EP3317039A1 - Verfahren zur herstellung von rohteilen mit innenliegenden kanälen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von rohteilen mit innenliegenden kanälen

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Publication number
EP3317039A1
EP3317039A1 EP16747734.8A EP16747734A EP3317039A1 EP 3317039 A1 EP3317039 A1 EP 3317039A1 EP 16747734 A EP16747734 A EP 16747734A EP 3317039 A1 EP3317039 A1 EP 3317039A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
channel
plates
production
components
channels
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16747734.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heiko Neuberger
Axel Von Der Weth
Christian ZEILE
Jörg REY
Francisco Hernandez
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut fuer Technologie KIT filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Publication of EP3317039A1 publication Critical patent/EP3317039A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H9/00—Machining specially adapted for treating particular metal objects or for obtaining special effects or results on metal objects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H7/00—Processes or apparatus applicable to both electrical discharge machining and electrochemical machining
    • B23H7/02—Wire-cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/26—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass heat exchangers or the like

Definitions

  • the present invention relates to a method for the manufacture of blanks with internal channels.
  • State of the art :
  • the penetrations of the component required for threading a cutting wire can be carried out using standard drilling, various deep-hole drilling methods (eg with or without tool rotation in opposition to the tool, as well as the option of fully automated methods with real-time recording of the bore including countermeasures). or Erodier Kunststoff (eroding or drilling) are produced.
  • Erodier Kunststoff eroding or drilling
  • these are bound to typical process limits (ratio between diameter and bore length, as well as the bore center profile as a function of the drilling depth).
  • the object of the present invention is to provide a new method that uses alternative techniques and is not limited by the process limitations of the prior art. Likewise, new components are to be obtained, which can not be produced with the previous method. Last but not least, uses or applications of the new process, the new components and the components produced using the new method should be found. Solution:
  • This object is achieved by a method for the production of blanks with internal channels, comprising introducing a surface channel structure into a plate pairing, joining the plates to form a closed channel structure, threading a cutting wire into the channel structure, further processing by means of wire EDM for the production of the final channel inner wall, respectively manufactured components and the corresponding uses.
  • HIP hot isostatic pressing
  • EB welding is understood to mean electron beam welding.
  • the present invention relates to a method for the production of blanks with the aim of producing thermally highly resilient or highly loaded components.
  • These blanks are flat plates with internal channels, which run in a plane.
  • the method according to the invention relates to the technology used for introducing the channels into the flat plates.
  • the present invention is therefore a process for the production of blanks with internal channels, which are used for further processing by means of wire EDM.
  • FIG. 1 An embodiment of the present invention is shown in FIG. 1
  • Step i) can be carried out such that the channel structure is incorporated only in one of the plates of the plate pair (variant ia-1), or in both plates (variant ia-2).
  • An introduction of channels in only one of the two plates (ia-1) can reduce the processing costs.
  • Variant ia-2) allows on the one hand to edit the two plate halves so that the channels exactly above the other, resulting in a double channel depth compared to the variant ia-1).
  • step i) can be carried out by any method suitable for working out channel structures from the plates. The method used is selected among others according to criteria of economy. In a variant of the present invention, the processing in step i) takes place by means of milling. Step i) may further comprise, as step ib), the cleaning of the contact surfaces, for example by chemical methods, in preparation for the joining process.
  • step ii positioning of the two half-plates in the desired position to each other is included.
  • the consideration of the component requirements / design as well as the parameters of the later used joining method are decisive with regard to the expected plastic deformation of the channels (see step ii).
  • the channels should be connected to one another via transverse channels, since this involves evacuating the internal cavity before joining the plate pairing via a central channel Vacuum connection allows.
  • bores for dowel pins for positioning are advantageously provided or incorporated. How such a plate pairing can look after the optional cleaning (ib) and the positioning (ic) is shown in FIG.
  • step ii) takes place in a variant of the present invention stepwise in two steps with two welding processes: First, in this variant, the edges are stapled in places, then the clamping device removed and finally the edges around along the parting plane of the two half-plates connected iia). Such an approach is illustrated in FIG.
  • the section A-A in FIG. 4 shows that the peripheral weld still does not produce a full connection, the inner region of the plate pairing has not yet been joined here.
  • an EB process is ideally used in this variant, since this is carried out in a vacuum chamber. Also, the heat input compared to other methods is low.
  • the effective depth of the circumferential weld is to be chosen as low as possible in a variant in order to keep the heat input into the component and thus the delay low. Nevertheless, the seam must simultaneously meet the requirement of vacuum tightness.
  • the vacuum connection within the EB chamber is closed with a stopper at the existing vacuum, which can be automatically positioned and welded using EB technology. This ensures that the vacuum in the inner channel structure is maintained.
  • a HIP method is used in a variant of the present invention, wherein a high isostatic pressure from the outside (therefore no distortion of the assembly to fear) at a high temperature causes diffusion processes in the contact surfaces of the components, resulting in a full connection.
  • the illustrative figure 5 again shows a section AA with an indication of the HIP atmosphere and the diffusion weld in the interior of such a component.
  • the processing step iii) the threading of a cutting wire in the channel structure.
  • the frontal areas of the component are separated, so that the ends of the channels are exposed for threading the cutting wire.
  • the component After threading of the cutting wire in the respective channel, the finishing of the channel inner wall by means of wire eroding, processing step iv).
  • the component must be aligned without contact in relation to the cutting wire, in order to exclude a short circuit during EDM machining.
  • the deformed areas of the blank can then be removed by appropriate execution of a wire EDM process, and
  • the result is a final component with in relation to the web width large channel cross-section.
  • Depth to Diameter Ratio The new combination of process steps enables the production of channels in a small cross-section compared to the linear expansion, similar to for example, deep hole drilling. It is with the inventive method the realization of depth to diameter ratios of 1000 and more conceivable that would be difficult to produce with other methods according to the prior art.
  • the potential possible with the present invention is represented in the figure by the field "HIP welding + wire erosion of zone C.”
  • the channels can be made by the wire erosion process with any geometry of cross-sectional area, thus, for example, the production of rectangular channels with a cross section of 2 mm x 2 mm in a length of 2000 mm is possible.
  • Lower tolerances of superficial Abtragsverrahren instead of bore center profile Another advantage is that the channel surface in the raw state from the outside (eg with a milling method) is introduced and thus no course of the ideal channel axis, as typical in drilling process occurs. As a result, the manufacturing tolerance of milled parts now occurs instead of the Bohrungsmittenverlaufes.
  • the precision in the production of milled parts is in the range of hundredths of a millimeter and is also not dependent on depth or location, in contrast to the previously considered bore course.
  • a channel of 2 mm depth and 2000 mm length can now be milled.
  • the position tolerance of the channel surface would move by the introduction by milling in the range of hundredths of a millimeter. According to the prior art, a higher deviation would be expected in a deep hole drilling even with opposite workpiece rotation.
  • a multitude of channels can be produced in one component for the final processing by means of wire EDM. Provided that a detailed process optimization is provided, the workload involved in wire erosion can be minimized through targeted preparation of the raw channels. In addition, by creating computer-supported milling profiles any number of the same components in series can be produced.
  • the ratio between the width and land width of the channels is no longer bound to fixed regularities (for example homogeneous pressure distribution during diffusion welding of the channels in the final geometry).
  • fixed regularities for example homogeneous pressure distribution during diffusion welding of the channels in the final geometry.
  • the channel height, cross-sectional area and web width can be flexibly varied within a component.
  • the realization of intersecting channels in one plane is possible.
  • Thermally highly stressed components for fusion reactors such as, for example, the first wall of Brut-Biankets or HCPB TBMs and internal components such as cooling plates (cf., for example, H. Neuberger, et al., KIT INDUCED ACTIVITIES TO SUPPORT
  • the technology of the present invention can be used for planar or curved radiation shields when high internal channel pressure is required for heat dissipation.
  • the formability of plates with internal channel structure has already been successfully demonstrated.
  • Cooling is required for very high thermal loads on combustion chamber walls.
  • the inventive method for the production of semi-finished products with internal high-pressure channels can be used.
  • a high precision with respect to the remaining wall thickness between the channel interior and the Inside the combustion chamber can be achieved.
  • the limited by the heat resistance of the surrounding chamber walls process temperature can be driven within the combustion chamber near the application limit of the material.
  • a thin wall thickness between combustion chamber and channel inner wall of approx. 1.5 mm (tolerance range approx. +/- 10%) can be realized, which leads to a very high heat dissipation capacity.
  • the flat semifinished products produced by the method combination HIP / EDM according to the invention offer great flexibility with regard to further processing options.
  • the initially flat semi-finished products which are produced using the HIP / erosion process combination can, for example, be further processed by forming processes (by means of a round bending machine, die-forming process) and by welding into tubes with internal channel structures for circulating cooling, as already mentioned. Further processing of a manufactured tube to optimize the geometry (eg required for the production of thermal turbomachines) by means of further forming technology (eg internal high pressure forming IHU) is possible. Corresponding forming and welding processes for the production and connection of plates with channels have already been carried out and successfully demonstrated.
  • FIG. Partial Case Cooling A scheme for the production of a workpiece (circulation cooling with aerodynamically optimized geometry) is shown in FIG. Partial Case Cooling:
  • the technology of the present invention may also be used to fabricate housing segments with active cooling.
  • Corresponding plates can be welded directly into a housing or a module with thermal load at the required location (see combustion chamber wall).
  • An inner lining of areas with increased thermal load with flat or curved plates is also possible
  • FIG. 1 Exemplary representations for this application are illustrated in FIG. 1
  • Tube with axial arrangement of the (cooling) channels can also be used to tubes in To produce segmental construction, which are provided with channels in the axial direction.
  • View 1 in Fig. 11 shows the arrangement of a plurality of starting holes for subsequent processing with wire EDM in a plane, they were prepared with the method steps i) and ii).
  • View 2 of Figure 11 illustrates the face of the component showing the location of the starting holes in relation to the channel surfaces to be made by wire eroding.
  • View 3 of Figure 11 demonstrates the blank with ready-cut channels, view 4 shows a finished segment after cutting out the outer contour.
  • the assembly of several segments into a complete tube by a suitable welding process is illustrated in view 5 of FIG.
  • a modification of this variant is based on the full connection of the contact surfaces within the individual segments in the channel levels as well as the simultaneous joining of all individual segments together in one operation with HIP technology. In this case, however, the use of an enveloping body is required in order to realize the introduction of force between the individual segments.
  • FIG. 12 a possible procedure is shown step by step. Depending on the detailed design of the
  • Positioning of the segments before the HIP process and the execution of the envelope is also a variant with open channel ends during the HIP process (without previous circumferential joining of the shells of each segment) possible.
  • the present invention also relates to the use of the method according to the invention for the production of components for fusion reactors, cold radiation shields, combustion chamber walls, thermal turbomachines, segments for the target of the European Spallation Source (ESS) and housing segments with active cooling.
  • ESS European Spallation Source
  • the present invention also relates to the use of the components produced by the process according to the invention for components for fusion reactors, components for cold radiation shields, components for the production of combustion chamber walls, components in thermal flow machines, components for the production of segments for the target of the ESS and components for Production of housing segments with active cooling.
  • the inventive method is essentially limited only by the size of the available HIP systems or the available wire EDM, for example, there are HIP systems on which you can weld at least components of about 3000 mm, as well as wire erosion, in which components are more similar Can process size, so that components of the invention with 3000 mm ILtule can be produced on such systems.
  • FIG. 1 shows a schematic drawing of the main process steps of the process according to the invention.
  • a plate pairing with a mirror-symmetrical channel structure is produced (left side) with subsequent positioning of the plate pairing with channel structure in the interior (right side).
  • Figure 2 shows a typical arrangement on a half-plate of surface milled channels with cross-connection / transverse channel (A), holes for
  • FIG. 3 is a diagrammatic representation of FIG. 3
  • FIG. 4 shows a plate pairing after cleaning and positioning, with clamping devices for positioning.
  • FIG. 4 illustrates the circumferential welding of the plate pairing and closure of the vacuum connection, the lower half representing the section A-A of the upper half of the figure, and S being the effective depth of the welding process.
  • FIG. 5 is a diagrammatic representation of FIG. 5
  • FIG. 5 shows the diffusion welding of the plate pairing for joining the inner contact region.
  • the element J encircled in the upper half of the figure is reproduced in detail in the lower half and shows the Full connection in the joining area.
  • FIG. 6 is a diagrammatic representation of FIG. 6
  • FIG. 6 in the upper half, the component is shown with the channel openings exposed after removal of the frontal areas and the insertion direction of the cutting wire for the subsequent wire erosion is illustrated in the lower half by means of the arrow.
  • FIG. 7 is a diagrammatic representation of FIG. 7
  • Figure 7 is a schematic representation of the prior art, wherein drilling depth over hole diameter, each in millimeters indicated, applied to various methods.
  • Zone A represents standard drilling techniques, Zone B deep hole drilling / EDM drilling and Zone C HIP welding + wire eroding.
  • FIG. 8 shows a cross section through the component during various stages of processing.
  • A shows the preparation of the half plates by milling.
  • B shows the positioning of the half-plates before joining.
  • C illustrates the joining, for example by means of diffusion welding (HIP), with a deformation of the outer contour of the blank, including the channels and channel webs occurs.
  • D illustrates that the deformed areas (hatched areas) of the component are then removed, and E shows a cross section of the final component with a large channel cross-section relative to the land width.
  • HIP diffusion welding
  • Figure 9 shows an example of the application of the present invention in combination with further joining and forming steps.
  • FIG. 10 shows two examples of housing with partial cooling, wherein the partially cooled housing areas are marked by the bar marks.
  • FIG. 11 illustrates a variant of the production of tubes with axially extending channels in the wall.
  • View 1 shows the arrangement of several starting holes for subsequent processing by means of wire EDM in one plane.
  • View 2 shows a plan view of the face of the component, the position of the starting holes being shown in relation to the channel surfaces to be produced by wire eroding.
  • View 3 demonstrates the blank with ready-cut channels, view 4 shows a finished segment after cutting out the outer contour.
  • View 5 is an enlarged detail view of area A from the finished tube shown in the lower part of FIG.
  • FIG. 12 shows the arrangement of several starting holes for subsequent processing by means of wire EDM in one plane.
  • View 2 shows a plan view of the face of the component, the position of the starting holes being shown in relation to the channel surfaces to be produced by wire eroding.
  • View 3 demonstrates the blank with ready-cut channels
  • view 4 shows a finished segment after cutting out the outer contour.
  • View 5 is an enlarged detail view of area A from the finished tube shown in
  • FIG. 1 illustrates another variant of the production of tubes with axially extending channels in the wall.
  • A the production of inner and outer individual segments is shown, wherein the dashed line in the assembled workpiece represents a circumferential EB seam.
  • B the positioning of the various individual segments is illustrated.
  • C illustrates wrapping in a wrapper for HIP welding.
  • D shows the semifinished product after HIP welding and
  • E illustrates the finish machining by means of wire erosion.
  • FIG. 13 :
  • FIG. 13 shows a workpiece with a combination of an axially traversed region "ax" (left part of the component) and an area with circulating throughflow "around” (right part of the component).
  • the method of the present invention was first performed on a test component having the full length of a HCPB TBM Cooling Plate and 30 start hole channels (full width of the component). By means of this test component it was shown that the core points of the invention function:
  • the channels do not collapse during the diffusion welding process.
  • a cutting wire can be threaded on an erosion machine.
  • a component which contains typical design features of a HCPB TBM Breeder Zone Cooling Plate.
  • the component had a channel length of about 850 mm, a total of 30 channels, arranged at regular intervals along the entire component width of about 200 mm.
  • the plate had channels along the length direction which were connected by transverse channels at the top and bottom. These transverse channels served to evacuate the channels during the joining of the plates in the electron beam welding chamber. The peripheral edge area of the plate was free of channels.
  • a chemical cleaning process was used to clean the contact surfaces to be joined. This procedure was selected for reasons of reproducibility and verifiability by means of EDX analysis (comparison of the surface before and after cleaning) and the cleaning processes already used, such as, for example, Plasma cleaning, cleaning by acetone or cleaning by dry ice preferred.
  • the plates were positioned over dowel pins and mounted with clamps to prevent re-contamination of the contact surfaces during shipping and storage prior to further processing. The stapling was released only after stitching the half plates in the EB welding chamber.
  • the plate pairing was delivered after cleaning for stapling and welding. After stapling, the stapling was removed and performed circumferentially around a weld with a penetration of about 8 mm. Thereafter, the assembly was left in the EB chamber and evacuated the now enclosed inner channels via a previously introduced vent hole for several hours. To support the evacuation process, the plate was superficially heated with the electron beam of the low power plant. Thereafter, the evacuation well was sealed with a stopper.
  • the HIP process was determined using parameters that correspond to previous experiments (eg, 1/8 and 1/4 of the total component size of the HCPB TBM First Wall) in terms of temperature history. However, the process pressure could be significantly increased and maintained for a longer time due to the significantly better ratio between channel and web width within the plate pairing. After the HIP process, another two-step heat treatment was performed (austenitizing and tempering the component).

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Rohteilen mit innenliegenden Kanälen, umfassend Einbringen einer oberflächigen Kanalstruktur in eine Plattenpaarung, Fügen der Platten zur Bildung einer geschlossenen Kanalstruktur, Einfädeln eines Schneiddrahtes in die Kanalstruktur, Weiterbearbeitung mittels Drahterodieren zur Herstellung der finalen Kanalinnenwand, mittels des Verfahrens hergestellte Bauteile sowie entsprechende Verwendungen,

Description

Verfahren zur Herstellung von Rohteilen mit innenliegenden Kanälen
Alle in der vorliegenden Anmeldung zitierten Dokumente sind durch Verweis vollumfänglich in die vorliegende Offenbarung einbezogen (= incorporated by reference in their entirety).
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung von Rohteilen mit innenliegenden Kanälen. Stand der Technik:
Zum Stand der Technik wird auf:
DE 10 2015 110 522.5; DE 10 2010 035 606 A1 ; DE 10 2011 005 830 A1 ; DE
102 49 724 B4; DE 103 58 201 A1 ; DE 196 23 148 C2, verwiesen.
Nach derzeitigem Stand der Technik können die zum Einfädeln eines Schneiddrahtes erforderlichen Durchdringungen des Bauteiles mit Standardbohr-, verschiedenen Tieflochbohrverfahren (z.B. mit oder ohne zum Werkzeug gegenläufiger Drehung des Werkstückes, sowie der Option voll automatisierter Verfahren mit Aufzeichnung des Bohrungsverlaufes in Echtzeit inklusive Maßnahmen zur Gegensteuerung) oder Erodierverfahren (Senk- erodieren oder Bohren) hergestellt werden. Diese sind jedoch an typische Verfahrensgrenzen (Verhältnis zwischen Durchmesser und Bohrungslänge, sowie der Bohrungsmittenverlauf in Abhängigkeit von der Bohrtiefe) gebunden. Der derzeitige Stand der Technik zur Herstellung von Durchdringungen mit im Verhältnis zur Bohrungslänge kleinen Durchmessern bei gleichzeitig hoher Anforderung an die Präzision bezüglich des Bohrungsmittenveriaufes (wie bei der Herstellung von Startlochkanälen welche mittels Drahterodieren weiterbearbeitet werden sollen meist der Fall) beruht hauptsächlich auf Erodierbohren und Tieflochbohren als Verfahren zur Einbringung von Startlochkanälen. Neuere Entwicklungen im Bereich des Drahterodierens haben zu einer Steigerung der Bearbeitungslänge auf mittlerweile 2500 mm geführt, so dass die derzeit verwendeten Verfahren zur Startlochherstellung gerade bei der Fertigung von Kanälen mit kleinen Querschnitten im Bereich von wenigen Millimetern an ihre Grenzen stoßen. Aufgabe:
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues Verfahren zur Verfügung zu stellen, dass alternative Techniken einsetzt und nicht durch die Verfahrensgrenzen des bisherigen Standes der Technik limitiert ist. Ebenso sollen neue Bauteile erhalten werden, die mit den bisherigen Verfahren nicht herstellbar sind. Nicht zuletzt sollten Verwendungen bzw. Anwendungen des neuen Verfahrens, der neuen Bauteile und der mit dem neuen Verfahren hergestellten Bauteile gefunden werden. Lösung:
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Rohteilen mit innenliegenden Kanälen, umfassend Einbringen einer oberflächigen Kanalstruktur in eine Plattenpaarung, Fügen der Platten zur Bildung einer geschlossenen Kanalstruktur, Einfädeln eines Schneiddrahtes in die Kanalstruktur, Weiterbearbeitung mittels Drahterodieren zur Herstellung der finalen Kanalinnenwand, entsprechend hergestellte Bauteile und die entsprechenden Verwendungen.
Beg riffsdefi nitionen :
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind alle Mengenangaben, sofern nicht anders angegeben, als Gewichtsangaben zu verstehen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung schließt die Formulierung„und/oder" sowohl jede beliebige als auch alle Kombinationen der in der jeweiligen Auflistung genannten Elemente ein.
HIP bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung „Heißisostatisches Pressen". Unter dem Terminus EB-Schweißen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung Elektronenstrahlschweißen verstanden.
„Elektronenstrahlschweißen" und„Diffusionsschweißen",„HIP/Heißisostatisches Pressen" sowie„Drahterodieren" sind fachübliche Verfahren und werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung in fachüblicher Weise angewendet.
Detaillierte Beschreibung:
In der folgenden Beschreibung und in den folgenden Zeichnungen sind gleiche Teile beziehungsweise Merkmale in Beschreibung und den Zeichnungen durch die gleichen Ziffern bezeichnet. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu. Aus Gründen der Klarheit und zur einfacheren Darstellung können einige Merkmale der Erfindung übertrieben groß oder in schematischer Form dargestellt sein, ebenso können demgemäß einige Details von konventionellen bzw. bekannten Elementen nicht dargestellt sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung von Rohteilen mit dem Ziel der Herstellung thermisch hochbelastbarer bzw. hoch belasteter Komponenten. Diese Rohteile sind ebene Platten mit innenliegenden Kanälen, welche in einer Ebene verlaufen. Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf die verwendete Technologie zur Einbringung der Kanäle in die ebenen Platten.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist mithin ein Verfahren zur Herstellung von Rohteilen mit innenliegenden Kanälen, welche für die Weiterverarbeitung mittels Drahterodieren dienen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist mithin ein Verfahren umfasend die folgenden Verfahrensschritte oder bestehend daraus:
i) Einbringen einer oberflächigen Kanalstruktur in eine Plattenpaarung, sowie Positionieren der Platten relativ zueinander,
ii) Fügen der Platten zur Bildung einer Kanalstruktur im Inneren des Bauteiles,
iii) Einfädeln eines Schneiddrahtes in die Kanalstruktur nach dem Freilegen der Kanalenden durch Abtrennen der stirnseitigen Bereiche und iv) Weiterbearbeitung mittels Drahterodieren zur Herstellung der finalen Kanalinnenwand.
Eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in in Figur 1 dargestellt.
Obwohl das Verfahren der vorliegenden Erfindung prinzipiell für alle Metalle geeignet ist, muss jedoch die Spanbarkeit zur Kanalherstellung (Schritt i), die Schweißbarkeit zum Fügen der Halbplatten (Schritt ii) sowie die Erodierbarkeit (Schritt iii und Schritt iv) des jeweiligen Materials gegeben sein. Schritt i) kann dabei derart erfolgen, dass die Kanalstruktur nur in eine der Platten des Plattenpaares eingearbeitet wird (Variante ia-1), oder aber in beide Platten (Variante ia-2). Eine Einbringung von Kanälen in nur eine der beiden Platten (ia-1) kann den Bearbeitungsaufwand reduzieren. Variante ia-2) ermöglicht einerseits, die beiden Plattenhälften so zu bearbeiten, dass die Kanäle exakt übereinander, woraus sich im Vergleich zur Variante ia-1) eine doppelte Kanaltiefe ergibt. Andererseits ermöglicht dies auch die beiden Plattenhälften so zu bearbeiten, dass die Kanäle nicht übereinander liegen, wodurch die doppelte Anzahl Kanäle resultiert. Ob Variante ia-1) oder ia-2) vorteilhaft ist, ergibt sich je nach Anwendungsfall abhängig von der gesamten Geometrie der Baugruppe und der die plastische Verformung bestimmenden HIP Parameter (Druck, Temperatur und Dauer). Die Bearbeitung der Halbplatten in Schritt i) kann mit beliebigen Verfahren erfolgen, die geeignet sind, Kanalstrukturen aus den Platten herauszuarbeiten. Das verwendete Verfahren wird unter anderem nach Kriterien der Wirtschaftlichkeit ausgewählt. In einer Variante der vorliegenden Erfindung erfolgt die Bearbeitung in Schritt i) mittels Fräsen. Schritt i) kann ferner als Schritt ib) die Reinigung der Kontaktoberflächen z.B. mit chemischem Verfahren als Vorbereitung für den Fügeprozess umfassen. Weiterhin wird ic) Positionierung der beiden Halbplatten in der gewünschten Position zueinander umfasst. Bei der für Schritt i) gewählten Art der Gestaltung der oberflächig liegenden Kanalstruktur sind die Berücksichtigung der Bauteilanforderungen/Design sowie die Parameter des später verwendeten Fügeverfahrens im Hinblick auf die zu erwartende plastische Deformation der Kanäle (siehe Schritt ii) maßgeblich.
In einer Variante ist es vorteilhaft, die Kanalstruktur jedoch nicht bis zu den umlaufenden stirnseitigen Plattenrändem auszuführen, da ein geschlossener Hohlraum zum Aufbringen des Gasdruckes auf die Kontaktfläche für den später zum Fügen verwendeten HIP Prozess vorteilhaft und in einigen Ausgestaltungen erforderlich ist. In einer Variante sollten die Kanäle miteinander über Querkanäle verbunden sein, da dies das Evakuieren des inneren Hohlraumes vor dem Fügen der Plattenpaarung über einen zentralen Vakuumanschluss ermöglicht. In eine solche Variante ist in Figur 2 dargestellt. Vorteilhafterweise werden in einigen Ausgestaltungen Bohrungen für Passstifte zur Positionierung vorgesehen bzw. eingearbeitet. Wie eine solche Plattenpaarung nach dem optionalen Reinigen (ib) und dem Positionieren (ic) aussehen kann, ist in Figur 3 dargestellt.
Das Zusammenfügen in Schritt ii) erfolgt in einer Variante der vorliegenden Erfindung stufenweise in zwei Schritten mit zwei Schweißverfahren: Zuerst werden bei dieser Variante die Ränder stellenweise geheftet, dann die Klemmvorrichtung entfernt und zuletzt die Ränder ringsum entlang der Trennebene der beiden Halbplatten verbunden iia). Eine solche Vorgehensweise ist in Figur 4 illustriert. Der Schnitt A-A in Figur 4 zeigt, dass die umlaufende Schweißnaht noch keine Vollanbindung herstellt, der innere Bereich der Plattenpaarung ist hier noch nicht gefügt. Zur Herstellung der umlaufenden Schweißung wird in dieser Variante idealer Weise ein EB Prozess angewendet, da dieser in einer Vakuumkammer durchgeführt wird. Auch ist der Wärmeeintrag verglichen mit anderen Verfahren gering. Die Wirktiefe der umlaufenden Schweißung ist in einer Variante möglichst gering zu wählen, um den Wärmeeintrag in das Bauteil und somit den Verzug gering zu halten. Dennoch muss die Naht gleichzeitig die Anforderung der Vakuum-Dichtigkeit erfüllen. Direkt im Anschluss an die umlaufende Schweißung wird bei bestehendem Vakuum innerhalb der EB Kammer der Vakuumanschluss mit einem Stopfen verschlossen, welcher automatisiert positioniert und mit EB Technologie verschweißt werden kann. Somit ist sichergestellt, dass das Vakuum in der innenligenden Kanalstruktur aufrecht erhalten bleibt.
Nun folgt der Fügeprozess der gesamten Kontaktfläche auch im Inneren des Bauteiles, Schritt üb). Hierfür wird in einer Variante der vorliegenden Erfindung ein HIP-Verfahren angewendet, wobei ein hoher isostatischer Druck von außen (daher kein Verzug der Baugruppe zu befürchten) bei einer hohen Temperatur Diffusionsvorgänge in den Kontaktflächen der Bauteile bewirkt, was zu einer Vollanbindung führt. Die illustrative Figur 5 zeigt erneut einen Schnitt A-A mit Andeutung der HIP-Atmosphäre und der Diffusionsschweißnaht im Inneren eines solchen Bauteils. Danach erfolgt der Bearbeitungschritt iii), das Einfädeln eines Schneiddrahtes in die Kanalstruktur. Dazu werden die stirnseitigen Bereiche des Bauteiles abgetrennt, damit die Enden der Kanäle zum Einfädeln des Schneiddrahtes freigelegt sind. Eine solche Vorgehensweise ist in Figur 6 dargestellt.
Nach dem Einfädeln des Schneiddrahtes in den jeweiligen Kanal erfolgt die Fertigbearbeitung der Kanalinnenwand mittels Drahterodieren, Bearbeitungsschritt iv). Hierzu muss das Bauteil im Verhältnis zum Schneiddraht kontaktfrei ausgerichtet werden, um einen Kurzschluss bei der Erodierbearbeitung auszuschließen.
In einer Variante der vorliegenden Erfindung werden
in Schritt i)
zunächst die Halbplatten durch Fräsen vorbereitet,
dann werden die Halbplatten vor dem Fügen entsprechenden zueinander positioniert,
in Schritt ii)
die Halbplatten mittels Diffusionsschweissen (HIP) gefügt, wobei je nach Ausführung eine Deformation der Außenkontur des Rohteils inklusive der Kanäle und Kanalstege erfolgen kann,
in Schritt iv)
die deformierten Bereiche des Rohteiles können dann durch entsprechende Ausführung eines Drahterodierprozesses entfernt werden, und
es resultiert ein finales Bauteil mit im Verhältnis zur Stegbreite großen Kanalquerschnitt.
Eine mögliche Vorgehensweise ist in Figur 8 illustriert.
Einige Vorteile der vorliegenden Erfindung sind:
Tiefen zu Durchmesserverhältnis: Die neue Kombination der Verfahrensschritte ermöglicht die Herstellung von Kanälen in einem im Vergleich zur Längenausdehnung kleinen Querschnitt, ähnlich wie beispielsweise Tieflochbohrverfahren. Es ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Realisierung von Tiefen- zu Durchmesserverhältnissen von 1000 und mehr vorstellbar, welche mit anderen Verfahren gemäß Stand der Technik kaum herstellbar wären.
In Figur 7 wird der Stand der Technik, sowie die vorliegenden Erfindung diesbezüglich dargestellt; es ist die realisierbare Bohrtiefe über dem Bohrungsdurchmesser aufgetragen. Die eingezeichneten Grenzen der einzelnen Verfahren sind hierbei fließend und als Näherungswerte anzusehen. Der Bereich der Standardbohrverfahren beschreibt Tiefen- zu Durchmesserverhältnisse, bei denen keine besonderen Maßnahmen erforderlich sind, um die entsprechende Bohrung zu realisieren. Anspruchsvollere Tiefen- zu Durchmesserverhältnisse erfordern Sonderverfahren wie Tiefloch- und Erodierbohren. Die in Figur 7 dargestellten Punkte (1), (2) und (3) entstammen verschiedenen Versuchsergebnissen zum Stand der Technik. Das mit der vorliegenden Erfindung mögliche Potential ist in der Figur durch das Feld „HIP Schweißen + Draht-Erodieren der Zone C repräsentiert. Die Punkte in der Figur repräsentieren dabei: (1) = 1600 mm Tiefe bei 10 mm Durchmesser, Tieflochbohren ohne Gegendrehung des Werkstückes; (2) = 850 mm Tiefe bei 1,6 mm Durchmesser, Erodier-Bohren; (3) =: 4000 mm Tiefe bei 10 mm Durchmesser, Vollautomatisch gesteuertes Tieflochbohren
Hohe Flexibilität bei der Querschnittsgeometrie der Kanäle: Die Kanäle können durch den Drahterodierprozess mit einer beliebigen Geometrie der Querschnittsfläche gefertigt werden, somit ist beispielsweise die Herstellung von rechteckigen Kanälen mit einem Querschnitt von 2 mm x 2 mm in einer Länge von 2000 mm möglich. Geringere Toleranzen von oberflächigen Abtragsverrahren anstatt Bohrungsmittenverlauf: Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Kanaloberfläche im Rohzustand von außen (z.B. mit einem Fräsverfahren) eingebracht wird und somit kein Verlauf von der idealen Kanalachse, wie bei Bohrverfahren typisch, auftritt. Dadurch tritt anstelle des Bohrungsmittenverlaufes nun die Herstelltoleranz von Frästeilen. Die Präzision bei der Herstellung von Frästeilen liegt im Bereich von hundertstel Millimetern und ist außerdem im Gegensatz zum bisherig betrachteten Bohrungsverlauf nicht tiefen- bzw. ortsabhängig. So kann nun beispielsweise ein Kanal von 2 mm Tiefe und 2000 mm Länge eingefräst werden. Hierbei würde sich die Lagetoleranz der Kanaloberfläche durch die Einbringung mittels Fräsen im Bereich von hundertstel Millimetern bewegen. Nach dem Stand der Technik wäre bei einem Tieflochbohren selbst mit gegenläufiger Werkstückdrehung eine höhere Abweichung zu erwarten.
Reduktion der Produktionskosten/Eignung für Serienfertigung: Die
Reduktion der Produktionskosten/Eignung für Serienfertigung in großer Stückzahl ist ein weiterer Vorteil der Technologie: Es können eine Vielzahl von Kanälen in einem Bauteil für die Endbearbeitung mittels Drahterodieren hergestellt werden. Eine detaillierte Prozessoptimierung vorausgesetzt, kann auch der Arbeitsaufwand beim Drahterodieren durch gezielte Vorbereitung der Rohkanäle minimiert werden. Zudem sind durch erstellen von Computer-gestützen Fräsprofilen beliebige viele gleiche Bauteile in Serie herstellbar.
Hohe Flexibilität bei der Gestaltung der Bauteile: Nach der erfolgten Diffusionsschweißung zur Herstellung der Rohkanäle ist das Verhältnis zwischen lichter Weite und Stegbreite der Kanäle nicht mehr an feste Gesetzmäßigkeiten (z.B. homogene Druckverteilung während Diffusionsschweißen der Kanäle in der finalen Geometrie) gebunden. Somit kann praktisch jedes beliebige Verhältnis zwischen Steg und Kanal durch das Drahterodieren hergestellt werden. Auch kann die Kanalhöhe, Querschnittsfläche und Stegbreite innerhalb einer Komponente flexibel variiert werden. Auch ist die Realisierung von sich überkreuzenden Kanälen in einer Ebene ist möglich.
Prozesssicherheit: Bedingt durch Eigenspannungen im Grundmaterial kann beim Startlochbohren mit größeren Eindringtiefen mit verhältnismäßig geringem Bohrdurchmesser (im Millimeterbereich bei mehreren hundert Millimetern Bohrtiefe) ein nicht gewollter Fehlverlauf der Bohrung entstehen, welcher lokal auftritt. Somit kann bei den herkömmlichen Verfahren in der geplanten Anwendung zur Fertigung von beispielsweise Cooling Plates bei einer Anzahl von 30 Kanälen (2 x 30 StarUöchern von zwei gegenüberliegenden Stirnseiten) der Fehlverlauf eines einzelnen Startlochkanales dazu führen, dass das komplette Rohbauteil nicht verwendet werden kann. Wird die Platte jedoch aus zwei Halbschalen gefügt, kann vor dem Fügen jede Kanalhälfte einzeln vermessen, und ggf. im Rahmen von Qualitätssicherungsmaßnahmen ausgesondert werden.
Hohe Präzision der Kanalgeometrie: Durch den HIP-Druck entstandene Deform ierungen der Kanäle können durch nachfolgendes Drahterodieren wieder entfernt bzw. ausgeglichen werden. Auch kann im Verhältnis zur Stegbreite ein großer Kanalquerschnitt gefertigt werden.
Eine illustrative Darstellung einer entsprechenden Variante ergibt sich aus Figur 8.
Einige, jedoch nicht alle möglichen Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden beschreiben:
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können thermisch hochbelastete Komponenten für Fusionsreaktoren, wie beispielsweise die First Wall von Brut-Biankets oder HCPB TBMs sowie interne Komponenten wie beispielsweise Cooling Plates (vgl. beispielsweise H. Neuberger, et al., KIT INDUCED ACTIVITIES TO SUPPORT
FABRICATION, ASSEMBLY AND QUALIFICATION OF TECHNOLOGY FOR THE HCPB-TBM, Fusion Engineering and Design, Volume 86, Issues 9-11 , October 2011 , Pages 2039-2042) hergestellt werden.
Kalter Strahlungsschild: Die Technologie der vorliegenden Erfindung kann für ebene oder gebogene Strahlungsschilde verwendet werden, wenn zur Wärmeabfuhr ein hoher Kanalinnendruck gefordert ist. Die Umformbarkeit von Platten mit innenliegender Kanalstruktur wurde bereits erfolgreich demonstriert.
Herstellung von Brennkammerwänden: Bei sehr hohen thermischen Belastungen von Brennkammerwänden ist eine Kühlung erforderlich. Hierfür kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen mit innenliegenden Hochdruckkanälen verwendet werden. Hierbei kann eine hohe Präzision bezüglich der verbleibenden Wandstärke zwischen dem Kanalinnenraum und dem Inneren der Brennkammer erreicht werden. Diese sorgt für eine homogene Temperaturverteilung. Somit kann die durch die Warmfestigkeit der umgebenden Kammerwände begrenzte Prozesstemperatur innerhalb des Brennraumes nahe der Einsatzgrenze des Werkstoffes gefahren werden. Eine dünne Wandstärke zwischen Brennraum und Kanalinnenwand von ca. 1 ,5 mm (Toleranzbereich ca. +/- 10%) kann realisiert werden, was zu einer sehr hohen Wärmeabfuhrkapazität führt. Auch bieten die mit der erfindungsgemäßen Verfahrenskombination HIP/Erodieren hergestellten ebenen Halbzeuge eine große Flexibilität bezüglich Weiterverarbeitungsmöglichkeiten. Die zunächst ebenen Halbzeuge die mit der HIP/Erodier- Verfahrenskombination hergestellt sind, können beispielsweise, wie bereits erwähnt, durch Umformprozesse (mittels Rundbiegemaschine, Gesenkumformverfahren) und Verschweißen zu Röhren mit innenliegenden Kanalstrukturen für eine Umlaufkühlung weiterverarbeitet werden. Auch eine Weiterverarbeitung einer gefertigten Röhre zur Optimierung der Geometrie (z.B. erforderlich für Herstellung thermischer Strömungsmaschinen) mittels weiterer Umformtechnik (z.B. Innen- Hochdruck-Umformung IHU) ist möglich. Entsprechende Umform- und Schweißverfahren zur Herstellung und Verbindung von Platten mit Kanälen wurden bereits durchgeführt und erfolgreich demonstriert.
Ein Schema zur Herstellung eines Werkstücks (Umlaufkühlung mit strömungstechnisch optimierter Geometrie) ist in Figur 9 wiedergegeben. Partielle Gehäusekühlung: Die Technologie der vorliegenden Erfindung kann auch zur Herstellung von Gehäusesegmenten mit aktiver Kühlung genutzt werden. Entsprechende Platten können in ein Gehäuse oder eine Baugruppe mit thermischer Belastung an erforderlicher Stelle (vgl. Brennkammerwand) direkt eingeschweißt werden. Auch eine Innenauskleidung von Bereichen mit erhöhter thermischer Last mit ebenen oder gebogenen Platten ist möglich
Beispielhafte Darstellungen für diese Anwendungsmöglichkeit sind in Figur 10 illustriert.
Rohr mit axialer Anordnung der (Kühl-)Kanäle: Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch dazu genutzt werden, Röhren in Segmentbauweise herzustellen, die mit Kanälen in axialer Richtung versehen sind.
Ansicht 1 in Figur 11 zeigt die Anordnung mehrerer Startlöcher für nachfolgende Bearbeitung mit Drahterodieren in einer Ebene, sie wurden mit den Verfahrensschritten i) und ii) hergestellt. Ansicht 2 von Figur 11 stellt die Stirnseite des Bauteiles dar, wobei die Lage der Startlöcher im Verhältnis zu den durch Drahterodieren herzustellenden Kanaloberflächen gezeigt ist. Ansicht 3 von Figur 11 demonstriert das Rohteil mit fertig geschnittenen Kanälen, Ansicht 4 lässt ein fertiggestelltes Segment nach dem Herausschneiden der Außenkontur erkennen. Das Zusammenfügen mehrerer Segmente zu einem kompletten Rohr mit einem geeigneten Schweißverfahren (z.B. EB) ist in Ansicht 5 von Figur 11 illustriert.
Eine Abwandlung dieser Variante basiert auf der Vollanbindung der Kontaktflächen innerhalb der Einzelsegmente in den Kanalebenen sowie dem gleichzeitigen Fügen aller Einzelsegmente miteinander in einem Arbeitsgang mit HIP Technologie. Hierbei ist jedoch die Verwendung eines Hüllkörpers erforderlich um die Krafteinleitung zwischen den Einzelsegmenten zu realisieren. In Figur 12 wird schrittweise ein mögliches Vorgehen dargestellt. Je nach detaillierter Gestaltung der
Positionierung der Segmente vor dem HIP Prozess sowie der Ausführung der Umhüllung ist auch eine Variante mit geöffneten Kanalenden während des HIP Prozesses (ohne vorheriges umlaufendes Fügen der Halbschalen jedes Segments) möglich.
Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich mehrere erfindungsgemäß hergestellte Bauteile miteinander zu verbinden, so dass die resultierenden Strukturen größer sind, als einzeln herstellbare Bauteile. Auf diese Art und Weise lassen sich beispielsweise auch über Steckverbindungen und gegebenenfalls anschließendes Abdichten durch Verschweissen o.ä. quasi beliebig lange Kanalstrukturen erhalten.
Auch ein Zusammenbau aus Komponenten mit axial und umlaufend durchströmten Wandungen mit geeigneter Fügetechnik ist möglich. Eine dieser Variante der vorliegenden Erfindung entsprechende Darstellung ergibt sich aus Figur 3.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Komponenten für Fusionsreaktoren, von kalten Strahlungsschilden, von Brennkammerwänden, von thermischen Strömungsmaschinen, von Segmenten für das Target der European Spallation Source (ESS) und von Gehäusesegmenten mit aktiver Kühlung.
Nicht zuletzt betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteile für Komponenten für Fusionsreaktoren, Bauteile für kalte Strahlungsschilde, Bauteile zur Herstellung von Brennkammerwänden, Bauteile in thermischen Stromungsmaschinen, Bauteile zur Herstellung von Segmenten für das Target der ESS und Bauteile zur Herstellung von Gehäusesegmenten mit aktiver Kühlung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei im wesentlichen nur von der Größe der verfügbaren HIP-Anlagen bzw. der verfügbaren Drahterodieranlagen begrenzt, beispielsweise existieren HIP-Anlagen, auf denen man zumindest Bauteile von ca. 3000 mm verschweißen kann, sowie Drahterodieranlagen, in denen man Bauteile ähnlicher Größe verarbeiten kann, so dass auf solchen Anlagen erfindungsgemäße Bauteile mit 3000 mm ILänge herstellbar sind.
Sofern größeren Anlagen verfügbar sind, ist es möglich größere erfindungsgemäß Bauteile herzustellen.
Die verschiedenen Ausgestaltungen und/oder Varianten der vorliegenden Erfindung, z.B., aber nicht ausschließlich, diejenigen der verschiedenen abhängigen Ansprüche oder der in der Beschreibung genannten Varianten, können dabei in beliebiger Art und Weise miteinander kombiniert werden.
Es folgt ein Beschreibung der Figuren:
Figur 1 : Figur 1 stellt eine Schemazeichnung der Hauptverfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
In A wird eine Plattenpaarung mit spiegelsymmetrischer Kanalstruktur hergestellt (linke Seite) mit nachfolgender Positionierung der Plattenpaarung mit Kanalstruktur im Inneren (rechte Seite).
In B wird das Fügen der Plattenpaarung zu einer soliden Komponente gezeigt. In C wird zunächst (linke Seite) das Entfernen der stirnseitigen Bereiche illustriert, wobei die gestrichelten Linien die Schnittebenen bedeuten. Auf der rechten Seite sind die Bauteile nach entfernen der stirnseitigen Bereiche gezeigt, wobei der Ausschnitt eine perspektivische Darstellung von drei Kanalöffnungen und der Pfeil die Einfädelrichtung für einen Schneiddraht zeigt . In D wird die Weiterbearbeitung zur Herstellung der finalen Kanalinnenwand illustriert, wobei der Ausschnitt einen eingefädelten Schneiddraht in einer Kanalöffnung für das Drahterodieren darstellt.
Figur 2;
Figur 2 zeigt eine typische Anordnung an einer Halbplatte von oberflächig eingefrästen Kanälen mit Querverbindung/Querkanal (A), Bohrungen für
Passstifte (B) und Entgasungsöffnung (C).
Figur 3:
Figur 3 zeigt eine Plattenpaarung nach dem Reinigen und Positionieren, mit Klemmvorrichtungen zum Positionieren. Figur 4:
In Figur 4 wird das ringsum umlaufende Verschweißen der Plattenpaarung und Verschließen des Vakuumanschlusses illustriert, wobei die untere Hälfte den Schnitt A-A der oberen Hälfte der Figur wiedergibt und wobei S die Wirktiefe des Schweißverfahrens bedeutet.
Figur 5:
In Figur 5 wird das Diffusionsschweißen der Plattenpaarung zum Fügen des inneren Kontaktbereiches gezeigt. Das in der oberen Hälfte der Figur umkreiste Element J wird in der unteren Hälfte als Detail wiedergegeben und zeigt die Vollanbindung in der Fügefläche.
Figur 6:
In Figur 6 wird in der oberen Hälfte das Bauteil mit nach Entfernen der stirnseitigen Bereiche freigelegten Kanalöffnugen gezeigt und in der unteren Hälfte mittels des Pfeils die Einführrichtung des Schneiddrahtes für das nachfolgende Drahterodieren illustriert.
Figur 7:
Figur 7 ist eine schematische Darstellung des Standes der Technik, wobei Bohrtiefe über Bohrungsdurchmesser, jeweils in Millimeter angegeben, verschiedener Verfahren aufgetragen sind.
Die Zahlen repräsentieren verschiedene gemessene Werte von Verfahren des Standes der Technik.
Zone A repräsentiert Standardbohrverfahren, Zone B Tieflochbohren/ Erodierbohren und Zone C HIP-Schweißen + Drahterodieren.
Fiaur 8:
In Figur 8 ist ein Querschnitt durch das Bauteil während verschiedener Stadien der Bearbeitung dargestellt. A zeigt die Vorbereitung der Halbplatten durch Fräsen. B zeigt das Positionieren der Halbplatten vor dem Fügen. C illustriert das Fügen, beispielsweise mittels Diffusionsschweißen (HIP), wobei eine Deformation der Außenkontur des Rohteiles inklusive der Kanäle und Kanalstege auftritt. D illustriert, dass die deformierten Bereiche (schraffierte Flächen) des Bauteils dann entfernt werden, und E zeigt einen Querschnitt des finalen Bauteils mit im Verhältnis zur Stegbreite großem Kanalquerschnitt.
Fiaur 9:
Figur 9 zeigt ein Beispiel für die Anwendung der vorliegenden Erfindung in Kombination mit weiteren Füge- und Umformschritten.
Im linken Teil der Figur wird dabei die Herstellung von Platten mit schräg (in einem Winkle alpha) verlaufenden Kanälen illustriert. In der Mitte der Figur wird das Positionieren und Fügen der Plattensegmente zu einem Rohr illustriert und indem rechten Teil der Figur wird das Umformen des in eine strömungstechnisch optimierten Komponente, beispielsweise mittels Innenhochdruckumformung, angedeutet.
Fiour 10:
Figur 10 zeigt zwei Beispiele für Gehäuse mit partieller Kühlung, wobei die partiell gekühlten Gehäusebereiche durch die Strichmarkierungen markiert sind.
Figur 11.
In Figur 11 wird eine Variante der Herstellung von Rohren mit axial verlaufenden Kanälen in der Wandung illustriert. Ansicht 1 zeigt die Anordnung mehrerer Startlöcher für die nachfolgende Bearbeitung mittels Drahterodieren in einer Ebene. Ansicht 2 stellt eine Aufsicht auf die Stirnseite des Bauteiles dar, wobei die Lage der Startlöcher im Verhältnis zu den durch Drahterodieren herzustellenden Kanaloberflächen gezeigt ist. Ansicht 3 demonstriert das Rohteil mit fertig geschnittenen Kanälen, Ansicht 4 lässt ein fertiggestelltes Segment nach dem Herausschneiden der Außenkontur erkennen. Ansicht 5 ist eine vergrößerte Detailansicht von Bereich A aus dem im unteren Teil von Figur 11 dargestellten fertigen Rohr. Figur 12:
In Figur wird eine weitere Variante der Herstellung von Rohren mit axial verlaufenden Kanälen in der Wandung illustriert. In A wird die Herstellung von inneren und äußeren Einzelsegmenten dargestellt, wobei die gestrichelte Linie in dem zusammengefügten Werkstück eine umlaufende EB-Naht darstellt. In B wird das Positionieren der verschiedenen Einzelsegmente illustriert. In C wird das Einpacken in eine Umhüllung für das HIP-Schweißen illustriert. D zeigt dann das Halbzeug nach der HIP-Sch weißung und E illustriert das Fertig bearbeiten mittels Drahterodieren. Figur 13:
Figur 13 zeigt ein Werkstück mit einer Kombination aus einem axial durchströmten Bereich „ax" (linker Teil des Bauteils) und einem Bereich mit umlaufender Durchströmung„um" (rechter Teil des Bauteils). Die Erfindung wird nun noch unter Bezugnahme auf die folgenden nicht- limitierenden Beispiele weiter erläutert.
Beispiele:
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wurde zunächst an einem Testbauteil, das die volle Länge einer HCPB TBM Cooling Plate und 30 Startlochkanäle (volle Breite der Komponente) besitzt, durchgeführt. Mittels dieses Testbauteils wurde gezeigt, dass die Kernpunkte der Erfindung funktionieren:
- Die Kanäle kollabieren nicht während dem Diffusionsschweißprozess.
Nach dem Verschweißen und Wiederöffnen der Stirnseiten kann ein Schneiddraht auf einer Erodiermaschine eingefädelt werden.
Um die komplette Prozesskette für die Verfahrenskombination aus HIP und Drahterodieren zu demonstrieren, wurde ein Bauteil hergestellt, welches typische Designmerkmale einer HCPB TBM Breeder Zone Cooling Plate beinhaltet. Das Bauteil besaß eine Kanallänge von ca. 850 mm, eine Gesamtzahl von 30 Kanälen, angeordnet in regelmäßigen Abständen entlang der gesamten Bauteilbreite von ca. 200 mm. Der gewählte Querschnitt der Startlöcher zur späteren Erodierbearbeitung war rechteckig mit 2 mm Kanalhöhe (1 mm Tiefe pro Halbplatte) und 1 mm Kanalbreite (Hydraulischer Durchmesser = 4 x A / U = 4 * 2 / 6 = 1 ,333 mm). Somit ergibt sich ein Verhältnis von L = 800 mm/dh = 1 ,333 mm = 600. Ein solches Verhältnis wäre mit herkömmlichen Standardverfahren nicht herstellbar, unter der Randbedingung, dass die Abweichung der idealen Achse der Bohrung nicht außerhalb der rechteckigen späteren Kanalkontur von 2,6 mm x 4,5 mm liegen darf. Die Platte besaß Kanäle entlang der Längenrichtung welche durch Querkanäle an der Ober- und Unterseite verbunden waren. Diese Querkanäle dienten der Evakuierung der Kanäle während dem Fügen der Platten in der Elektronenstrahlschweißkammer. Der umlaufende Randbereich der Platte war frei von Kanälen.
Es wurde wie folgt vorgegangen:
Einfräsen der Kanalstruktur/Oberflächenkonditionierung:
Zum Erreichen der Oberflächenspezifikationen wurden die entsprechenden Fräswerkzeuge und Anforderungen an die Rauheit der Kontaktoberflächen übernommen.
Reinigung der Kontaktoberflächen/Positionieren:
Zur Reinigung der zu fügenden Kontaktflächen wurde ein chemischer Reinigungsprozess angewendet. Dieses verfahren wurde aus Gründen der Reproduzierbarkeit sowie Überprüfbarkeit mittels EDX-Analyse (vergleich der Oberfläche vor und nach der Reinigung) ausgewählt und den bereits angewendeten Reinigungsprozessen wie z.B. Plasma- Reinigung, Reinigung mittels Aceton oder auch Reinigung mittels Trockeneis vorgezogen. Nach erfolgter Reinigung wurden die Platten über Passstifte positioniert und mit Klammern montiert, um eine erneute Verschmutzung der Kontaktflächen während Transport und Lagerung vor der Weiterbearbeitung zu verhindern. Die Klammerung wurde erst nach erfolgtem Heften der Halbplatten in der EB-Schweißkammer wieder gelöst.
Heften und Verschweißen der Plattenpaarung:
Die Plattenpaarung wurde nach erfolgter Reinigung zum Heften und Verschweißen angeliefert. Nach erfolgtem Heften wurde die Klammerung entfernt und umlaufend ringsum eine Schweißung mit einer Eindringtiefe von ca. 8 mm durchgeführt. Danach wurde die Baugruppe in der EB- Kammer belassen und die nun eingeschlossenen innenliegenden Kanäle über eine vorher eingebrachte Entlüftungsbohrung mehrere Stunden evakuiert. Zur Unterstützung des Evakuierungsvorganges wurde die Platte oberflächig mit dem Elektronenstrahl der Anlage mit geringer Leistung erwärmt. Danach wurde die Evakuierungsbohrung mit einem Stopfen verschlossen.
HIP Prozess mit anschließendem Anlassen:
Der HIP Prozess wurde mithilfe von Parametern festgelegt, die bezüglich des Temperaturverlaufes früheren Experimenten (z.B. 1/8 und 1/4 der gesamten Bauteilgröße der HCPB TBM First Wall) entsprechen. Jedoch konnte der Prozessdruck aufgrund des deutlich günstigeren Verhältnisses zwischen Kanal- und Stegbreite innerhalb der Plattenpaarung deutlich gesteigert und auch für eine längere Zeit aufrechterhalten werden. Nach dem HIP-Prozess wurde eine weitere zweistufige Wärmebehandlung durchgeführt (austenitisieren und Anlassen des Bauteiles).
Entfernen der stirnseitigen Bereiche:
Zur Weiterbearbeitung des Bauteiles mittels Drahterodieren, aber auch zur ersten vorläufigen Beurteilung des Fertigungsergebnisses war die Entfernung der stirnseitigen Bereiche erforderlich. Nach dem Abtrennen waren die Kanalenden offengelegt. Die Durchgängigkeit der derart hergestellten Kanäle wurden überprüft, indem ein dünner Draht (Durchmesser 0,3 mm) durch die Kanäle hindurchgefädelt wurde.
Die Überprüfung ergab, dass sich durch alle Kanäle Drähte hindurchschieben ließen. Somit war bewiesen, dass die Technologie der vorliegenden Erfindung zur Einbringung von Startlöchern für eine nachfolgende Erodierbearbeitung mittels Diffusionsschweißen funktioniert.

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Rohteilen mit innenliegenden Kanälen, umfassend die folgenden Verfall renssch ritte oder bestehend aus diesen Verfahrensschritten:
i) Einbringen einer oberflächigen Kanalstruktur in eine Plattenpaarung, sowie Positionieren der Platten zueinander, ii) Fügen der Platten zur Bildung einer Kanalstruktur im Inneren des Bauteiles,
iii) Einfädeln eines Schneiddrahtes in die Kanalstruktur nach dem
Freilegen der Kanalenden durch Abtrennen der Stimseitigen Bereiche, iv) Weiterbearbeitung mittels Drahterodieren zur Herstellung der finalen Kanalinnenwände.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt i) die Kanalstruktur in eine der Platten des Plattenpaares eingearbeitet wird, oder aber in beiden Platten
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung der Halbplatten in Schritt i) mittels Fräsen erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen in Schritt ii) zunächst durch EB-Schweißen ringsum entlang der Trennebene der beiden Halbplatten und anschließendes HIP erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt ii) die stirnseitigen Bereiche nach erfolgter Verschweißung mittels Fräsen, Drahterodieren oder Sägen mit nachfolgendem Überschleifen geöffnet werde
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die folgenden Verfahrensschritte oder bestehend aus diesen Verfahrensschritten:
i) Einbringen einer oberflächigen Kanalstruktur in eine Plattenpaarung, mittels Fräsen in eine oder beiden Halbplatten, ib) Reinigung der Kontaktoberflächen und Positionierung der beiden
Halbplatten in der gewünschten Position zueinander,
iia) Heften und ringsum Verschweißen der Plattenpaarung mittels EB-
Schweißen,
üb) HIP-Prozess mit anschließendem Anlassen,
iic) Entfernen der stirnseitigen Bereiche, des Rohteils und Freilegen der Kanalöffnungen,
iii) Einfädeln eines Schneiddrahtes oder mehrere Schneiddrähte in die Kanalstruktur bzw. in die Kanalöffnungen,
iv) Drahterodieren zur Herstellung der finalen Kanalinnenwände.
Bauteile, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
Bauteile mit innenliegenden Kanälen mit einem Verhältnis zwischen Kanallänge und Kanalhalbmesser von >1000 mm/1 mm.
Bauteile nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass es Komponenten für Fusionsreaktoren, für kalte Strahlungsschilde, von Brennkammerwänden, von thermischen Strömungsmaschinen, Segmente für das Target der ESS, von Gehäusesegmenten mit aktiver Kühlung sind.
Verwendung der mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellten Bauteile für Komponenten für Fusionsreaktoren, für kalte Strahlungsschilde, zur Herstellung von Brennkammerwänden, in thermischen Strömungsmaschinen, zur Herstellung von Segmenten für das Target der ESS und zur Herstellung von Gehäusesegmenten mit aktiver Kühlung.
Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Herstellung von Bauteilen für Fusionsreaktoren, von kalten Strahlungsschilde, von Brennkammerwänden, von thermischen Strömungsmaschinen, von Segmenten für das Target der ESS und von Gehäusesegmenten mit aktiver Kühlung.
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