DE69005024T2

DE69005024T2 - Diffusionsschweissen von Aluminium und Aluminiumlegierungen.

Info

Publication number: DE69005024T2
Application number: DE90305444T
Authority: DE
Inventors: Ian Edward Bottomley; Graham Alan Cooper
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1989-05-19
Filing date: 1990-05-18
Publication date: 1994-04-21
Anticipated expiration: 2010-05-19
Also published as: EP0398760B1; GB8911599D0; EP0398760A1; DE69005024D1; US5224645A; ES2047262T3

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer Technik zum Diffusionsverschweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen, um einen Verbundaufbau herzustellen, der anschließend einer superplastischen Verformung unterworfen werden kann.

Stand der Technik

Das Diffusionsschweißen stellt eine extrem wertvolle Technik dar, um Bauteile, besonders solche der Flugzeugindustrie, miteinander zu verbinden, und diese Technik umfaßt das Zusammenpressen erhitzter Bauteile derart, daß die Atome in den Bauteilen ineinander diffundieren, um eine Metall-Metall-Verbindung herzustellen. Das Diffusionsverschweißen kann bei gewissen Metallen erfolgen, die eine spezielle gleichmäßige Kernstruktur aufweisen (beispielsweise Titan), und dieser Schweißvorgang kann mit einer superplastischen Formgebung verbunden werden, d. h. mit einer Technik, bei der ein metallischer Gegenstand gewöhnlich in Blechform erhitzt und einer langsamen Deformation unterworfen wird, während der das Metall gestreckt und in den deformierten Bereichen verdünnt wird, jedoch keine Bruchstellen bildet, und auf diese Weise kann der Metallgegenstand in eine gewünschte Form überführt werden.
Aluminium und zahlreiche Aluminiumlegierungen können superplastisch verformt werden, aber sie besitzen ein extrem hartes Oberflächenoxid, das eine Diffusionsverschweißung ausschließt; wegen der physikalischen Eigenschaften von Aluminium (geringe Dichte und hohe Festigkeit) ist es zur Benutzung in der Flugzeugindustrie ideal, aber da es nicht möglich ist, einen Verbundaufbau durch Diffusionsverschweißung herzustellen, ergeben sich hinsichtlich der Verwendung gewisse Beschränkungen. Der Ausdruck "Aluminium" soll in dieser Beschreibung sowohl Aluminium als auch Aluminiumlegierungen umfassen.
In unserer älteren britischen Patentanmeldung Nr. 8815663.3 (entsprechend EP-A-0350220, USSN 373492) haben wir ein Verfahren zur Diffusionsverschweißung einer aus Aluminium bestehenden Komponente mit einer weiteren Komponente beschrieben (die ebenfalls aus Aluminium bestehen kann), indem die Aluminiumkomponenten einer Sandstrahlung und einer chemischen Behandlung unterworfen werden, um die Oxidschicht zu entfernen, wobei danach die Komponenten zu einem Stapel (oder zu einem Pack) aufgeschichtet werden, wobei die Komponenten in jener Form angeordnet werden, die für den fertigen durch Diffusion verschweißten Gegenstand erforderlich ist, und wobei schließlich eine Diffusionsverschweißung stattfindet, um den zusammengestellten Stapel bei einer Temperatur zu verschweißen, die vorzugsweise bei 540 bis 580 ºC liegt, wobei der Schweißvorgang zwei bis fünf Stunden dauert. Der Diffusionsverschweißungs-Schritt erfolgt dadurch, daß die Komponenten, die verbunden werden sollen (dies sind im allgemeinen Bleche), in einem Hohlraum angeordnet werden, wobei eine superplastische Membran über den Hohlraum gefügt wird und die Ränder der Membran gegen die Wand des Hohlraums derart gedrückt werden, daß der Hohlraum abgedichtet wird, und wobei ein Gasdruck auf diejenige Seite der Membran ausgeübt wird, die von dem Hohlraum abgewandt ist, und wobei gleichzeitig der Hohlraum evakuiert wird, so daß der Differenzdruck über der Membran die Komponenten im Hohlraum zusammenpreßt. Die Komponenten werden auf 540 bis 580 ºC erhitzt, was zusammen mit dem auf die Komponenten infolge der Druckdifferenz über der Membran ausgeübten Druck die gewünschte Diffusionsverschweißung zwischen den Komponenten herbeiführt. Es ist erforderlich, den Hohlraum während der Diffusionsverschweißung zu evakuieren, beispielsweise auf einen Druck von 10&supmin;&sup6; mbar, um zu verhindern, daß sich auf den Aluminiumkomponenten wiederum eine Oxidschicht von einem solchen Ausmaß bildet, daß eine Diffusion der Metallatome und demgemäß eine Diffusionsverschweißung verhindert wird; die Ausbildung einer gewissen Oxidschicht ist unvermeidbar, aber wenn dies nur begrenzt ist, dann kann die resultierende Diffusionsverschweißung eine ausreichende Festigkeit aufweisen; wir haben gefunden, daß es notwendig ist, die Diffusionsverschweißung innerhalb von 20 Minuten nach der Sandstrahlbearbeitung und der chemischen Behandlung durchzuführen, um eine Verbindung ausreichender Festigkeit zu erhalten.

Die oben beschriebene Technik hat jedoch eine Reihe von Nachteilen:

(1) Es sind hohe Vakuumpegel für eine erfolgreiche Diffusionsverschweißung erforderlich, und dies bedeutet, daß die Membran eine ausgezeichnete Dichtung herstellen muß, und außerdem muß die Vakuumpumpeinrichtung qualitativ sehr hochwertig sein, um zu gewährleisten, daß ein ausreichendes Vakuum innerhalb des Hohlraums aufrechterhalten wird. Wenngleich dies in befriedigender Weise labormäßig erreicht werden kann, ist es extrem schwierig und kostspielig, dies in industriellem Maßstab durchzuführen.
(2) Da die gereinigten Oberflächen der Aluminiumkomponente der Luft nur maximal 20 Minuten lang ausgesetzt werden können, muß der Aufbau des Stapels und die Evakuierung des Hohlraums innerhalb dieser Zeitdauer ausgeführt werden. Es ist klar, daß dies sehr schwierig zu erreichen ist, insbesondere im industriellen Maßstab.
(3) Die Überwachung des Druckes innerhalb des Hohlraums ist extrem schwierig, und es ist möglich, daß sich Lufttaschen zwischen den Metallblechen, die miteinander verschweißt werden sollen, ergeben, wobei diese Lufttaschen die zu verschweißenden Oberflächen verunreinigen.
Wir haben nunmehr eine Technik erfunden, wodurch die obigen Nachteile vermieden oder wenigstens vermindert werden können.
Die EP-A-0022605 und die EP-A-0058569 beschreiben beide Verfahren zur gegenseitigen Verschweißung unterschiedlicher Metalle, indem diese einer extensiven Bearbeitung unterzogen werden, um einen Verbundkörper mit einer äußeren Schicht aus korrosionsfestem Material auf der Oberseite eines Basismaterials herzustellen, wodurch dem Körper die erforderliche Festigkeit und/oder ein unterschiedlicher Korrosionswiderstand verliehen wird. Beispiele, die in der EP-A- 002260 5 angegeben sind, befassen sich mit der Erzeugung von Rohren oder Blechen mit einer Basis aus gewöhnlichem Stahl und einer äußeren Überzugsschicht aus rostfreiem Stahl. Vor dem Bearbeitungsschritt werden die Schichten aus unterschiedlichen Metallen durch Elektronenstrahlverschweißung verschweißt, in erster Linie um zu verhindern, daß die Schichten während des Bearbeitungsschrittes wieder auseinanderfallen, und ebenso um zu vermeiden, daß Sauerstoff die Zwischenflächen zwischen den Schichten während der Heißbearbeitung berührt, was sonst eine Schweißverbindung zwischen den Schichten verhindern könnte.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Diffusionsverschweißung metallischer Komponenten gemäß Anspruch 1 vorgesehen, wobei sich weitere Schritte aus den Unteransprüchen ergeben.
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, daß der verschweißte Stapel von Komponenten durch Diffusionsverschweißung verbunden werden kann, ohne gleichzeitig ein Vakuum auf den Stapel auszuüben, und daß das Intervall zwischen der Reinigung der Aluminiumbestandteile zwecks Entfernung des Oberflächenoxids und der Diffusionsverschweißung sehr weit auf eine Zeitdauer in der Größenordnung von Stunden oder Tagen ausgedehnt werden kann, ohne die Verbindungsfestigkeit auf einen nicht annehmbaren Wert zu vermindern. Außerdem schafft die Erfindung eine bessere Reproduzierbarkeit des Verfahrens als das in der obigen britischen Patentanmeldung beschriebene Verfahren.
Die Evakuierung der Vakuumkammer einer Elektronenstrahl- Schweißvorrichtung ist relativ einfach und sehr viel einfacher als die Evakuierung des Hohlraums einer Diffusionsschweißvorrichtung gemäß der britischen Patentanmeldung 8815663.3, da die Dichtungen bei der letztgenannten Vorrichtung bei allen Temperaturen von Raumtemperatur bis 560 ºC gasdicht sein müssen und da die Abdichtung und die Evakuierung komplizierter sind als bei einer Elektronenstrahl-Schweißkammer, wo die Dichtungen über einen sehr viel kleineren Temperaturbereich gasdicht sein müssen. Außerdem ist die Evakuierungszeit der Elektronenstrahlkammer kürzer als bei dem Hohlraum der Diffusionsverschweißungsvorrichtung wegen der relativen Einfachheit der Elektronenstrahl Schweißkammer gegenüber der Diffusionsschweißvorrichtung und weil die Diffusionsschweißvorrichtung gewöhnlich mehrere Stapel von Komponenten enthält, die einer Diffusionsverschweißung unterworfen werden müssen, und deshalb eine längere Evakuierungszeit erforderlich ist, und dies führt zu einem weiteren Vorteil der vorliegenden Erfindung insofern, als es sehr viel einfacher ist, eine Elektronenstrahl-Verschweißung innerhalb etwa 20 Minuten nach der Entfernung des Oxids durchzuführen als eine Evakuierung der Kammer der Diffusionsschweißvorrichtung innerhalb dieser Zeit zu bewirken, weil sonst keine Diffusionsverschweißung zustande kommen könnte.
Es ist zweckmäßig, daß die Oxidschicht durch das Verfahren entfernt wird, welches in der britischen Patentanmeldung 8815663.3 beschrieben ist, d. h. daß man die Komponenten aus Aluminium (oder anderem oxidierbarem Metall) einer Säureätzung unterwirft oder mit einer Entoxidationslösung behandelt und dann einer Sandstrahlung unterwirft, worauf eine chemische Behandlung durchgeführt wird, um das restliche Oxid zu entfernen.
Die Diffusionsverschweißung kann gleichzeitig mit der Bearbeitung der Komponenten durchgeführt werden, jedoch vorzugsweise ohne diese Bearbeitung. Die Diffusionsverschweißung kann einfach in der Weise durchgeführt werden, wie dies in der britischen Patentanmeldung Nr. 8815663.3 beschrieben ist (mit der Ausnahme, daß es nicht mehr erforderlich ist, während der Diffusionsverschweißung ein Vakuum an die Komponenten anzulegen), d. h. die Komponenten in dem zusarnmengestellten und verschweißten Stapel werden bei einer Temperatur von 540 bis 580 ºC zwei bis fünf Stunden lang zusammengepreßt. Statt dessen kann der Diffusionsverschweißungs-Schritt in einer erhitzten Presse durchgeführt werden, d. h. in einer isostatischen Heiß presse. Das isostatische Heißpressen (H.I.P.) ist ein bekanntes Verfahren auf dem Gebiet der Pulvermetallurgie, und hierbei wird ein isostatischer Druck auf eine Komponente ausgeübt, während diese auf einer erforderlichen Temperatur gehalten wird. Bei Anwendung dieser Technik werden Drücke von mehreren Tausend Pfund pro Quadratzoll (mehrere Millionen Pascal) angewendet; außerdem sind isostatische Pressen groß, und es ist daher möglich, mehrere Stapel in einer H.I.P.-Kammer jeweils unterzubringen, so daß die einzelnen Stapel variabler Größe in einer einzigen Charge verschweißt werden können.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren in weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Grundrißansicht von zwei Blechen, die miteinander verschweißt sind, um einen Stapel zu bilden,
Fig. 2 in größerem Maßstab einen Schnitt nach der Linie A-A gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine Ansicht eines Blechstapels, der durch ein Verfahren verschweißt wurde, welches gegenüber dem bei Fig. 1 angewandten Verfahren abgewandelt wurde,
Fig. 4 in größerem Maßstab einen Schnitt nach der Linie A-A gemäß Fig. 3.

Bevorzugtes Verfahren zur Durchführung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zwei Bleche aus einer Aluminiumlegierung, die 2,5 % Titan enthält, einem Verfahrensschritt unterworfen, bei dem die Oberflächenschicht aus Aluminiumoxid entfernt wird; hierbei werden die Bleche vorzugsweise wenigstens in den zu verschweißenden Bereichen mit einer Säure oder einer Entoxidationslösung behandelt, und dann werden die Bleche einer Sandstrahlung unterworfen, und schließlich werden die sandgestrahlten Bereiche mit einer Desoxidationslösung bestrichen. Gewählte Bereiche der zwei Bleche 1 werden dann mit einem Trennmaterial behandelt, um in jenen Bereichen eine Diffusionsverschweißung zu verhindern. Dann wird ein Blech über dem anderen in eine Vakuumkammer einer Elektronenstrahl- Schweißvorrichtung hoher Leistung eingelegt, wobei das Trennmittel zwischen den beiden Blechen befindlich ist; dann wird der Druck innerhalb der Vakuumkammer auf etwa 10&supmin;&sup5; mbar (oder weniger) vermindert, und die Randbereiche der Bleche des Stapels werden durch Elektronenstrahl-Schweißen miteinander verschweißt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden zwei Schweißnähte 2 längs eines jeden Randes der Bleche erzeugt (Fig. 1 und 2), oder der Blechstapel kann durch Schweißnähte 2 erzeugt werden, wie dies in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Es ist klar, daß auch andere Schweißmuster benutzt werden können, wenn sie zu einer Abdichtung des Raumes zwischen den beiden Blechen führen. Nachdem die Bleche des Stapels verschweißt sind, kann dieser Stapel aus der Vakuumkammer entnommen und frei weiterverarbeitet werden, da keine Gefahr besteht, daß die gereinigten Aluminiumbleche in Berührung mit der Umgebungsatmosphäre gelangen, was eine Oberflächenverunreinigung zur Folge haben könnte. Die so hergestellten Stapel können dann ganz nach Belieben einer Diffusionsverschweißung unterzogen werden, beispielsweise unter Benutzung des Verfahrens, welches in der britischen Patentanmeldung Nr. 8815663.3 beschrieben ist (EP-A-0350220 und USSN 373492), aber es besteht nunmehr keine Notwendigkeit, den Hohlraum während der Verschweißung zu evakuieren. Der verschweißte Stapel kann statt dessen unter Benutzung eines isostatischen Heißpreßvorganges diffusionsverschweißt werden.
Es ist klar, daß mehr als zwei Bleche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einer Diffusionsverschweißung unterworfen werden können.
In Versuchen haben wir festgestellt, daß die Qualität der durch Heißpressen der verschweißten Stapel erzeugte Verbindung selbst nach mehreren Stunden zwischen Elektronenstrahl- Schweißen und Pressen gut war.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Höhe des Vakuums in der Schweißkammer genau eingestellt werden kann und keine Gefahr besteht, Luft zwischen den zu verbindenden Blechen einzuschließen. Diese Faktoren tragen dazu bei, eine dauerhafte Schweißqualität der verschweißten Bleche zu gewährleisten.

Claims

1. Verfahren zur Diffusionsverschweißung metallischer Werkstücke aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, die dazu neigen, einen oxidischen Oberflächenüberzug zu bilden, und zur anschließenden superplastischen Verformung der Werkstücke zwecks Herstellung eines Verbundgegenstandes, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: es wird der Oxidoberflächenüberzug von den Werkstücken wenigstens in den vorbestimmten zu verschweißenden Bereichen entfernt; es wird ein Trennmittel auf vorgewählten Bereichen der Werkstücke angebracht, um eine Diffusionsverschweißung in diesen gewählten Bereichen zu verhindern; es werden die Werkstücke zwecks Bildung eines Stapels zusammengefügt; es wird der Stapel einer Diffusionsverschweißung unterworfen, wobei die Werkstücke in jenen Bereichen miteinander verschweißt werden, und es wird eine superplastische Verformung der Werkstücke bewirkt, um einen Verbundgegenstand zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schritt der Diffusionsverschweißung der Stapel in die Kammer einer Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung eingebracht wird, daß diese Kammer evakuiert wird, daß die Randbereiche der Werkstücke des Stapels durch Elektronenstrahl-Verschweißung so verschweißt werden, daß der Raum zwischen den Werkstücken abgedichtet wird, und daß dann der so verschweißte Stapel aus der Kammer entnommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke in Blechform vorliegen.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Entfernung des Oxidoberflächenüberzugs in der Weise durchgeführt wird, daß das Werkstück einer Säureätzung oder einer Behandlung mit einer Entoxidationslösung und einem Sandstrahlen ausgesetzt und dann chemisch behandelt wird, um das restliche Oxid zu entfernen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusionsverschweißungs- Schritt in einer erhitzten Presse durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusionsverschweißungs- Schritt durch isostatisches Heißpressen durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß während der Diffusionsverschweißung der Stapel mittels einer Membran zusammengepreßt wird, über der ein Differenzdruck angelegt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsverschweißung durchgeführt wird, ohne gleichzeitig die Werkstücke zu bearbeiten.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsverschweißung dadurch bewirkt wird, daß die Werkstücke in dem zusammengestellten und verschweißten Stapel über zwei bis fünf Stunden einer Temperatur von 540 bis 580 ºC ausgesetzt werden.