DE102016110643A1 - Flange component for gas-tight connection with other components for piping systems - Google Patents
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Abstract
Vorliegende Erfindung betrifft eine Flansch-Bauteil zur Verwendung in einem Vakuumsystem, wobei das Flansch-Bauteil einen Rohrleitungsteil umfasst, wobei, das Rohrleitungsteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, wobei das Flansch-Bauteil einen Flansch umfasst, wobei der Flansch aus Titan oder einer Titan-Legierung besteht, wobei der Flansch mit dem Rohrleitungsteil verschweißt ist und wobei die Schweißverbindung zwischen Flansch und Rohrleitungsbauteil gasdicht ist.The present invention relates to a flange component for use in a vacuum system, wherein the flange component comprises a pipe part, wherein the pipe part made of aluminum or an aluminum alloy, wherein the flange member comprises a flange, wherein the flange of titanium or a titanium Alloy, wherein the flange is welded to the pipe part and wherein the welded joint between the flange and the pipe member is gas-tight.
Description
Die Erfindung richtet sich auf eine direkte gasdichte Verbindung zwischen einem Flansch-Bauteil bestehend aus Titan oder einer Titan-Legierungen und einem Rohrleitungsteil bestehend aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierungen zur Verwendung in einem Vakuumsystem sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention is directed to a direct gas-tight connection between a flange component consisting of titanium or a titanium alloy and a pipe part consisting of aluminum or an aluminum alloy for use in a vacuum system and to a method for its production.
Lösbare Flanschverbindungen, welche im hohen Maße gasdicht sind, benötigen metallische Dichtungen. Aluminium hat keine genügend hohe Härte und Standfestigkeit, um direkt mit metallischen Dichtungen verwendet werden zu können. Eine direkte Verbindung Edelstahl-Aluminium ist nach derzeitigem Stand der Technik nicht möglich. Alternativ wird hier eine Verbindung Titan-Aluminium vorgeschlagen.Releasable flange connections, which are highly gas-tight, require metallic gaskets. Aluminum does not have enough hardness and stability to be used directly with metallic gaskets. A direct connection of stainless steel aluminum is not possible according to the current state of the art. Alternatively, a titanium-aluminum compound is proposed here.
Stand der Technik:State of the art:
Ein direktes Fügen von Titan mit anderen metallischen Werkstoffen bereitet große Schwierigkeiten. Schmelzschweißverfahren schmelzen die Grenzflächen der Fügepartner auf und bilden intermetallische Phasen, die zwar die Zugfestigkeit der Verbindung erhöhen, aber spröde sind, die Bruchgefahr an der Übergangsstelle erhöhen, eine Vakuum dichte Verbindung in aller Regel verhindern und beim Abreißen das weichere Material zerstören. Über geeignete Zwischenlagen ist zwar eine Verbindung möglich, dieses Verfahren ist allerdings aufwändig und teuer. So wird zur Verbindung Titan-Stahl Vanadium eingesetzt, zur Verbindung Titan-Aluminium Silber. Beim Laserschweißverfahren im Überlappstoß entstehen an der Grenzfläche Aluminium-Titan ebenfalls intermetallische Phasen.Direct joining of titanium with other metallic materials causes great difficulties. Fusion welding processes melt the interfaces of the joining partners and form intermetallic phases, which increase the tensile strength of the joint but are brittle, increase the risk of breakage at the transition point, generally prevent a vacuum-tight bond and destroy the softer material when torn off. Although a suitable connection is possible via suitable intermediate layers, this process is complex and expensive. For the connection titanium-steel vanadium is used, for connection titanium-aluminum silver. The laser welding process in the lap joint also produces intermetallic phases at the aluminum-titanium interface.
In
Den aus dem Stand der Technik bekannten gasdichten Verbindungen und deren Herstellungsverfahren ist gemeinsam, dass sie energie- und zeitaufwändig, teuer und damit für die Serienproduktion nicht geeignet sind.The gas-tight connections known from the prior art and their production methods have in common that they are energy-consuming, time-consuming, expensive and thus not suitable for series production.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine direkte gasdichte Verbindung zwischen Titan und Aluminium zu ermöglichen, die einfacher, schneller und damit kostengünstiger herzustellen ist als bisher eingesetzte Verfahren.It is therefore an object of the invention to enable a direct gas-tight connection between titanium and aluminum, which is easier, faster and therefore cheaper to produce than previously used method.
Die Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Verbindungselement und durch das in Anspruch 10 beschriebene Verfahren zu seiner Herstellung gelöst.The object is achieved by the connecting element described in
Erfindungsgemäß wird mittels einer Schweißverbindung eine gasdichte Verbindung (Leckraten < 10–9 mbar/l/s He) zwischen einem Flansch-Bauteil aus Titan oder einer Titan-Legierung und einem Rohrleitungsteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zur Verwendung in einem Vakuumsystem hergestellt. Solche Flansch-Bauteile sind insbesondere auch mit metallischen Dichtungen verwendbar. Weiterhin sind solche Flansch-Bauteile temperaturstabil in einem Temperaturbereich von –200°C bis +250°C. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann der Flansch auch als massives Bauteil, z. B. als Platte, ausgebildet sein. Ein Rohrleitungsteil ist im Rahmen dieser Erfindung ein an der Fügestellung rotationssymmetrisches Bauteil mit Öffnungen an den entgegengesetzten Enden. Ein Ende kann erfindungsgemäß auch massiv ausgebildet sein. Bisher eingesetzte Verfahren zu ihrer Verbindung sind entweder zu aufwändig und damit teuer oder gewährleisten keine gasdichte Verbindung.According to the invention, a gas-tight connection (leakage rate <10-9 mbar / l / s He) between a flange component made of titanium or a titanium alloy and a pipe part made of aluminum or an aluminum alloy for use in a vacuum system is produced by means of a welded connection. Such flange components are particularly useful with metallic seals. Furthermore, such flange components are temperature-stable in a temperature range of -200 ° C to + 250 ° C. In another embodiment of the invention, the flange can also be used as a solid component, for. B. as a plate may be formed. A pipe part in the context of this invention is a rotationally symmetrical component at the joining position with openings at the opposite ends. An end can also be solid according to the invention. Previously used methods for their connection are either too expensive and therefore expensive or do not guarantee a gas-tight connection.
Insbesondere kann erfindungsgemäß das Rohrleitungsteil aus einer Aluminium-Legierung mit einem stöchiometrischen Aluminium-Gehalt von mehr als 50% bestehen. Rohre aus diesem Material lassen sich einfach und kostengünstig herstellen. Aluminium-Legierungen weisen ein geringes spezifisches Gewicht auf und lassen sich leicht handhaben. Die Ausgasungsrate unter Vakuum-Bedingungen ist außerdem so gering, dass das Vakuum wenig „verunreinigt” wird.In particular, according to the invention, the pipe part can consist of an aluminum alloy with a stoichiometric aluminum content of more than 50%. Tubes made of this material can be produced easily and inexpensively. Aluminum alloys have a low specific gravity and are easy to handle. The outgassing rate under vacuum conditions is also so low that the vacuum is little "contaminated".
Erfindungsgemäß besteht das Flansch-Bauteil aus einer Titan-Legierung mit einem stöchiometrischen Titan-Gehalt von mehr als 50%. Titan und Titan-Legierungen besitzen eine hohe Festigkeit und erreichen bei geringer Dichte Zugfestigkeiten von bis zu 1000 N/mm2 und darüber (Elastizitäts-Modul Titan 105 kN/mm2). Außerdem bildet Titan an Luft eine äußerst beständige oxidische Schutzschicht aus. Es ist daher besonders für Anwendungen geeignet, bei denen es auf hohe Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, praktisch nicht vorhandener Magentisierbarkeit und geringes Gewicht ankommt. Die in einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der Erfindung verwendeten Titan-Legierungen haben einen Zugfestigkeit von von > 500 N/mm2 bei Raumtemperatur, bevorzugt > 650 N/mm2 und besonders bevorzugt > 800 N/mm2. According to the invention, the flange component consists of a titanium alloy with a stoichiometric titanium content of more than 50%. Titanium and titanium alloys have a high strength and reach tensile strengths of up to 1000 N / mm 2 and above at low density (modulus of elasticity of titanium 105 kN / mm 2 ). In addition, titanium forms in air an extremely resistant oxidic protective layer. It is therefore particularly suitable for applications in which it depends on high corrosion resistance, strength, practically non-existent Magentisierbarkeit and low weight. The titanium alloys used in a development of the invention have a tensile strength of> 500 N / mm 2 at room temperature, preferably> 650 N / mm 2 and more preferably> 800 N / mm 2 .
Die Leckraten der gasdichten Schweißverbindung sind erfindungsgemäß kleiner 10–7 mbar l/s, bevorzugt kleiner als 10–8 mbar l/s und besonders bevorzugt kleiner als 10–9 mbar l/s. Durch metallische Dichtungen werden diese Leckraten auch an der lösbaren Flanschverbindung erreicht.According to the invention, the leak rates of the gas-tight welded connection are less than 10-7 mbar l / s, preferably less than 10-8 mbar l / s and particularly preferably less than 10-9 mbar l / s. Metallic seals also achieve these leak rates on the detachable flange connection.
Die Schweißverbindung ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass an der Grenzfläche keine intermetallischen Phasen entstehen. Sie besitzen eine andere Gitterstruktur als die konstituierenden Metalle und weisen im Allgemeinen eine höhere Festigkeit und Härte auf, sind aber auch spröder.According to the invention, the welded connection is designed so that no intermetallic phases are formed at the interface. They have a different lattice structure than the constituent metals and generally have a higher strength and hardness, but are also more brittle.
Die Verbindung Flansch-Bauteil mit dem Rohrleitungsteil ist erfindungsgemäß so ausgeführt, dass eine Stirnfläche des Rohrleitungsteils mit der Grundfläche des Flansch-Bauteils verschweißt ist. Je nach dem verwendeten Schweißverfahren können auch andere Geometrien der Fügepartner möglich sein, Beim Reibschweißverfahren muss ein Fügepartner an der Fügestelle rotationssymmetisch sein, andere Verfahren ermöglichen das Fügen von Partnern beliebiger Geometrie.The connection flange component with the pipe part is inventively designed so that an end face of the pipe part is welded to the base of the flange member. Depending on the welding method used, other geometries of the joining partners may be possible. In the friction welding method, a joining partner must be rotationally symmetric at the joint, while other methods allow the joining of partners of any geometry.
Die Wandstärken des Rohrleitungsteils sollte zu dessen Gewichtsreduzierung möglichst gering sein. Erfindungsgemäß beträgt die Wandstärke besonders bevorzugt maximal 2 mm. Verbindungen, die z. B. mittels Sprengschweißverfahren hergestellt werden, weisen höhere Wandstärken auf.The wall thickness of the pipe section should be as low as possible to reduce its weight. According to the invention, the wall thickness is particularly preferably at most 2 mm. Compounds that z. B. are produced by means of explosive welding, have higher wall thicknesses.
Vakuum-Systeme, insbesondere Ultra-Hoch-Vakuum-Systeme, werden zur Ausgasung ausgeheizt. Die Grenzfläche der Verbindung zwischen Flansch-Bauteil und Rohrleitungsteil ist erfindungsgemäß so ausgeführt, dass die Verbindung bis zu einer Temperatur von bis zu 250°C stabil und gasdicht bleibt. Durch metallische Dichtungen wird die notwendige Stabilität auch an der lösbaren Flanschverbindung erreicht.Vacuum systems, in particular ultra-high-vacuum systems, are baked for outgassing. The interface of the connection between the flange component and the pipe part according to the invention is designed so that the compound remains stable and gas-tight up to a temperature of up to 250 ° C. Metallic seals also provide the necessary stability on the detachable flange connection.
Die Grenzfläche zwischen Rohrleitungsteil und Flansch weist erfindungsgemäß eine so hohe mechanische Festigkeit auf, dass die Verbindung auch unter mechanischer Belastung nicht bricht.The interface between the pipe part and flange according to the invention has such a high mechanical strength that the connection does not break under mechanical stress.
Stoffschlüssige Verbindungen von Aluminium und Aluminium-Legierungen mit Titan und Titan-Legierungen sind aus der Literatur bekannt. Diese Verbindungen sind allerdings nicht zwingend gasdicht. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen, das eine gasdichte Verbindung zwischen einem Flansch-Bauteil und einem Rohrleitungsteil zur Verwendung in einem Vakuum-Rohrleitungssystem herstellt. Das Rohrleitungsteil besteht erfindungsgemäß aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung mit einem stöchiometrischen Aluminium-Gehalt von mindestens 50%, der Flansch erfindungsgemäß aus Titan oder einer Titan-Legierung mit einem stöchiometrischen Titan-Gehalt von ebenfalls mindestens 50%. Das Rohrleitungsteil kann erfindungsgemäß auch ein massives Ende aufweisen. Beide Bauteile werden mittels eines Schweißverfahrens gasdicht miteinander verbunden.Bonded connections of aluminum and aluminum alloys with titanium and titanium alloys are known from the literature. However, these compounds are not necessarily gas-tight. According to the invention, a method is proposed which produces a gas-tight connection between a flange component and a pipe part for use in a vacuum piping system. The pipe part according to the invention consists of aluminum or an aluminum alloy having a stoichiometric aluminum content of at least 50%, the flange according to the invention of titanium or a titanium alloy having a stoichiometric titanium content of at least 50%. The pipe part according to the invention may also have a solid end. Both components are connected in a gas-tight manner by means of a welding process.
Der Herstellungsprozess der gasdichten Verbindung zwischen Rohrleitungsteil und Flansch ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass sich während des Prozesses keine intermetallischen Phasen an der Grenzfläche Rohrleitungsteil-Flansch bilden. Diese weisen im Allgemeinen eine höhere Zugfestigkeit auf als die sie konstituierenden Metalle, sind aber auch so spröde, dass beim Abreißen der Verbindung das weichere Bauteil (hier das Rohrleitungsteil aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung) zerstört werden kann.The manufacturing process of the gas-tight connection between the pipe part and the flange according to the invention is designed so that form during the process no intermetallic phases at the interface pipe part flange. These generally have a higher tensile strength than their constituent metals, but are so brittle that when tearing the compound, the softer component (here the pipe part of aluminum or an aluminum alloy) can be destroyed.
Um die Bildung der intermetallischen Phasen an der Grenzfläche zwischen Rohrleitungsteil und Flansch zu vermeiden, ist der Herstellungsprozess erfindungsgemäß entsprechend ausgestaltet. Die Bearbeitungstemperatur während des Prozesses zur Herstellung einer gasdichten Verbindung zwischen einem Flansch-Bauteil und einem weiteren Bauteil eines Rohrleitungssystems bleibt dabei sowohl unter der Schmelztemperatur des Materials des Rohrleitungsteils als auch unter der Schmelztemperatur des Materials des Flansches.In order to avoid the formation of the intermetallic phases at the interface between the pipe part and the flange, the manufacturing process according to the invention is designed accordingly. The processing temperature during the process for producing a gas-tight connection between a flange member and another component of a piping system remains below both the melting temperature of the material of the pipe part and below the melting temperature of the material of the flange.
Erfindungsgemäß kann die Verbindung Rohrleitungsteil-Flansch mittels Reibschweißen, Diffusionsschweißen, Ultraschall-Schweißen oder einem anderen Pressschweißverfahren hergestellt werden. Dabei bleiben die Schweißpartner im fasten Zustand und werden nur plastisch verformt. Es entstehen bei richtig eingestellten Parametern (z. B. Druck, Dauer des Verfahrens) keine intermetallischen Phasen. Beim Reibschweißverfahren muss einer der Fügepartner eine rotationssymmetrische Gestalt aufweisen. Beim Ultraschall-Schweißen wird eine so hochfrequente Schwingung horizontal zu den Fügepartnern eingeleitet, dass die Fügepartner ineinander verzahnen und verhaken. Das Diffusionsschweißen erfordert typischerweise neben hohem Druck auch eine Erhitzung der Fügepartner bis knapp unter die Solidustemperatur. Bei entsprechend guter Qualität der Fügeflächen ist dieser Prozess auch unter Raumtemperatur möglich.According to the invention, the compound pipe flange can be made by means of friction welding, diffusion welding, ultrasonic welding or another pressure welding method. The welding partners remain in the fast state and are only plastically deformed. With correctly set parameters (eg pressure, duration of the process), no intermetallic phases occur. When Reibschweißverfahren one of the joining partners must have a rotationally symmetrical shape. In ultrasonic welding, such a high-frequency vibration is horizontal to the Joining partners initiated that the joining partners interlock and interlock. In addition to high pressure, diffusion welding also typically requires heating of the joining partners to just below the solidus temperature. With correspondingly good quality of the joining surfaces, this process is also possible below room temperature.
Das Laserschweißverfahren im Überlappstoß ist erfindungsgemäß ebenfalls geeignet, eine gasdichte Verbindung zwischen Titan- und Aluminiumlegierungen zu erzielen. Titan wird dabei auf Aluminiumlegierungen geschweißt. Der Laserstrahl erhitzt das Titan und schmilzt durch Wärmeleitung den Fügepartner aus Aluminium. Dabei entsteht jedoch an der Grenzfläche zwischen Titan- und Aluminiumlegierungen eine dünne Schicht intermetallischer Titan-Aluminium-Verbindungen.The laser welding method in the lap joint according to the invention is also suitable to achieve a gas-tight connection between titanium and aluminum alloys. Titanium is welded on aluminum alloys. The laser beam heats the titanium and melts the joining partner made of aluminum by thermal conduction. However, at the interface between titanium and aluminum alloys, a thin layer of intermetallic titanium-aluminum compounds is formed.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in der – beispielhaft – ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt:Further details, features and advantages of the subject matter of the invention will become apparent from the subclaims and from the following description of the accompanying drawings, in which - by way of example - a preferred embodiment of the invention is shown. In the drawing shows:
Vier Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachstehenden Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Die
In
Die Form des Aluminium-Bauteils ist frei wählbar, lediglich im Bereich der Verbindung zum Flansch
Zur Herstellung des Flansch-Bauteils
Eine alternative vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist in
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeigt
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Flansch-Bauteil mit Flansch mit RohransatzFlange component with flange with pipe socket
- 22
- Flansch-Bauteil mit Blindflansch und RohransatzFlange component with blind flange and pipe socket
- 33
- Flansch-Bauteil mit Flansch und VerschlussteilFlange component with flange and locking part
- 44
- Flansch-Bauteil mit Flansch, Rohransatz und ÜberwurfringFlange component with flange, pipe attachment and coupling ring
- 11, 12, 13, 1411, 12, 13, 14
- Flanschflange
- 21, 22, 23, 2421, 22, 23, 24
- Rohransatzpipe extension
- 31, 33, 3431, 33, 34
- Schneidkantecutting edge
- 41, 43 4441, 43 44
- Aussparung für MetalldichtungRecess for metal seal
- 5454
- ÜberwurfringCoupling ring
- 61, 62, 63, 6461, 62, 63, 64
- Bohrung für SchraubverbindungBore for screw connection
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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