DE3509475A1 - Schweissverfahren unter verwendung eines schutzueberzugs gegen schweissspritzer - Google Patents
Schweissverfahren unter verwendung eines schutzueberzugs gegen schweissspritzerInfo
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Description
Schweißverfahren unter Verwendung eines Schutzüberzugs
gegen Schweißspritzer
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Schweißtechnik,
insbesondere Schweißverfahren unter Nutzung der Energie eines Elektronenstrahls.
Die Verwendung von Elektronenstrahl-Energie zur spanabhebenden und anderweitigen Bearbeitung von sowohl metallischen
als auch nichtmetallischen Werkstücken ist eine relativ junge Entwicklung. Zum Stand der Technik sind
beispielsweise die US-PSen 4 156 807 und 4 239 954 zu
nennen. Wenn man jedoch die Elektronenstrahlenergie zum
Schweißen verwendete, gab es gewisse Probleme, und zwar im Hinblick auf das Verhindern des Anhaftens von Schweißspritzern
in den nicht geschweißten Flächenbereichen des Werkstücks. Das kann sowohl unter ästhetischen Gesichtspunkten
als auch unter strukturell-konstruktiven (z.B.
aerodynamischen) Gesichtspunkten ein Problem darstellen, und zwar je nach der Anwendung des fertigen Werkstück-Gegenstandes.
Wegen der komplizierten Konfiguration einiger der verschweißten Bauteile, die an sich für ein Schweißen
mit Elektronenstrahlenergie besonders geeignet sind, ist es außerdem in bestimmten Fällen außerordentlich schwierig
oder gar unmöglich, derartige Schweißspritzer zu entfernen.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Bedürfnis der Fachwelt nach einem Verfahren zu befriedigen,
bei dem das Anhaften derartiger Schweißspritzer auf der Werkstücksoberfläche verhindert wird, wenn man Elektronenstrahlenergie
zum Schweißen ausnutzt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist
in Anspruch 2 näher gekennzeichnet.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Verfahren
zur Verhinderung der Haftung von Schweißspritzern auf einer Werkstücksoberfläche, wenn unter Ausnutzung von Elektronenstrahlenergie
geschweißt wird. Die Werkstücksoberfläche oder -oberflächen, die zu verschweißen sind, werden mit
einer gleichförmigen Schicht aus einem Polyimid überzogen, das eine ausreichende Menge eines oberflächenaktiven Mittels
enthält, so daß eine haftende, säurebeständige, gleichförmige Schicht aus einem Polyimid auf der Oberfläche erzeugt
wird. Dieses Verfahren ist ganz besonders für komplizierte Strukturen oder Bauteile oder für schwer zu
erreichende Flächenbereiche von Nutzen, bei denen die Entfernung von Schweißspritzern praktische Schwierigkeiten
bereitet oder unmöglich ist.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Angabe weiterer Merkmale und Vorteile näher erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ganz besonders der Bearbeitung
von Oberflächen von metallischen Werkstücken angepaßt, insbesondere solchen aus herkömmlichen Legierungen
auf Titan- und Nickel-Basis, die für Teile von Gasturbinentriebwerken verwendet werden, beispielsweise für rotierende
Düsentriebwerksteile, wie beispielsweise Scheiben. In einem solchen Fall stellen Schweißspritzer ein besonders
ernstes Problem dar, da derartige Schweißspritzer zu einer Störung der Balance oder Wucht bei den rotierenden Teilen
führen können, die hoch belastet sind. Außerdem können die Schweißspritzer sich verlagern und dadurch ernste Maschinenschäden
hervorrufen.
Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren ganz besonders im
Hinblick auf ein Schweißen mit Elektronenstrahlenergie beschrieben ist, sind seine Prinzipien grundsätzlich auf
jedes beliebige Schweißverfahren anwendbar, bei dem Schweiß-Spritzer
erzeugt werden, z.B. auf das Schweißen mit einem Laserstrahl. Zur Herstellung der Schweißverbindung kann
jede beliebige herkömmliche Elektronenstrahl- (oder Laserstrahl-) Schweißvorrichtung verwendet werden.
1 Obwohl jedes beliebige Polyimidharz mit der erforderlichen
Wärmestabilität und Säurebeständigkeit im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, hat sich das
Polyimidharz mit der Handelsbezeichnung Skybond 703 (Warenzeichen, Monsanto Co.) als besonders geeignet erwiesen.
Während ferner irgendein beliebiges oberflächenaktives
Mittel verwendet werden kann, das zu einem gleichförmigen Überzug ohne Oberflächenporen oder "Fischaugen" führt, sind
ganz besonders oberflächenaktive Mittel auf Silikonbasis bevorzugt, insbesondere das oberflächenaktive Mittel mit
der Handelsbezeichnung Dow Corning 196 (Warenzeichen). Dieses oberflächenaktive Mittel ist ein Silikon-Glycol-Copolymeres
mit einer niedrigen Viskosität. Das oberflächenaktive Mittel sollte im Hinblick auf das Material des
metallischen Werkstücks ausgewählt werden. Während beispielsweise oberflächenaktive Mittel auf Fluorkohlenstoff-Basis,
wie beispielsweise 3M FC 430, ebenfalls verwendbar sind, wenn eine Legierung auf Nickelbasis verschweißt wird,
weisen derartige Fluorkohlenstoffe enthaltende oberflächenaktive Mittel die Fähigkeit auf, mit dem Werkstück zu reagieren
und sind daher nicht annehmbar. Oberflächenaktive Mittel auf Silikonbasis sind frei von derartigen Problemem.
Das oberflächenaktive Mittel sollte in Mengen von weniger als etwa 0,5 Vol.-% (20 ml/gal der Überzugs-Zusammensetzung
einschließlich Lösungsmittel) verwendet werden, wobei es typischerweise in Mengen von etwa 0,079 bis 0,26 Vol.-%
(3 ml/gal bis 10 ml/gal) und vorzugsweise von 0,11 bis 0,16 Vol.-% (4 ml/gal bis 6 ml/gal) verwendet wird. Welches
oberflächenaktive Mittel auch verwendet wird, es sollte in jedem Falle in einer ausreichenden Menge zugesetzt werden,
um eine gleichförmige Bedeckung durch das Polymere sicherzustellen, ohne gleichzeitig die Haftung des Polymeren am
Werkstück negativ zu beeinflussen. Obwohl ferner zusätzliehe
Mittel, wie beispielsweise Färbemittel, zu dem Polymeren zugesetzt werden können, sollten auch diese Mittel
das Werkstücks-Material nicht negativ beeinflussen oder, mit diesem wechselwirken.
Es ist wesentlich, daß das FiImmaterial auf gleichförmige
Weise aufgebracht wird. Das gilt ganz besonders, weil typischerweise das Material des Werkstücks vor dem Schweißen
gereinigt wird, beispielsweise durch herkömmliches Beizen mit Säure (z.B. mit HNO-'HF). Wenn der Polymerüberzug auf
dem Werkstück nicht in Form einer gleichförmigen Schicht vorliegt oder seine Haftung schlecht ist, besteht die
Neigung, daß beim Beizen die Polyimid-Oberflache entfernt
oder unterwandert wird, was jeweils dazu führt, daß der überzug zerstört wird und möglicherweise auch das Werkstück
Schaden nimmt. Um einen derartigen gleichförmigen überzug zu erhalten, wird zusätzlich zur Verwendung des oberflächenaktiven
Mittels in der oben beschriebenen -Weise das Polymere aus einer Lösung in einem organischen Lösungsmittel
aufgebracht. Obwohl irgendein Lösungsmittel, das das Polymere löst und ein gutes Ausfließen des Polymeren und
oberflächenaktiven Mittels auf das Substrat gewährleistet, verwendet werden kann, wird als organisches Lösungsmittel
eine Lösung von Toluol und Pyrrolidon besonders bevorzugt.
Dieses Lösungsmittel ist eine 50%ige Mischung aus jedem dieser Bestandteile, obwohl auch von einer solchen Zusammensetzung
abweichende Mischungen verwendet werden können. Und obwohl die Konzentration des Polyimids und
des oberflächenaktiven Mittels in einem solchen Lösungsmittel variieren kann, werden typischerweise etwa 25 bis
75 Vol.-% Polyimid plus oberflächenaktives Mittel in dem
Lösungsmittel verwendet, wobei 50 Vol.-% Polyimid plus oberflächenaktives Mittel bevorzugt sind. Obwohl ferner
irgendein Aufbringverfahren, wie beispielsweise Aufstreichen,
Wischen u.s.w., zum Aufbringen der Schicht auf das Werkstück angewandt werden kann, hat sich gezeigt, daß ein
Aufsprühen zu einem besonders gleichförmigen überzug führt.
Und obwohl irgendeine Dicke des Überzugs, die während des BeizSchrittes erhalten bl ibt, gewählt werden kann, werden
typischerweise überzüge einer Dicke von 5,08 bis 20,32 um
(0,2 bis 0,8 mil) in einem Aufbringen in mehreren Durchgängen aufgebracht. Nach dem Aufbringen wird der überzug
typischerweise erhitzt, um das Lösungsmittel auszutreiben
und das Harz zu härten. Ein typischer Härtungszyklus umfaßt etwa eine halbe Stunde bei etwa 93,3°C (2000F), etwa
eine halbe Stunde bei etwa 204,40C (4 000F) sowie etwa
5 Minuten bei etwa 315,6°C (6000F).
Der aufgebrachte Überzug sollte so zusammengesetzt sein,
daß er durch chemisches Waschen entfernt werden kann. Typischerweise kann eine warme Lösung von Natriumhydroxid
mit oder ohne Zusatz eines herkömmlichen Benetzungsmittels verwendet werden. So hat sich beispielsweise eine 28 bis
30 Gew.-%ige Natriumhydroxid-Lösung mit einer Temperatur von etwa 660C (1500F) mit einem Phosphatester-Benetzungsmittel
(Wyandotte Klearfac AA040) als besonders geeignet erwiesen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Ein simuliertes Elektronenstrahl-Schweißverfahren zum Schweißen von Trommelrotoren aus einer Legierung auf
Titanbasis wurde untersucht, um die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Polyimid-SpritzSchutzüberzüge zu bestimmen.
Zur Beobachtung der Spritzer-Haftung wurden visuelle, doppelmikroskopische und Lupenfotographie-Untersuchungen
durchgeführt. Die Überzugszusammensetzung war wie folgt aufgebaut:
Material Zusammensetzung Mögliche Zusammen
setzungsgrenzen
Toluol (oder Xylol) 50 Vol.-% 40 - 60 Vol.-% N-Methyl-2-pyrroli-
don 50 Vol.-% 40-60 Vol.-%
oberflächenaktives 0,13 VoI,-% 0,11 - 0,16 Vol.-%
Mittel (5 ml/gal) (4-6 ml/gal)
Polyimid 50 Vol.-% 40 - 60 Vol.-% .
Es wurden drei getrennte Platten überzogen. Alle Platten wurden so überzogen, daß Streifen aus überzogenen und
nicht überzogenen Flächen erhalten wurden. Die erste Platte wurde durch doppeltes Aufsprühen mit einem Überzug
einer Dicke von 5,08 bis 7,62 μΐη (0,2 bis 0,3 mil) überzogen;
die zweite Platte durch vierfaches Aufsprühen mit einer Überzugsdicke von 7,62 bis 12,7 μπι (0,3 bis 0,5 mil);
und die dritte Platte durch sechsfaches Aufsprühen mit einer Überzugsdicke von 12,7 bis 15,24 μπι (0,5 bis 0,6 mil). Die
Überzüge wurden bei 930C (2000F) eine halbe Stunde, bei
2040C (4000F) eine halbe Stunde und bei 316°C (6000F) fünf
Minuten gehärtet. Die Platten wurden alkalisch gereinigt und in Salpetersäure-Flußsäure-Lösungen gebeizt. Die Platten
wurden in einem Vakuum von 10~ torr bei 150 kV, 60 mA und
bei einer Strahlgeschwindigkeit von 304,8 cm/min (120 inches per minute) geschweißt. Das Schweißen wurde so durchgeführt,
daß auf den überzogenen Platten Schweißspritzer erzeugt wurden. Die Überzüge wurden unter Verwendung einer Natriumhydroxidlösung
abgelöst. Die Untersuchung ergab, daß in der Nachbarschaft der Schweißnaht auf den nicht überzogenen
Bereichen der Platten Spritzer hafteten, während keinerlei Spritzer auf den überzogenen Bereichen der Platten hafteten,
nachdem der Schutzüberzug entfernt worden war. In den nicht überzogenen Bereichen wurden etwa 15,5 Spritzer pro cm2
(100 Spritzer pro square inch) beobachtet.
Das Härten sollte so durchgeführt werden, daß der Überzug bis zu dem Punkt gehärtet wird, daß er eine hohe Temperaturstabilität
aufweist (d.h. in der Lage ist, den heißen Spritzern zu widerstehen), sollte jedoch nicht bis zu dem
Punkt gehärtet werden, bei dem das Harz zu verkohlen beginnt. Wie bereits oben ausgeführt wurde, sollte der'
Überzug leicht durch Eintauchen in ein chemisches Bad ablösbar sein, ohne daß Rückstände zurückbleiben.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist es für den Fachmann eine Selbstverständlichkeit, daß verschiedene Änderungen
1 im Hinblick auf einzelne konkrete Merkmale möglich sind, ohne daß der Bereich der vorliegenden Erfindung, wie er
durch die Ansprüche definiert wird, verlassen wird.
Claims (2)
1. Verfahren zum Schweißen unter örtlich begrenztem Auftreffen
von Elektronenstrahl-Energie auf eine Werkstücksoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Schweißen
die Werkstücksoberfläche in den nicht zu verschweißenden Flächenbereichen mit einer haftenden, säurebeständigen,
wärmestabilen und chemisch entfernbaren Schicht aus einem Polyimid überzieht, das weniger als etwa 0,5 Vol.-% eines
oberflächenaktiven Mittels enthält,
und diese Polyimid-Schicht nach dem Schweißen entfernt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das oberflächenaktive Mittel ein oberflächenaktives Mittel
auf Silikonbasis ist und man das Polyimid in einer Dicke
von etwa 5,08 bis etwa 20,32 μπι (0,2 bis 0,8 mil) aufträgt.
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