DD236034A1 - Verfahren zur erwaermung von fuegeteilen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwaermen von Werkstuecken mit stark voneinander abweichenden physikalischen Eigenschaften durch induktives Erhitzen, vorzugsweise anzuwenden beim Diffusionsschweissen und Hochtemperaturloeten. Die Erfindung gestattet das Verbinden unterschiedlicher Metalle, von Metallen mit Nichtmetallen und von Nichtmetallen untereinander. Es wird entweder nur ein Metall an den Induktor angekoppelt und das 2. Fuegeteil ueber Waermeleitung auf die Fuegetemperatur gebracht oder bei 2 Nichtmetallen wird, eine zusaetzliche Erwaermungsvorrichtung eingesetzt, die indirekt ueber Waermeleitung die Fuegeteile erwaermt. Durch dieses Verfahren ist es moeglich, ohne komplizierte Induktorformen und ohne grossen apparativen Aufwand die induktive Erwaermung fuer eine sehr grosse Werkstoffpalette einzusetzen.

Description

Verfahren zur Erwärmung von Fügeteilen Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung von Kontaktflächen beim Verbinden von Werkstoffen mit stark voneinander abweichenden physikalischen Eigenschaften durch induktive Erwärmung. Der zu fügende Werkstoffverbund muß entweder so beschaffen sein, daß ein Fügeteil aus einem Werkstoff besteht, der gut induktiv erwärmbar ist, beispielsweise Stahl, oder eine Zusatzvorrichtung zur indirekten induktiven Erwärmung eingesetzt wird. Das Verfahren kommt vorzugsweise bei den Fügeverfahren Diffusionsschweißen oder Hochtemperaturlöten zum Einsatz, wenn unterschiedliche Metalle, Metalle mit Nichtmetallen oder Nichtmetalle untereinander verbunden werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß zum Erwärmen von Kontaktflächen mehrere Arten der Energiezuführung genutzt werden können. In Diffusionsschweißanlagen wird meist die Strahlungserwärmung eingesetzt, bei der ein Heizer über Widerstandserwärmung zum Glühen gebracht wird und seine Energie über Strahlung an die zu fügenden Teile abgibt (Kazakov, N.F.: Diffusionsschweissen von Werkstoffen - Handbuch, Moskau 1981). Diese Art der Erwärmung hat den Vorteil, daß alle Werkstoffarten erwärmt werden können. Nachteilig ist der geringe Wirkungsgrad dieser Erwärmungsart, weil die Strahlung in alle Raumrichtungen

abgegeben wird und zusätzlich beim Arbeiten im Vakuum die Konvektion als wärmeübertragender Faktor entfällt. Hinzu kommt als Nachteil, daß die gesamte Arbeitskammer, da sie der Strahlung ausgesetzt ist, thermisch hoch belastet wird.

Desweiteren ist der Einsatz energiereicher Strahlung (Laseroder Elektronenstrahl) zur Erwärmung von Kontaktflächen bekannt. In DE-OS 3232018 wird beispielsweise eine Kontaktfläche mit Elektronenstrahlen beschossen. Vorteilhaft ist die relativ enge Eingrenzung der thermischen Wirkzone bei diesem Verfahren. Ebenso günstig ist die genaue Strahldosierung. Als Nachteil stehen dem gegenüber, daß bei unterschiedlichen Werkstoffen Probleme hinsichtlich der gleichzeitigen homogenen Durchwärmung entstehen können. Der apparative Aufwand zum Erzeugen der Elektronenstrahlung ist sehr hoch, so daß auch die Kosten für dieses Verfahren groß sind.

Eine weitere Möglichkeit für die Erwärmung von Kontaktflächen beim Fügen ist die Hochfrequenzerwärmung. In SU-US 495123 ist diese Art der Energieübertragung für Stahlwerkstoffe beschrieben. Bei diesen, in ihren physikalischen Eigenschaften ähnlichen Werkstoffen hat sich dieses Verfahren sehr gut bewährt» Werden aber z.B. Fügeverbindungen von Stahl mit Cu oder von Stahl mit Keramik gefordert, kann die induktive Erwärmung im herkömmlichen Sinne nur mit sehr hohem Aufwand hinsichtlich der Induktorgeometrie (Stahl-Cu) oder gar nicht mehr genutzt werden.

Ziel der Erfindung '

Durchdie Erfindung soll ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen werden, die es gestatten, Werkstoffe mit stark voneinander abweichenden physikalischen Eigenschaften an den Kontaktflächen so gleichmäßig auf die erforderliche Arbeitstemperatur zu erwärmen, daß Diffusionsschweiß- oder Hochtemperaturlötprozesse einsetzen können. Es soll mit Hilfe vorhandener technischer Einrichtungen eine Erweiterung der fügbaren Werkstoffpalette erreicht und damit eine Senkung de3 Geräteauwandes und damit der Kosten erreicht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, die es gestatten, Anlagen zum Diffusionsschweißen und Hochtemperaturlöten mit einem HF-Teil dazu zu benutzen, Fügeverbindungen von unterschiedlichsten Metallen, Metallen und Nichtmetallen und von Nichtmetallen untereinander, herzustellen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei Metall-Metall-Verbindungen der Induktor nur an dam Werkstück angekoppelt wird, daa gut auf diese Art und Weise erwärmbar ist, z.B« Stahl. Der zweite Werkstoff, z.Q. Cu, wird dann fast nur durch Wärmeleitung auf die erforderliche Fügetemperatur gebracht. Um die Energieverluste gering zu halten, sollte der Induktor möglichst nahe an die Fügezone herangebracht werden.

Bei Verbindungen von Metallen mit Nichtmetallen kann der Induktor direkt bis zur Fügefläche des zu erwärmenden Metalls angebracht sein und so eine relativ schnelle Wärmeübertragung auf das Nichtmetall gewährleisten.

Für die Erwärmung zweier Nichtmetalle über die Induktionserwärmung muß ein dritter Körper, ein wärmeleitendes Element, vorzugsweise ein hitze- und zund.erbeständiger Stahl oder Graphit als Wärmeübertrager benutzt werden. Die Wärmeübetragung kann derart erfolgen, daß die zu erwärmenden Nichtmetalle in einer Vorrichtung fixiert sind, die induktiv erwärmt wird. Die Wärmeleitung und die Wärmestrahlung, die von der Einsapnnvorrichtung abgegeben werden, erwärmen dann indirekt induktiv die nichtmetallischen Fügeteile. Diese Erwärmungs- und Einspannvorrichtung kann konstruktiv so gestaltet werden, daß entweder ein oder mehrere Fügeteile gleichzeitig zur Verarbeitung gelangen. In speziellen Fällen, bei denen die Wärmeableitung infolge großer Erwärmungs- und Einspannvorrichtungen erheblich ist, kann die Erwärmungseinrichtung auch auf die Fügezone beschränkt bleiben. Die Einspannung kann in diesem Fall auch aus einem Nichtmetall bzw. einem Spezialverbundwerkstoff (z.B. Mo + ZrO« oder ZrO₂-Keramik) bestehen, die hochwarmfest sind und eine

schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzen. Diese Variante hat den Vorteil, daß die Wärmeeinflußzone nicht über das ganze Fügeteil geht.

Bei der direkten Verbindung der Erwärmungseinrichtung mit den Nichtmetallfügeteilen und den Einspannvorrichtungen ist darauf zu achten, daß entsprechende Trennmittel (ζ.8. Glimmer, Kreide) verwendet werden, um eine unerwünschte Fügeverbindung zwischen Vorrichtung und Werkstück zu vermeiden·

Wird die Wärmeenergie konzentriert auf einer Stelle der Fügeteile benötigt, um kurze Erwärmungszeiten zu erreichen oder den Rest der Fügeteile thermisch nicht* zu überlasten, wird die Erwärmungseinrichtung mit Schichten versehen, die entweder« die Wärmeleitung und den Wärmeübergang zu den Fügeteilen verbessern (z.B. Cu-Schichten) oder verschlechtern (z.B. Keramik).

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung sei am Beispiel des Diffusionsschweißens dargestellt

In -den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Figur 1: Schematische Darstellung des Fügens einer Stahl-Cu-Verbindung

Figur 2: Schematische Darstellung des Fügens zweier Nichtmetalle

In Figur 1 ist die Prinzipanordnung für das Fügen eines Stahles 2 mit einem Cu-Werkstoff 1 dargestellt. Da die Energieumsetzung in beiden Werkstoffen sehr unterschiedlich ist, müßte der Induktor, wenn er beidseitig der Fügezone angeordnet wäre, eine sehr komplizierte Form aufweisen, um eine homogene Durchwärmung zu erreichen. Die Ermittlung der Induktorgeometrie müßte über ein aufwendiges Rechenprogramm erfolgen oder könnte er3t nach zahlreichen Versuchen festgelegt werden.

In Figur 1 ist ein weitaus einfacherer Lösungsweg gegeben, indem der Induktor 4 unterhalb der Fügezone 5 an das Stahlteil 2 angekoppelt wird. Die Energieumsetzung erfolgt also

hauptsächlich im Stahlteil. Durch Wärmeleitung wird die Fügefläche 5 zwischen Stahl- und Cu-Teil auf die erforderliche Fügetemperatur erwärmt.

In Figur 2 ist prinzipiell der Agfbau für die Verbindung von 2 Nichtrnetallteilen 6a und 6b dargestellt. Es ist möglich, zwischen den Teilen 6a und 6b eine· für die Verbindungsbildung wichtige Zwischenschicht einzulegen. Um die Fügezone 5 ist eine Erwärmungseinrichtung 7 aus hitze- und zunderbeständigem Stahl angeordnet, die über den Induktor 4 erwärmt wird. Die Energieübertragung erfolgt dann vorwiegend über Wärmeleitung aus der Erwärmungseinrichtung 7 in die Fügezone« Zur Vermeidung der schnellen Wärmeableitung sind die Keramikeinspannvorrichtungen 8a und 8b jeweils am Ende der Fügeteile angeordnet.

Claims (5)

1. Erfindungsanspruch

   1. Verfahren zur Erwärmung von Fügeteilen mit stark voneinander abweichenden physikalischen Eigenschaften durch induktives Erhitzen, vorzugsweise beim Diffusionsschweißen oder Hochtemperaturlöten einsetzbar, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung aus einem Fügeteil besteht, das
   gut induktiv erwärmbar ist, das warmewerkzeug (Induktor) nur an diesem Teil angekoppelt ist und die Fügefläche
   zum zweiten Fügeteil durch die entstehende Wärmeleitung
   auf die erforderliche Fügetemperatur gebracht wird,
2. 2. Verfahren gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein wärmeleitendes Element, welches aus einem hitze- und zunderbeständigen Stahl oder Graphit besteht, induktiv ei—
   wärmt wird und die entstehende Wärmeenergie durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung auf die in der Aufnahme befindlichen zwei Fügeteile überträgt.
3. 3. Verfahren gemäß Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Fügeteile gleichzeitig erwärmt und gefügt werden.
4. 4. Verfahren gemäß Punkt 3, dadurch gekennzeichnet,daß sich die Fügeteile in einer keramischen Aufnahme befinden und die Erwärmungseinrichtung nur in der Fügezone wirksam ist.
5. 5. Verfahren gemäß Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmungseinrichtung partiell oder vollständig mit Schichten versehen ist, die die Wärmeleitung verbessern oder, verschlechtern.