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Verfahren zum Diffusionsschweißen von metallischen Werk-
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stücken und Verwendung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren zum I)iffusionsschweißen von metallischen Werkstücken, wobei die Stoßflächen
der miteinander zu verbindenden Werkstücke abgedichtet werden.
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Bei einem bekannten Verfahren dieser Art werden die sauber bearbeiteten
miteinander zu verschweißenden Stoßflächen mit einer um den Umfang herumgelegten
Schweißnahtabgedichtet. Dabei sind zu beiden Seiten der Schweißnaht Einfräsungen
erfordert lich, die die Schweißspannungen bzw. -verform~ngen in der Umgebung der
Schweißnaht verhindern sollen. Derartige Verformungen an den Rändern der Stoßflächen
haben zur Folge, daß dort keine Tiffusionsverbindungen eintreten können. Anschließend
werden die miteinander zu verbindenden Werkstücke bei hohen emperaturen vorgeglüht,
wodurch die im Stoßflächen-Spalt eingeschlossene Luft im Werkstoff in Lösung gehen
soll. Flir das Diffusionsschweißen wird dann eine erneute Glühbehandlung anw gewandt,
und der gleichzeitige Preßdruck wird durch Gewichtsbelastung aufgebracht. Dieses
bekannte Verfahren ist durch die Einfräsungen im Regelfall mit einer größeren Nachbehandlung
und einem damit verbundenen größeren Materialverbrauch verbunden.
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Der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, ein wirtschaftlicheres wirksames Diffusionsschweiß-Verfahren zu schaffen.
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Das neue Verfahren benötigtisin Vorglühen der Werkstücke und keine
Nacharbeit mit großem Materialverbrauch.
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Besonders vorteilhaft ist die weitere Ausgestaltung der Erfindung
nach Anspruch 3, durch die das Aufbringen beliebig hoher Drücke möglich ist, ohne
daß dabei die Gefahr von Verformungen der Werkstücke besteht, weil der Schweiß druck
vollständig gleichmäßig verteilt wird. Da die miteinander zu verschweißenden Flächen
abgedichtet sind, kann in der Heißpresse als Preßmedium ein billiges, nicht oxydierendes
Gas, z.B. Stickstoff verwendet werden.
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Die Werkstücke und ggf. innerhalb der Presse vorhandene elektrische
Heizwicklungen werden dadurch vor einem Verzundern geschützt.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des Verfahrens nach Anspruch
ii. Die bisher für das Zusanirnenfügen von Blöcken für dieser. Zweck verwendeten
Schweißverfahren sind aufwendiger und bieten außerdem nicht die Vorteile des Verfahrens
nach der vorliegenden Erfindung.
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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
nach-folgend näher erläutert. Es zeigen schematisch Fig. 1 eine Anordnung von drei
miteinander zu verbindenden Werkstücken im Schnitt, Fig. 2 zwei miteinander zu verbindende
Werkstücke in einer anderen Anordnung im Schnitt,
Fig. 3 bis 6 vier
verschiedene Anordnungen von vorgefertigten Blöcken jeweils in Vorderansicht (Fig.
4 jedoch im Schnitt) Fig. 3a bis 6a die jeweiligen Seitenansichten zu den Fig. 3
bis 6, Fig. 7 ein fertiggestelltes großes Sch##iedeteil in Ansicht, Fig. Db bis
6b jeweils einen Querschnitt durch das Teil nach Fig. 7 entsprechend den Ausführungsformen
nach Fig. 3 bis 6 in der gleichen Reihenfolge, Fig. 8 bis 10 jeweils einen Blanschring
in Ansicht und Fig. 8a bis 10a die zugehörigen vorbereiteten Blöcke in gleicher
Reihenfolge in Ansicht.
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Fig. 1 zeigt eine Anordnung von dres miteinander zu verschweißenden
Werkstücken 1, 2 und 3, wobei um die jeweiligen Stoßflächen 4 und 5 je eine Manschette
6 und 7 herumgelegt ist. Die Abdichtung und die Fixierung der Werkstücke wird durch
die Schweißnähte 8 erzielt. Die auf diese Weise vorbereitete Werkstückanordnung
wird nunmehr auf die nfaterialabhängige Schweißtemperatur gebracht und mit dem erforderlichen
Schweißdruck eine ausreichende Zeit beaufschlagt. Besonders geeignet für diese Verfahrensschritte
ist die Anwendung einer gasgefüllten isostatischen Heißpresse.
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Die Manschetten 6, 7 weisen im Bereich der Stoßflächen 4 und 5 jeweils
eine Einschnürung 9 und 10 auf, die das 0,2- bis 0,5-fache ihrer Wandstärke beträgt.
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Bei der Werkstück-Anordnung nach Fig. 2 ist eine Evakuierung des Stoßflächenspalts
11 vorgesehen. Zu diesem Zweck ist in dem Werkstück 12 eine zentrale Bohrung 13
angeordnet, die an eine Vakuumleitung 14 angeschlossen ist. Die zentrale Bohrung
13 ermöglicht gegenüber einem Vakuum-Anschluß durch eine Bohrung in der Manschette
15 eine bessere Evakuierung insbesondere bei einer kleinen Breite des Stoßflächen-Spalts
11. Die jeweils geringstmögliche Spalt-Breite ist anzustreben.
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Die Ergebnisse von durchgeführten Versuchen haben die Vorteile des
neuen Verfahrens nachgewiesen. Die besten Ergebnisse wurden in den Fällen erzielt,
in denen die Werkstücke in einer Heißpresse auf die Schweißtemperatur erhitzt wurden.
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Die Werkstücke wurde an den Stoßflächen mit einem Diamantwerkzeug
feinstbearbeitet, wobei eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 0'5# F2m erzielt wurde.
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Da die Werkstücke zylindrisch waren, wurden die Manschetten aus Rohrstücken
gefertigt. Sie hatten bei einem Durchmesser von etwa 75 mm, eine Wandstärke von
2 mm und eine Breite von 20 mm. Die Einschnürung in der Mitte der Manschette betrug
1 mm über eine Breite von etwa 2 mm. Die Werkstücke wurden aufeinander-gepreßt und
die herumgezogene Manschette unter Schutzgas an beiden miteinander zu verbindenden
Werkstücken
verschweißt. Die Schweißnähte wurden auf Schweißfehler
hin überprüft. Die so vorbereitete Werkstück-Anordnung wurde sodann in eine Heißpresse
eingesetzt0 Die Heißpresse war mit Heizmatten aus Molybdän-Draht zur elektrischen
Beheizung ausgekleidet. Außerdem war die Innenwand der Presse mit Isoliermaterial
versehen. Nach dem dichten Abschließen der Heißpresse wurden die Werkstücke vermittels
elektrischer Beheizung auf die erforderliche Schweißtemperatur gebracht und gleichzeitig
mit dem innerhalb der Presse anwesenden Stickstoff ein Gasüberdruck von etwa 100
bar erzeugt und etwa zwei Stunden lang aufrechterhalten. Der anschließende Abkühlvorgang
dauerte dann etwa 1 bis 2 Stunden. Die erzielten Verschweißungen an den danach entnommenen
Proben waren einwandfrei.
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Es wurden verschiedene hoch- und niedriglegierte Stähle und Titan
eingesetzt. Die Manschetten bestanden in allen Fällen aus einem austenitischen rostfreien
Stahl. Es zeigte sich, daß die Schweißtemperaturen, die zwischen 700 und 110000
lagen, durch gute Glättung der Oberfläche herabgesetzt werden konnten.
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Die Fig, 3 bis 10a zeigen verschiedene Beispiele der Verwendung des
Verfahrens nach der Erfindung für die Herstellung großer Schmiedeteile. So ist die
in Fig. 7 dargestellte schwere Turbinenwelle von etwa 300 t Gewicht vor dem Aus
schmieden aus jeweils verschiedenen Blöcken zusammengeschweißt. Beim Ausführungsbeispiel
nach Fig. 3 sind zwei Blöcke 20 und 21 durch eine Quernaht 22 miteinander verbunden.
Beim Beispiel nach Fig. 4 ist eine Hülse 25 auf ein zylindrisches Stück 24 aufgezogen
und-über die zylindermantelförmige Schweißfläche 25 verbunden. Beim Ausführungsbei
spiel nach Fig. 5 sind zwei Blöcke 26 und 27 über die in
Längsrichtung
verlaufende Stoßfläche 28 miteinander verschweißt, während beim Ausführungsbeispiel
nach Fig0 6 in gleicher Weise drei Teile über zwei in Längsrichtung verlaufende
Stoßflächen 29 und 30 zu einem Teil miteinander verschweißt sind.
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Drei Ausführungsbeispiele für die Herstellung von schweren Flanschringen
von etwa 100 t Gewicht zeigen die Fig. 8 bis 10. In Fig. 8a ist die Anordnung von
zwei kreisringförmigen ineinander geschobenen Blöcken 31 und 32 dargestellt, die
über die zylindermantelförmige Stoßfläche 33 verschweißt sind. Das ausgeschmiedete,
aufgeweitete und fertige Schmiedeteil zeigt Fig. 8.
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Das fertige Schmiedeteil nach Fig. 9 wurde aus den in Fig.
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9a gezeigten vier Teilen 34 bis 37 zusammengeschweißt, wobei die Teile
34 und 35 sowie 36 und 37 jeweils untereinander gleich sind. Eine andere Möglichkeit
der Zusammensetzung einer Blockanordnung, die der nach Fig. 9a entspricht, zeigt
Fig. 10a. Hier sind vier gleiche Teile 58 zu einem Rohling zusammengeschweißt, der
anschließend zu dem fertigen Schmiedeteil entsprechend Fig. 10 verformt wird.
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Für das neue Verfahren kommen sämtliche Werkstoffe und Werkstoff-Kombinationen
in Frage, die sich auch für die bekannten Diffusionsschweißverfahren eignen.
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Der Gasdruck in der Heißpresse kann den jeweiligen Erfordernissen
entsprechend ausgewählt werden. Bei einem niedrigen Druck wird Energie und Pressenkapazität
gespart; dagegen kann mit höheren Drücken der Nachteil rauherer Oberflächen der
Stoßflächen zumindest teilweise kompensiert werden. Selbstverständlich sind einer
Druckerhöhung
Grenzen gesetzt. Beim derzeitigen Entwicklungsstand
liegt die Grenze der Zweckmäßigkeit etwa bei einem Überdruck von 1000 bar.