WO2010142279A1 - Verfahren zur herstellung von verbundkörpern unter anwendung einer diffusionsverbindung - Google Patents

Verfahren zur herstellung von verbundkörpern unter anwendung einer diffusionsverbindung Download PDF

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WO2010142279A1 PCT/DE2010/000654 DE2010000654W WO2010142279A1 WO 2010142279 A1 WO2010142279 A1 WO 2010142279A1 DE 2010000654 W DE2010000654 W DE 2010000654W WO 2010142279 A1 WO2010142279 A1 WO 2010142279A1
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diffusion
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Rolf-Joachim Schenke
Götz Sobisch
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/22—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded

Definitions

  • the invention is based on a method for producing composite bodies using a diffusion bond, which precedes a gas-tight joining of the part to be joined together under vacuum, for example by electron beam welding.
  • Diffusion welding is a decidedly advantageous joining method, in particular for parts and materials that can not or only very difficult to connect firmly and permanently with the material melting at the joint welding process or as a finished part have a very complicated, producible only from individual parts form and their Joining process by fusion welding is very complex because of the required Nahttiefe.
  • fusion welding process it is known that diffusion or diffusion through the molecular and / or atomic diffusion in the connection region produces one or more materials connecting parts equivalent connection structure, whereby the diffusion bonding attains its high strength.
  • diffusion bonding finds its application, in particular in the production of wear protective layers for highly stressed components, such as valves (DE 602 08 867 T2), spherical plain bearings (DE 20 2004 013 251 Ul), cylinder heads of reciprocating internal combustion engines but also in the production of solid or hollow composites, like
  • the sealing of the space between the parts to be joined further has the advantage that the composite body can then be removed from the vacuum chamber of the electron beam welding apparatus and subsequently processed freely and without any time limit.
  • the actual running under temperature and pressure Diffusion welding process no longer requires vacuum but can be carried out under atmospheric conditions.
  • the use of diffusion welding still requires, and in particular by the additional sealing under vacuum, z.
  • a relatively high energy consumption As in an electron beam welding device, a relatively high energy consumption.
  • the expenditure on equipment of the diffusion welding process itself and the space required for the devices for heat and pressure application are relatively high.
  • the method according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that it requires less energy compared to the conventional methods, since little or no additional forces are required to apply the pressure required for the diffusion welding contact pressure of the joining surfaces. This also reduces the expenditure on equipment of the diffusion welding process significantly. This is achieved by recovering the energy required to apply the contact forces required for diffusion bonding from the property changes associated with the heating of the composite in the material of the parts of the composite body.
  • means are provided on the composite body and measures are taken which are suitable for influencing the expansion behavior of the parts of the densely joined composite body as a result of its heating or for reacting that the joining surfaces of the individual parts are pressed against each other.
  • These means or measures can basically active or passive nature be. Active agents are to be understood here as meaning those agents which must be brought into operative connection in the form of additional devices with the densely bonded composite body. By passive means is meant here means that, although no additional devices, but measures on the parts that make up the composite require.
  • this printing device is used as an active means that counteracts the thermal expansion of the tightly joined parts, a printing device in which these parts are inserted before heating them.
  • this printing device consists of two plates whose distance is adjustable with screws.
  • the material of which this printing device is made must be smaller than that of the joined parts
  • Diffusion welding process a resistance opposite. Due to the fact that the material loses strength as a result of the heating, a pressure builds up on the joining surfaces between the tightly joined parts, which pressure is used as contact pressure for the diffusion welding process.
  • these printing devices are much smaller, easier to manufacture and thus more cost-effective. Due to their smaller size, they are easier to handle, require less space and can therefore also be used without problems, for example in electron beam welding chambers. Likewise, it is possible to use several composite bodies are separated only by a stable plate, to use in such a printing device.
  • parts of materials with a relative to the parts to be joined are significantly larger between the parts to be joined and the printing device
  • At least one cavity introduced at least one of the parts to be joined at least one cavity which is open to the joining surface as a passive measure to simultaneously effect a pressing against each other of the joining surfaces of the individual parts in the heating of the densely joined parts.
  • this or these cavities are evacuated and hermetically sealed during the joining of the parts.
  • Diffusion welding temperature heats, enters a destabilization of the strength of the material including the joint.
  • the vacuum in the cavity or cavities of the composite now comes into effect, by pulling the individual parts against each other, whereby the for the Diffusion welding required contact force is applied to the joining surfaces.
  • the cavity or cavities are introduced as a functional contour or functional cavity in at least one of the parts to be joined. Ie. Form, course and dimension of the cavities or are designed before the joining process according to his or her after completion of the composite body intended application or function. As an example, the use of such cavities as cooling channels, cable guides for media or as a constructive means for ensuring the static and / or dynamic strength of the composite body may be mentioned at this point.
  • the introduction of the cavity or cavities in at least one of the parts to be joined are not introduced exclusively for the purpose of forming a vacuum in the composite body, but in this way generally hollow composite bodies can be produced.
  • the densely bonded composite body prior to application of the heat required for diffusion bonding, is clamped in a pressure device and brought by this under a bias greater than that exerted by the vacuum enclosed in the composite tensile stress.
  • This is advantageous if the vacuum in the cavities should not be sufficient to apply the contact forces required for the diffusion welding. In that case, as with the previously described active measures, an additional contact force is obtained from the prevention of the thermal expansion of the parts of the composite body.
  • the densely joined composite body outside the electron beam device is heated to diffusion welding temperature.
  • the densely joined composite body as already described in the prior art advantageously without going through an external vacuum, the subsequent diffusion welding process, but now with the decisive advantage of the present invention, solely by applying a defined temperature in one defined time interval.
  • the pressure builds up with the mentioned means or measures, but usually without an external force application.
  • These means for the realization of the diffusion welding pressure so for example, the aforementioned printing device, are significantly smaller in construction than the presses previously used for this purpose, since they only absorb the composite body, so even have to apply pressure.
  • the devices that not only fix the parts of the composite, but also have to apply a bias to these parts for example In order to compensate for the shrinkage process associated with the electron beam welding, their structure is also no larger than the aforementioned devices and is very easy to handle.
  • the solid and gas-tight joining of the parts of the composite takes place by electron beam welding.
  • the vacuum is already present process-related for the electron beam.
  • an additional advantageous embodiment of the invention is to arrange an intermediate layer in the edge region between the parts to be joined together. This is necessary if these parts consist of a material or different materials that can not be easily connected by electron beam welding. This intermediate layer then consists of a material which allows a connection to the respective adjacent part by electron beam welding.
  • the composite body shown in FIGS. 1 and 2 consists of a base body 1 with a cooling channel 2 and a cover plate 3, which is to be connected to the base body 1 by diffusion bonding.
  • the cooling channel 2 is guided via openings 4 to the outside.
  • the mutually facing surfaces of the base body 1 and cover plate 3 are referred to as joining surfaces 5.
  • base body 1 and cover plate 2 are arranged between an upper pressure plate 6 and a lower pressure plate 7 of a printing device, each having four holes 8 aligned in the mounted state.
  • the diffusion welding process now follows, by exposing the hitherto only gas-tight composite body to the required temperature at which diffusion bonding of the joining surfaces 5 occurs.
  • This is possible in two ways. In composites with a sufficiently large evacuated interior, the tensile forces of the vacuum will be large enough to build up the contact pressure of the joining surfaces 5 required for diffusion bonding when the composite is heated. In this case, the printing device can be removed. If this is not guaranteed, the composite body must remain in the printing device. In this case, of course, the printing device must be made of a material having a lower thermal expansion than the material of the composite body. When heated up
  • Diffusion welding temperature it provides sufficient resistance to the increased expansion of the composite, so that builds on the joining surfaces 5 of the required contact pressure.
  • the same procedure is to be chosen when the composite body is not a hollow body, so from the outset no tensile forces to build up a contact pressure are present.
  • Fig. 2 shows a second variant of a printing apparatus for producing the same composite steel body in the event that composite body and printing device made of the same material or materials whose
  • additional pressure plates 10 are formed between the composite body and the upper and lower pressure plates 6, 7 arranged, which consist of a material with a relation to the composite body and the printing device greater expansion coefficient, in the present example made of aluminum. These expand when heated to diffusion welding temperature more than the pressure plates 6, 7 and as the composite body. As a result, the contact pressure of the joining surfaces 5 of the composite body increases to an extent that now all the requirements of
  • This variant of a printing device can generally always be selected when an increase in the contact pressure of the joining surfaces 5 is desired.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern unter Anwendung einer Diffusionsverbindung, der ein gasdichtes Fügen der miteinander zu verbindenden Teil unter Vakuum, beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißen, vorausgeht, so dass die Fügeflächen ebenfalls evakuiert sind. Erfindungsgemäß werden an den miteinander zu verbindenden Teilen (1, 3) vor dem Diffusionsschweißen Mittel vorgesehen, die beim Aufbringen der zum Diffusionsschweißen erforderlichen Wärme einer Wärmeausdehnung dieser Teile (1, 3) entgegenwirken, so dass sich bei Erwärmung der Teile (1, 3) deren Fügeflächen gegeneinander pressen und so gleichzeitig der zum Diffusionsschweißen erforderliche Druck aufgebracht wird, ohne hierzu eine zusätzliche äußere Kraft aufzubringen. Das hat den Vorteil, dass die Herstellung des Verbundkörpers gegenüber herkömmlichen Verfahren einen geringeren Energieaufwand erfordert, da keine oder kaum zusätzliche Kräfte zur Aufbringung des zum Diffusionsschweißen erforderlichen Anpressdruckes der Fügeflächen erforderlich sind. Damit reduziert sich auch der apparative Aufwand des Diffusionsschweißprozesses deutlich.

Description

Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern unter Anwendung einer Diffusionsverbindung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern unter Anwendung einer Diffusionsverbindung, der ein gasdichtes Fügen der miteinander zu verbindenden Teil unter Vakuum, beispielsweise durch Elektronen strahlschweißen, vorausgeht.
Des Diffusionsschweißens ist ein ausgesprochen vorteilhaftes Fügeverfahren insbesondere für Teile und Materialien, die sich nicht oder nur sehr schwer mit den Werkstoff an der Fügestelle aufschmelzenden Schweißverfahren ausreichend fest und dauerhaft verbinden lassen oder die als Fertigteil eine sehr komplizierte, nur aus Einzelteilen herstellbare Form aufweisen und deren Fügeprozess durch Schmelzschweißverfahren wegen der erforderlichen Nahttiefe sehr aufwändig ist. Im Unterschied zu den Schmelzschweißverfahren entsteht beim Diffusionsschweißen bekanntlich durch die molekulare und /oder atomare Diffusion im Verbindungsbereich eine dem bzw. den Werkstoffen der zu verbindenden Teile äquivalente Verbindungsstruktur, wodurch die Diffusionsverbindung ihre hohe Festigkeit erlangt. Daher findet das Diffusionsschweißen seine Anwendung insbesondere bei der Herstellung von Verschleiß Schutzschichten für hoch beanspruchte Bauteile, wie Ventile (DE 602 08 867 T2), Gelenklager (DE 20 2004 013 251 Ul), Zylinderköpfe von Kolben- Verbrennungsmaschinen aber auch bei der Herstellung von massiven oder hohlen Verbundkörpern, wie
Turbotriebwerks schaufeln, Turbinenschaufeln, Gebläse Scheiben für Gasturbinentriebwerke, u. ä.
Damit an den Fügeflächen tatsächlich auch die oben erwähnte molekulare und/oder atomare Diffusion stattfinden kann, müssen diese einen reinen Metall-Metall-Kontakt aufweisen, d. h. sie müssen frei von jeglichen Verunreinigungen und Oxiden sein. Nach der damit verbundenen aufwändigen Vorbereitung der Fügeflächen muss der Zutritt von Sauerstoff zu den Fügeflächen bis zum Abschluss des Diffusionsschweißvorganges verhindert werden. Hierzu ist es bereits bekannt, die Fügestelle unter Vakuum umlaufend abzudichten, beispielsweise dicht zu schweißen. Dabei wird der äußere Rand der Fügestelle, also der Bereich, der unmittelbar mit der Umgebungsluft Kontakt hat, durch Elektronenstrahl- oder Laserschweißen dicht verschweißt, so dass die Fügeflächen von der Außenatmosphäre abgeschirmt sind (DE 36 14 475 C2; EP 0 398 760 Bl).
Die Abdichtung des Raumes zwischen den zu verbindenden Teilen hat ferner den Vorteil, dass der Verbundkörper dann aus der Vakuumkammer der Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung entnommen und nachfolgend frei und ohne zeitliche Einschränkung weiterverarbeitet werden kann. Der eigentliche unter Temperatur und Druck ablaufende Diffusionsschweißvorgang erfordert kein Vakuum mehr sondern kann unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt werden. Trotz dieses inzwischen erreichten wesentlichen Vorteils erfordert die Anwendung des Diffusionsschweißens immer noch und insbesondere durch das zusätzliche Dichtfügen unter Vakuum, z. B. in einer Elektronenstrahl-Schweiß Vorrichtung, einen verhältnismäßig hohen Energieaufwand. Auch der apparative Aufwand des Diffusionsschweißprozesses selbst sowie der Platzbedarf für die Vorrichtungen zur Wärme- und Druckaufbringung sind verhältnismäßig hoch.
Die Erfindung und ihre Vorteile
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass es gegenüber den herkömmlichen Verfahren einen geringeren Energieaufwand erfordert, da keine oder kaum zusätzliche Kräfte zur Aufbringung des zum Diffusionsschweißen erforderlichen Anpressdruckes der Fügeflächen erforderlich sind. Damit reduziert sich auch der apparative Aufwand des Diffusionsschweißprozesses deutlich. Das wird dadurch erreicht, dass die Energie zur Aufbringung der zum Diffusionsschweißen erforderlichen Anpresskräfte aus den mit der Erwärmung des Verbundkörpers einhergehenden Eigenschaftsveränderungen im Material der Teile des Verbundkörpers gewonnen wird. Dazu werden an dem Verbundkörper Mittel vorgesehen bzw. Maßnahmen vorgenommen, die dazu geeignet sind, so auf das Ausdehnungsverhalten der Teile des dicht gefügten Verbundkörpers infolge seiner Erwärmung Einfluss zu nehmen bzw. zu reagieren, dass die Fügeflächen der einzelnen Teile gegeneinander gepresst werden. Diese Mittel bzw. Maßnahmen können grundsätzlich aktiver oder passiver Natur sein. Unter aktiven Mitteln sollen hier solche Mittel verstanden werden, die in Form zusätzlicher Vorrichtungen mit dem dichtgefügten Verbundkörper in Wirkverbindung gebracht werden müssen. Unter passiven Mitteln sollen hier solche Mittel verstanden werden, die zwar keine zusätzlichen Vorrichtungen, jedoch Maßnahmen an den Teilen, aus denen der Verbundkörper besteht, erfordern.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als aktives Mittel, das der Wärmeausdehnung der dicht gefügten Teile entgegenwirkt, eine Druckvorrichtung verwendet, in die diese Teile vor deren Erwärmung eingelegt werden. Im einfachsten Fall besteht diese Druckvorrichtung aus zwei Platten, deren Abstand mit Schrauben einstellbar ist. Das Material, aus dem diese Druckvorrichtung besteht, muss selbstverständlich einen gegenüber dem der gefügten Teile kleineren
Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Auf diese Weise wird quasi eine Wärmeausdehnung dieser Teile verhindert, also deren Ausdehnung infolge der Erwärmung beim
Diffusionsschweißprozess ein Widerstand entgegengesetzt. Aufgrund dessen, dass das Material infolge der Erwärmung an Festigkeit verliert, baut sich auch an den Fügeflächen zwischen den dicht gefügten Teilen ein Druck auf, der als Anpressdruck für den Diffusionsschweißprozess ausgenutzt wird.
Gegenüber herkömmlichen Einrichtungen zur Aufbringung des Diffusionsschweißdruckes sind diese Druckvorrichtungen deutlich kleiner, einfacher in der Herstellung und damit kostengünstiger. Aufgrund ihrer kleineren Baugröße sind sie leichter handhabbar, erfordern weniger Platz und können daher auch problemlos beispielsweise in Elektronenstrahlschweißkammern eingesetzt werden. Ebenso ist es möglich, mehrere Verbundkörper, die lediglich durch eine stabile Platte voneinander getrennt sind, in eine derartige Druckvorrichtung einzusetzen.
Nach einer diesbezüglich vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zwischen den zu fügenden Teilen und der Druckvorrichtung Teile aus Materialien mit einem sich gegenüber den zu fügenden Teilen deutlich größeren
Wärmausdehnungskoeffizienten ausgeordnet. Auf diese Weise wird der Druck auf die dicht geschweißten Teile noch erhöht. Außerdem kann dann die Vorrichtung selbst aus einem preisgünstigen Material, z. B. aus einem üblichen Baustahl, hergestellt werden.
Nach einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als passive Maßnahme, bei der Erwärmung der dicht gefügten Teile gleichzeitig ein Gegeneinanderpressen der Fügeflächen der einzelnen Teile zu bewirken, in mindestens eines der zu fügenden Teile mindestens ein Hohlraum eingebracht, der zur Fügefläche hin offen ist. In der Vakuumkammer werden dieser bzw. diese Hohlräume evakuiert und beim Fügen der Teile hermetisch verschlossen. Sollte sich ein Hohlraum also bis an den Rand eines der Teile erstrecken, muss dieser vollständig abgedichtet werden, so dass in dem Verbundkörper das in der Vakuumkammer anliegende Vakuum auch dann erhalten bleibt, wenn der Verbundkörper aus dieser herausgenommen wird.
Wird nun der gasdichte Verbundkörper auf
Diffusionsschweißtemperatur erwärmt, tritt eine Destabilisierung der Festigkeit des Materials einschließlich der Fügestelle ein. Dadurch kommt nunmehr das in dem bzw. den Hohlräumen des Verbundkörpers befindliche Vakuum zur Wirkung, indem es die einzelnen Teile gegeneinander zieht, wodurch die für das Diffusionsschweißen erforderliche Anpresskraft auf die Fügeflächen aufgebracht wird.
Nach einer diesbezüglich vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden der bzw. die Hohlräume als Funktionskontur oder Funktionshohlraum in mindestens eines der zu fügenden Teile eingebracht. D. h. Form, Verlauf und Abmessung des bzw. der Hohlräume werden bereits vor dem Fügevorgang entsprechend seiner bzw. ihrer nach Fertigstellung des Verbundkörpers vorgesehenen Anwendung bzw. Funktion gestaltet. Beispielhaft sei an dieser Stelle die Anwendung derartiger Hohlräume als Kühlkanäle, Leitungsführungen für Medien oder auch als konstruktives Mittel zur Gewährleistung der statischen und /oder dynamischen Festigkeit des Verbundkörpers genannt.
Damit soll klargestellt sein, dass die Einbringung des bzw. der Hohlräume in mindestens eines der zu fügenden Teile nicht ausschließlich zum Zweck der Ausbildung eines Vakuums in den Verbundkörper eingebracht werden, sondern auf diese Weise generell hohle Verbundkörper hergestellt werden können. Das Einbringen des bzw. der Hohlräume kann also bereits bei der Herstellung der einzelnen Komponenten des Hohlkörpers erfolgen, und zwar in Form, Verlauf und Abmessung entsprechend der funktionstechnisch vorgesehenen Eigenschaften bzw. Aufgabe des bzw. der Hohlräume. Sollten die funktionsbedingten Hohlräume in den einzelnen Teilen bis zu deren Rand verlaufen, müssen diese offenen Bereiche beim gasdichten Fügen mit verschlossen werden, um das Vakuum in den Hohlräumen aufrecht zu erhalten. Nach dem Diffusionsschweißen können diese Bereiche durch eine mechanische Bearbeitung wieder geöffnet werden. Nach einer diesbezüglich vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vor der Aufbringung der zum Diffusionsschweißen erforderlichen Wärme der dicht gefügte Verbundkörper in eine Druckvorrichtung eingespannt und mittels dieser unter eine Vorspannung gebracht, die größer ist als die durch das in den Verbundkörper eingeschlossene Vakuum ausgeübte Zugspannung. Das ist dann von Vorteil, wenn das in den Hohlräumen befindliche Vakuum zur Aufbringung der für das Diffusionsschweißen erforderlichen Anpresskräfte nicht ausreichend sein sollte. In dem Fall wird also wie bei den zuvor beschriebenen aktiven Maßnahmen eine zusätzliche Anpresskraft aus der Verhinderung der Wärmeausdehnung der Teile des Verbundkörpers gewonnen.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der dicht gefügte Verbundkörper außerhalb der Elektronenstrahl-Vorrichtung auf Diffusionsschweißtemperatur erwärmt. Auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der dicht gefügte Verbundkörper, wie bereits im Stand der Technik als vorteilhaft beschrieben, ohne ein äußeres Vakuum den sich anschließenden Diffusionsschweißprozess durchlaufen, nun allerdings mit dem entscheidenden Vorteil der vorliegenden Erfindung, allein durch Beaufschlagung mit einer definierten Temperatur in einem definierten Zeitintervall. Der Druckaufbau erfolgt mit den genannten Mitteln bzw. Maßnahmen, jedoch in der Regel ohne eine externe Kraftaufbringung. Diese Mittel zur Realisierung des Diffusionsschweißdrucks, also beispielsweise die zuvor genannte Druckvorrichtung, sind in ihrem Aufbau deutlich kleiner als die bisher für diesen Zweck verwendeten Pressen, da sie den Verbundkörper lediglich aufnehmen, selbst also keinen Druck aufbringen müssen. Die Vorrichtungen, die die Teile des Verbundkörpers nicht nur fixieren, sondern auch eine Vorspannung auf diese Teile aufbringen müssen, beispielsweise um den mit dem Elektronenstrahlschweißen einhergehenden Schrumpfungsprozess zu kompensieren, sind in ihrem Aufbau auch nicht größer als die zuvor genannten Vorrichtungen und in ihrer Handhabung sehr einfach.
Nach einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Temperatur eines Wärmbehandlungsprozesses des Verbundkörpers zur Aufbringung der Diffusionsschweißwärme ausgenutzt. In der Regel werden die Verbundkörper zur Wiederherstellung ihrer ursprünglichen Festigkeit nach dem Diffusionsschweißen einem Vergütungsprozess unterzogen. Dies musste bisher wegen der verhältnismäßig großen Vorrichtungen zur Aufbringung der Diffusionsschweißkräfte immer nach dem Diffusionsschweißen als eigenständiger Verfahrensschritt erfolgen. Da durch das erfindungsgemäße Verfahren nunmehr keine oder lediglich kleine Druckvorrichtungen erforderlich sind, kann der Diffusionsschweißprozess zeitlich gesehen auch Bestandteil des Wärmbehandlungsprozess sein bzw. zumindest zeitweise parallel ablaufen, wodurch die Verfahrensdauer zur Herstellung des Verbundkörpers insgesamt verkürzt wird.
Nach einer besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das feste und gasdichte Fügen der Teile des Verbundkörpers durch Elektronenstrahlschweißen. Bei diesem Fügeverfahren ist das Vakuum bereits prozessbedingt für den Elektronenstrahl vorhanden.
Nach einer diesbezüglich vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Diffusionsschweißwärme durch den Elektronenstrahl aufgebracht. Hierbei müssen die zu verbindenden Teile allerdings in einer Druckvorrichtung unter eine solche Vorspannung gebracht werden, die den Schrumpfungsprozess, der beim Elektronenstrahlschweißen der Teile auftritt, überwindet. Für die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Druckvorrichtung und zu verbindender Teile gilt das zuvor Gesagte: jener der Druckvorrichtung muss kleiner sein als jener der Teile. Durch diese Verfahrensweise kann der Verbundkörper bereits in der Elektronenstrahlkammer diffusionsgeschweißt und somit fertiggestellt werden.
Schließlich besteht eine zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin, im Randbereich zwischen den miteinander zu verbindenden Teilen eine Zwischenlage anzuordnen. Das ist dann notwendig, wenn diese Teile aus einem Werkstoff oder verschiedenen Werkstoffen bestehen, der bzw. die sich nicht ohne weiteres durch Elektronenstrahlschweißen miteinander verbinden lassen. Diese Zwischenlage besteht dann aus einem Werkstoff, der eine Verbindung mit dem jeweils angrenzenden Teil durch Elektronenstrahlschweißen ermöglicht.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Druckvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung eines Verbundkörpers aus Stahl in Sprengdarstellung und in räumlicher Darstellung und Fig. 2 eine zweite Variante einer Druckvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Verbundkörper besteht aus einem Grundkörper 1 mit einem Kühlkanal 2 und einer Deckplatte 3, die mit dem Grundkörper 1 durch Diffusionsschweißen verbunden werden soll. Der Kühlkanal 2 ist über Öffnungen 4 nach außen geführt. Die einander zugewandten Flächen von Grundkörper 1 und Deckplatte 3 werden als Fügeflächen 5 bezeichnet. Vor dem Einlegen in die Vakuumkammer einer Elektronenstrahlschweißvoπϊchtung werden die Fügeflächen 5 gründlich gereinigt, so dass sie fettfrei und metallisch blank sind. Danach werden Grundkörper 1 und Deckplatte 2 zwischen einer oberen Druckplatte 6 und einer unteren Druckplatte 7 einer Druckvorrichtung angeordnet, die jeweils vier im montierten Zustand fluchtende Bohrungen 8 aufweisen. Diese Bohrungen 8 nehmen hier lediglich durch Pfeile dargestellte Spannschrauben 9 auf, mit denen die beiden Druckplatten 6, 7 gegeneinander geschraubt werden können, um Grundkörper 1 und Deckplatte 2 im positionierten Zustand zueinander zu fixieren. Der Anpressdruck der beiden Druckplatten 6, 7 wird so gewählt, dass die durch den anschließenden Schweißprozess eintretende geringfügige Schrumpfung, also das Aufeinanderzugehen von Grundkörper 1 und Deckplatte 3 ausgeglichen wird, d. h. dass trotz des Nachgebens der beiden Druckplatten 6 und 7 in gleicher Richtung wie Grundkörper 1 und Deckplatte 3 eine ausreichende Druckspannung auf den Grundkörper 1 und die Deckplatte 3 und somit ihre Fixierung erhalten bleibt. In dieser fixierten Anordnung werden nun Grundkörper 1 und Deckplatte 3 mit der Druckvorrichtung in der Vakuumkammer der Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung angeordnet, in der nunmehr das zum Elektronenstrahlschweißen erforderlich Vakuum erzeugt wird. Dieses liegt über die Öffnungen 4 sofort auch im Innern des inzwischen durch die Deckplatte 3 verschlossenen Grundkörpers 1 an. Würden die Öffnungen 4 fehlen, müsste sich das Vakuum im Innern des Grundkörpers 1 über die metallisch blanken Fügeflächen 5 ausbilden, was durchaus eine bestimmte Zeit in Anspruch nehmen und dadurch den Dichtschweißprozess verlängern würde.
Mit Erreichen des erforderlichen Unterdrucks werden der Verbundkörper entlang des äußeren Randes der Fügefläche 5 gasdicht verschweißt und die beiden Öffnungen verschlossen. Danach kann der Verbundkörper der Vakuumkammer entnommen werden, da die einander zugewandten, durch Diffusionsschweißen zu verbindenden Fügeflächen 5 gegenüber der Umgebung hermetisch abgeschlossen sind.
Zur Herstellung einer ausreichend festen und dauerhaften Verbindung zwischen Grundkörper 1 und Deckplatte 3 schließt sich nun der Diffusionsschweißprozess an, indem der bisher lediglich gasdichte Verbundkörper der erforderlichen Temperatur, bei der es zu einer Diffusionsverbindung der Fügeflächen 5 kommt, ausgesetzt wird. Das ist auf zweierlei Verfahrensweisen möglich. Bei Verbundkörpern mit einem ausreichend großen evakuierten Innenraum werden die Zugkräfte des Vakuums groß genug sein, um bei Erwärmung des Verbundkörpers den zur Diffusionsverbindung erforderlichen Anpressdruck der Fügeflächen 5 aufzubauen. In diesem Fall kann die Druckvorrichtung entfernt werden. Ist das nicht gewährleistet, muss der Verbundkörper in der Druckvorrichtung verbleiben. In diesem Fall muss die Druckvorrichtung natürlich aus einem Werkstoff bestehen, der eine geringere Wärmeausdehnung als das Material des Verbundkörpers aufweist. Bei Erwärmung auf
Diffusionsschweißtemperatur bietet sie einen ausreichenden Widerstand gegen die stärkere Ausdehnung des Verbundkörpers, so dass sich an dessen Fügeflächen 5 der erforderliche Anpressdruck aufbaut. Die gleiche Verfahrensweise ist zu wählen, wenn der Verbundkörper kein Hohlkörper ist, also von vorn herein keine Zugkräfte zum Aufbau eines Anpressdrucks vorhanden sind.
Fig. 2 zeigt eine zweite Variante einer Druckvorrichtung zur Herstellung des gleichen Verbundkörpers aus Stahl für den Fall, dass Verbundkörper und Druckvorrichtung aus dem gleichen Werkstoff bestehen oder Werkstoffen, deren
Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht ausreichend unterschiedlich sind. Der Verbundkörper sowie gleiche Teile dieser Druckvorrichtung wurden mit den gleichen Bezugsziffern versehen wie in Fig. 1.
Um mit einer Druckvorrichtung, die ein ähnliches bis gleiches Wärmeausdehnungsverhalten wie der Verbundkörper selbst zeigt, ohne großen Aufwand trotzdem einen ausreichend großen Widerstand gegen die Ausdehnung des Verbundkörpers aufbringen zu können, werden zwischen dem Verbundkörper und der oberen und unteren Druckplatte 6, 7 zusätzliche Druckplatten 10 angeordnet, die aus einem Material mit einem gegenüber dem Verbundkörper und der Druckvorrichtung größeren Ausdehnungskoeffizienten, im vorliegenden Beispiel aus Aluminium bestehen. Diese dehnen sich bei Erwärmung auf Diffusionsschweiß temperatur mehr aus als die Druckplatten 6, 7 und als der Verbundkörper. Dadurch erhöht sich der Anpressdruck der Fügeflächen 5 des Verbundkörpers in einem Maße, dass nunmehr alle Erfordernisse des
Diffusionsschweißprozesses erfüllt sind. Diese Variante einer Druckvorrichtung kann generell immer dann gewählt werden, wenn eine Erhöhung des Anpressdrucks der Fügeflächen 5 gewünscht wird.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszahlenliste
1 Grundkörper
2 Kühlkanal
3 Deckplatte
4 Öffnungen
5 Pügefläche
6 Obere Druckplatte
7 Untere Druckplatte
8 Bohrung
9 Spannschrauben
10 Zusätzliche Druckplatte

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern aus mindestens zwei Teilen unter Anwendung einer Diffusionsverbindung dieser Teile, wobei die miteinander zu verbindenden Teile vor dem Aufbringen der zum Diffusionsschweißen erforderlichen Parameter Druck und Temperatur an den die Fügeflächen umgebenden äußeren Randbereichen unter Vakuum, beispielsweise in einer Elektronenstrahlschweißkammer, fest und gasdicht gefügt werden, so dass die Fügeflächen ebenfalls evakuiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den miteinander zu verbindenden Teilen (1, 3) vor dem Diffusionsschweißen Mittel vorgesehen werden, die beim Aufbringen der zum Diffusionsschweißen erforderlichen Wärme einer Wärmeausdehnung dieser Teile (1, 3) entgegenwirken, so dass sich bei Erwärmung der Teile (1, 3) deren Fügeflächen gegeneinander pressen und so gleichzeitig der zum Diffusionsschweißen erforderliche Druck aufgebracht wird, ohne hierzu eine zusätzliche äußere Kraft aufzubringen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dicht gefügten Teile (1, 3) in eine Druckvorrichtung (6, 7) eingespannt werden, deren Material einen kleineren Wärmausdehnungskoeffizienten aufweist als diese Teile (1, 3).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den dicht gefügten Teilen (1 , 3) und der Druckvorrichtung (6, 7) Teile (10) aus Materialien mit einem sich gegenüber den zu fügenden Teilen (1, 3) deutlich größeren Wärmausdehnungskoeffizienten ausgeordnet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens eines der zu fügenden Teile (1) mindestens ein Hohlraum (2) eingebracht wird, der zur Fügefläche hin offen ist und in der Vakuumkammer vor dem gasdichten Fügen evakuiert und beim Fügen der Teile (1, 3) hermetisch verschlossen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Hohlräume (2) als Funktionskontur oder Funktionshohlraum, d. h. in Form, Verlauf und Abmessung entsprechend seines bzw. ihrer im Verbundkörper vorgesehenen Funktion, in mindestens eines der zu fügenden Teile (1) eingebracht werden.
6. Verfahren nach Anspruch 2 und 4 oder 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Aufbringung der zum Diffusionsschweißen erforderlichen Wärme der gasdichte Verbundkörper in eine Druckvorrichtung eingespannt und mittels dieser unter eine Vorspannung gebracht wird, die größer ist als die durch das in den Verbundkörper eingeschlossene Vakuum ausgeübte Zugspannung.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdichte Verbundkörper außerhalb der Vakuumkammer erwärmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufbringung der Diffusionsschweißwärme die Temperatur eines Wärmbehandlungsprozesses des Verbundkörpers ausgenutzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das feste und gasdichte Fügen der Teile (1, 3) des Verbundkörpers durch Elektronenstrahlschweißen erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsschweißwärme durch den Elektronen strahl aufgebracht wird und die zu fügenden Teile (1, 3) des Verbundkörpers unter einer Vorspannung geschweißt werden, die die durch den Schweißvorgang bedingte Schrumpfung überwindet.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Werkstoffen für die miteinander zu verbindenden Teile (1, 3), für die nicht ohne Weiteres eine Elektronen strahlver seh weißung möglich ist, im Randbereich der Teile (1, 3) eine Zwischenlage aus einem solchen Material zwischen die Teile (1, 3) eingebracht wird, das eine Verbindung mit dem jeweils angrenzenden Teil durch Elektronenstrahlschweißen ermöglicht.
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