DE2648007C3

DE2648007C3 - Verfahren zum Diffusionsschweißen von metallischen Werkstücken und Verwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2648007C3
Application number: DE19762648007
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr.-Ing. 4300 Essen Mueller
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1976-10-23
Filing date: 1976-10-23
Publication date: 1981-05-07
Also published as: DE2648007A1; DE2648007B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Diffusionsschweißen von metallischen Werkstücken in einer gasgefüllten Heißpresse, wobei die Stoßflächen der miteinander zu verbindenden Werkstücke durch Schweißen abgedichtet werden.

Bei einem bekannten Diffusionsschweiß-Verfahren werden die sauber bearbeiteten miteinander zu ververschweißenden Stoßflächen mit einer um den Umfang herumgelegten Schweißnaht abgedichtet Dabei sind zu beiden Seiten der Schweißnaht Einfräsungen erforderlich, die die Schweißspannungen bzw. -Verformungen in der Umgebung der Schweißnaht verhindern sollen. Derartige Verformungen an den Rändern der Stoßflächen haben zur Folge, daß dort keine Diffusionsverbindungen eintreten können. Anschließend werden die miteinander zu verbindenden Werkstücke bei hohen Temperaturen vorgeglüht,

ίο wodurch die im Stoßflächen-Spalt eingeschlossene Luft im Werkstoff in Lösung gehen soll. Für das Diffusionsschweißen wird dann eine erneute Glühbehandlung angewandt, und der gleichzeitige Preßdruck wird durch Gewichtsbelastung aufgebracht Dieses bekannte Ver-

is fahren ist durch die Einfräsungen im Regelfall mit einer größeren Nachbehandlung und einem damit verbundenen größeren Materialverbrauch verbunden.

Ferner ist aus der US-PS 36 01 884 ein Verfahren zum Diffusionsschweißen in einer gasgefüllten Heißpresse vorbekannt, bei dem die miteinander zu verbindenden Werkstücke entweder wie bei dem vorbeschriebenen bekannten Verfahren außen an den Stoßflächen miteinander verschweißt oder vollständig von einem Riechmantel umgeben werden. Die Stoßflächen werden vor ihrem Abdichten evakuiert. Dieses bekannte Verfahren, das für die Herstellung von Werkstücken vorgesehen ist, die im Bereich der Stoßflächen mit Kühlkanälen versehen sind, benötigt entweder die vorbeschriebene sogenannte Lippendichtungs-Verschweißung oder eine aufwendige vollständige Ummantelung der Werkstückanordnung.

Der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftlicheres wirksames Diffusionsschweiß-Verfahren zu schaffen.

Eine zum Abdichten von Stoßflächen miteinander zu verbindender Werkstücke herumgelegte und angeschweißte Manschette ist zwar bereits bei einem aus der US-PS 19 56 818 vorbekannten Verfahren des sogenannten Walzpreßschweißens vorgeschlagen worden. Die bekannte Manschette wird jedoch weder um lediglich eine Stoßfläche herumgelegt, noch werden durch sie die jeweils miteinander zu verbindenden Werkstücke in ihrer Lage zueinander fixiert.

Das neue Verfahren benötigt kein Vorglühen der Werkstücke und keine Nacharbeit mit großem Materialverbrauch.

Da die miteinander zu verschweißenden Flächen abgedichtet sind, kann in der Heißpresse als Preßmedium ein billiges, nicht oxydierendes Gas, z. B. Stickstoff verwendet werden. Die Werkstücke und ggf. innerhalb der Presse vorhandene elektrische Heizwicklungen werden dadurch vor einem Verzundern geschützt.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 10. Die bisher für das Zusammenfügen von Blöcken für diesen Zweck verwendeten Schweißverfahren sind aufwendiger und bieten außerdem nicht die Vorteile des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele nachfolgend näher erläutert Es zeigen schematisch

F i g. 1 eine Anordnung von drei miteinander zu verbindenden Werkstücken im Schnitt,
F i g. 2 zwei miteinander zu verbindende Werkstücke in einer anderen Anordnung im Schnitt,

Fig.3 bis 6 vier verschiedene Anordnungen von vorgefertigten Blöcken jeweils in Vorderansicht (F i g. 4 jedoch im Schnitt)

F i g. 3a bis 6a die jeweiligen Seitenansichten zu den Fig.3bis6,

Fig.7 ein fertiggestelltes großes Schmiedeteil in Ansicht,

Fig.3b bis 6b jeweils einen Querschott durch das Teil nach Fig.7 entsprechend den Ausführungsformen lach F i g. 3 bis 6 in der gleichen Reihenfolge,

F i g. 8 bis 10 jeweils einen Flanschring in Ansicht und

Fi g. 8a bis 10a die zugehörigen vorbereiteten Blöcke in gleicher Reihenfolge in Ansicht

F i g. 1 zeigt eine Anordnung von drei miteinander zu verschweißenden Werkstücken 1,2 und 3, wobei um die jeweiligen Stoßflächen 4 und S je eine Manschette 6 und 7 herumgelegt ist Die Abdichtung und die Fixierung der Werkstücke wird durch die Schweißnähte 8 erzielt Die auf diese Weise vorbereitete Werkstückanordnung wird nunmehr auf die materialabhängige Schweißtemperatur gebracht und mit dem erforderlichen Schweißdruck eine ausreichende Zeit beaufschlagt Besonders geeignet für diese Verfahrensschritte ist die Anwendung einer gasgefüllten isostatischen Heißpresse.

Die Manschetten 6, 7 weisen im Bereich der Stoßflächen 4 und 5 jeweils eine Einschnürung 9 und 10 auf, die das 0,2- bis 0^f ache ihrer Wandstärke beträgt

Bei der Werkstück-Anordnung nach Fig.2 ist eine Evakuierung des Stoßflächenspalts 11 vorgesehen. Zu diesem Zweck ist in dem Werkstück 12 eine zentrale Bohrung 13 angeordnet, die an eine Vakuumleitung 14 angeschlossen ist Die zentrale Bohrung 13 ermöglicht gegenüber einem Vakuum-Anschluß durch eine Bohrung in der Manschette 15 eine bessere Evakuierung insbesondere bei einer kleinen Breite des Stoßflädien-Spalts 11. Die jeweils geringstmögliche Spalt-Breite ist anzustreben. ■

Die Ergebnisse von durchgeführten Versuchen haben die Vorteile des neuen Verfahrens nachgewiesen. Die besten Ergebnisse wurden in den Fällen erzielt, in denen die Werkstücke in einer Heißpresse auf die Schweißtemperatur erhitzt wurden.

Die Werkstücke wurden an den Stoßflächen mit einem Diamantwerkzeug feinstbearbeitet, wobei eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 0,5 μπι erzielt wurde.

Da die Werkstücke zylindrisch waren, wurden die Manschetten aus Rohrstücken gefertigt. Sie hatten bei einem Durchmesser von etwa 75 mm, eine Wandstärke von 2 mm und eine Breite von 20 mm. Die Einschnürung in der Mitte der Manschette betrug 1 mm über eine Breite von etwa 2 mm. Die Werkstücke wurden aufeinandergepreßt und die herumgezogene Manschette unter Schutzgas an beiden miteinander zu verbinden- den Werkstücken verschweißt. Die Schweißnähte wurde auf Schweißfehler hin überprüft Die so vorbereitete Werkstück-Anordnung wurde sodann in eine Heißpresse eingesetzt Die Heißpresse war mit Heizmatten aus Molybdän-Draht zur elektrischen Beheizung ausgekleidet. Außerdem war die Innenwand der Presse mit Isoliermaterial versehen. Nach dem dichten Abschließen der Heißpresse wurden die Werkstücke vermittels elektrischer Beheizung auf die erforderliche Schweißtemperatur gebracht und gleichzeitig mit dem innerhalb der Presse anwesenden Stickstoff ein Gasüberdruck von etwa 100 bar erzeugt und etwa zwei Stunden lang aufrechterhaltea Der anschließende Abkühlvorgang dauerte dann etwa 1 bis 2 Stunden. Die erzielten Verschweißungen an den danach entnommenen Proben waren einwandfrei.

Es wurden verschiedene hoch- und niedriglegierte Stähle und Titan eingesetzt Die Manschetten bestanden in allen Fällen aus einem austenitischen rostfreien Stahl. Es zeigte sich, daß die Schweißtemperaturen, die zwischen 700 und HOO⁰C lagen, durch gute Glättung der Oberfläche herabgesetzt werden konnten.

Die Fig.3 bis 10a zeigen verschiedene Beispiele der Verwendung des Verfahrens nach der Erfindung für die Herstellung großer Schmiedeteile. So ist die in F i g. 7 dargestellten schwere Turbinenwelle von etwa 300 t Gewicht vor dem Ausschmieden aus jeweils verschiedenen Blöcken zusammengeschweißt Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 sind zwei Blöcke 20 und 21 durch eine Quernaht 22 miteinander verbunden. Beim Beispiel nach F i g. 4 ist eine Hülse 23 auf ein zylindrisches Stück 24 aufgezogen und über die zylindermantelförmige Schweißfläche 25 verbunden. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.5 sind zwei Blöcke 26 und 27 über die in Längsrichtung verlaufende Stoßfläche 28 miteinander verschweißt, während beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 in gleicher Weise drei Teile über zwei in Längsrichtung verlaufende Stoßflächen 29 und 30 zu einem Teil miteinander verschweißt sind.

Drei Ausführungsbeispiele für die Herstellung von schweren Flanschringen von etwa 1001 Gewicht zeigen die F i g. 8 bis 10. In F i g. 8a ist die Anordnung von zwei kreisringförmigen ineinander geschobenen Blöcken 31 und 32 dargestellt die über die zylindermantelförmige Stoßfläche 33 verschweißt sind. Das ausgeschmiedete, aufgeweitete und fertige Schmiedeteil zeigt F i g. 8.

Das fertige Schmiedeteil nach F i g. 9 wurde aus den in F i g. 9a gezeigten vier Teilen 34 bis 37 zusammengeschweißt, wobei die Teile 34 und 35 sowie 36 und 37 jeweils untereinander gleich sind. Eine andere Möglichkeit der Zusammensetzung einer Blockanordnung, die der nach Fig.9a entspricht, zeigt Fig. 10a. Hier sind vier gleiche Teile 38 zu einem Rohling zusammengeschweißt, der anschließend zu dem fertigen Schmiedeteil entsprechend F i g. 10 verformt wird.

Für das neue Verfahren kommen sämtliche Werkstoffe und Werkstoff-Kombinationen in Frage, die sich auch für die bekannten Diffusionsschweißverfahren eignen.

Der Gasdruck in der Heißpresse kann den jeweiligen Erfordernissen entsprechend ausgewählt werden. Bei einem niedrigen Druck wird Energie und Pressenkapazität gespart; dagegen kann mit höheren Drücken der Nachteil rauherer Oberflächen der Stoßflächen zumindest teilweise kompensiert werden. Selbstverständlich sind einer Druckerhöhung Grenzen gesetzt Beim derzeitigen Entwicklungsstand liegt die Grenze der Zweckmäßigkeit etwa bei einem Überdruck von 1000 bar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Diffusionsschweißen von metallischen Werkstücken in einer gasgefüllten Heißpresse, wobei die Stoßflächen der miteinander zu verbindenden Werkstücke durch Schweißen abgedichtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage jeweils zweier Werkstücke durch eine um deren Stoßfläche dichtend herumgelegte Manschette fixiert wird, welche zumindest an einem der beiden Werkstücke angeschweißt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke in der Heißpresse auf die Schweißtemperatur erhitzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoßflächen-Spalt vor und/ oder während des Schweißens evakuiert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschetten aus einem Werkstoff bestehen, der bei Erwärmung Sauerstoff und Stickstoff in stärkerem Maße als der bzw. die Werkstück-Werkstoffe aufnimmt, oder mit einem solchen Werkstoff an der Innenseite mindestens teilweise beschichtet werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschetten aus Werkstoffen bestehen, die beim Verschweißen eine hohe Rißsicherheit aufweisen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschetten im Stoßflächen-Bereich mit einer Einschnürung versehen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürung das 0,2- bis 0,5fache der Manschetten-Wandstärke beträgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sjoßflächen mit Oberflächenrauhigkeiten von 1 μπι und kleiner versehen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Stoßflächen mit Oberflächenrauhigkeiten von 0,5 μΐη und kleiner versehen werden.

10. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung großer Schmiedeteile in der Weise, daß mindestens zwei durch Gießen oder auf andere geeignete Weise vorgefertigte und zum Diffusionsschweißen vorbereitete Blöcke vor dem Ausschmieden zusammengefügt werden.

11. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, die entsprechend den Anforderungen beim fertigen Schmiedeteil ausgewählt werden.