindestens den Stahlteil vor der Aufbringung
der Ag-haltigen Haftvermittlungsschicht bzw. vor der Aufbringung der Zwischenschicht
aus Ni oder Co,vorzugsweise aber auch den Aluminiumteil vor der Verschweißung gründlich
zu reinigen, insbesondere zu entfetten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird im Gegensatz
zum sonst üblichen Reibschweißen,wie es hauptsächlich für die Schweißverbindung
von Konstruktionsteilen aus Baustahl und aus Werkzeugstahl Verwendung findet, die
Reibzeit nicht länger als die Stauchzeit gehalten, sondern höchstens ebenso lang,im
allgemeinen sogar kürzer. Reibzeiten in der Gößenordnung von 1 bis 5 sec und Stauchzeiten
von 2 bis 10 sec sind im allgemeinen auch für einwandfreie Verbindung großer Konstruktionsteile
miteinander ausreichend. Die Reibschweißung kann erfindungsgemäß grundsätzlich sowohl
in der Weise angewendet werden, daß der Aluminiumteil rotiert und der Stahlteil
ruht, wie auch umgekehrt und auch in der Weise, daß beide Teile gegeneinander rotieren
gelassen werden.
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Für die Herstellung dünnerer Rohrverbinduncen, insbesondere solcher
mit Außendurchmessern unterhalt etwa 25 mm, kann es zweckmäßig sein, nicht Rohrstücke
sondern Stäbe der beiden zu verbindenden Materialien nach dem erfindunqsoemäaen
Verfahren miteinander zu verbinden und den Verbundstab auf die gewünschte Nennweite
aufzubohren. Ebenso ist es nach de-m -erfindungsgemäßen Verfahren möglich, nicht
nur Stab mit Stab bzw. Rohr mit Rohr, sondern auch Stab mit Rohr und Stab oder Rohr
mit Platte zu verbinden.
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Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren ohne weiteres mit dem normalen
Reibschweißverfahren, wie es z.B. in Firmenorospekten der Firma Kaiser und Toyoda
beschrieben ist, durchführbar ist, ist es nicht auf diese Ausführungsform des Reibschweißens
beschränkt, sondern es ist ebenso gut auch das sog. Schwunqradreibschweißen anwendbar,
das u.a. beschrieben ist in der Dissertation von Schasfer, TH Aachen 1971.
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Das erfindunqsgemäße Verfahren ist nachstehend anhand der Ausführungsbeispiele
schematisch und beispielsweise, jedoch nicht einschränkend, näher erläutert.
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Ausführungsbeispiel 1 Eine durch Abwaschen mit Azeton entfettete Stange
aus Reinaluminium von 25 mm Durchmesser und 100 mm Länge wurde in das Futter der
Spindel eines Reibschweißautomaten eingespannt. In den nicht rotierenden Support
des Druckschlittens wurde eine ebenfalls mit Azeton gereinigte CrNi-Stahlstange
der DIN-Bezeichnung X 5 CrNi 18 9 (Stoff Nr. 1.4301) gleicher
Abmessungen,
die vorher nach dem im Ausführungsbeispiel des Hauptpatentes beschriebenen Verfahren
mit einer auf einer Zwischenschicht von Ni abgeschiedenen und durch besondere Wärmebehandlung
rekristallisierten Ag-Schicht versehen war, eingespannt: Die Spindel wurde mit einer
Leerlaufdrehzahl von 800 rpm in Rotation versetzt und der Druckschlitten gegengefahren.
Die Stahlstange wurde 1 sec lang mit einer Kraft entsprechend 20 N/mm² Reibruck
gegen die Al-Stange gedrückt. Nach 1 sec Reibzeit wurde unter Erhöhung des Druckes
auf 50 N/mm² und schlaoartiger Beendigung der Drehbewegung gestaucht. Die Stauchzeit
betrug 4 sec.
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Der beim Reibschweißen gebildete Kragen von etwa 40 mm Durchmesser
wurde abgedreht und der ganze Stab auf einen Durchmesser von 22 mm heruntergedreht.
Durch entsprechende Wiederholung wurde eine Anzahl gleicher Probestücke hergestellt.
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Aus den so hergestellten Verbundstäben wurden Zugstäbe nach der für
die Prüfung von Stählen gültigen DIN 50 125 hergestellt und nach DIN 50 146 auf
Zugfestigkeit geprüft. Bei allen fünf Versuchen riß der Aluminiumstab neben der
Schweißnaht.
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Ausführungsbeispiel 2 Die Versuche nach dem Ausführungsbeispiel 1
wurden mit Stäben gleicher Abmessungen aus AlMgSi 1 und mit CrNi-Stahl der DIN-Bezeichnung
X 10 Er Ni Ti 189 (Stoff Nr.1.4541) wiederholt.
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Auch mit fünf so hergestellten Uerbundstäben wurden Prüfungen nach
DIN 50 146 durchgeführt, wobei ausnahmslos der Aluminiumstab neben der Schweißnaht
riß.
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Ausführungsbeispiel 3 Mit je weiteren acht nach Ausführungsbeispiel
1 und vier nach Ausführunqsbeispiel 2 hergstellten Verbundstäben wurden Faltversuche
nach DIN 1605 dul chgeführt . Bei allen Faltvesuchen wurde ein Winkel von 900 und
mit Nachhienung sogar ein solcher von 1 BD0 bei @öllio unbeschädigter Sciiweißnaht
erreicht.
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Ausführungsbeispiel 4 Nach dem in Hauptpatent geschilderten Verfahren
mit einer @ntgasten und rekristallisierten Silberschicht verseh?ne VA-Rnhre Stoff
Nr. 1.4301 und Stoff Nr. 1.4541 mit 6 mm Wandstärke und von sowohl 70 mm wie auch
45 mm Außendurchmesser wurden unter Verwendung der in Ausführungsbeispiel 1 angegebenen
Retriebszahlen (LeerlauFdrehzahl 1800 rpm; Beibdruck 20 N/mm²: Reibzeit 1 sec; Stauchiruck
50 N/mm² ; Stauchzeit 4 sec, mit Reinaluminiumrohren gleicher Abmessungen durch
Reibschweißung verbunden.
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Außerdem wurden acht nach Beispiel 2 hergestellte Verbundstäbe zu
Rohren aufgphnhrt. Die Prüfung all dieser Pohre auf Dichtigkeit ergab ausnahmslos
snwohl unmittelbar nach dem Abdrehen des Stauchlragens wie auch nach fünfealiger
zehnstündiger Erhitzung auf 200°C, Einwerfen in kaltes Itlasser und Trocknung keine
bei einer Nachweisgrenze von 10-10Torr.1/sec nachweisbare Leckage.