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