DE2653637C3 - Diffusioinsschweißverfahren für Sandwich-Baukörper und durch dieses Verfahren erzeugte Baukörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Diffusionsschweißverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie nach diesem Verfahren hergestellte Sandwich-Baukörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Durch einen Aufsatz »Titanium honeycomb studied for SST use« in Aviation Week, September 1968, von Georges S. Munter wird ein Verfahren zur Herstellung von sogenannten Wabenplatten (honeycomb) aus Titan oder Titanlegierungen beschrieben, bei dem die Deckelemente mit dem Wabenkernelement durch Widerstandspunktsehweiflung verbunden sind. Es ent· stehen auf diese Weise an den Verbindungsstellen obere und untere aufgeschmolzene Bereiche. Diese aufgeschmolzenen an beiden Seiten des Wabenkernelementes befindlichen Bereiche werden infolge einer Diffusionsbehandlung, die nach der Widerstandspunktschweißung vorgenommen wird, in ihren mechanischen Eigenschaften so verbessert, daß sich die mechanischen Kernwerte der auf diese Weise hergestellten Platten ebenfalls verbessern. Eine Untersuchung des an den Verbindungsstellen zwischen den aufgeschmolzenen Bereichen und der Deckplatte auftretenden metallurgi-

sehen Phänomens zeigt, daß die Verbindungsebenen, die in den ursprünglichen Schweißpunkten erkennbar sind, durch einen kontinuierlichen Obergang ersetzt werden, der einer tatsächlichen Aufschmelzung entspricht Außerdem werden die Oberfläche und die Festigt;;it der

ίο Verbindungsstellen durch den um jeden Schweißpunkt herum auftretenden Halo-Effekt verbessert An jeder Wabenzelle, die zwei Abschnitte der Deckelemente und zwei Wabenzellwände mit Aufschweißstellen besitzt, sind die sich bei der Punktschweißung

ι 5 ergebenden thermischen Spannungen absolut ausgeglichen, da die Punktschweißstellen gleichzeitig einander gegenüberliegend erzeugt werden. Infolgedessen ist die auf diese Weise erzeugte Platte normalerweise eben und die anschließende Diffusionsbehandlung ändert diese Ebenheit nicht

Dieses Verfahren ist zwar für die Herstellung von Platten-Baukörpern aus zwischen zwei ebenen Deckelementen befindlichen Wabenkernelementen gut geeignet, jedoch ist es bei Baukörpern mit einem gewellten Kernelement, das nur auf einer Seite mit einem nichtgewellten Deckelement verbunden ist (corrugated structures), problematisch, insbesondere&nsichtlich des Diffusionsvorgangs. Die bei der Widerstandspunktschweißung entstehenden thermischen Spannungen sind bei einem so aufgebauten Kemelement natürlich nicht ausgeglichen. Sei der Herstellung eines solchen Baukörpers wird der Kern punktweise jeweils an den an dem nichtgewellten Deckelement anliegenden Wellenkamm angeschweißt und der Vorgang gegebenenfalls mit einem zweiten nichtgewellten Deckelement wiederholt, so daß die zum Zeitpunkt dieser Verschweißung »eingefrorenen« thermischen Spannungen in Form von Kompressionsvorspannungen an den Schweißstellen erhalten bleiben. Auf diese Weise neigt ein Baukörper mit gewelltem Kernelement nach dei punktschweißung dazu, sich so zu wölben, daß die Außenseite des zuerst an dem gewellten Kernelement befestigten Deckelement konkav wird. Die dadurch entstehenden unerwünschten Verformungen stören beim Einsatz der so erzeugten Sandwich-Baukörper sehr stark.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbindung eines Sandwich-Baukörpers mit gewelltem Kemelement und nichtgewelltem Deckelement zu schaffen, das die Herstellung ebener Baukörper mit wesentlich verbesserten mechanischen Kenngrößen und insbesondere mit einer größeren Ermüdungsfestigkeit gestattet

Diese Aufgabe wird mit einem Diffusionsschweißverfahren der eingangs genannten Gattung und den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst

Bs hat sich gezeigt, daß bei einer thermischen Nachbehandlung in einem Ofen unter Schutzatmosphäre die Vorspannungen, die in den Schweißpunkten in dem nichtgewellten Deckelement herrschen, während

μ des bei der thermischen Nachbehandlung entstehenden Diffusionsvorgangs das gewellte Kemelement an das nichtgewellte Deckelement anpressen. Die günstigsten Ergebnisse werden dabei durch Einhaltung der im Anspruch 2 dargelegten Diffusionsbedingungen er-

h5 reicht.

Die metallurgischen und thermischen Phänomene, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auftreten, sind einer Untersuchung nicht leicht zugänglich; jedoch

zeigen die Ergebnisse, die mit der erfindungsgemäßen thermischen Behandlung erzielbar sind, eindeutig, daß eine beträchtliche Verbesserung der mechanischen Kennwerte, insbesondere eine erhöhte Ermüdungsfestigkeit erreicht wird. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn als Materialien für die nach dem bezeichneten Verfahren hergestellten Sandwich-Baukörper nach Anspruch 3 Titan oder Titanlegierungen eingesetzt sind. Dabei können derartige Sandwich-Baukörpereinheiten durch mehrfaches Aufeinanderbefesti- ι ο gen von aufeinanderfolgenden gewellten Kernelementen und zugehörigen nichtgewellten Deckelementen erzeugt werden, wobei auch hier wiederum die Verwendung von Titan oder Titanlegierungen besonders vorteilhaft ist

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert-, in der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Mikrophotographie eines Schnittes durch eine Verbindung eines gewellten Kernelementes mit einem nichtgewellten Deckelement,

Fig.2 bis 4 vergrößerte Mikrophotographien von Schnitten durch einen Bereich der in F i g. 1 dargestellten Verbindung in verschiedenen Behandlungsphasen,

Fig.5 und 6 Mikrophotographien von Schnitten durch einen anderen Bereich der in F i g. 1 dargestellten Verbindung vor bzw. nach der thermischen Behandlung,

F i g. 7 Darstellungen der Biegedauerfestigkeit (Wöh-Ier-Kurven) eines Sandwich-Baukörpers aus der Titanlegierung TA 3 V 24 und jo

Fig.8 gleichartige Kurven wie Fig.7, jedoch gewonnen an einem Sandwich-Baukörper aus TA 6 V 4.

Der Baukörper, aus dem die in den Zeichnungen dargestellten Mikrophotographien gewonnen wurden bzw. an dem die in den Zeichnungen dargestellten Ermüdungswerte gemessen wurden, ist ein sogenanntes Sandwichelement aus einem gewellten metallischen Kernelement, an dessen einer Seite tangential zu den Wellenkämmen des gewellten Kernelementes an den Scheiteln der Wellen ein nichtgewelltes Deckelement angelegt und mit diesem verbunden ist, das ebenfalls aus einem metallischen Material in Form einer Platte besteht Mehrere derartige Baukörper können miteinander verbunden werden, wobei die freie Seite des Deckelementes des einen Baukörpers an der freien Seite des gewellten Kernelementes des folgenden Baukörpers angelegt und mit dieser verbunden wird. Auf diese Weise können Baukörpereinheiten gebildet werden, deren mechanische Festigkeit mit der Anzahl der Einzelbaukörper zunimmt so

Zur Befestigung des gewellten Kernelementes an dem jeweiligen nicht gewellten Deckelement wird im allgemeinen elektrische Widerstandspunktsehweißung an Punkten vorgenommen, die längs jeder Welle des Kernelememes in regelmäßigen Abständen angeordnet « sind Da in dem auf diese Weise gebildeten Baukörper noch Vorspannungen vorhanden sind, wird dieser in einem zweiten Schritt des Herstellungsverfahrens einer thermischen Diffusionsbehandlung unterzogen, wie sie nachfolgend erläutert wird.

In Fig. 1 ist eine Mikrophotographie mit 75facher Vergrößerung eines Schnittes gezeigt, in dem ein Teil eines gewellten Kernelementes 1 mit einer Stärke von 0,15 mm mit einem nichtgewellten Deckelement 2 mit einer Stärke von 03 mm zur Bildung eines Baukörpers 3 f>5 durch Widcrstands-P'inktschweißung verbunden ist. Dieser Baukörper 3 besitzt eine große Flächenabmessung; das gewellte Kerneiement weist demnach eine große Anzahl von Wellen und damit von Scbweißpunkten 4 auf. In F i g. 2, 3 und 4 sind Mikrophotographien mit 240fachcr Vergrößerung dargestellt, die den Bereich A in F i g. 1 zeigen.

Die Punktverschweißung des gewellten Kernelementes mit dem Deckelement erzeugt bekanntlich Kompressionsspannungen in beiden miteinander verbundenen Elementen, die in F i g. 1 mit den Pfeilen Fi, F\, Fi und F'i bezeichnet sind.

Aufgrund dieser Spannungen neigt das gewellte Kernelement dazu, sich eng an das Deckelement anzudrücken, so daß der Schweiß-»Punkt« oder die Schweißstelle 4 mit in alle Richtungen gewendeten Kompressionsspannungen beaufschlagt ist

Bei der darauffolgenden thermischen Diffusionsbehandlung wird eine metallurgische Homogenisierung des Grundmetalls und der durch die Widerstandsschweißung thermisch beeinflußten Bereiche erreicht wodurch eine Relaxation oder ein Ausgleich der Vorspannungen und eine Vergrößerung der Verbindungsflächen zwischen den beiden miüinander verbundenen Elementen bewirkt wird. Dies geht auf die Einwirkung einer Diffusion im festen Zustand unter den vorhandenen Vorspannungskräften zurück, wobei auch die Kerbwirkung an den Grenzflächen verringert wird.

In F i g, 3 und 4 wird deutlich, wie die metallurgische Homogenisierung durch den Diffusionsvorgang fortschreitet In dem dargestellten Fall wurde der Baukörper in einem Vakuumofen mit 1,33 χ 10~³ Pa 2Stunden lang bei 850⁰C (Fig.3) bzw. 2 Stunden bei 950⁰C(F ig. 4) behandelt

In Fig.3 ist die Rekristallisierung noch nicht vollständig und der Aufschmelzbereich der Schweißstelle 4 ist noch vorhanden, obwohl eine weitgehende Homogenisierung bereits erreicht ist

In Fig.4 ist eine vollständige Rekristallisation erreicht, wodurch die optimalen mechanischen Kennwerte herbeigeführt sind.

In Fig.5 und 6 ist der Bereich B von Fig.ί in 240facher Vergrößerung jeweils vor und nach der thermischen Behandlung dargestellt Ein Vergleich dieser beiden Figuren zeigt deutlich die Verringerung der Kerbwirkung an den Grenzflächen zwischen den beiden Elementen nach der thermischen Behandlung. Der Spalt 5, der in Fig.5 vor der Behandlung gut zu sehen ist, ist nach der thermischen Diffusionsbehandlung in F i g. 6 vollständig verschwunden.

In den Fig.7 und 8 sind die Wöhler-Kurven der Biegedauerfestigkeit von gewellten Sandwich-Baukörpern gezeigt Dabei sind auf der Abszisse die Zyklen der Biegebeanspruchung und auf der Ordinate die Biegewiderstände in daN aufgetragen. Dabei sind in den Kurven 6 und 7 die entsprechenden Kennlinien nach der Punktfchweißung vor Anwendung der thermischen Behandlung, in Kurven 8 und 9 die gleichen Kennwerte im behandelten Zustand dargestellt, wobei eine Behandlung von 2 Stunden bei 900° C vorgenommen wurde. Es ist zu sehen, daß sich die Biegedauerfestigkeit um Beträge zwischen 50 und 90% in beiden Fällen erhöht hat, was zum großen Teil auf die Beseitigung der Kerbwirkung zurückzufahren ist.

Als weitere Erprobung der erzielten Verbesseningen wurden aus einem gewellten Kernelement und einem nichtgewellten Deckelement hergestellte Baukörper mit einem Durchmesser von 40 mm einem hydraulischen Druck ausgesetzt der von der Seite des gewellten Elementes aus aufgebracht wurde. Dabei wurde der Berstdruck gemessen.

Bekanntlich hängt der Berstdruck bei derartigen Untersuchungen von der Größe der Verbindungsfläche, d. h. von der Gesamtsumme der Einzelverbindungsflächen zwischen dem gewellten Kernelement und dem nichtgewellten Deckelement sowie von der Beschaffenheit dieser Verbindungsstellen ab. Die Schweißstellen werden nicht nur auf Zug beansprucht, sondern sie sind kombinierten Kräften ausgesetzt, so daß eine derartige Belastung schwache Verbindungen schnell offenlegt. Mit einer derartigen Prüfung werden die Eigenschaften der Verbindung unter zwei Aspekten geprüft, nämlich die Vergrößerung der Verbindungsfläche und die Festigkeit der einzelnen Verbindungsstellen.

In der nachfolgenden Tabelle sind für Prüflinge aus Titanlegierung die Berstdrücke vor und nach der thermischen Diffusionsbehandlung angegeben.

Proben	Rohver-	2 Std.	unler Vakuum von	140
	schwei-	Ι.Λ3 ■	IO ■' Pa behandelt bei	142
	Hiing	850 (	1XK) ( 950 (	144
Berstdruck (bar)
I. Serie	80	141	180
	85	i 19	200
2. Serie	48
	50
	50

Damit sind die durch die thermische Diffusionsbehandlung erzielten Verbesserungen eindrücklich dargestellt.

llicr/u 3 HIiUt

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Diffusionsschweißverfahren for Sandwich-Baukörper mit einem gewellten Kernelement und einem nichtgewellten Deckelement, dadurch' gekennzeichnet, daß zunächst das gewellte Kernelement durch Widerstandspunktschweißung mit dem nichtgewellten Deckelement längs jedem das Deckelement berührenden Wellenkamms des gewellten Kernelements verbunden wird, wobei sich der auf diese Weise gebildete Baukörper in einem vorgespannten Zustand befindet, in dem die Schweißblöcke Kompressionsspannungen in allen Richtungen aufweisen, und daß der Baukörper danach unter Schutzatmosphäre so während einer bestimmten Zeit bei einer bestimmten Temperatur thermisch behandelt wird, daß eine die Verbindungsflächengröße zwischen dem gewellten Kemelement und dem nichtgewellten Deckelement erhöhende, die Kerbwirkung an der Grenzfläche verringernde und eine Sp^nnungsrelaxation in dem Baukörper bewirkende Diffusion hervorgerufen wird.

2. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzatmosphäre während der thermischen Behandlung ein Vakuum von weniger als 133 χ 10-³ Pa verwendet wird und daß eine Behandlungstemperatur von 800 bis 950° C während einer Zeit von etwa 2 Stunden gehalten wird.

3. Sandwich-Baukörper, hergestellt nach dem Verfahren der Ansprüche 1 oder 2, bestehend aus einem gewellten Kernelement, das mit einem nichtgewellten Deckel^ment ^fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das gewellte Kemelement (1) und das nichtgeweilte D^ckelement (2) aus Titan oder Titanlegierungen bestehen.

4. Sandwich-Baukörpereinheit, hergestellt nach dem Verfahren der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit mehrere Sandwich-Baukörper mit gewellten Kernelementen und zugehörigen Deckelelementen zusammengefügt sind

5. Sandwich-Baukörperelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gewellten Kernelemente (1) und die nichtgewellten Deckelemente (2) aus Titan oder Titanlegierungen bestehen.