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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur stoffschlüssigen Verbindung eines Bauteils aus Titanaluminid mit einem Bauteil aus einem artfremden Metall sowie eine stoffschlüssige Verbindung.
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Titanaluminide, kurz TiAl-Legierungen genannt, gehören zu den intermetallischen Legierungen, die ausgehend von der TiAl-Verbindung aus etwa 50 Atom% Titan und etwa 50 Atom% Aluminium entwickelt werden.
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Im Sinne der Erfindung sind stoffschlüssige Verbindungen Verbindungen, bei denen die Verbindungspartner mittels atomarer oder molekularer Kräfte zusammengehalten werden. Sie sind nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen. Hierzu zählen Lötverbindungen, Schweißverbindungen und andere Verbindungen wie Klebeverbindungen.
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Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes (Schmelzlöten) oder durch Diffusion an Grenzflächen (Diffusionslöten) entsteht. Die Solidustemperatur der Grundwerkstoffe wird nicht erreicht (DIN 8505 ”Löten”). Mittels Löten wird eine nichtlösbare, stoffschlüssige Verbindung hergestellt. Als Verbindungsmaterial dient meist eine leicht schmelzbare Metalllegierung, das Lot. Mit dessen Hilfe wird eine metallische Verbindung von zwei metallischen oder nichtmetallischen Werkstücken erzeugt.
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Schweißen bezeichnet das unlösbare Verbinden von Bauteilen oder Werkstücken unter Verwendung von Wärme oder Druck, mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoff(e) (DIN ISO 857-1). Besonders häufig werden Schmelzschweißverfahren für meist metallische Materialien angewendet. Die Verbindung erfolgt je nach Schweißverfahren in einer Schweißnaht oder einem Schweißpunkt, beim Reibschweißen auch in einer Fläche. Die zum Schweißen notwendige Energie wird von außen zugeführt
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Zum Fügen zwischen TiAl-Legierungen und artgleichen oder artfremden Werkstoffen wurden Schweißverfahren, wie z. B. Reibschweißen, vorgeschlagen.
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Auch Löten gehört zu den Fügeverfahren. Beim Löten werden die zu fügenden Werkstücke zusammen mit einem geeigneten Lot in einem Ofen auf eine Temperatur erwärmt, die das Lot zum Schmelzen bringt. Die Gefügestruktur der zu fügenden Bauteile oder Werkstücke verändert sich nicht massiv. Das schmelzfähige Lot benetzt die zu fügenden Bauteile und dringt, unterstützt von Kapillarkräften, in den sogenannten Fügespalt ein, um dort aufgrund von Diffusionsprozessen eine chemische Verbindung zwischen den zu fügenden Bauteilen zu erzeugen. Beim anschließenden Abkühlvorgang erstarren die noch flüssigen Bestandteile in der Bindezone, der sogenannten Lötnaht. Die Qualität einer Lötverbindung wird maßgeblich durch das verwendete Lot bestimmt.
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Die genannten Verbindungen und auf diese Weise gefügten Bauteile werden z. B. im Bereich der Turbinenrotoren in heißer Umgebung verwendet. Daher müssen die fertig hergestellten, miteinander gefügten Bauteile auch im Einsatz hohen Temperaturen standhalten können. Ferner muss das Bauteil, insbesondere wenn es sich um Turbinenrotoren aus TiAl an Stahlwellen handelt, hohen Umfangsbelastungen, die durch Zentrifugalkräfte im Einsatz des Bauteils auftreten, widerstehen können. Daher wurden auf Grund empirisch erhobener Daten Zwischenteile zwischen einen TiAl-Rotor und einer Stahlwelle eingesetzt, die das frühzeitige Brechen und den Fortbestand der Verbindung zwischen den einzelnen Teilen verhindern soll.
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Aus der
US 5,431,752 ist es bekannt, ein Zwischenteil zwischen einen Stahlkörper und ein TiAl-Bauteil einzusetzen und dieses jeweils durch Reibschweißen mit den beiden Körpern zu verbinden.
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Nachteilig werden in den zu fügenden Werkstoffen relativ hohe thermomechanische Spannungen induziert. Die Titanaluminidwerkstoffe sind anfällig gegenüber thermischen Spannungen wegen des spröd-duktil Überganges bei 600 bis 800°C. Leicht treten auf Grund der Eigenschaften des Gefügebestandteils y-Titanaluminid Risse auf. Daher ist das angegebene Verfahren nur in engen Prozessfenstern anwendbar.
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In
EP 0 368 642 B1 wird ein Verbund aus TiAl und einem artfremden Metall hergestellt, indem zwischen einem TiAl-Legierungsteil und einem Stahlbauteil ein Zwischenteil eingefügt wird, welches aus einem austenitischen rostfreien Stahl besteht. Das Zwischenteil wird durch Reibschweißen an das Stahlbauteil angeschweißt. Im Weiteren wird der Verbund dadurch hergestellt, dass das Zwischenteil entweder durch Reibschweißen oder durch Einfügungsgießen an das TiAl-Bauteil gefügt wird.
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Nachteilig ist es mit bisher keinem Verfahren gelungen, einen dauerhaften Verbund zwischen einem Bauteil aus einer TiAl-Legierung und einem artfremden Material, insbesondere einem Stahlbauteil, wie einer Welle, bereit zu stellen.
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Reibschweißen kommt nur bedingt zum Einsatz, da es insbesondere bei der Mischverbindung zu der genannten ausgeprägten Sprödphasenbildung kommt, die die Fügezone nachteilig beeinträchtigt. Hohe mechanische Spannungen induzieren Risse in der Fügezone.
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Ofenlöten oder Hochfrequenzinduktionslöten bewirken nachteilig eine längere und intensive Erwärmung der Fügepartner. Der Lötprozess beeinflusst die Eigenschaften der Oberfläche der Stahlwerkstoffe (z. B. Härtezone als Lagerlauffläche) nachteilig. Die Eigenschaften des Wellenwerkstoffs werden durch die hohen Temperaturen des Lötprozesses deutlich verschlechtert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren für eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einem Bauteil aus Titanaluminid und einem Bauteil aus einem artfremden Metall bereit zu stellen. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einem Bauteil aus einem Titanaluminid und einem Bauteil aus einem artfremden Metall bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Verbindung nach dem Nebenanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen rückbezogenen Ansprüchen.
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Das Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen eines TiAl-Legierungsteils mit einem artfremden metallischen Bauteil sieht vor, dass beide Bauteile mittels eines Zwischenteils zwischen dem TiAl-Legierungsteil und dem artfremden metallischen Bauteil stoffschlüssig gefügt werden. Das Verfahren ist vorteilhaft dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenteil an das TiAl-Legierungsteil gelötet und an das Bauteil aus einem artfremden Metall geschweißt wird.
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Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass der bisher übliche Schweißvorgang, insbesondere das Schmelzschweißen an der TiAl Seite und das Reibschweißen, für viele Anwendungen nicht zu einer dauerhaften Verbindung zwischen den zu fügenden Bauteilen führt. Es wurde erkannt, dass dies im Wesentlichen der Spröd- und Rissbildung durch hohen Energieeintrag an das TiAl-Bauteil geschuldet ist. Beim Reibschweißen kommt es überdies zu hohen mechanischen Belastungen, denen TiAl Bauteile nicht standhalten.
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Mit dem Verfahren ist es vorteilhaft möglich, Bauteile aus Stählen, insbesondere auch warm- und hochwarmfeste Legierungen, austenitische Stähle, martensitische Stähle, hitzebeständige Stähle, Baustähle, wie z. B. 42CrMo4, X45Cr Si 9-3, X22 CrMoV 12 1 sowie Nickel-Basis-Legierungen, oder Nichteisenmetalle als so genannte artfremde Metalle, mit Bauteilen aus Titanaluminid stoffschlüssig zu verbinden. Entsprechend ist das Verfahren durch die Wahl derartiger Metalle gekennzeichnet.
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Zur Vermeidung der Sprödphasenbildung bei der Verbindung von TiAl mit dem artfremden metallischen Werkstoffen und bevorzugt einem Stahlwerkstoff und gleichzeitiger Erhaltung der Werkstoffeigenschaften des metallischen Werkstoffs wird das stoffschlüssige Fügen in zwei vorzugsweise gleichzeitig, jedenfalls aber thermisch deutlich separierten Schritten durchgeführt. Deutlich separiert im Sinne der Erfindung kann ein Temperaturunterschied zwischen den beiden Schritten von etwa 100 bis etwa 500° Celsius bedeuten.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sollte während des erfindungsgemäßen Verfahrens im Lotbereich die Temperatur 1100 Grad Celsius nicht übersteigen, da sonst das Lot verdampfen könnte. Im Schweißbereich wiederum sollte die Temperatur z. B. mindestens 1400 Grad Celsius betragen, da sonst die Schweißnaht nicht ausgebildet wird.
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In einem ersten Schritt wird hierzu beispielsweise das TiAl-Bauteil mit einem artfremden Zwischenteil mittels Löten, bevorzugt durch strahlunterstütztes Löten, verbunden. In einem zweiten, vorzugsweise gleichzeitig hierzu ausgeführten Schritt erfolgt eine Schweißverbindung des Zwischenteils an das artfremde, metallische Material. Hierdurch werden die Vorteile von Löten und Schweißen ausgenutzt. Es kann selbstverständlich auch die umgekehrte Reihenfolge gewählt werden.
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Das Löten vermeidet vorteilhaft die Sprödphasenbildung. Das Schweißen vermeidet vorteilhaft weit reichende Werkstoffveränderungen an der Wellenseite ohne die jeweiligen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Hinzu kommt eine vorteilhafte Nutzung der Temperatureinbringung von Löt- bzw. Schweißprozess beim jeweils anderen, vorzugsweise zeitgleich, ablaufenden Prozess.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Strahlsprung- oder Mehrstrahltechnik genutzt. Dabei wird ein Laser- oder Elektronenstrahl als energiereicher Teilchenstrahl oder auch z. B. ein Protonenstrahl mittels elektronen- oder lichtoptischer Hilfsmittel, wie z. B. Spulen bzw. Spiegel, quasi gleichzeitig auf mehrere Arbeitsbereiche verteilt. Dies erfolgt durch hochfrequentes Ablenken der Strahlen, so dass der Temperatur- bzw. Schmelzprozess kontinuierlich aufrechterhalten wird. Grundsätzlich ist dies auch mit zwei getrennt arbeitenden Strahlquellen möglich, verursacht aber einen erheblichen maschinellen Mehraufwand und -kosten.
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Die Prozesse Löten des Zwischenteils an das TiAl-Bauteil und Schweißen des Zwischenteils an das artfremde Metall können auch zeitlich nacheinander durchgeführt werden. Auch hierdurch werden die erfindungsgemäßen Aufgaben der Erfindung gelöst. Allerdings bleiben die vorteilhaften Synergien einer gleichzeitigen Temperaturführung und Einbringung der Temperaturen aus der Lötzone in die Schweißzone und umgekehrt ungenutzt und die Prozessdauer verlängert sich entsprechend.
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Da erfindungsgemäß mit einem im Vergleich zum Schweißprozess niedrigen Energieeintrag die Lötzone zwischen TiAl-Bauteil und Zwischenteil erwärmt wird, wird die nachteilige Rissbildung an dieser Fügeseite vermieden, wohingegen auf der anderen Fügeseite des Zwischenteils zum artfremden Metall das Schweißen größtmögliche Festigkeit bietet.
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Hierzu wird vorzugsweise ein Zwischenteil aus Stahl oder einem ähnlichen Material, wie z. B. 42CrMo4, X45Cr Si 9-3, X22 CrMoV 12 1, als an das TiAl-Bauteil zu fügende Material gewählt.
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Als Schweißverfahren wird vorzugsweise das Elektronenstrahlschweißen oder Laserstrahlschweißen angewendet. Die im Elektronenstrahl bzw. Laserstrahl bzw. Protonenstrahl vorhandene Energie kann besonders vorteilhaft mit den modernen Verfahren der Elektronenoptik oder Lichtoptik auf beide zu fügenden Flächen in einem Verfahrensschritt verteilt werden. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, den Strahl so aufzuteilen, dass eine Energieverteilung von etwa 40% für den Lötbereich und von etwa 60% für den Schweißbereich eingestellt wird.
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Das Verfahren wird vorzugsweise an einem Turbinenrad als TiAl-Legierungsteil und einer Stahlwelle als artfremdes metallisches Bauteil durchgeführt. Diese Bauteile sind bisher trotz großer Bemühungen und Alternativvorschläge noch nicht zufriedenstellend fügbar.
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Besonders vorteilhaft zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass ein Zwischenteil gewählt wird, dessen Durchmesser am Turbinenrad und an der Wellenseite die größtmögliche Verbindungszone bietet. Hierzu wird ein an die beiden Durchmesser der miteinander zu fügenden Bauteile angepasstes Zwischenteil gewählt. Das Zwischenteil weist an einer Seite einen Durchmesser auf, der etwa dem der Welle entspricht. Das Zwischenteil weist an einer anderen Seite einen Durchmesser auf, der etwa dem des TiAl-Bauteil entspricht.
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Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass im Falle einer TiAl-Turbine diese bisher nur mittels relativ kleiner Anbindungsflächen an den Schaft einer Welle aus einem artfremden Metall verbunden wurde.
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Es wird daher in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, ein Zwischenteil einzusetzen, dass eine maximale Verbindungsfläche sowohl zum Bauteil aus einer TiAl-Legierung, als auch eine maximale Verbindungsfläche zum Bauteil aus dem artfremden Metall aufweist. Das Zwischenteil wird als durchmesserangepasst bezeichnet.
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Als Lotmaterial an der Lötzone zwischen TiAl-Bauteil und Zwischenteil kann vorzugsweise ein Nickel-Basislot verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße stoffschlüssige Verbindung zwischen einem Bauteil aus Titanaluminid mit einem Durchmesser d1 und einem Bauteil aus einem artfremden Metall mit einem Durchmesser d2 ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenteil an der Verbindungsseite zum Bauteil aus Titanaluminid gelötet und an der Verbindungsseite zum Bauteil aus dem artfremden Metall geschweißt ist.
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Der Durchmesser d1 des Bauteils aus Titanaluminid und der Durchmesser d2 des Bauteils aus einem artfremden Metall können voneinander verschiedenen sein, wobei der Durchmesser des TiAl-Bauteils vorzugsweise größer ist.
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Das Zwischenteil weist an seiner Verbindungsseite zum Bauteil aus Titanaluminid etwa dessen Durchmesser d1 auf. Hierdurch wird vorteilhaft die größtmögliche Verbindungszone geschaffen. Vorteilhaft kann das Zwischenteil in eine Vertiefung des TiAl-Bauteils zusammen mit dem Lot eingebracht sein.
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Ferner weist das Zwischenteil der Verbindung besonders vorteilhaft an der Verbindungsseite zum Bauteil aus dem artfremden Metall etwa dessen Durchmesser d2 auf.
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Das Zwischenteil ist vorzugsweise aus Stahl, insbesondere aus einem warmfesten oder hochwarmfesten Stahl.
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Besonders vorteilhaft ist die Verbindung dadurch gekennzeichnet, dass das TiAl-Bauteil ein Turbinenrad und das Bauteil aus dem artfremden Metall eine Welle ist.
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Das Zwischenteil kann z. B. aus 42CrMo4, X45Cr Si 9-3, X22 CrMoV 12 1 bestehen.
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Im Weiteren wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten Figur näher beschrieben.
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Die 1a und 1b zeigen grob schematisch im Querschnitt die Anordnungen der Bauteile vor bzw. während des Fügeverfahrens.
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1a zeigt die einzelnen Bauteile vor dem Zusammensetzen in einer Spannvorrichtung. Es ist im TiA-Bauteil 1 rechterhand die Vertiefung 8 erkennbar. Darin wird das Lot 7 und das Zwischenteil 2 eingesetzt. Ebenso zeigt 1a die Bereiche der Erwärmungs- bzw. Fügezonen 4, 5, 6 während des späteren Verfahrens.
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1b zeigt die erfindungsgemäße Verbindung nach dem Einspannen.
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Ein TiAl Turbinenrad 1 wird mittels eines Zwischenteils 2 aus Stahl mit einer Welle 3, ebenfalls aus Stahl, verbunden. Hierbei kommt vorzugsweise ein an die verschiedenen Durchmesser der Teile 1 und 3 angepasstes Zwischenteil 2 zum Einsatz. Dessen Durchmesser weist zum Turbinenrad hin eine größtmögliche Verbindungszone auf und entspricht zur Wellenseite hin etwa dem Wellendurchmesser.
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Somit kann an der jeweiligen Fügezone 4, 5 (1b) eine Prozess- und belastungsangepasste Geometrie genutzt werden, ohne dass es zu der kritischen Sprödphasenbildung am TiAl kommt.
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Im Ausführungsbeispiel wird mit einer Energieverteilung von etwa 40% im Lötbereich 4 und von etwa 60% im Schweißbereich 5 unter Ausnutzung elektronenoptischer Ablenktechniken das jeweils erforderliche Temperaturfeld eingestellt, das zum Löten und Schweißen erforderlich ist.
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Im Ausführungsbeispiel werden die miteinander zu fügenden Bauteile Turbinenrad 1, Zwischenteil 2 und Welle 3 mit einer eingelegten Lötfolie 7 aus Nickel-Basislot zwischen Teil 1 und Teil 2 gemeinsam axial verspannt (siehe dicke Pfeile in 1b). In einen Zentrierabsatz als Vertiefung 8 mit einem Durchmesser von etwa 26 mm wird die Lotfolie 7 mit einem Durchmesser von ebenfalls 26 mm und mit einer Dicke von 0,05 mm eingebracht. Das Zwischenteil 2 hat an seinem turbinenseitigen Ende einen Durchmesser von ebenfalls 26 mm. Durch Zentrierungen an Teil 1 und Teil 2 ist die Einhaltung der Fertigungstoleranzen gewährleistet. Durch die Spannflächen an Bauteil 1 und an Welle 3 ist der fertigungsgerechte Sitz des Zwischenteils an die Welle ebenfalls zueinander gewährleistet. Die in einer Einfach- oder Mehrfachspannvorrichtung eingespannte Baugruppe aus Teil 1–3 und Lotfolie 7 wird in eine Vakuumkammer einer Elektronenstrahlschweißmaschine eingebracht. Mit Erreichen eines Vakuums von etwa < 10–2 mbar kann das Verfahren gestartet werden. Hierzu wird ein Elektronenstrahl mit einer Leistung von 2 kW durch geeignete Anstellung der Baugruppe und/oder eine geeignete Strahlablenkung des Elektronenstrahls so eingesetzt, dass eine Erwärmungszone 6 am Zwischenteil 2 so erwärmt wird, dass sich hier eine hinreichende Löttemperatur z. B. von etwa 1050°C auch im Lötbereich 4 einstellt und gleichzeitig eine Schweißzone 5 zwischen Zwischenteil 2 und Welle 3 entsteht.
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Im Ausführungsbeispiel wird hierzu eine Energieverteilung von ca. 40% an der Erwärmungszone 6 und 60% an der Schweißzone 5 eingestellt. Gleichzeitig wird an der Erwärmungszone 6 ein defokussierter Elektronenstrahl mit schneller Strahlablenkung eingesetzt, um eine Schmelzung des Materials in diesem Bereich zu vermeiden.
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Im Schweißbereich 5 wird hingegen ein scharf fokussierter Elektronenstrahl mit beispielhafter Kreisoszillation eingesetzt. Hier kommt es dadurch zu einem engbegrenzten Schweißprozess mit hoher Einschweißtiefe. So kann der gesamte Querschnitt der Fügezone 5 mit einem Durchmesser von 14 mm verschweißt werden, ohne dass die angrenzende Funktionsfläche auf der Welle 3 beeinträchtigt wird.
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Es kann eine Fügezeit von 60 Sekunden gewählt werden.
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Im Falle einer Mehrfachspannvorrichtung würde die Bauteilgruppe verdreht und der nächste Fügeschritt gestartet. Bei einer Einfachspannvorrichtung wird nach einer Abkühldauer von 30 Sekunden im Ausführungsbeispiel die Vakuumkammer der Elektronenstrahlschweißmaschine mit Luft geflutet und der Bauteilwechsel durchgeführt.
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Es ist ohne Einschränkung der Erfindung möglich, auch ein Bauteil 3 aus einer Keramik vorzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5431752 [0009]
- EP 0368642 B1 [0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 8505 [0004]
- DIN ISO 857-1 [0005]
