DE3813860A1

DE3813860A1 - Verfahren zum aneinanderschweissen (fuegen) von teilen aus verbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE3813860A1
Application number: DE3813860A
Authority: DE
Inventors: Reiner Dipl Ing Koecher
Original assignee: GEA Canzler GmbH
Current assignee: GEA Canzler GmbH
Priority date: 1988-04-23
Filing date: 1988-04-23
Publication date: 1989-11-02
Also published as: DE3813860C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aneinanderschweißen (Fügen) von Teilen aus Verbundwerkstoffen, die jeweils aus einem Grundwerkstoff, vorzugsweise aus Stahl oder einer Stahllegierung, und einem mit dem Grundwerkstoff vorzugsweise durch Sprengplattieren verbundenen Auflagewerkstoff bestehen, wie beispielsweise Titan, Tantal, Niob, Zirkonium und deren Legierungen als auch sonstige NE-Metalle und NE-Metallegie rungen sowie hochlegierte austenitische, ferritisch-austeni tische und ferritische Stahlwerkstoffe.

Es ist bekannt, derartige Verbundwerkstoffe nach den be kannten Schmelzschweißverfahren, beispielsweise Licht bogen-Schmelzschweißen mit offenem oder verdecktem Lichtbogen sowie ggf. unter Zuführung von Schutzgas aneinanderzu schweißen, wobei je nach Werkstoffkombination des Verbund werkstoffes unterschiedliche Methoden der plattierungs seitigen Nahtgestaltung üblich sind. Bei Verbundwerkstoffen, bei denen der Grund- und Auflagewerkstoff aufgrund guter gegenseitiger Löslichkeit der Legierungselemente ohne Bildung von Sprödphasen eine duktile Schweißverbindung ergeben, kann der Fügevorgang gemäß der Darstellung in Fig. 1 ausgeführt werden. Diese Darstellung zeigt einen Grundwerkstoff 1, beispielsweise aus Baustahl, und einen Auflagewerkstoff 2, beispielsweise aus einem Austenitstahl, aus Nickel oder einer Nickellegierung.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird der Grundwerkstoff 1 der an den Rändern zu verschweißenden Bauteile mittels einer Schweißnaht 1 a und der Auflagewerkstoff 2 mittels einer Schweißnaht 2 a miteinander verbunden. Wegen der guten gegen seitigen Löslichkeit der Legierungselemente wird die Bildung einer Sprödphase im Übergangsbereich zwischen den Schweiß nähten 1 a und 2 a vermieden. Für die angegebenen Materialien ist damit das in Fig. 1 dargestellte Verfahren ohne Schwierig keiten anwendbar.

Bei Verbundwerkstoffen mit Plattierungsauflagen 2, die bei der schmelzflüssigen Verbindung mit dem Grundwerkstoff 1 spröde Gefügephasen bilden, ist eine andere Ausbildung der Nahtverbindung erforderlich, wie sie beispielsweise in den Fig. 2 bis 4 dargestellt ist.

Bei der Ausführung nach Fig. 2, bei der der Grundwerkstoff 1 beispielsweise aus Stahl und der Auflagewerkstoff beispiels weise aus Titan, einer Titanlegierung oder Zirkonium besteht, wird der Auflagewerkstoff 2 im Bereich der Schweißnaht derart weit entfernt, daß zuerst der Grundwerkstoff 1 mittels einer Schweißnaht 1 a und einer Wurzelschweißnaht 1 b verschweißt werden kann. Anschließend werden die im Abstand voneinander liegenden Ränder des Auflagewerkstoffes 2 durch einen Abdeck streifen 3 abgedeckt, der aus einem mit dem Auflagewerkstoff 2 artgleichen Werkstoff besteht. Dieser Abdeckstreifen 3 wird der plattierungsseitigen Kontur im Nahtbereich angepaßt und an seinen Rändern mittels Schweißnähten 3 a mit dem Auflage werkstoff 2 verbunden.

Die Fig. 3 zeigt eine bekannte Nahtanordnung, bei der der Grundwerkstoff 1 mit zwei Lagen unterschiedlicher Auflage werkstoffe 2 und 4 versehen ist. Bei einer derartigen Drei schichtplattierung kann es sich beim Auflagewerkstoff 4 bei spielsweise um Zirkonium handeln, das über einen als Zwischenschicht dienenden Auflagewerkstoff 2 aus Titan mit dem Grundwerkstoff 1 aus Stahl verbunden ist. Bei diesem Bei spiel wird ein Abdeckstreifen 3 aus Zirkonium verwendet.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 kann es sich auch um einen Verbundwerkstoff mit Auflagen aus hochschmelzenden Metallen handeln, bei denen aus schweißtechnischen Gründen innerhalb der Dreischichtplattierung eine Zwischenschicht aus Kupfer zur Anwendung kommt. Diese Ausbildung ist insbesondere ge bräuchlich, wenn der Grundwerkstoff 1 aus Stahl und der Auflagewerkstoff 4 aus Tantal, Niob oder einer Tantal-Niob-Legierung besteht, wobei der als Zwischenschicht dienende Auflagewerkstoff 2 Kupfer ist. Auch in diesem Fall besteht der Abdeckstreifen 3 aus Tantal, Niob oder einer Tantal-Niob-Legierung bzw. einem hiermit verwandten Werk stoff.

Da sich die in den Fig. 2 und 3 dargestellten bekannten Schweißverbindungen nicht anwenden lassen, wenn die anein andergefügten Bauteile auf der Innenseite, d.h. der Seite der Auflagewerkstoffe 2, 4 nach dem Fügen mechanisch bearbeitet werden müssen, beispielsweise durch Innenausdrehen von zylin drischen Schüssen aus Verbundwerkstoffen, ist eine weitere Fertigungsmethode entwickelt worden, die in Fig. 4 dargestellt ist. Bei diesem bekannten Verfahren wird im Schweißnahtbe reich der Grundwerkstoff 1 abgearbeitet. Sodann wird ein plattierter Einlegestreifen mit Grundwerkstoff 5 a aus Stahl und Auflagewerkstoff 5 b aus einem der Plattierungsauflage des Verbundwerkstoffes artgleichen Werkstoff eingebracht. Danach wird die Verschweißung des Grundwerkstoffes 1 mittels der Naht 1 a vorgenommen; anschließend werden mittels der Naht 2 a die Ränder der Plattierungsauflage miteinander verschweißt. Der plattierte Einlegestreifen verhindert, daß sich bei der vorbeschriebenen Schweißung durch Ineinandergehen der Schweißnähte 1 a und 2 a eine spröde Mischphase ergibt. Bei dieser Ausführung nach Fig. 4 kann anschließend die Oberfläche des Auflagewerkstoffes 2 mechanisch bearbeitet werden, wie dies durch die gestrichelte Linie und das Dreieck in Fig. 4 angedeutet ist.

Die voranstehend beschriebenen, in den Fig. 1 bis 4 darge stellten bekannten Verfahren haben den Nachteil, daß sie einerseits eine kostenaufwendige Nahtvorbereitung erfordern und andererseits hohe Kosten für die Durchführung des eigent lichen Schweißverfahrens zur Folge haben. Weiterhin wirkt sich bei Bauteilen, an denen eine mechanische Bearbeitung an der Plattierungsseite durchgeführt wird und aus diesem Grunde hohe Anforderungen an die Maßgenauigkeit zu stellen sind, der nicht vermeidbare Verzug im Nahtbereich wegen der konstruktiv bedingten großen Nahtquerschnitte und dadurch bedingten erhöhten Wärmeeinbringung beim Schweißen nachteilig auf die erforderliche hohe Maßgenauigkeit für die mechanische Bear beitung aus. In der Regel sind daher aufwendige Richtvorgänge vor der mechanischen Bearbeitung erforderlich, die wiederum eine Spannungsarmglühung notwendig machen können. Bei der Verwendung von Abdeckstreifen 3 ist als weiterer Nachteil die erhöhte Anfälligkeit für Undichtigkeiten infolge Nahtfehlern und/oder infolge korrosiver Beanspruchung anzusehen, zumal sich gegenüber den in den Fig. 1 und 4 dargestellten Naht anordnungen im Vergleich zu denen nach den Fig. 2 und 3 eine doppelte Nahtlänge ergibt. Bei Auftreten von Undichtig keiten an den Kehlnähten 3 a der Abdeckstreifen 3 kann Korrosionsmedium in den Zwischenraum gelangen, wodurch sich eine erhöhte, weil unentdeckte Korrosionsgefahr für den nicht korrosionsbeständigen Grundwerkstoff 1 ergibt.

Strahlschweißverfahren, wie z.B. das Elektronenstrahl- und Laserstrahl-Schweiß-Verfahren ermöglichen infolge der örtlich eng begrenzten Energieeinbringung eine schmale Nahtausbildung mit geringem Schweißvolumen und ergeben den Vorteil einer hohen Schweißgeschwindigkeit, eines steuerbaren Tiefschweiß effektes und einer raschen Baderstarrung (Abschreckeffekt). Das Fügen von Verbundwerkstoffen mittels dieser Strahl schweißverfahren führt somit zu einem geringen, nicht nennenswerten Verzug und niedrigen Schweißeigenspannungen am Bauteil sowie einer sehr geringen Wärmebeeinflussung der Werkstoffe mit günstigen Auswirkungen auf die Ausbildung der Wärmeeinflußzone, insbesondere bei zweiphasigen und aus scheidungsfreudigen Werkstoffen. Infolge der hohen Schweißge schwindigkeit ergibt sich eine besonders wirtschaftliche Fertigung.

Trotz dieser Vorteile können die bekannten Strahlschweiß verfahren nur dann eingesetzt werden, wenn die den Grundwerk stoff 1 und den Auflagewerkstoff 2 bildenden Werkstoffe, die auch für die Schweißnähte 1 a und 2 a verwendet werden, im Übergangsbereich zwischen den Schweißnähten 1 a und 2 a keine spröde Mischphase bilden, wie dies beispielsweise bei der Verschweißung von Verbundwerkstoffen mit Stahl als Grundwerk stoff 1 und Auflagewerkstoffen 2 aus Austenitstahl, Nickel und Nickellegierungen der Fall ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Ver fahren zum Aneinanderschweißen (Fügen) von Bauteilen aus Ver bundwerkstoffen unter Einsatz der Strahlschweißverfahren zur Herstellung jeweils einer Schweißnaht im Grundwerkstoff und Auflagewerkstoff derart weiterzubilden, daß bei Anwendung optimaler Schweißparameter auch solche Werkstoffe miteinander verschweißt werden können, die bei der Verwendung der be kannten Verfahren spröde Mischphasen ergeben.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß im Nahtbereich zwischen dem Grundwerkstoff 1 und dem anschließenden Auflagewerkstoff 2 eine kanalartige Aussparung 7 im Grundwerkstoff 1 und/oder Auflagewerkstoff 2 ausgebildet wird, die die Wurzel der Schweißnaht 1 a bzw. 2 a sowohl des Grundwerkstoffes 1 als auch des Auflagewerkstoffes 2 aufnimmt.

Durch diese erfindungsgemäße Weiterbildung wird die Bildung spröder Mischphasen vermieden, da die Aussparung 7 im Nahtbe reich zwischen Grundwerkstoff 1 und anschließenden Auflage werkstoff 2 ein Zusammentreffen der Schweißnähte 1 a und 2 a ausschließt. Auf diese Weise kann auch bei derartigen Werk stoffen der sich aus der örtlich eng begrenzten Energieein bringung ergebende Vorteil der schmalen Nahtausbildung mit geringem Schweißvolumen, der hohen Schweißgeschwindigkeit, des steuerbaren Tiefschweißeffektes sowie des geringen Naht verzuges ausgenutzt werden. Weiterhin wirkt sich der sich aufgrund der raschen Baderstarrung ergebende Abschreckeffekt günstig auf die Zähigkeitseigenschaften der Schweißnähte 1 a und 2 a aus, weil die Bildung spröder Ausscheidungsphasen, wie sie bei einem langsamen Abkühlen auftreten, durch den sogenannten Einfriereffekt vermieden wird.

Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Be schreibung verschiedener Ausführungsbeispiele anhand der Fig. 5 bis 10.

Die Fig. 5 zeigt anhand eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung das Aneinanderschweißen von zwei Bauteilen aus Verbundwerkstoff, wobei der Grundwerkstoff 1 beispielsweise aus Stahl und der Auflagewerkstoff 2 beispielsweise aus Titan oder einer Titanlegierung besteht. Im Nahtbereich zwischen dem Grundwerkstoff 1 und dem Auflagewerkstoff 2 ist eine kanalartige Aussparung 7 ausgebildet, die bei der Aus führungsform nach Fig. 5 einen kreisförmigen Querschnitt hat und etwa zu zwei Drittel im Grundwerkstoff 1 und zu einem Drittel im Auflagewerkstoff 2 ausgeführt ist. In diese Aus sparung 7 reichen die Wurzeln der im Strahlschweißverfahren hergestellten Schweißnähte 1 a und 2 a hinein, ohne daß sich die Schweißwerkstoffe berühren oder gar miteinander ver schmelzen. Auf diese Weise wird das Entstehen von spröden Mischgefüge, im vorliegenden Fall aus Titan und Stahl ver mieden. Außerdem ist es möglich, die kanalartige Aussparung 7 über mindestens eine Bohrung 8 während der Schweißvorgänge mit einem Spülmedium, beispielsweise einem Edelgas zu be schicken. Diese Bohrung 8 kann nach Fertigstellung beider Schweißnähte 1 a und 2 a auch für die Zu- und Ableitung eines Prüfmediums verwendet werden, mit dessen Hilfe die Dichtig keit der Schweißungen überprüft wird.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 6 und 7 werden Verbundwerkstoffe mit Zweischichtplattierung miteinander ver schweißt, wobei der Grundwerkstoff 1 beispielsweise aus Stahl, der Auflagewerkstoff 4 beispielsweise aus Zirkonium und der Auflagewerkstoff 2 beispielsweise aus Titan besteht. Beim Auflagewerkstoff 2 handelt es sich um eine Kupfer schicht, wenn als Auflagewerkstoff 4 hochschmelzendes Metall, wie z.B. Tantal, Niob oder eine Tantal-Niob-Legierung ver wendet wird. In beiden Fällen wird zur Vermeidung einer Mischzone im Bereich der Schweißnähte 1 a und 2 a eine kanal artige Aussparung 7 ausgebildet. Diese liegt bei der Aus führung nach Fig. 6 im wesentlichen im Bereich des Auflage werkstoffes 2 und nur zu einem geringen Teil sowohl im Grund werkstoff 1 als auch im Auflagewerkstoff 4. Bei der Aus führungsform nach Fig. 7 ist die Aussparung 7 etwa hälftig im Grundwerkstoff 1 und im anschließenden Auflagewerkstoff 2 ausgebildet. Die Verschweißung erfolgt wiederum mit Hilfe eines Strahlschweißverfahrens, insbesondere nach dem Elektronenstrahl- oder Laserstrahl-Verfahren. Auch bei diesen beiden Ausführungsformen sind Bohrungen 8 zur Zu- bzw. Abfuhr eines Prüf- und/oder Spülmediums vorgesehen.

Das vierte Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 zeigt die Ver schweißung zweier Verbundwerkstoffe, beispielsweise mit einem Grundwerkstoff 1 aus Stahl und einem Auflagewerkstoff 2 aus Titan, wobei der Grundwerkstoff 1 eine besonders große Wand stärke hat. Aus diesem Grunde erfolgt für den Fall, daß die Leistung der Schweißanlage für die Verschweißung des großen Querschnittes des Grundwerkstoffes nicht ausreicht, die Ver schweißung des Grundwerkstoffes 1 nur zum Teil durch eine im Strahlschweißverfahren erzeugte Schweißnaht 1 a; der restliche Teil wird konventionell verschweißt, wie die in Fig. 8 ange deutete Schweißnaht 1 c zeigt. Die Verschweißung des Auflage werkstoffes 2 erfolgt mittels eines Strahlschweißverfahrens. Bei dieser Ausführungsform ist die kanalartige Aussparung 7 entsprechend Fig. 5 ausgebildet.

Das letzte Ausführungsbeispiel nach den Fig. 9 und 10 zeigt eine kanalartige Aussparung 7 mit einem von der Kreis form abweichenden Querschnitt. Wie insbesondere Fig. 9, die den Zustand vor der Verschweißung zeigt, erkennen läßt, hat die Aussparung 7 einen in der Grundform rechteckigen Quer schnitt, wobei die Ecken derart ausgerundet sind, daß sich in der Trennfuge der aneinanderzuschweißenden Bauteile zur Mitte des Kanalquerschnittes leistenförmig hervorstehende Material teile ergeben. Nach Durchführung der Verschweißungen sind aufgrund dieser Querschnittsausbildung der Aussparung 7 zu beiden Seiten der Schweißwurzel sowohl der Schweißnaht 1 a als auch der Schweißnaht 2 a nutartige Vertiefungen entstanden, die die Kerbwirkung im Bereich der Durchschweißung erheblich reduzieren, wie dies die Fig. 10 deutlich erkennen läßt. Auch bei dieser Ausführungsform sind eine oder mehrere Bohrungen 8 zur Zu- und Ableitung von Prüf- oder Spülmedien ausgebildet.

Bezugsziffernliste:

1 Grundwerkstoff
1 a Schweißnaht
1 b Wurzelschweißnaht
1 c Schweißnaht
2 Auflagewerkstoff
2 a Schweißnaht
3 Abdeckstreifen
3 a Schweißnaht
4 Auflagewerkstoff
5 Einlegestreifen
5 a Grundwerkstoffschicht
5 b Auflagewerkstoffschicht
7 Aussparung
8 Bohrung

Claims

1. Verfahren zum Aneinanderschweißen (Fügen) von Teilen aus Verbundwerkstoffen, die jeweils aus einem Grundwerkstoff, vorzugsweise aus Stahl oder einer Stahllegierung, und einem mit dem Grundwerkstoff vorzugsweise durch Spreng plattieren verbundenen Auflagewerkstoff, wie beispiels weise Titan, Tantal, Niob, Zirkonium und deren Legie rungen, bestehen, wobei die Teile an ihren Rändern je weils im Bereich des Grundwerkstoffes und des Auflagewerk stoffes durch jeweils mindestens eine im Strahlschweißver fahren, insbesondere Elektronenstrahl- und Laser strahl-Verfahren, hergestellte Schweißnaht verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß im Nahtbereich zwischen dem Grundwerkstoff (1) und dem anschließenden Auflagewerkstoff (2) eine kanalartige Aus sparung (7) im Grundwerkstoff (1) und/oder Auflagewerk stoff (2) ausgebildet wird, die die Wurzel der Schweißnaht (1 a bzw. 2 a) sowohl des Grundwerkstoffes (1) als auch des Auflagewerkstoffes (2) aufnimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalartige Aussparung (7) mit einem etwa kreisförmigen Querschnitt ausgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalartige Aussparung (7) mit einem in der Grundform rechteckigen Querschnitt ausgeführt wird, dessen Ecken ausgerundet sind.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalartige Aussparung (7) über mindestens eine im Grundwerkstoff (1) ausgebildete Bohrung (8) mit einem Prüf- und/oder Spülmedium beschickt wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die kanalartige Aussparung (7) Profilstäbe eingesetzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilstäbe aus einem für die jeweilige Werkstoffpaarung neutralen Werkstoff oder als Bimetall aus Grundwerkstoff und Auflagewerkstoff hergestellt sind.