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Schmelzverfahren
Die Erfindung bezieht sich auf das Schweissen von Metall-Oxyd-Verbundmaterialien, wie gesintertem Aluminiumpulver und ähnlichen Keramikmetallen.
Gesintertes Aluminiumpulver der Zusammensetzung Al-Al 20, ist ein Material mit ausgezeichneten Eigenschaften, das bei der Herstellung von Kernbrennstoffelementen eingesetzt werden soll. Jedoch wurde es früher als unmöglich angesehen, Verbindungen von Teilen aus gesintertem Aluminiumpulver durch Schmelzschweissung herzustellen, ohne die guten mechanischen Eigenschaften des gesinterten Aluminiumpulvers zu zerstören. Daher wird bei allen Schweissverfahren, die bisher für das Schweissen von gesintertem Aluminiumpulver vorgeschlagen oder beim Schweissen von gesintertem Aluminiumpulver angewendet wurden, z.
B. beim Abschmelzschweissen, Warmpressschweissen, Elektronenstrahlschweissen mit oder ohne Zwischenschaltung einer Aluminiumlegierung oder plastischen Verformungsschweissen, ein Erreichen der Schmelztemperatur des gesinterten Aluminiumpulvers sorgfältig vermieden.
Demgegenüber haben von der Patentinhaberin durchgeführte Forschungsarbeiten kürzlich ergeben, dass durch das Schmelzen der AI-AI0-Verbindung die Struktur dieser Verbindung bei sorgfältiger Steuerung nicht verändert wird. Auf Grund dieser Entdeckung wurden erfolgreiche Versuche unternommen, um Teile aus gesintertem Aluminiumpulver durch Schmelzschweissung zu verbinden.
Als Ergebnis der Versuche wurde festgestellt, dass nahtlose Verbindungen zwischen Metall-Oxyd- - Teilchen von gleicher oder unterschiedlicher Zusammensetzung oder zwischen Metall-Oxyd-Teilen und Metall- oder Metallegierungs-Teilen erzielt werden, ohne die Eigenschaften des Metall-Oxyds zu beeinträchtigen, wenn gemäss der Erfindung der Metall-Oxyd-Teil in der Verbindungszone sorgfältig auf eine Schmelz- oder Erweichungstemperatur erwärmt wird, die im Falle von gesintertem Aluminiumpulver nicht höher als 8000C und nicht tiefer als 6700C und vorzugsweise etwas über dem Schmelzpunkt der Metall-Oxyd-Grundmasse liegt, und der zu verbindende Teil dann während einer vorzugsweise zwischen 5 und 6 min schwankenden Zeitdauer leicht in den zentralen Bereich der geschmolzenen Zone eingetaucht wird, worauf sich dann die erzielte Verbindung abkühlen kann.
Der Schweissvorgang wird unterstützt, wenn während des Eintauchens einer der Teile langsam gedreht wird. Ferner sollte die Oberfläche des einzutauchenden Teiles sauber sein und eine glatte Form aufweisen, um das Eintauchen und Schweissen zu erleichtern.
Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen beschrieben.
Es wird Bezug genommen auf den Herstellungsschritt zum Verschliessen einer Brennstoffelementumhüllung aus gesintertem Aluminiumpulver mit Hilfe von Stöpseln aus gesintertem Aluminiumpulver, die an den offenen Enden des Umhüllungsrohres zu befestigen sind. Ein zylindrischer Körper aus gesintertem Aluminiumpulver, der ungefähr die Form der endgültigen Stöpsel aufweist, jedoch etwas grösser im Durchmesser und in der Länge als die Stöpsel sind, wird in einem formgeschlossenen Tiegel aus Graphit
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per aus gesintertem Aluminiumpulver auf. Wenn die Schmelztemperatur des Körpers aus gesintertem Aluminiumpulver erreicht ist, wird das Rohr mit dem zu verschliessenden Ende in diesen Körper einge- führt, der bei der Schmelztemperatur eine teigartige Form hat.
Um das Einführen des Rohres in diesen Körper aus gesintertem Aluminiumpulver zu erleichtern, kann der einzutauchende Teil des Rohres, der sauber sein muss, vor dem Eintauchen mit einem Aussengewinde versehen werden. Das Rohr kann zum Schweissen entweder kalt oder warm sein. Die Eintauchgeschwindigkeit beträgt etwa 1 cm/sec, wobei gleichzeitig das Rohr einmal gedreht wird.
Der beschriebene Vorgang wird im folgenden an Hand eines Zahlenbeispiels für die etwa zur Anwendung kommenden Abmessungen von Stöpsel und Rohr näher erläutert. Die Abmessungen des Tiegels und damit des Metall-Oxyd-Teiles, der in diesem Tiegel soweit zum Schmelzen gebracht wird, dass eine teigige Masse entsteht, sind nach Länge und Durchmesser grösser gehalten als die Endabmessungen des nach dem Verschweissen am Rohr aus diesem Metall-Oxyd-Teil herauszuarbeitenden Stopfens. Handelt es sich beispielsweise um ein Kernbrennstoffhüllrohr von 30 mm Aussendurchmesser, so wählt man für die teigige Metall-Oxyd-Masse und damit für die Innenabmessungen des Tiegels die Dimensionen : 40 mm Durchmesser und 40 mm Höhe. In diese Masse wird das Rohrende hineinbewegt.
Nach dem Verschweissen und Abkühlen wird der so entstandene Rohrstopfen auf den Durchmesser des Hüllrohres, also auf 30 mm Durchmesser, abgedreht. Zugleich wird er auch in der Länge auf das gewünschte Mass abgedreht, z. B. auf 20 mm ab Rohrende. Bei dieser Bearbeitung kann dem Stöpsel zugleich aber auch eine strömungsmässig günstige Form, etwa eine Paraboloidform, gegeben werden, da ja die Brennstoffstäbe während ihrer Verwendung von einem Kühlmittel angeströmt werden.
Das vor dem Einführen des Rohres in die teigige Metall-Oxyd-Masse an dessen Aussenseite angebrachte Schraubgewinde erleichtert das unter Drehen des Rohres um seine Längsachse stattfindende Einführen des Hüllrohres in die teigige Masse. Weiters wird durch die Drehbewegung des Rohres der Oxydfilm der Masse auf dem Rohr leichter zerstört und somit ein besserer Kontakt während des Verschweissens und eine gute Homogenität der Dispersion über die Schweisszone erzielt.
Alle Vorgänge finden entweder in sie umgebender Atmosphäre oder in Gegenwart von Schutzgas statt. Die Schmelz- und Schweisstemperatur wird 5 min lang aufrechterhalten. Dann wird die elektrische Heizvorrichtung des Tiegels abgestellt und die Verbindung kann sich abkühlen.
Während der Wärmebehandlung wird der Umfangsbereich des Körpers aus gesintertem Aluminiumpulver rissig. Dieser Bereich ist daher in der weiteren Verwendung des durch die Schmelzschweissung hergestellten Teiles unbrauchbar. Aus diesem Grunde werden, wie bereits beschrieben, die radialen Abmessungen des im Tiegel zum Schmelzen gebrachten Körpers aus gesintertem Aluminiumpulver ausreichend gross gewählt. In der Mitte des Körpers wird nämlich ein homogenes Material erhalten, das den eigentlichen Stöpsel bildet. Dieser eigentliche Stöpsel verbleibt, wenn nach dem Abkühlen die unbrauchbaren Teile durch entsprechende Bearbeitung entfernt werden. Gleichzeitig erhält man durch diese Bearbeitung die endgültigen Abmessungen des Stöpsels, der nach dem Schweissen einen integralen Teil des Umhüllungsrohres bildet.
Die Bearbeitung kann auch die Techniken des Strangpressens oder des Gesenkschmiedens umfassen. Durch diese oder andere Behandlungsarten lassen sich die mechanischen Eigenschaften des geschweissten Materials aus gesintertem Aluminiumpulver gegenüber den anfänglichen Eigenschaften sogar noch verbessern.
Die Schweisstemperatur für das gesinterte Aluminiumpulver sollte nicht höher als 8000 C und nicht tiefer als 6700 C liegen. Die Eintauchzeitdauer für den Teil, der vor dem Kühlen mit dem andern Teil verschweisst werden soll, kann zwischen 5 und 6 min betragen. Es sei erwähnt, dass mit dem neuen Schweissverfahren beim Verschliessen eines Brennstoffelementrohres Stöpsel aus gesintertem Aluminiumpulver verschweisst werden können, die massiv sind und jede beliebige geometrische Form haben. Da ferner der geschweisste Bereich leicht bearbeitet werden kann, wird die bisher verbleibende Porosität der Stöpsel beseitigt.
Das neue Schweissverfahren ist nicht auf Verbindungen beschränkt, bei denen beide Teile aus gesintertem Aluminiumpulver bestehen, und ist auch keineswegs auf gesintertes Aluminiumpulver beschränkt. Ein Teil kann auch nur aus metallischem Material bestehen, wie Aluminium oder Magnesium, oder aus einer Metallegierung, wie Zirkoniumlegierung. Ferner können an Stelle von gesintertem Aluminiumpulver andere Keramikmetalle mit einer dispergierten Phase, die in der flüssigen Grund-
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masse ausreichend stabil ist, erfindungsgemäss verschweisst werden. In den meisten Fällen ist es jedoch der Keramikmetallkörper, der zum Schmelzen gebracht werden muss.
Anstatt den anzuschweissenden Teil zu bewegen, kann auch der geschmolzene Körper während des Eintauchvorganges bewegt werden. Ferner lassen sich mehr als zwei Teile mit demselben Grundteil verschweissen, vorausgesetzt, dass das Schweissen nicht in einem bereits einmal erhitzten Bereich durchgeführt wird.
Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten ist, einschliesslich dessen, was abweichend von den konkreten Ausführungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schmelzverfahren zur Herstellung einer nahtlosen Verbindung von Teilen, von denen mindestens ein Teil durch ein Metall-Oxyd-Verbundmaterial, wie gesintertes Aluminiumpulver, gebildet wird, während der andere Teil aus Metall, aus einer Metallegierung oder aus dem gleichen oder einem an-
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dass der Metall-Oxyd-Teil in der Verbindungszone sorgfältig auf Schmelz- oder Erweichungstemperatur erhitzt wird, vorzugsweise etwas über den Schmelzpunkt der Metall-Oxyd-Grundmasse, und der zu verbindende Teil dann in den zentralen Bereich der geschmolzenen Zone leicht eingetaucht wird, worauf sich dann die erzielte Verbindung abkühlen kann.