DE2606628B2 - Verfahren zur Herstellung ultrahochvakuumdichter Schweißverbindungen zwischen Aluminium und Stahl, insbesondere Edelstahl - Google Patents
Verfahren zur Herstellung ultrahochvakuumdichter Schweißverbindungen zwischen Aluminium und Stahl, insbesondere EdelstahlInfo
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Description
Die Hauptanmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ultrahochvakuumdichter Verbindungen
durch Schweißen unter Schmelzen eines Schweißpartners zwischen Konstruktionsteilen aus Aluminium bzw.
Aluminiumlegierungen einerseits und Konstruktionsteilen aus Stahl, insbesondere Edelstahl, andererseits, das
Schweißnähte ergibt, welche den höchsten Anforderungen an Dichtigkeit entsprechen und dabei gute
mechanische Festigkeit, Wärmebeständigkeit und Beständigkeit gegen Temperaturschwankungen haben. Es
beruht im wesentlichen auf der Verwendung einer auf den zweckmäßig vorher gründlich gereinigten Stahlteil
aufgebrachten, zweckmäßig auf einer Zwischenschicht von z. B. Ni oder auch Co abgeschiedenen, vorzugsweise
nicht über 20 μ starken, Ag-haltigen Haftvermittlungsschicht, die durch eine besondere, mindestens einstündige
Wärmebehandlung im Vakuum und anschließend unter Schutzgas bei sorgfälligem Sauerstoffausschluß so
entgast, rekristallisiert und verdichtet worden ist, daß sie frei von Poren, Lunkern und Gas- oder anderen
Finschlüsscn ist. Die Verbindung des mit dieser besonders behandelten Ag-Schicht überzogenen Konstruktionsleiles
aus Stahl mit dem /weckmäßig ebenfalls vorher sorgfältig gereinigten Konstrukiionsteil aus
Aluminium b/w. Aluminiumlegierung erfolgt gemäß dem Verfahren des llnuplpatentes nach dem an sich
bekannten Argonarc-Verfahren, wobei der verwendete Schweißdraht zweckmäßig in an sich bekannter Weise
der jeweils verwendeten Aluminiumlegierung angepaßt wird
In weiterer Ausgestaltung dieser Erfindung wurde gefunden, daß die ultrahochvakuumdtchte, mechanisch
feste und wärmebeständige Schweißverbindung des nach dem Verfahren des Hauptpatentes mit der
besonders behandelten, vorzugsweise auf einer Zwischenschicht von Ni oder Co abgeschiedenen Ag-haltigen
Haftvermittlerschicht versehenen Stahlkonstruktionsteües mit dem Konstruktionsteil aus Aluminium
oder Aluminiumlegierung anstatt nach dem Argonarc-Verfahren auch nach dem für andere Zwecke ebenfalls
an sich bekannten Verfahren der Reibschweißung erfolgen kann.
Ein Verfahren zur Verbindung von Stahl, z.B. Edelstahl, mit Aluminium unter Verwendung des
Reibschweißverfahrens ist in der DE-OS 21 26 596 beschrieben. Nach diesem Verfahren wi&1 aber die
Reibschweißung nicht zum direkten Verschweißen der beiden Konstruktionsteile, sondern nur dazu benützt,
um auf dem einen der beiden zu verbindenden Metallteile eine Zwischenschicht aus einem Metall oder
einer Legierung aufzubringen, die sich mit dem Metall des anderen Teiles zusammenschweißen oder zusammenlöten
läßt, wobei das Oberziehen so lange durchgeführt wird, bis sich auf der Oberfläche des
Schweißteiles eine Schicht bildet, deren Dicke zum Durchführen des Schweiß- oder Lötvorganges ausreicht,
um anschließend die beiden Konstruktionsteile
K) zusammenzuschweißen oder zu löten. Das Aufbringen
einer Haftvermittlungsschicht aus Ag oder Ag-Legierung mit oder ohne Wärmebehandlung dieser Hafivermittlungsschicht
ist bei diesem bekannten Verfahren nicht vorgesehen. Dementsprechend ist die Dichtigkeit
Ji der so erzeugten Schweißnähte mit Leckverlusten von
0,004 μ QS · l/sec(= I bis 4 ■ 10-« Torr · 1/sec) wohl
für Zwecke ausreichend, die keine besonders hohen Anforderungen an die Dichtigkeit stellen, bei weitem
aber nicht für Zwecke der Ultrahochvakuumtechnik, die
■in Dichtigkeiten entsprechend einer Leckage von unter
10-'°Torr · 1 /See verlangt.
Im Gegensatz zu diesem bekannten Verfahren sieht das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung anstatt
dem Auftrag einer schweiß- oder lötbaren Zwisehen-
■r· schicht mittels Reibschweißung die direkte Verbindung
des nach dem Verfahren des Hauptpatenles mit einer besonderen, vorzugsweise auf einer Zwischenschicht
von Ni oder Co abgeschiedenen vakuum- und wärmebehandelten Schicht aus Ag oder Ag-Legierung
Ή) überzogenen Stahlteiles mit dem Kor-.truktionsteil aus
Aluminium oder Aluminiumlegierung durch Reibschweißung vor. Da eine technisch-wirtschaftliche
Durchführung der Reibschweißung voraussetzt, daß mindestens eines der beiden zu verbindenden Kor.struk-
ίί lionsteile rotiert, ist das Verfahren der vorliegenden
Erfindung schlecht zur Durchführung vor Ort, sondern hauptsächlich zur Herstellung von Zwischenstücken
geeignet, die anschließend an beliebiger Stelle, z. B. vor Ort, mit den beiden verschiedenen Metallen zusammen-
wi geschweißt werden. Dieser Nachteil wird aber für viele
Anwendungsfälle mehr als wettgemacht durch die außerordentliche Leichtigkeit und Schnelligkeit, mit der
solche an beliebiger Stelle einsetzbaren Zwischenstücke hergestellt werden können, welche abgesehen von einer
·>· Dichtigkeit, die den höchsten Ans[/nichen genügt, auch
hervorragende mechanische Eigenschaften, Wärmebeständigkeit
und Temperaturwechselbcsländigkcit haben. Diese Vorteile schlagen besonders dann /ti Buche.
wenn es sich um die Herstellung von Zwischenstecker
mit mindestens einem rotationssymmetrischen Teil handelt, die in größerer Zahl benötigt werden, wie z, B,
Rohransätze für Pumpen und Meßgeräte, Flanschen und dergleichen.
Um in jedem Falle eine in jeder Hinsicht einwandfreie Schweißnaht garantieren zu können, genügt es im
Gegensatz zur Lehre der DE-OS 21 26 596 nicht, sich auf die Zerstörung der Oxydhäute auf dem Stahlteil
durch die Reibungskräfte als Voraussetzung für eine gute Verschweißung zu verlassen, sondern es ist wie
nach dem Verfahren der Hauptanmeldung notwendig, mindestens den Stahlteil vor der Aufbringung der
Ag-haltigen Haftvermittlungsschicht bzw. vor der Aufbringung der Zwischenschicht aus Ni oder Co,
vorzugsweise aber auch den Aluminiumteil vor der Verschweißung gründlich zu reinigen, insbesondere zu
entfetten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird im Gegensatz zum sonst üblichen Reibschweißen,
wie es !hauptsächlich für die Schweißverbindung von Konstruktionsteilen aus Baustahl und aus
Werkzeugstahl Verwendung findet, die Reibzeit nicht länger als die Stauchzeit gehalten, sondern höchstens
ebenso lang, im allgemeinen sogar kurzer. Reibzeiten in der Größenordnung von 1 bis 5 see und Stauchzeiten
von 2 bis 10 see sind im allgemeinen auch für einwandfreie Verbindung großer Konstruktionsteile
miteinander ausreichend. Die Reibschweißung kann erfindungsgemäß grundsätzlich sowohl in der Weise
angewendet werden, daß der Aluminiumteil rotiert und der Stahlteil ruht, w:·: auch umgekehrt und auch in der
Weise, daß beide Teile gegeneinander rotieren gelassen werden.
Für die Herstellung dünnerer Rohtverbindungen, insbesondere solcher mit Außendurchmessern unterhalt
etwa 25 mm, kann es zweckmäßig sein, nicht Rohrstükke sondern Stäbe der beiden zu verbindenden
Materialien nach dem erfindungsgemäßen Verfahren miteinander zu verbinden und den Verbundstab auf die
gewünschte Nennweite aufzubohren. Ebenso ist es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, nicht nur
Stab mit Stab bzw. Rohr mit Rohr, sondern auch Stab mit Rohr und Stab oder Rohr mit Platte zu verbinden.
Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren ohne weiteres mit dem normalen Reibschweißverfahren
durchführbar ist, ist es nicht nur für diese Ausführungsform des Reibschweißens, sondern auch auf das sog.
Schwungradreibschweißen anwendbar, das u. a. beschrieben ist in der Dissertation von Schaefer, TH
Aachen 1971.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachstehend anhand der Ausführungsbeispiele schematisch näher
erläutert.
Eine durch Abwaschen mit Aceton entfettete Stange aus Reinaluminium von 25 mm Durchmesser und
100 mm Länge wurde in das Futter der Spindel eines Reibschweißautomaten eingespannt. In den nicht
rotierenden Support des Druckschlittens wurde eine ebenfalls mit Aceton gereinigte CrNi-Stahlstange aus
X 5 CrNi 18 9 (Werkstoff Nr, H 30t nach DlN) gleicher
Abmessungen, die vorher nach dem im Ausföhrungsbeispiel
der Hauptanmeldung beschriebenen Verfahren mit
einer auf einer Zwischenschicht von Ni abgeschiedenen
und durch besondere Wärmebehandlung rekristalUsierten
Ag-Schicht versehen war, eingespannt Die Spindel wurde mit einer Learlaufdrehzahl von 1800 rpm in
Rotation versetzt und der Druckschlitten gegengefahren. Die Stakstange wurde 1 see lang mit einer Kraft
ίο entsprechend 20 N/mm2 Reibdruck gegen die Al-Stange
gedrückt Nach 1 see Reibzeit wurde unter Erhöhung des Druckes auf 50 N/mm2 und schlagartiger Beendigung
der Drehbewegung gestaucht Die Stauchzeit betrug 4 see Der beim Reibschweißen gebildete Kragen
von, etwa 40 mm Durchmesser wurde abgedreht und der gar&e Stab auf einen Durchmesser von 22 mm
heruntergedreht Durch entsprechende Wiederholung wurde eine Anzahl gleicher Probestücke hergestellt
Zugstäbe nach der für die Prüfung von Stählen gültigen DIN 50 125 hergestellt und nach DIN 50 146 auf
Zugfestigkeit geprüft Bei allen fünf Versuchen riß der Aluminiumstab neben der Schweißnaht
,. Ausführungsbeispiel 2
Die Versuche nach dem Ausführungsbeispiel 1 wurden mit Stäben gleicher Abmessungen a«s AIMgSi 1
und mit CrNi-Stahl X 10 Cr Ni Ti 189 (Werkstoff Nr. 14 541 nach DIN) wiederholt
Auch mit fünf so hergestellten Verbundstäben wurden Prüfungen pach DIN 50146 durchgeführt
wobei ausnahmslos der Aluminiumstab neben der Schweißnaht riß.
r> Ausführungsbeispiel 3
Mit je weiteren acht nach Ausführungsbeispiel 1 und vier nach Ausführungsbeispiel 2 hergestellten Verbundstäben
wurden Faltversuche nach DIN 1605 durchgeführt Bei allen Faltversuchen wurde ein Winkel von 90°
■to und mit Nachbiegung sogar ein solch.r von 180° bei
völlig unbeschädigter Schweißnaht erreicht.
·("> Verfahren mit einer entgasten und rekristallisierten
Silberschicht versehene VA-Rohre Werkstoff Nr. 14 301 und 14 541 mit 6 mm Wandstärke und von
sowohl 70 mm wie auch 45 mm Außendurchmesser wurden unter Verwendung der in Ausführungsbeispiel 1
w angegebenen Betriebszahlen (Leerlaufdrehzahl 1800 rpm; Reibdruck 20 N/mm2; Reibzeit I see; Stauchdruck
50 N/mm2; Stauchzeit 4 see) mit Reinaluminiumrohren gleicher Abmessungen durch Reibschweißung
verbunden.
r»r> Außerdem wurden acht nach Beispiel 2 hergestellte
Verbundstäbe zu Rohren aufgebohrt. Die Prüfung all dieser Rohre auf Dichtigkeit ergab ausnahmslos sowohl
unmittelbar nach dem Abdrehen des Stauchkragens wie auch nach fünfmaliger zehnstündiger Erhitzung auf
mi 2000C, Einwerfen in kaltes Wasser und Trocknung keine
bei einer Nachweisgrenze von 10-10 Torr · I/see
nachweisbare Leckage.
Claims (5)
1. Verfahren zur Erzeugung ultrahochvakuumdichter
Schweißverbindungen zwischen Konstruktionsteilen aus Stahl, vorzugsweise aus chrom-
und/oder nickelhaltigen austenitischen rostfreien
Stählen einerseits und Aluminium- bzw. Aluminiumlegierungen andererseits, unter Verwendung einer
auf dem Stahl aufgebrachten Ag-haltigen Haftvermittlerschicht
nach DE-OS 25 52199, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einer durch
mindestens einstündige, vorzugsweise zweistündige Hitzebehandlung, bei Temperaturen von 100 bis
9610C unter Schutzgasatmosphäre und bei vermindertem
Druck rekristallisierten Ag-haltigen Haftvermittlerschicht versehene Konstruktionsteil aus
Stahl mit dem Konstruktionsteil aus Aluminium oder Aluminiumlegierung nach dem an sich bekannten
Reibschweißverfahren verbunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Reibschweißen Reibzeiten von
0,! bis 20, vorzugsweise ! bis 2 see, und Siauchzeiten
von 2 bis 8, vorzugsweise 4 bis 5 see eingehalten werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Reibschweißen
ein Reibdruck von 2 bis 50, vorzugsweise etwa 20 N/mm2, eingehalten wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Reibschweißen ein
Stauchdruck von 20 bis 100, vorzugsweise 50 bis 60 N/mm2, angewendet wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Reibschweißen als rotierender
Teil der aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierung bestehende Teil gewählt wird.
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|---|---|---|---|
| OD | Request for examination | ||
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |