WO2017211352A1 - Flanschbauteil zur gasdichten verbindung mit weiteren bauteilen für rohrleitungssysteme - Google Patents

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WO2017211352A1
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flange
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pipe
aluminum
titanium
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Bernhard Luckscheiter
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Allectra GmbH
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    • F16L13/00—Non-disconnectible pipe-joints, e.g. soldered, adhesive or caulked joints
    • F16L13/007—Non-disconnectible pipe-joints, e.g. soldered, adhesive or caulked joints specially adapted for joining pipes of dissimilar materials

Definitions

  • Flange component for gas-tight connection with other components for piping systems
  • the invention is directed to a direct gas-tight connection between a flange member consisting of titanium or a titanium alloy and a pipe member consisting of aluminum or an aluminum alloy for use in a vacuum system and a method for its production.
  • Releasable flange connections which are highly gas-tight, require metallic gaskets.
  • Aluminum does not have enough hardness and stability to be used directly with metallic gaskets.
  • a direct connection of stainless steel aluminum is not possible according to the current state of the art.
  • a titanium-aluminum compound is proposed here.
  • the joining partners are joined by means of explosive welding, in which the joining partners are pressed against each other at high speed using explosives.
  • a seal is used as a barrier that prevents the formation of intermetallic phases. This type of connection is associated with high costs and therefore expensive. A use in mass production is therefore not possible.
  • WO2010097221 A1 a cohesive connection between aluminum alloy and titanium alloy is described by Reibsch dip- method. This ensures that this hot forming process takes place below the melting temperature of the metallic materials or the alloys of metallic materials.
  • During welding there is an intensive, locally limited plastic deformation, which acts as a bond-forming compound, in contrast to fusion welding the connection of the two components to be joined at temperatures below the melting point of metal alloys, so that adverse microstructural changes (intermetallic phases) avoided during solidification of the melt can be.
  • this welded connection does not necessarily have to be gas-tight.
  • the object is achieved by the connecting element described in claim 1 and by the method described in claim 7 for its preparation.
  • a gas-tight connection (leakage rate ⁇ 10-9 mbar / l / s He) between a flange component made of titanium or a titanium alloy and a pipe part made of aluminum or an aluminum alloy for use in a vacuum system is produced by means of a welded connection.
  • the pipe component and the flange are connected according to the invention directly.
  • the direct connection of the pipe component and the flange means a connection in which no intermediate layer is used between the components to be joined or is produced during the production process.
  • Such flange components are particularly useful with metallic seals.
  • such flange components are temperature-stable in a temperature range from -200 ° C to +250 ° C.
  • the flange may also be used as a solid component, e.g. as a plate, be formed.
  • a pipe part in the context of this invention is a rotationally symmetrical component at the joining position with openings at the opposite ends.
  • An end can also be solid according to the invention. Previously used methods for their connection are either too expensive and therefore expensive or do not guarantee a gas-tight connection.
  • the pipe part can consist of an aluminum alloy with a stoichiometric aluminum content of more than 50%. Tubes made of this material can be produced easily and inexpensively. Aluminum alloys have a low specific gravity and are easy to handle. In addition, the outgassing rate under vacuum conditions is so low that the vacuum is little "contaminated.” Furthermore, the length of the piece of tubing produced in one piece is at least 60 mm, preferably 80 mm, particularly preferably 100 mm, which has the advantage that already during production of the flange member having a titanium flange and an aluminum piping member, a piping member having already the required length can be used leads to cheaper Herste II cost because it can be dispensed with additional work steps, such as the welding of pipe extensions and additional material for the weld.
  • the flange component can be fastened by means of a coupling ring to further elements of the ultra-high-vacuum system, which can then be screwed to the other elements.
  • the flange component consists of a titanium alloy with a stoichiometric titanium content of more than 50%. Titanium and titanium alloys have a high strength and reach tensile strengths of up to 1000 N / mm 2 and above at low density (modulus of elasticity of titanium 105 kN / mm 2 ). In addition, titanium forms in air an extremely resistant oxidic protective layer. It is therefore particularly suitable for applications in which it depends on high corrosion resistance, strength, practically non-existent Magentisieriana and low weight.
  • the titanium alloys used in a development of the invention have a tensile strength of> 500 N / mm 2 at room temperature, preferably> 650 N / mm 2 and more preferably> 800 N / mm 2 .
  • the leakage rates of the gas-tight welded joint are less than 10-7 mbar l / s, preferably less than 10-8 mbar l / s and particularly preferably less than 10-9 mbar l / s.
  • the welded connection is designed so that no intermetallic phases are formed at the interface. They have a different lattice structure than the constituent metals and generally have a higher strength and hardness, but are also more brittle.
  • connection flange component with the pipe part is inventively designed so that an end face of the pipe part is welded to the base of the flange component.
  • other geometries of the joining partners may be possible.
  • a joining partner In the friction welding process, a joining partner must be rotationally symmetrical at the joint. Other methods allow the joining of partners of any geometry.
  • the wall thicknesses of the pipe part should be as small as possible to reduce its weight and to achieve a large inside diameter.
  • the wall thickness is particularly preferably at most 2 mm.
  • Compounds, e.g. produced by explosive welding, have higher wall thicknesses.
  • the typical internal pipe dimensions of stainless steel components are thus also achieved with aluminum components.
  • Vacuum systems in particular ultra-high-vacuum systems, are baked for outgassing.
  • the interface of the connection between the flange component and the pipe part according to the invention is designed so that the compound remains stable and gas-tight up to a temperature of up to 250 ° C.
  • connection between the pipe part and flange according to the invention has such a high mechanical strength that the connection does not break under mechanical stress.
  • connection between flange and pipe component is formed cohesively. Bonded connections of aluminum and aluminum alloys with titanium and titanium alloys are known from the literature. However, these compounds are not necessarily gas-tight. According to the invention, a method is proposed which produces a gas-tight connection between a flange component and a pipe part for use in a vacuum piping system.
  • the pipe part consists of aluminum or an aluminum alloy with a stoichiometric aluminum content of at least 50%, the flange according to the invention of titanium or a titanium alloy with a stoichiometric titanium content of at least 50%.
  • the pipe part according to the invention may also have a solid end. Both components are connected in a gas-tight manner by means of a welding process.
  • the method according to the invention for producing a flange component comprises the steps of providing a pipe component of an aluminum alloy with an aluminum content of at least 50% by weight or of aluminum, wherein the pipe component has a length of at least 60 mm, preferably 80 mm and more preferably 100 mm, providing a titanium or titanium alloy flange having a titanium content of at least 50% by weight, wherein the material of the flange has a higher hardness than the material of the pipeline component, and establishing a gas-tight connection between Flange and pipe component, wherein the pipe member and the flange are directly connected.
  • the direct connection of the pipe component and the flange means a connection in which no intermediate layer is used between the elements to be connected or arises during the production process.
  • the manufacturing process of the gas-tight connection between the pipe part and the flange is designed according to the invention such that no intermetallic phases form at the interface pipe part flange during the process. These have in general a higher tensile strength than their constituent metals, but are so brittle that the risk of breakage is increased at the transition point, a vacuum-tight connection is prevented and when tearing the compound, the softer component (here the pipe part made of aluminum or a Aluminum alloy) can be destroyed.
  • the manufacturing process according to the invention is designed accordingly.
  • the processing temperature during the process for producing a gas-tight connection between a flange member and another component of a piping system remains below both the melting temperature of the material of the pipe part and below the melting temperature of the material of the flange.
  • the compound pipe flange can be made by means of friction welding, diffusion welding, ultrasonic welding or another pressure welding method.
  • the welding partners remain in the solid state and are only plastically deformed. With correctly set parameters (eg pressure, duration of the procedure) no intermetallic phases are created.
  • Reibsch dieclar one of the joining partners must have a rotationally symmetrical shape.
  • ultrasonic welding such a high-frequency oscillation becomes horizontal to the joining partners initiated that the joining partners interlock and hook.
  • diffusion welding also typically requires heating of the joining partners to just below the solidus temperature. With correspondingly good quality of the joining surfaces, this process is also possible below room temperature.
  • the laser welding method in the lap joint according to the invention is also suitable to achieve a gas-tight connection between titanium and aluminum alloys. Titanium is welded on aluminum alloys. The laser beam heats the titanium and melts the joining partner made of aluminum by thermal conduction. However, at the interface between titanium and aluminum alloys, a thin layer of intermetallic titanium-aluminum compounds is formed.
  • Fig. 1 is a cross-sectional view of a compound according to the invention of a flange with through-hole with an aluminum pipe socket
  • Fig. 2 is a cross-sectional view of a compound according to the invention a blind flange with an aluminum tube
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a connection according to the invention of a flange with through-hole with a solid aluminum part (on the right side)
  • Fig. 4 is a cross-sectional view of a compound according to the invention of a flange with fürgansbohrung in the embodiment as a rotatable flange with an aluminum tube
  • Figures 1-4 show each a longitudinal section through the joint tube (consisting of aluminum or an aluminum alloy) and flange (consisting of titanium or a titanium alloy).
  • FIG. 1 shows a typical pipe-flange connection 1 of a chamber for ultra-high-vacuum applications.
  • the flange 11 is typically made of grade 2 or grade 5 titanium (tensile strength up to 900 N / mm 2). Other titanium grades such as Grade 3, 4, 7, 1 1 can be used.
  • the flange has holes 61 for screwing the flange member 1 to another part of the ultra high vacuum system.
  • the tube 21 is made of an aluminum alloy.
  • All known weldable aluminum alloys may be used for use, typically Group 5000 and 6000 alloys alloyed with Mg and Mg and Si, respectively.
  • the tube 21 and the flange 1 1 are directly connected.
  • An intermediate layer between the flange 1 1 made of titanium and the tube 21 made of aluminum does not exist.
  • the tube 21 may advantageously have any length during the manufacturing process, the maximum length being limited only by the available space.
  • the length of the tube can therefore be chosen so that no further extension of the tube is necessary during further processing and thus additional welds and work can be avoided.
  • the tube length depends on the size of the flange and is between 50 and 300 mm. In this embodiment, the length is 60 mm.
  • the shape of the aluminum component is freely selectable, only in the region of the connection to the titanium component a rotationally symmetrical shape is required. Instead of a tube so advantageously a T-piece, cross piece or a bow can be welded.
  • the transition between the titanium component and the aluminum component is smooth and has no gap or in particular on the inside, but also on the outside Paragraph on. A use of this configuration is thus also possible in the food industry and in pharmacy.
  • FIG. 2 An alternative advantageous embodiment of the invention is shown in Figure 2.
  • the flange 12 (consisting of titanium or a titanium alloy) has no bore, but is designed as a closed blind flange and welded to the tube part 22 (consisting of aluminum or an aluminum alloy).
  • the tube part here has a length of 80 mm. This variant is typically used when a diaphragm or the like is inserted into the flange component. should be incorporated.
  • the flange 12 made of titanium and the tubular member 22 made of aluminum are connected to each other directly and without intermediate layer.
  • the flange component 1 (consisting of titanium or a titanium alloy) is instead of a tube with a solid body 2, e.g. a rod (consisting of aluminum or an aluminum alloy) welded.
  • the aluminum component has a rotationally symmetrical cross section only at the point of connection to the flange component and can be shaped as desired, e.g. as a square, hexagonal or asymmetric component.
  • the aluminum component is connected directly to the flange without an intermediate layer.
  • the aluminum component can therefore advantageously be easily adapted and connected to other asymmetrical parts, typically oval pipe profiles used in components of particle accelerators. Side outlets and contra-angles are also possible on the side.
  • the length of the aluminum component is 65 mm in this embodiment.
  • FIG 4 shows a particularly advantageous embodiment of the invention.
  • the welded to the 100 mm long aluminum component 2 titanium component 1 has no connection holes (as in Examples 1-3 exist).
  • the assembly takes place through the passage and / or threaded holes of a coupling ring 3, which additionally by a laterally mounted thread can be fixed.
  • the flange member is rotatable, the connection holes can be arbitrarily oriented.
  • less material is needed for the titanium component, the manufacturing cost is thus reduced.
  • the coupling ring can be made of any material because it has no direct contact with the vacuum or medium.
  • the coupling ring only has to have the necessary strength.
  • the production of non-magnetic material, typically of an aluminum alloy, is advantageous.
  • the rotation of the flange relative to the pipe part is formed by a separate outer ring (54) which is not materially connected to the parts 14 and 24.
  • the coupling ring can be divided and thus retrofitted or replaced. Also it may have a conical shape to allow the use of tensioning chains.

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Abstract

Vorliegende Erfindung betrifft eine Flansch-Bauteil zur Verwendung in einem Vakuumsystem, welches metallisch gedichtet werden kann, wobei das Flansch-Bauteil einen Rohrleitungsteil umfasst, wobei, das Rohrleitungsteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und wobei das Rohrleitungsteil eine Länge mindestens 60 mm aufweist, bevorzugt 80 mm besonders bevorzugt von 100 mm, wobei das Flansch-Bauteil einen Flansch umfasst, wobei der Flansch aus Titan oder einer Titan-Legierung besteht., wobei der Flansch mit dem Rohrleitungsteil verschweißt ist und wobei die Schweißverbindung zwischen Flansch und Rohrleitungsbauteil gasdicht ist.

Description

Flanschbauteil zur gasdichten Verbindung mit weiteren Bauteilen für Rohrleitungssysteme
Beschreibung:
Die Erfindung richtet sich auf eine direkte gasdichte Verbindung zwischen einem Flansch- Bauteil bestehend aus Titan oder einer Titan-Legierungen und einem Rohrleitungsteil bestehend aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierungen zur Verwendung in einem Vakuumsystem sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Lösbare Flanschverbindungen, welche im hohen Maße gasdicht sind, benötigen metallische Dichtungen. Aluminium hat keine genügend hohe Härte und Standfestigkeit, um direkt mit metallischen Dichtungen verwendet werden zu können. Eine direkte Verbindung Edelstahl-Aluminium ist nach derzeitigem Stand der Technik nicht möglich. Alternativ wird hier eine Verbindung Titan-Aluminium vorgeschlagen.
Stand der Technik:
Ein direktes Fügen von Titan mit anderen metallischen Werkstoffen bereitet große Schwierigkeiten. Schmelzschweißverfahren schmelzen die Grenzflächen der Fügepartner auf und bilden intermetallische Phasen, die zwar die Zugfestigkeit der Verbindung erhöhen, aber spröde sind, die Bruchgefahr an der Übergangsstelle erhöhen, eine Vakuum dichte Verbindung in aller Regel verhindern und beim Abreißen das weichere Material zerstören. Über geeignete Zwischenlagen ist zwar eine Verbindung möglich, dieses Verfahren ist allerdings aufwändig und teuer. So wird zur Verbindung Titan-Stahl Vanadium eingesetzt, zur Verbindung Titan-Aluminium Silber. Beim Laserschweißverfahren im Überlappstoß entstehen an der Grenzfläche Aluminium-Titan ebenfalls intermetallische Phasen. US5836623 beschreibt eine gasdichte Verbindung zwischen zwei unterschiedlichen metallischen Werkstoffen (auch Aluminium mit Titan) zur Verwendung in Ultra-Hoch- Vakuum-Systemen. Die Fügepartner werden mittels Sprengschweißverfahren gefügt, bei dem unter Einsatz von Sprengstoffen die Fügepartner mit Überschallgeschwindigkeit aufeinander gepresst werden. Außerdem wird noch eine Dichtung als Barriere eingesetzt, die die Bildung intermetallischer Phasen verhindert. Diese Art der Verbindung ist mit hohem Aufwand verbunden und dementsprechend teuer. Eine Verwendung in Massenproduktion ist daher nicht möglich.
In WO2010097221 A1 wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Aluminiumlegierung und Titanlegierung mittels Reibschweiß- Verfahren beschrieben. Dabei ist gewährleistet, dass dieser Warmumformprozess unterhalb der Schmelztemperatur der metallischen Werkstoffe bzw. der Legierungen metallischer Werkstoffe abläuft. Beim Schweißen erfolgt eine intensive, lokal begrenzte plastische Verformung, die verbindungsbildend wirkt, wobei im Gegensatz zu Schmelzschweißverfahren die Verbindung der beiden miteinander zu fügenden Bauteile bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes von Metalllegierungen erfolgt, so dass nachteilige Gefügeveränderungen (intermetallische Phasen) beim Erstarren der Schmelze vermieden werden können. Diese beschriebene Schweißverbindung muss allerdings nicht zwingend gasdicht sein.
Den aus dem Stand der Technik bekannten gasdichten Verbindungen und deren Herstellungsverfahren ist gemeinsam, dass sie energie- und zeitaufwändig, teuer und damit für die Serienproduktion nicht geeignet sind.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine direkte gasdichte Verbindung zwischen Titan und Aluminium zu ermöglichen, die einfacher, schneller und damit kostengünstiger herzustellen ist als bisher eingesetzte Verfahren. Die Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Verbindungselement und durch das in Anspruch 7 beschriebene Verfahren zu seiner Herstellung gelöst.
Erfindungsgemäß wird mittels einer Schweißverbindung eine gasdichte Verbindung (Leckraten < 10-9 mbar/l/s He) zwischen einem Flansch-Bauteil aus Titan oder einer Titan-Legierung und einem Rohrleitungsteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zur Verwendung in einem Vakuumsystem hergestellt. Das Rohrleitungsbauteil und der Flansch sind erfindungsgemäß direkt miteinander verbunden. Im Sinne der Erfindung wird unter dem direkten Verbinden von Rohrleitungsbauteil und Flansch eine Verbindung verstanden, bei der keine intermediäre Schicht zwischen den zu verbindenden Bauteilen zu Anwendung kommt oder während des Herstellungsprozesses entsteht. Solche Flansch-Bauteile sind insbesondere auch mit metallischen Dichtungen verwendbar. Weiterhin sind solche Flansch-Bauteile temperaturstabil in einem Temperaturbereich von -200 °C bis +250 °C. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann der Flansch auch als massives Bauteil, z.B. als Platte, ausgebildet sein. Ein Rohrleitungsteil ist im Rahmen dieser Erfindung ein an der Fügestellung rotationssymmetrisches Bauteil mit Öffnungen an den entgegengesetzten Enden. Ein Ende kann erfindungsgemäß auch massiv ausgebildet sein. Bisher eingesetzte Verfahren zu ihrer Verbindung sind entweder zu aufwändig und damit teuer oder gewährleisten keine gasdichte Verbindung.
Insbesondere kann erfindungsgemäß das Rohrleitungsteil aus einer Aluminium-Legierung mit einem stöchiometrischen Aluminium-Gehalt von mehr als 50 % bestehen. Rohre aus diesem Material lassen sich einfach und kostengünstig herstellen. Aluminium- Legierungen weisen ein geringes spezifisches Gewicht auf und lassen sich leicht handhaben. Die Ausgasungsrate unter Vakuum-Bedingungen ist außerdem so gering, dass das Vakuum wenig „verunreinigt" wird. Weiterhin ist die Länge des einstückig hergestellten Rohrleitungsteils mindestens 60 mm, bevorzugt 80 mm besonders bevorzugt 100 mm. Dies hat den Vorteil, dass bereits bei der Herstellung des Flanschbauteils mit einem Titan-Flansch und einem Aluminium-Rohrleitungsbauteil ein Rohleitungsbauteil verwendet werden kann, das bereits die nötige Länge aufweist. Dies führt zu günstigeren Herste II kosten, weil auf zusätzliche Arbeitsschritte, wie das Anschweißen von Rohrverlängerungen sowie auf zusätzliches Material für die Schweißnaht verzichtet werden kann. Dies ist insbesondere bei Aluminium oder Aluminium-Legierungen als Rohrmaterial der Fall, da das Verschweißen von Aluminium oder Aluminium-Legierungen aufwändiger als das Verschweißen von z. B. Stahl ist und mit herkömmlichen Verfahren nur mit Schweißzusätzen möglich ist, was zu Verengungen führen kann. Auch stellt jede Schweißnaht ein zusätzliches Risiko für die Leckbildung dar.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann das Flanschbauteil mithilfe eines Überwurfrings an weiteren Elementen des Ultra-Hoch-Vakuum-Systems befestigt werden, der dann mit den weiteren Elementen verschraubbar ist.
Erfindungsgemäß besteht das Flansch-Bauteil aus einer Titan-Legierung mit einem stöchiometrischen Titan-Gehalt von mehr als 50 %. Titan und Titan-Legierungen besitzen eine hohe Festigkeit und erreichen bei geringer Dichte Zugfestigkeiten von bis zu 1000N/mm2 und darüber (Elastizitäts-Modul Titan 105 kN/mm2). Außerdem bildet Titan an Luft eine äußerst beständige oxidische Schutzschicht aus. Es ist daher besonders für Anwendungen geeignet, bei denen es auf hohe Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, praktisch nicht vorhandener Magentisierbarkeit und geringes Gewicht ankommt. Die in einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der Erfindung verwendeten Titan-Legierungen haben einen Zugfestigkeit von von >500N/mm2 bei Raumtemperatur, bevorzugt >650 N/mm2 und besonders bevorzugt >800 N/mm2.
Die Leckraten der gasdichten Schweißverbindung sind erfindungsgemäß kleiner 10- 7 mbar l/s, bevorzugt kleiner als 10-8 mbar l/s und besonders bevorzugt kleiner als 10- 9 mbar l/s. Die Schweißverbindung ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass an der Grenzfläche keine intermetallischen Phasen entstehen. Sie besitzen eine andere Gitterstruktur als die konstituierenden Metalle und weisen im Allgemeinen eine höhere Festigkeit und Härte auf, sind aber auch spröder.
Die Verbindung Flansch-Bauteil mit dem Rohrleitungsteil ist erfindungsgemäß so ausgeführt, dass eine Stirnfläche des Rohrleitungsteils mit der Grundfläche des Flansch- Bauteils verschweißt ist. Je nach dem verwendeten Schweißverfahren können auch andere Geometrien der Fügepartner möglich sein. Beim Reibschweißverfahren muss ein Fügepartner an der Fügestelle rotationssymmetrisch sein. Andere Verfahren ermöglichen das Fügen von Partnern beliebiger Geometrie.
Die Wandstärken des Rohrleitungsteils sollten zu dessen Gewichtsreduzierung und zur Erzielung eines großen Innendurchmessers möglichst gering sein. Erfindungsgemäß beträgt die Wandstärke besonders bevorzugt maximal 2 mm. Verbindungen, die z.B. mittels Sprengschweißverfahren hergestellt werden, weisen höhere Wandstärken auf. Die typischen Rohrinnenmaße von Edelstahlkomponenten werden damit auch bei Aluminiumkomponenten erreicht.
Vakuum-Systeme, insbesondere Ultra-Hoch-Vakuum-Systeme, werden zur Ausgasung ausgeheizt. Die Grenzfläche der Verbindung zwischen Flansch-Bauteil und Rohrleitungsteil ist erfindungsgemäß so ausgeführt, dass die Verbindung bis zu einer Temperatur von bis zu 250 °C stabil und gasdicht bleibt.
Die Grenzfläche zwischen Rohrleitungsteil und Flansch weist erfindungsgemäß eine so hohe mechanische Festigkeit auf, dass die Verbindung auch unter mechanischer Belastung nicht bricht. In einer optionalen Ausführungsform der Erfindung ist die Verbindung zwischen Flansch und Rohrleitungsbauteil stoffschlüssig ausgebildet. Stoffschlüssige Verbindungen von Aluminium und Aluminium-Legierungen mit Titan und Titan-Legierungen sind aus der Literatur bekannt. Diese Verbindungen sind allerdings nicht zwingend gasdicht. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen, das eine gasdichte Verbindung zwischen einem Flansch-Bauteil und einem Rohrleitungsteil zur Verwendung in einem Vakuum-Rohrleitungssystem herstellt. Das Rohrleitungsteil besteht erfindungsgemäß aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung mit einem stöchiometrischen Aluminium- Gehalt von mindestens 50 %, der Flansch erfindungsgemäß aus Titan oder einer Titan- Legierung mit einem stöchiometrischen Titan-Gehalt von ebenfalls mindestens 50 %. Das Rohrleitungsteil kann erfindungsgemäß auch ein massives Ende aufweisen. Beide Bauteile werden mittels eines Schweißverfahrens gasdicht miteinander verbunden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Flanschbauteils um fasst die Schritte des Bereitstellens eines Rohrleitungsbauteils aus einer Aluminium-Legierung mit einem Aluminium-Gehalt von mindestens 50 % Gew.% oder aus Aluminium, wobei das Rohrleitungsbauteil eine Länge von Mindestens 60 mm, bevorzugt 80 mm und besonders bevorzugt 100 mm aufweist, des Bereitstellens eines Flansches aus Titan oder Titan- Legierung mit einem Titan-Gehalt von mindestens 50 Gew.%, wobei das Material des Flansches eine höhere Härte aufweist als das Material des Rohrleitungsbauteils, und des Herstellens einer gasdichten Verbindung zwischen Flansch und Rohrleitungsbauteil, wobei das Rohrleitungsbauteil und der Flansch direkt miteinander verbunden werden. Im Sinne der Erfindung wird unter dem direkten Verbinden von Rohrleitungsbauteil und Flansch eine Verbindung verstanden, bei der keine Zwischenschicht zwischen den zu verbindenden Elementen verwendet wird oder während des Herstellungsprozesses entsteht. Nach dem bisherigen Stand der Technik der bekannten Herstellungsverfahren sind die Abmessungen für Bauteile der genannten Art sehr limitiert. Dies führt dazu, dass im Nachgang zur Herstellung der Verdingung zwischen Flansch und Rohrleitungsbauteil an das Rohrleitungsbauteil Verlängerungen angeschweißt werden müssen. Das erhöht die Kosten und den Materialaufwand. Weiterhin stellt jede zusätzliche Schweißnaht auch ein zusätzliches Risiko für die Leckbildung dar und verengt zudem den Innendurchmesser des Rohres, da mit einen Schweißzusatz gearbeitet werden muss. Zur Herstellung einer gasdichten Verbindung wird in einer Weiterbildung der Erfindung eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt.
Der Herstellungsprozess der gasdichten Verbindung zwischen Rohrleitungsteil und Flansch ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass sich während des Prozesses keine intermetallischen Phasen an der Grenzfläche Rohrleitungsteil-Flansch bilden. Diese weisen im Allgemeinen eine höhere Zugfestigkeit auf als die sie konstituierenden Metalle, sind aber auch so spröde, dass die Bruchgefahr an der Übergangsstelle erhöht wird, eine vakuumdichte Verbindung verhindert wird und beim Abreißen der Verbindung das weichere Bauteil (hier das Rohrleitungsteil aus Aluminium oder einer Aluminium- Legierung) zerstört werden kann.
Um die Bildung der intermetallischen Phasen an der Grenzfläche zwischen Rohrleitungsteil und Flansch zu vermeiden, ist der Herstellungsprozess erfindungsgemäß entsprechend ausgestaltet. Die Bearbeitungstemperatur während des Prozesses zur Herstellung einer gasdichten Verbindung zwischen einem Flansch-Bauteil und einem weiteren Bauteil eines Rohrleitungssystems bleibt dabei sowohl unter der Schmelztemperatur des Materials des Rohrleitungsteils als auch unter der Schmelztemperatur des Materials des Flansches.
Erfindungsgemäß kann die Verbindung Rohrleitungsteil-Flansch mittels Reibschweißen, Diffusionsschweißen, Ultraschall-Schweißen oder einem anderen Pressschweißverfahren hergestellt werden. Dabei bleiben die Schweißpartner im festen Zustand und werden nur plastisch verformt. Es entstehen bei richtig eingestellten Parametern (z.B. Druck, Dauer des Verfahrens) keine intermetallischen Phasen. Beim Reibschweißverfahren muss einer der Fügepartner eine rotationssymmetrische Gestalt aufweisen. Beim Ultraschall- Schweißen wird eine so hochfrequente Schwingung horizontal zu den Fügepartnern eingeleitet, dass die Fügepartner ineinander verzahnen und verhaken. Das Diffusionsschweißen erfordert typischerweise neben hohem Druck auch eine Erhitzung der Fügepartner bis knapp unter die Solidustemperatur. Bei entsprechend guter Qualität der Fügeflächen ist dieser Prozess auch unter Raumtemperatur möglich.
Das Laserschweißverfahren im Überlappstoß ist erfindungsgemäß ebenfalls geeignet, eine gasdichte Verbindung zwischen Titan- und Aluminiumlegierungen zu erzielen. Titan wird dabei auf Aluminiumlegierungen geschweißt. Der Laserstrahl erhitzt das Titan und schmilzt durch Wärmeleitung den Fügepartner aus Aluminium. Dabei entsteht jedoch an der Grenzfläche zwischen Titan- und Aluminiumlegierungen eine dünne Schicht intermetallischer Titan-Aluminium-Verbindungen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in der - beispielhaft - ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Verbindung eines Flansches mit Durchgangsbohrung mit einem Aluminium Rohransatz
Fig. 2 Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Verbindung eines Blindflansches mit einem Aluminium-Rohr
Fig. 3 Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Verbindung eines Flansches mit Durchgangsbohrung mit einem Aluminiumteil mit massivem Ende (auf der rechten Seite)
Fig. 4 Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Verbindung eines Flansches mit Durchgansbohrung in der Ausführung als drehbarer Flansch mit einem Aluminium Rohr
Vier Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachstehenden Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Die Abbildungen 1-4 zeigen jeweils einen Längsschnitt durch die Verbindungsstelle Rohr (bestehend aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung) und Flansch (bestehend aus Titan oder einer Titan- Legierung).
In Figur 1 ist eine typische Rohr-Flansch-Verbindung 1 einer Kammer für Ultra-Hoch- Vakuum-Anwendungen dargestellt. Der Flansch 11 besteht typischerweise aus Titan Grade 2 oder Grade 5 (Zugfestigkeit bis 900 N/mm2). Auch andere Titanqualitäten wie Grade 3, 4, 7, 1 1 können eingesetzt werden. Der Flansch weißt Bohrungen 61 zur Verschraubung des Flansch-Bauteils 1 mit einem anderen Teil eines des Ultra-Hoch- Vakuum-Systems auf. Weiterhin ist an der Verbindungsseite des Flansches 11 eine Aussparung 41 zur Aufnahme einer Metalldichtung, wobei in der Vertiefung 41 eine Schneidkante 31 vorgesehen ist (vgl. ISO/TS 3669-2). Das Rohr 21 besteht aus einer Aluminium-Legierung. Zur Verwendung können alle bekannten schweißbaren Aluminium- Legierungen kommen, typischerweise Legierungen der Gruppen 5000 und 6000, die mit Mg bzw. Mg und Si legiert sind. Das Rohr 21 und der Flansch 1 1 sind direkt miteinander verbunden. Eine Zwischenschicht zwischen dem Flansch 1 1 aus Titan und dem Rohr 21 aus Aluminium existiert nicht.
Erfindungsgemäß kann das Rohr 21 vorteilhafterweise während des Herstellungsprozesses eine beliebige Länge aufweisen, die maximale Länge wird nur durch den vorhandenen Platz begrenzt. Die Länge des Rohres kann daher so gewählt werden, dass beim weiteren Verarbeiten keine Verlängerung des Rohres notwendig wird und somit zusätzliche Schweißstellen und -arbeiten vermieden werden. Typischerweise hängt die Rohrlänge von der Größe des Flansches ab und liegt zwischen 50 und 300 mm. Bei dieser Ausführungsform liegt die Länge bei 60 mm. Die Form des Aluminium-Bauteils ist frei wählbar, lediglich im Bereich der Verbindung zum Titan-Bauteil ist eine rotationssymmetrische Form erforderlich. Anstatt eines Rohres kann also vorteilhafterweise auch ein T-Stück, Kreuzstück oder ein Bogen verschweißt werden. Der Übergang zwischen dem Titan-Bauteil und dem Aluminium-Bauteil ist glatt und weist insbesondere auf der Innenseite, aber ebenso auf der Außenseite keinen Spalt oder Absatz auf. Ein Einsatz dieser Konfiguration ist damit auch im Lebensmittel-Bereich und in der Pharmazie möglich.
Eine alternative vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist in Abbildung 2 dargestellt. Der Flansch 12 (bestehend aus Titan oder einer Titan-Legierung) weist keine Bohrung auf, sondern ist als geschlossener Blindflansch ausgebildet und mit dem Rohrteil 22 (bestehend aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung) verschweißt. Das Rohrteil weist hier eine Länge von 80 mm auf. Diese Variante wird typischerweise verwendet, wenn in das Flansch-Bauteil eine Blende o.ä. eingearbeitet werden soll. Auch hier sind der Flansch 12 aus Titan und das Rohrteil 22 aus Aluminium direkt und ohne Zwischenschicht miteinander verbunden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeigt Abbildung 3. Das Flansch- Bauteil 1 (bestehend aus Titan oder einer Titan-Legierung) ist anstatt eines Rohres mit einem massiven Körper 2, z.B. einer Stange (bestehend aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung) verschweißt. Das Aluminium-Bauteil weist nur an der Verbindungsstelle zum Flansch-Bauteil einen rotationssymmetrischen Querschnitt auf und kann beliebig geformt sein, z.B. als Vierkant-, Sechskant- oder asymmetrisches Bauteil. Das Aluminium-Bauteil ist direkt und ohne Zwischenschicht mit dem Flansch verbunden. Das Aluminium-Bauteil kann daher vorteilhafterweise leicht an andere asymmetrische Teile angepasst und mit ihnen verbunden werden, typischerweise an ovale Rohrprofile, die in Bauteilen von Teilchenbeschleunigern eingesetzt werden. Möglich sind auch seitlich Abgänge und Winkelstücke. Die Länge des Aluminium-Bauteils ist in diesem Ausführungsbeispiel 65 mm.
Abbildung 4 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung. Das mit dem 100 mm langen Aluminium-Bauteil 2 verschweißte Titan-Bauteil 1 weist keine Verbindungsbohrungen auf (wie in Beispielen 1-3 existent). Die Montage erfolgt durch die Durchgangs- und/oder Gewindelöcher eines Überwurfrings 3, der zusätzlich durch ein seitlich angebrachtes Gewinde fixiert werden kann. Mittels dieser Anordnung ist das Flansch-Bauteil drehbar, die Verbindungsbohrungen können beliebig orientiert sein. Außerdem wird weniger Material für das Titan-Bauteil benötigt, die Herstellungskosten sind somit verringert. Der Überwurfring kann aus einem beliebigen Material gefertigt sein, weil er keinen direkten Kontakt zum Vakuum oder Medium hat. Der Überwurfring muss lediglich die notwendige Festigkeit besitzen. Vorteilhaft ist die Fertigung aus nicht magnetischem Material, typischerweise aus einer Aluminium-Legierung. Die Drehbarkeit des Flansches gegenüber dem Rohrleitungsteil entsteht durch einen separaten Außenring (54), der nicht stoffschlüssig mit den Teilen 14 und 24 verbunden ist Der Überwurfring kann geteilt sein und damit nachträglich montiert oder gewechselt werden. Ebenfalls kann er eine konische Form aufweisen, um die Verwendung von Spannketten zu ermöglichen.
Bezugszeichen liste
1 Flansch-Bauteil mit Flansch mit Rohransatz
2 Flansch-Bauteil mit Blindflansch und Rohransatz
3 Flansch-Bauteil mit Flansch und Verschlussteil
4 Flansch-Bauteil mit Flansch, Rohransatz und Überwurfring
11, 12, 13, 14 Flansch
21, 22, 23, 24 Rohransatz
31, 32, 33, 34 Schneidkante
41, 42, 4344 Aussparung für Metalldichtung
51, 52, 53, 54 Überwurf ring
61, 62, 63, 64 Bohrung für Schraubverbindung

Claims

P A T E N TA N S P R Ü C H E
Flansch-Bauteil zur Verwendung in einem Vakuumsystem
wobei das Flansch-Bauteil ein Rohrleitungsteil umfasst,
wobei, das Rohrleitungsteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einem Aluminiumgehalt von mindesten 50 Gew.% besteht,
wobei das Rohrleitungsbauteil eine Länge von mindestens 60mm, bevorzugt
80mm und besonders bevorzugt 100mm aufweist und
wobei das Flansch-Bauteil einen Flansch umfasst,
wobei der Flansch aus Titan oder einer Titanlegierung mit einem Titangehalt von mindesten 50 Gew.% besteht.
wobei die Verbindung zwischen Flansch und Rohrleitungsbauteil gasdicht ist, wobei der Flansch direkt mit dem Rohrleitungsbauteil verbunden ist,
wobei das Rohrleitungsbauteil einstückig hergestellt ist.
Flansch-Bauteil nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbindung zwischen Flansch und Rohrleitungsbauteil eine stoffschlüssige Verbindung ist.
Flansch-Bauteil nach Anspruch 2
dadurch gekennzeichnet, dass
der Flansch mit dem Rohrleitungsteil verschweißt ist.
Flansch-Bauteil nach Anspruch 3
dadurch gekennzeichnet, dass
der Flansch mit dem Rohrleitungsbauteil reibverschweißt ist.
5. Flansch-Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4 dadurch gekennzeichnet, dass
die Titan-Legierung eine Zugfestigkeit von >500 N/mm2bei Raumtemperatur, bevorzugt >650 N/mm2 und besonders bevorzugt >800 N/mm2 aufweist.
Flansch-Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 5
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wandstärke des Rohrleitungsbauteils kleiner-gleich 3 mm, bevorzugt kleiner gleich 2,5 mm und besonders bevorzugt kleiner gleich 2 mm ist..
Flansch-Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 6
dadurch gekennzeichnet, dass
das Flanschbauteil mittels eines Überwurfrings an einem weiteren Bauteil eines Rohrleitungssystems befestigbar ist.
Flansch-Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 7
dadurch gekennzeichnet, dass
das Flansch-Bauteil in dem Vakuumsystem mit einer metallischen Dichtung verwendbar ist.
Verfahren zur Herstellung eines Flansch-Bauteils zur Verwendung in einem Vakuum-Rohrleitungssystem
wobei das Flansch-Bauteil einen Flansch und einen Rohrleitungsteil aufweist, umfassend folgende Verfahrensschritte:
• Bereitstellen des Rohrleitungsbauteils
wobei das Rohrleitungsbauteil aus Aluminium oder einer
Aluminiumlegierung mit einem Aluminiumgehalt von mindestens 50 Gew.% besteht
wobei das Rohrleitungsbauteil eine Länge von mindestens 60mm,
bevorzugt 80mm und besonders bevorzugt 100mm aufweist • Bereitstellen des Flansches
wobei der Flansch aus einer Titanverbindung mit einem Titangehalt von mindestens 50 Gew.% besteht
wobei das zweite Metall des Flansches eine höhere Härte aufweist als das erste Metall des Rohrleitungsbauteils
• Herstellen einer Verbindung zwischen Flansch und Rohrleitungsbauteil wobei die Verbindung zwischen Flansch und Rohrleitungsbauteil gasdicht ist und wobei der Flansch direkt mit dem Rohrleitungsbauteil verbunden wird.
Verfahren zur Herstellung eines Flansch-Bauteils nach Anspruch 9
dadurch gekennzeichnet, dass
das Rohrleitungsteil mit einem Flansch stoffschlüssig verbunden wird.
Verfahren zur Herstellung eines Flansch-Bauteils nach Anspruch 10
dadurch gekennzeichnet, dass
das Rohrleitungsteil mit einem Flansch gasdicht verschweißt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Flansch-Bauteils nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 1 1
dadurch gekennzeichnet, dass
sich während des Herstellungsprozesses keine intermetallischen Phasen an der Grenzfläche zwischen Rohrleitungsteil und Flansch bilden.
Verfahren zur Herstellung eines Flansch-Bauteils gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12
dadurch gekennzeichnet, dass
während der Herstellungsprozesses die Bearbeitungstemperatur an der
Grenzfläche zwischen Rohrleitungsteil und Flansch unterhalb der
Schmelztemperatur des Materials des Rohrleitungsteils und der
Schmelztemperatur des Materials des Flansches bleibt.
14. Verfahren zur Herstellung eines Flansch-Bauteils zur gasdichten, metallgedichteten Verbindung mit einem weiteren Bauteil eines
Rohrleitungssystems gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 9 - 13 dadurch gekennzeichnet, dass
Rohrleitungsteil und Flansch durch Reib-Schweißen oder durch
Diffusionsschweißen oder durch Ultraschall-Schweißen verbunden werden.
15. Verfahren zur Herstellung eines Flansch-Bauteils zur gasdichten,
metallgedichteten Verbindung mit einem weiteren Bauteil eines
Rohrleitungssystems gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 9 - 14 dadurch gekennzeichnet, dass
Rohrleitungsteil und Flansch im Überlappstoß durch Laserschweißen im Überlappstoß verbunden werden.
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