DE4241421C2 - Verfahren zur Herstellung von mit Hohlräumen versehenen Bauteilen und Anwendungen des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit Hohlräumen versehenen Bauteilen, bei denen ein glattes oder vorgeformtes Blechpaket aus mindestens einem Ober­ blech, einem Unterblech, einer Trennfuge und einer partiel­ len Trennmittelschicht in der Trennfuge zunächst an trenn­ mittelfreien Bereichen der Trennfuge mittels heißisostatischer Presse in einer geschlossenen Kapsel diffusionsgeschweißt wird.

Aus EP-PS 0 167 492 ist die Herstellung eines mehrschichtigen Verbundkörpers mittels heißisostatischer Presse in einer ge­ schlossenen Kapsel bekannt, wobei die Teile des Verbundkörpers mit einer ausgleichenden Zwischenschicht für Wärmedehnungsdifferenzen zwischen den Teilen des Verbundkörpers in einer geschlossenen, verschweißten Kapsel beim heißisostatischen Pressen diffusions­ verschweißt werden. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Teile aus Oberblech und Unterblech über die Zwischenschicht zu einem Verbundkörper flächig diffusionsverschweißt werden und somit keine Hohlräume entstehen können. Darüber hinaus erfordert dieses Verfahren eine zusätzliche Kapselung der Bleche vor dem heißisostatischen Pressen in einer verschweißten Kapsel, was einen hohen Aufwand an Material und Kosten verursacht.

Aus US-PS 4,220,276 ist ein Blasumformenverfahren bekannt. Bei dieser bekannten Technologie der Umformung wird das umzuformende Material vorzugsweise Blech, durch den Druck eines fluiden Mediums, vorzugsweise Gas, in die gewünschte Gestalt gebracht. Dabei wird das umzuformende Blech gegen eine aufgeheizte Negativform gepreßt. Die Abdichtung des Druckraumes wird dabei in einer Blasumformmaschine durch die Anpreßkraft ei­ ner Presse auf den Blechrand bewirkt. Das hat den Nachteil, daß besonders bei großflächigen Bauteilen hohe Schließ­ kräfte aufzubringen sind, so daß nur entsprechend teure und schwere Blasumformmaschinen einsetzbar sind.

Für kleinflächige Bauteile ist aus US-PS 4,526,312 ein Blasumformverfahren bekannt, bei dem durch hohe Schließkräfte einer Presse bei gleichzeitiger Aufhei­ zung eines Unter-, Ober- und Zwischenblechs mit partiellen Trennmittelbereichen ein Blechpaket diffusionsgeschweißt wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß mit größer werdender Fläche des Blechpakets Presse, Preßwerkzeuge und Aufheizeinrichtung für ein Diffusionsschweißen technisch nur mit erheblichem Kostenaufwand einsetzbar werden. Hinzu kommt, daß die für das Diffusionsschweißen erforderliche Planparallelität und Justage der Preßwerkzeuge kaum mehr beherrschbar wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, das die Nachteile im Stand der Technik überwin­ det und ohne mechanische Preßwerkzeuge eine Diffusionsver­ schweißung großflächiger mit Hohlräumen versehener Bauteile ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Ver­ fahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 folgende Verfahrens­ schritte umfaßt:

• a) nach einem Trennmittelauftrag in partiellen Bereichen der Trennfuge zwischen Oberblech und Unterblech werden diese zur Bildung einer geschlossenen Kapsel an ihren Außen­ rändern gasdicht zu einem Blechpaket verbunden und eine Gas­ zuführung zur Trennfuge wird zwischen den Blechen des Blech­ pakets beim Schweißen der Außenränder mit eingebunden,
• b) danach wird über diese Gaszuführung die Trennfuge evakuiert, abgedichtet und in einem heißisostatischen Preßvorgang, bei Diffusionsschweißtemperatur der Bleche das Blechpaket in den trennmittelfreien Bereichen verschweißt, und
• c) abschließend wird durch Beaufschlagung eines Gasdrucks zwischen Oberblech und Unterblech in einer geschlossenen, aufgeheizten Form das Blechpaket blasumgeformt.

Das Verfahren hat den Vorteil, daß unter geringeren Ener­ giekosten und Materialaufwand als bisher Bauteile mit Hohlräumen hergestellt werden können. Darüber hinaus können Blechpaketflächen diffusionsverschweißt werden, die mit herkömmlichen mechani­ schen Preßwerkzeugen nicht mehr beherrschbar sind. Zum ei­ gentlichen Blasumformen reicht vorteilhaft eine einfache Kastenform mit einer Trennfuge zum Einspannen des Blechpa­ ketes aus, da vorteilhaft die Diffusionsverschweißung ge­ trennt vom Blasumformschritt in einer Heißisostatpresse oder vorzugsweise in einer Explosionsverbindungsanlage erfolgt. Dabei wird beim Heißisostatpressen eine zusätzliche Kapselung der Bleche entbehrlich. Das Explosionsverbinden hat gegenüber einem Heißisostatpressen den zusätzlichen Vorteil, daß beim Explosions­ verbinden keine Einschränkungen bezüglich des Arbeitsraumes zu berücksichtigen sind und deshalb die zu verbindenden Blechpakete in ihrer Flächenausdehnung nicht begrenzt sind.

Da die Kastenform nur noch die Umformenergie für das Blas­ umformen aufnehmen muß, reichen einfache Verbindungsmittel zwischen den Formteilen aus und es können die Kosten zur Entwicklung voluminöser Preßanlagen eingespart werden. Die Kastenform und Größe und damit auch die Bauteilform und Größe werden damit unabhängig von der Größe einer mecha­ nischen Presse.

Der Ausstoß kann gegenüber der herkömmlichen Blasumformma­ schine vervielfacht werden, da in der Blasumformmaschine keine Diffusionsschweißtemperatur erreicht werden muß.

Ferner sind doppelwandige Bauteile in Großserie herstell­ bar, wie sie im Triebwerksbau für Gehäuse, Klappen oder Brennkammerwandungen oder im Flugzeugbau für Ruderflossen oder Ruder oder im Kraftfahrzeugbau für Tragstrukturen, Tü­ ren und Hauben eingesetzt werden.

Bei einer anderen Durchführung des Verfahrens wird zum Dif­ fusionsschweißen eine Heißwalzanlage eingesetzt. Das hat den zusätzlichen Vorteil, daß zwischen einem oberen und un­ teren Blechband gasdicht eingeschlossene und sich wiederho­ lende partielle Bereiche diffusionsgeschweißt werden kön­ nen. Die sich wiederholenden Bereiche können anschließend vereinzelt und zu Einzelbauteilen in Blasumformanlagen be­ arbeitet werden. Damit lassen sich kostengünstig große Men­ gen diffusionsverschweißen.

Eine weitere bevorzugte Durchführung des Verfahrens besteht darin, daß nach dem Evakuieren und vor dem heißisostati­ schen Pressen das Blechpaket zur Arbeitsraumnutzung aufge­ rollt und im aufgerollten Zustand diffusionsverschweißt wird. Im Gegensatz zum herkömmlichen Verfahren muß das Blechpaket zum Diffusionsverschweißen nicht bereits die Be­ arbeitungsform für eine Blasumformeinrichtung aufweisen, sondern kann vorteilhaft als Blechpaket den Abmessungen ei­ ner Heißisostatpresse oder einer Explosionsverbindungsein­ richtung oder einem Heißwalzengerüst angepaßt werden.

Das Blechpaket kann vor dem Blasumformen als eine kompakte Einheit falls erforderlich vorteilhaft zu einem Ring, Ke­ gel, Dom oder einer anderen Vorform verarbeitet werden. Beim Evakuieren der Trennfuge wird vorteilhaft eine Reini­ gung der Trennfuge erreicht und die Dichtigkeit getestet.

Vorzugsweise wird eine Negativform des Bauteils zum Blasum­ formen des Blechpakets als Ober- und Unterform in einer Ka­ stenform ausgebildet und die Trennfläche zwischen Ober- und Unterform der Einformbasis des Bauteils angepaßt. Das hat den Vorteil, daß nach dem Blasumformen ein sicheres Trennen der Ober- und Unterform erfolgen kann.

Die Kastenform wird vorzugsweise durch Verschrauben, Verklammern oder Verschweißen von Ober- und Unterform für das Blasumformen zusammenge­ halten, so daß sie nicht durch Aufblaskräfte geöffnet werden kann. Zwischen Ober- und Unterform weist die Kastenform einen an das Blechpa­ ket angepaßten Spalt auf, der durch eine beim Verbinden von Ober- und Unterform eingebrachte Vorspannung das Blechpaket während des Blasum­ formens in Position hält.

Ober- und Unterform der Kastenform werden vorzugsweise aus zerlegbaren Formelementen aus Keramik hergestellt, was be­ sonders beim Aufheizen der Ober- und Unterformen bis in den Bereich der Kriechtemperatur des Blechpaketes von Vorteil ist. Zum Aufheizen von Ober- und Unterform sind Heizele­ mente in der Kastenform vorgesehen.

Eine Aufheizung der Kastenform und/oder des Blechpaketes bis in den Bereich der Materialkriechtemperatur des Bleches erleichtert vorteilhaft das Einpressen der Bleche in die Ober- und Unterform.

Zum Verbinden der Ränder des Blechpaketes werden vorzugs­ weise Schweißtechniken eingesetzt, was vorteilhaft zu einer gasdichten Verbindung führt.

Vor dem Verbinden der Bleche zu einem Blechpaket wird auf die Berührungsflächen der Bleche ein Trennmittel aufgetragen, wobei als Trennmittel vorzugsweise Oxidschichten, Keramik­ schichten oder anorganische Hochtemperaturlacke oberflächig aufgebracht werden. Diese erleichtern beim Blasumformen das Trennen der Einzelbleche und verhindern unbeabsichtigtes Reib-, Kalt- oder Diffusionsverschweißen von Teilbereichen.

Mit diesem Verfahren werden vorzugsweise Gehäusebauteile von Gastriebwerken oder doppelwandige Bauteile von Trieb­ werken oder Flugzeugen oder Kraftfahrzeugen hergestellt. So läßt sich in einem Blasumformschritt die innere und die äußere Gehäusewand oder Segmente davon zur Kühlluftführung zwischen Gehäusewänden herstellen. Für Ruderflossen oder Ruder oder Segmente dieser Bauteile können gleichzeitig Druck- und Saugseite geformt werden. Materialverstärkungen oder Strukturversteifungen können mit eingearbeitet werden, indem vorzugsweise vor dem Blasumformen für innere Struk­ turversteifungen eines doppelwandigen Bauteils Zwischenla­ gen zwischen den Blechen aufgenommen werden oder indem für äußere Materialverstärkungen Zusatzbleche auf das Blechpa­ ket von Außen aufgesetzt werden. Für Kraftfahrzeuge können mit diesem Verfahren kostengünstig Tragstrukturen, Türen oder Hauben hergestellt werden.

Die Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausbildung einer Kastenform zur Durchführung des Verfahrens.

Die Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausbildung einer Kasten­ form 1 zur Durchführung des Blasumformverfahrens. Dazu wer­ den zunächst zwei glatte oder vorgeformte Bleche 2 und 3 in den Bereichen 5 und 6 mit einem Trennmittel oberflächig be­ deckt und an ihren Außenrändern 4 gasdicht zu einem Blech­ paket 10 mittels einer Schweißnaht 11 verbunden. Dabei wer­ den zwei Gaszuführungen 7 und 8 in die Trennfuge 9 zwi­ schen dem Oberblech 2 und dem Unterblech 3 des Blechpaketes 10 eingebunden. Das glatte oder vorgeformte Blechpaket 10 wird über die Gaszuführungen 7 und 8 evakuiert und zunächst zum Diffusionsverschweißen der trennmittelfreien Bereiche in der Trennfuge 9 in einer Heißisostatpresse un­ terworfen. Danach wird das glatte oder vorgeformte und dif­ fusionsgeschweißte Blechpaket 10 zwischen einer Unter- 12 und Oberform 13 der Kastenform 1 an seinen verschweißten Rändern 4 eingespannt, wenn die Unter- 12 und Oberform 13 mittels der Schrauben 14 miteinander verspannt werden.

Anschließend wird die Kastenform 1 durch die Heizungsstäbe 15 auf 3% unter Fließtemperatur des Blechpaketes 10 aufgeheizt und Gasdruck auf die Gaszuführungen 7 und 8 ge­ geben. In den Trennbereichen 5 und 6 wölben sich daraufhin die Ausbuchtungen 16 und 17 aus, die beispielsweise Kühlkanäle für ein doppelwandiges Turbinengehäuse bilden oder Versteifungssicken für zwei spiegelbildlich angeord­ nete Blechteile 2 und 3 sind.

Unter- 12 und Oberform 13 bestehen aus Keramikelementen, die von Stahlmänteln 18 und 19 über Schraubverbindungen zu­ sammengehalten werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von mit Hohlräumen versehenen Bauteilen, bei denen ein glattes oder vorgeformtes Blechpaket aus mindestens einem Oberblech, einem Unterblech, einer Trennfuge und einer partiellen Trennmittelschicht in der Trennfuge zunächst an trenn­ mittelfreien Bereichen der Trennfuge mittels heißisostatischer Presse mit einer geschlossenen Kapsel diffusionsgeschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, daß:

• a) nach einem Trennmittelauftrag in partiellen Bereichen der Trennfuge zwischen Oberblech und Unterblech diese zur Bildung einer geschlossenen Kapsel an ihren Außenrändern gasdicht zu einem Blechpaket verbunden werden und eine Gaszuführung zur Trennfuge zwischen den Blechen des Blechpakets beim Schweißen der Außenränder mit eingebunden wird,
• b) danach über diese Gaszuführung die Trennfuge evakuiert, abge­ dichtet und in einem heißisostatischen Preßvorgang bei Diffusionsschweißtemperatur der Bleche das Blechpaket in den trennmittelfreien Bereichen verschweißt wird, und
• c) abschließend durch Beaufschlagung eines Gasdrucks zwischen Oberblech und Unterblech in einer geschlossenen, aufge­ heizten Form das Blechpaket blasumgeformt wird.

2. Verfahren zur Herstellung von mit Hohlräumen versehenen Bauteilen, bei dem ein glattes oder vorgeformtes Blechpaket aus mindestens einem Oberblech, einem Unterblech, einer Trennfuge und einer partiellen Trennmittelschicht in der Trennfuge zunächst an trenn­ mittelfreien Bereichen der Trennfuge diffusionsgeschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Diffusionsschweißen wie folgt durchgeführt wird:

• a) nach einem Trennmittelauftrag in partiellen Bereichen der Trennfuge zwischen Oberblech und Unterblech werden diese an ihren Außenrändern gasdicht zu einem Blechpaket verbunden und eine Gaszuführung zur Trennfuge wird zwischen den Blechen des Blechpakets beim Schweißen der Außenränder mit eingebunden,
• b) anschließend wird über diese Gaszuführung die Trennfuge eva­ kuiert, abgedichtet und in einer Heißwalzanlage das Blech­ paket bei Diffusionsschweißtemperatur der Bleche in den trenn­ mittelfreien Bereichen verschweißt,
• c) abschließend wird durch Beaufschlagung eines Gasdruckes zwischen Oberblech und Unterblech in einer geschlossenen, aufgeheizten Form das Blechpaket blasumgeformt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschweißung des Blechpakets durch einen Explosions­ verdichtungsvorgang erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Evakuieren und vor dem heißisostatischen Pressen das Blech­ paket zur Arbeitsraumnutzung aufgerollt und im aufgerollten Zustand diffusionsverschweißt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Negativform des Bauteils zum Blasumformen des Blechpakets als Ober- und Unterform in einer Kasten­ form ausgebildet und die Trennfläche zwischen Ober- und Unter­ form der Einformbasis des Bauteils angepaßt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kastenform durch Verschrauben, Verklammern oder Verschweißen von Ober- und Unterform beim Blasumformen zusammengehalten wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Negativformen und/oder das Blechpaket nach dem Einspannen in die Kastenform höchstens bis in den Bereich der Kriechtemperatur des Blechmaterials aufgeheizt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als partielle Trennschicht vor dem Randver­ binden der Bleche zu einem Blechpaket Oxidschichten, Keramik­ schichten oder anorganische Hochtemperaturlacke oberflächig aufgebracht werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 4 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein oder mehrere mit Trennmittel partiell beschichtete Zwischenbleche vor dem Verschweißen der Außen­ ränder von Ober- und Unterblech in die Trennfuge eingebracht werden, die nach dem heißisostatischen Pressen beim Blasum­ formen des Blechpakets vorzugsweise eine Stützstruktur zwischen Oberblech und Unterblech mit ihren nicht diffusions­ verschweißten Bereichen aufspannen.

10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Herstellung von großflächigen doppelwandigen vorzugs­ weise tragenden Bauteilen von Triebwerken, Flugzeugen oder Kraftfahrzeugen.