DE2606628C3

DE2606628C3 - Verfahren zur Herstellung ultrahochvakuumdichter Schweißverbindungen zwischen Aluminium und Stahl, insbesondere Edelstahl

Info

Publication number: DE2606628C3
Application number: DE2606628A
Authority: DE
Inventors: Johannes 2000 Hamburg Kouptsidis
Original assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Current assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Priority date: 1975-11-21
Filing date: 1976-02-19
Publication date: 1981-05-14
Also published as: DE2606628A1; DE2552199B2; DE2606628B2; DE2552199A1; DE2552199C3

Description

Die Hauptanmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ultrahochvakuumdichter Verbindungen durch Schweißen unter Schmelzen eines Schweißpartners zwischen Konstruktionsteilen aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen 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 μ starken, Ag-haltigen Haftvermittlungsschicht, die durch eine besondere, mindestens einstündige Wärmebehandlung im Vakuum und anschließend unter Schutzgas bei sorgfälligem Sauerstoffausschluß so entgast, rekristallisiert und verdichtet worden ist, daß sie frei von Poren, Lunkern und Gas- oder anderen Finschlüssen ist. Die Verbindung des mit dieser besonders behandelten Ag-Schicht überzogenen Konstruktionsteiles aus Stahl mit dem zweckmäßig ebenfalls vorher sorgfältig gereinigten Konstruktionsteil aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierung erfolgt gemäß dem Verfahren des Hauptpatentes nach dem an sich bekannten Argonarc-Verfahren, wobei der verwendete Schweißdraht zweckmäßig in an sich bekannter Weise der jeweils verwendeten Aluminiumlegierung angepaßt wird.

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.

: 5 Ein Verfahren zur Verbindung von Stahl, z. B. Edelstahl, mit Aluminium unter Verwendung des Reibschweißverfahrens ist in der DE-OS 2126 596 beschrieben. Nach diesem Verfahren wird aber die Reibschweißung nicht zum direkten Verschweißen der

2(i 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 zusam-

.'"> menlöten 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

in zusammenzuschweißen oder zu löten. Das Aufbringen einer Haftvermittlungsschicht aus Ag oder Ag-Legierung mit oder ohne Wärmebehandlung dieser Haftvermittlungsschicht ist bei diesem bekannten Verfahren nicht vorgesehen. Dementsprechend ist die Dichtigkeit

ü der so erzeugten Schweißnähte mit Leckverlusten von 0,004 μ QS ■ 1/sec (= 1 bis 4 · 10-"Torr · 1/sec) wohl für Zwecke ausreichend, die keine besonders hohen Anforderungen an die Dichtigkeit stellen, bei weitem aber nicht für Zwecke der Ultrahochvakuumtechnik, die

■»ο Dichtigkeiten entsprechend einer Leckage von unter 10-^|0Torr· 1/Sec verlangt.

Im Gegensatz zu diesem bekannten Verfahren sieht das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung anstatt dem Auftrag einer schweiß- oder lötbaren Zwischen-

¹^ schicht mittels Reibschweißung die direkte Verbindung des nach dem Verfahren des Hauptpatentes mit einer besonderen, vorzugsweise auf einer Zwischenschicht von Ni oder Co abgeschiedenen vakuum- und wärmebehandelten Schicht aus Ag oder Ag-Legierung

so 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 Konstruk-

5^ri tionsteile rotiert, ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung schlecht zur Durchführung vor Ort, sondern hauptsächlich zur Herstellung von Zwischenstücken geeignet, die anschließend an beliebiger Stelle, z. B. vor Ort, mit den beiden verschiedenen Metallen zusammen-

bo geschweißt werden. 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

h^r) 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 gröQerer Zahl benötigt werden, wie z. B. Rohransätze für Pumpen und Meßgeräte, Flanschen und dergleichen.

Um in jedem Falle eine in jeder Hinsicht einwandfreie Schweißnaht garantieren zu können, genügt es im Gegensatz zur Lehre der DE-OS 21 26 596 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 der Hauptanmeldung 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.

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 Größenordnung von 1 bis 5 see und Stauchzeiten von 2 bis 10 see 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.

Für die Herstellung dünnerer Rohrverbindungen, insbesondere solcher mit Außendurchmessern unterhalt etwa 25 mm, kann es zweckmäßig sein, nicht Rohrstükke sondern Stäbe der beiden zu verbindenden Materialien nach dem erfindungsgemäßen Verfahren miteinander zu verbinden und den Verbundstab auf die gewünschte Nennweite aufzubohren. Ebenso ist es nach dem 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.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren ohne weiteres mit dem normalen Reibschweißverfahren durchführbar ist, ist es nicht nur für diese Ausführungsform des Reibschweißens, sondern auch auf das sog. Schwungradreibschweißen anwendbar, das u. a. beschrieben ist in der Dissertation von Schaefer, TH Aachen 1971.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachstehend anhand der Ausführungsbeispiele schematisch näher erläutert.

Ausführungsbeispiel 1

Eine durch Abwaschen mit Aceton 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 Aceton gereinigte CrNi-Stahlstange aus X 5 CrNi 18 9 (Werkstoff Nr. 14 301 nach DIN) gleicher Abmessungen, die vorher nach dem im Ausführungsbeispiel der Hauptanmeldung 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 Learlaufdrehzahl von 1800 rpm in Rotation versetzt und der Druckschlitten gegengefahren. Die Stahlstange wurde 1 see lang mit einer Kraft entsprechend 20 N/mm² Reibdruck gegen die Al-Stange gedrückt Nach 1 see Reibzeit wurde unter Erhöhung des Druckes auf 50 N/mm² und schlagartiger Beendigung der Drehbewegung gestaucht Die Stauchzeit betrug 4 see. 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.

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.

Ausführungsbeispiel 2

Die Versuche nach dem Ausführungsbeispiel 1 wurden mit Stäben gleicher Abmessungen aus AlMgSi 1 und mit CrNi-Stahl X 10CrNiTi 169 (Werkstoff Nr. 14 541 nach DIN) wiederholt.

Auch mit fünf so hergestellten Verbundstäben wurden Prüfungen nach DIN 50 146 durchgeführt, wobei ausnahmslos der Aluminiumstab neben der Schweißnaht riß.

Ausführungsbeispiel 3

Mit je weiteren acht nach Ausführungsbeispiel 1 und vier nach Ausführungsbeispiel 2 hergestellten Verbundstäben wurden Faltversuche nach DIN 1605 durchgeführt. Bei allen Faltversuchen wurde ein Winkel von 90° und mit Machbiegung sogar ein solcher von 180° bei völlig unbeschädigter Schweißnaht erreicht

Ausführungsbeispiel 4

Nach dem in der Hauptanmeldung geschilderten Verfahren mit einer entgasten und rekristallisierten Silberschicht versehene VA-Rohre Werkstoff Nr. 14 301 und 14 541 mit 6 mm Wandstärke und von sowohl 70 mm wie auch 45 mm Außendurchmesser wurden unter Verwendung der in Ausführungsbeispiel 1 angegebenen Betnebszahlen (Leerlaufdrehzahl 1800 rpm; Reibdruck 20 N/mm²; Reibzeit 1 see; Stauchdruck 50 N/mm²; Stauchzeit 4 see) mit Reinaluminiumrohren gleicher Abmessungen durch Reibschweißung verbunden.

Außerdem wurden acht nach Beispiel 2 hergestellte Verbundstäbe zu Rohren aufgebohrt. Die Prüfung all dieser Rohre auf Dichtigkeit ergab ausnahmslos sowohl unmittelbar nach dem Abdrehen des Stauchkragens wie auch nach fünfmaliger zehnstündiger Erhitzung auf 200° C, Einwerfen in kaltes Wasser und Trocknung keine bei einer Nachweisgrenze von 10-'°Torr · 1/sec nachweisbare Leckage.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung ultrahochvakuumdichter Schweißverbindungen zwischen Konstruktionsteilen aus Suhl, vorzugsweise aus chrom- und/oder nickelhaltigen austenitischen rostfreien Stählen einerseits und Aluminium- bzw. Aluminiumlegierungen andererseits, unter Verwendung einer auf dem Stahl aufgebrachten Ag-haltigen Haftvermittlerschicht nach DE-Patent 25 52 199, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einer durch mindestens einstündige, vorzugsweise zweistündige Hitzebehandlung, bei Temperaturen von 100 bis 961 °C unter Schutzgasatmosphäre und bei vermindertem Druck rekristallisierten Ag-haltigen Haftvermittlerschicht versehene Konstruktionsteil aus Stahl mit dem Konstruktionsteil aus Aluminium oder Aluminiumlegierung nach dem an sich bekannten Reibschweißverfahren verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Reibschweißen Reibzeiten von 0,1 bis 20, vorzugsweise 1 bis 2 see, und Stauchzeiten von 2 bis 8, vorzugsweise 4 bis 5 see eingehalten werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Reibschweißen ein Reibdruck von 2 bis 50, vorzugsweise etwa 20 N/mm', eingehalten wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Reibschweißen ein Stauchdruck von 20 bis 100, vorzugsweise 50 bis 60 N/mm², angewendet wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Reibschweißen als rotierender Teil der aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierung bestehende Teil gewählt wird.