Published on 5/11/2017
Categories: Aerospace, Applications

Vakuumdiffusionsschweißen: eine wahre Erfolgsgeschichte

Vakuumdiffusionsschweißen: eine wahre Erfolgsgeschichte

Dies ist nicht bloß ein trockener Fachartikel, sondern eine spannende Geschichte über Leidenschaft, Engagement, Fortschritt und Herausforderungen. Der Artikel bietet kompetente Informationen zum Diffusionsschweißen im Vakuumofen, die sowohl von Fachleuten als auch aus anderen Quellen stammen, zusammen mit ihren direkten Erfahrungen bezüglich des jeweiligen Problems. Bevor wir näher auf den Gegenstand eingehen, müssen wir die Grundlagen des Diffusionsschweißens verstehen.

Diffusionsschweißen: Die Grundlagen verstehen

Beim Diffusionsschweißen geht es darum, zwei Oberflächen durch die Wirkung von Temperatur und Druck miteinander zu verbinden. Einer der Vorteile des Diffusionsschweißens besteht darin, dass ein Schmelzen sowie die damit einhergehenden Beschädigungen vermieden werden. Weil der Schweißdruck weit unter den Streckgrenzen des Materials liegt, sind massive plastische Verformungen der Materialien vollständig ausgeschlossen.

Das Vakuumdiffusionsschweißen ist abhängig von Temperatur, Druck, Zeit und Vakuumstufen, um einen atomaren Austausch entlang der Verbindungsstelle zwischen den Materialien zu ermöglichen. Das Verfahren funktioniert sowohl bei gleichen als auch bei ungleichen Materialien, sofern ein enger Kontakt zwischen ihnen besteht.

Die bei diesem Verfahren entstehenden hochfesten Schweißnähte sind für den Einsatz in einer Vielzahl von Industrien geeignet, wie zum Beispiel Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Schiffsbau, Erdöl, Petrochemie und Verfahrenstechnik. Die Schweißnähte sind perfekt lecksicher und können hohen Betriebstemperaturen und/oder ultraniedrigen Vakuumstufen widerstehen. Zu den häufigen Anwendungen gehört die Herstellung von Unterlegvorrichtungen für Mini- oder Mikrokanal-Geräte (die für Krümmer, biomedizinisch Implantate, Düsen, Mischgerät und andere Präzisionsgeräte verwendet werden).

Diffusionsschweißen in einem Vakuum: Die praktischen Schwierigkeiten

Vor mehr als zwanzig Jahren erhielt TAV seine erste Bestellung eines Vakuumofens zum Diffusionsschweißen von Titanwärmetauschern.

Die Ofenmaße mussten groß sein, für eine lange, große und hohe Charge. Hochvakuum, hoher Gasdruck (Ar) und hohe Temperaturgleichmäßigkeit waren erforderlich. Der Behälter hatte eine hohe Rumpfdicke und war unter Druckzertifizierungskontrolle. Eine ganz schön schwierige Herausforderung: Zum damaligen Zeitpunkt war das Diffusionsschweißen in einem Vakuum die erste Anwendung dieser innovativen Technologie.

In einem Vakuum, mit der gleichen Isolierdicke der Hitzekammerseiten und aufgrund der typischen Emissivität von schwarzen Gegenständen (wie im Fall eines schwarzen Graphit-Panels), wäre es schon einfach genug gewesen, eine gute Gleichmäßigkeit zu erzielen. Beim Vorhandensein von Gas finden wir jedoch eine kältere Zone am Boden und eine heißere Zone im oberen Bereich vor. Das Vorhandensein von Gas in der heißen Zone veränderte jedoch vollkommen die Bedingungen zur Erzielung einer guten Gleichmäßigkeit. Die geforderte Gleichmäßigkeit war beim Vorhandensein von Konvektionsströmen in der heißen Zone und außerhalb der Hitzekammer ein wirklich schwieriges Ziel.

Die Leistungsabgabe und die Hitzeübertragung auf die Innenwände des Behälters stellten ebenfalls ein Problem dar.

Darüber hinaus erwies sich der Einsatz von Ventilatoren, die übliche Lösung bei Problemen gleichmäßiger Temperatur im Zusammenhang mit Gas, für diese spezielle Anwendung als ungeeignet. Bei einem so hohen Druck würde der Freiraum um den Ventilator herum eine große Gasleckage verursachen, wodurch heißes Gas aus der Kammer entweichen und kaltes Gas in die Kammer hineingelangen würde.

Zudem hätte das Kontrastieren der natürlichen Konvektionsflüsse mit einem noch höheren forcierten und über die Ventilatoren kontrollierten Fluss die Wärmeableitung der Kammer nur noch verstärkt.

Diese anspruchsvolle Aufgabe erforderte eine Kombination aus Erfahrung und Innovation, um eine überzeugende Lösung zu finden. Wie ist es uns gelungen, diese Schwierigkeiten bei den Vakuumöfen zum Diffusionsschweißen zu lösen?

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Vakuumdiffusionsschweißen: Bauliche Merkmale

Die Ingenieure von TAV probierten zunächst in mehreren Tests, die natürlichen Konvektionsströme zu begrenzen, anstatt sie mit einer forcierten Konvektion zu erhöhen.

Der Grund für das Vorhandensein einer konvektiven Rezirkulation besteht darin, dass das heiße Gas, sobald es den oberen Bereich der Hitzekammer erreicht, aufgrund seiner geringeren Dichte die Hitze durch die obere Isolierung abgibt, wodurch es kälter wird und wieder zum Boden des Arbeitsvolumens zurückkehrt. Um dies zu verhindern, musste die Isolierung der Hitzekammer, bestehend aus Graphit, unterschiedliche Dicken aufweisen, um die Hitzeverluste auf der gesamten Innenfläche zu vereinheitlichen. Die dicksten Abschnitte der Isolierung wurden in den oberen Bereichen der Hitzekammer angebracht.

Durch die Begrenzung der Konvektionsströme konnte die Abgabe begrenzt werden, und es konnten mit zahlreichen Geometrien reproduzierbarere Bedingungen hergestellt werden, doch dadurch konnte das Problem der Gleichmäßigkeit nicht gelöst werden. Daher beschlossen wir, auch die abstrahlenden Hitzeelemente zu verteilen, mit einer nicht gleichmäßigen Anordnung und mit unterschiedlicher Heizleistung an den Innenflächen. Damit sollte die Überhitzung der oberen Bereiche vermieden werden.

Um die Innenwand des druckbeaufschlagten Behälters vor den hohen Temperaturen zu schützen, beschlossen wir, einen zusätzlichen wassergekühlten Wärmetauscher in direktem Kontakt zur Behälterwand zu installieren.

Durch die Kalibrierung all dieser unterschiedlichen angewendeten Lösungen konnten wir ganz leicht eine Temperaturgleichmäßigkeit erreichen.

Damit erwarben wir führendes Know-how, Techniken und Methoden, die wir zur Entwicklung einer kompletten Reihe von Vakuumöfen zum Diffusionsschweißen verwendet haben.

Dieser Artikel stellt nur eine kurze Einführung in das Diffusionsschweißen dar. Da dieses Verfahren in einem Vakuum durchgeführt wird, weisen diffusionsgeschweißte Nähte nur minimale Unreinheiten auf, selbst im Falle von hochaktiven Metallen. Dieses Verfahren wurde umfassend im Bereich der Luft- und Raumfahrt angewendet, zum Verbinden von Materialien und zur Schaffung von Formen, die sonst nicht möglich gewesen wären (wie zum Beispiel die Wabenkonstruktion und die mehrfach gerippten Kanäle).

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