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DE102016110643A1 - Flange component for gas-tight connection with other components for piping systems - Google Patents

Flange component for gas-tight connection with other components for piping systems Download PDF

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Publication number
DE102016110643A1
DE102016110643A1 DE102016110643.7A DE102016110643A DE102016110643A1 DE 102016110643 A1 DE102016110643 A1 DE 102016110643A1 DE 102016110643 A DE102016110643 A DE 102016110643A DE 102016110643 A1 DE102016110643 A1 DE 102016110643A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
flange
pipe part
component
titanium
aluminum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102016110643.7A
Other languages
German (de)
Inventor
Bernhard Luckscheiter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Allectra GmbH
Original Assignee
Allectra GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Allectra GmbH filed Critical Allectra GmbH
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Priority to PCT/DE2017/100462 priority patent/WO2017211350A1/en
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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.

US5836623 beschreibt eine gasdichte Verbindung zwischen zwei unterschiedlichen metallischen Werkstoffen (auch Aluminium mit Titan) zur Verwendung in Ultra-Hoch-Vakuum-Systemen. Die Fügepartner werden mittels Sprengschweißverfahren gefügt, bei dem unter Einsatz von Sprengstoffen die Fügepartner mit Überschallgeschwindigkeit aufeinander gepresst werden. Außerdem wird noch eine Dichtung als Barriere eingesetzt, die die Bildung intermetallischer Phasen verhindert. Diese Art der Verbindung ist mit hohem Aufwand verbunden und dementsprechend teuer. Eine Verwendung in Massenproduktion ist daher nicht möglich. US5836623 describes a gas-tight connection between two different metallic materials (including aluminum with titanium) for use in ultra-high vacuum systems. The joining partners are joined by means of explosive welding, in which the joining partners are pressed against each other at high speed using explosives. In addition, a seal is used as a barrier that prevents the formation of intermetallic phases. This type of connection is associated with high costs and therefore expensive. A use in mass production is therefore not possible.

In WO2010097221 A1 wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Aluminiumlegierung und Titanlegierung mittels Reibschweiß-Verfahren beschrieben. Dabei ist gewährleistet, dass dieser Warmumformprozess unterhalb der Schmelztemperatur der metallischen Werkstoffe bzw. der Legierungen metallischer Werkstoffe abläuft. Beim Schweißen erfolgt eine intensive, lokal begrenzte plastische Verformung, die verbindungsbildend wirkt, wobei im Gegensatz zu Schmelzschweißverfahren die Verbindung der beiden miteinander zu fügenden Bauteile bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes von Metalllegierungen erfolgt, so dass nachteilige Gefügeveränderungen (intermetallische Phasen) beim Erstarren der Schmelze vermieden werden können. Diese beschriebene Schweißverbindung muss allerdings nicht zwingend gasdicht sein.In WO2010097221 A1 a cohesive connection between aluminum alloy and titanium alloy is described by friction welding. This ensures that this hot forming process takes place below the melting temperature of the metallic materials or the alloys of metallic materials. During welding, there is an intensive, locally limited plastic deformation, which acts as a bond-forming compound, in contrast to fusion welding the connection of the two components to be joined at temperatures below the melting point of metal alloys, so that adverse microstructural changes (intermetallic phases) avoided during solidification of the melt can be. However, this welded connection does not necessarily have to be gas-tight.

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 claim 1 and by the method described in claim 10 for its preparation.

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:

1 Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Verbindung eines Flansches mit Durchgangsbohrung mit einem Aluminium Rohransatz 1 Cross-sectional view of a compound according to the invention of a flange with through-hole with an aluminum pipe socket

2 Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Verbindung eines Blindflansches mit einem Aluminium-Rohr 2 Cross-sectional view of a compound according to the invention a blind flange with an aluminum tube

3 Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Verbindung eines Flansches mit Durchgangsbohrung mit einem Aluminiumteil mit massivem Ende (auf der rechten Seite) Flanschverbindung von einem Flansch mit Rohransatz und einem Blindflansch 3 Cross-sectional view of a connection according to the invention of a flange with through-hole with a solid-part aluminum part (on the right side) flange connection of a flange with a pipe socket and a blind flange

4 Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Flanschverbindung von einem Flansch mit Rohransatz und einem Blindflansch 4 Cross-sectional view of a flange according to the invention of a flange with pipe socket and a blind flange

Vier Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachstehenden Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Die zeigen jeweils einen Längsschnitt durch die Verbindungsstelle Rohr (bestehend aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung) und Flansch (bestehend aus Titan oder einer Titan-Legierung).Four embodiments of the invention are illustrated in the following drawings and will be explained in more detail below. The - each show a longitudinal section through the joint tube (consisting of aluminum or an aluminum alloy) and flange (consisting of titanium or a titanium alloy).

In 1 ist eine typische Rohr-Flansch-Verbindung 1 einer Kammer für Ultra-Hoch-Vakuum-Anwendungen dargestellt. Der Flansch 11 besteht typischerweise aus Titan Grade 2 oder Grade 5 (Zugfestigkeit bis 900 N/mm2). Auch andere Titanqualitäten wie Grade 3, 4, 7, 11 können eingesetzt werden. Der Flansch weißt Bohrungen 61 zur Verschraubung des Flansch-Bauteils 1 mit einem anderen Teil eines des Ultra-Hoch-Vakuum-Systems auf. Weiterhin ist an der Verbindungsseite des Flansches 11 eine Aussparung 41 zur Aufnahme einer Metalldichtung, wobei in der Vertiefung 41 eine Schneidkante 31 vorgesehen ist (vgl. ISO TS 3669-2 ). Das Rohr 21 besteht aus einer Aluminium-Legierung. Zur Verwendung können alle bekannten schweißbaren Aluminium-Legierungen kommen, typischerweise Legierungen der Gruppen 5000 und 6000, die mit Mg bzw. Mg und Si legiert sind.In 1 is a typical pipe flange connection 1 a chamber for ultra high vacuum applications shown. The flange 11 typically consists of grade 2 or grade 5 titanium (tensile strength up to 900 N / mm2). Other titanium grades such as Grade 3, 4, 7, 11 can also be used. The flange knows holes 61 for screwing the flange component 1 with another part of one of the ultra-high-vacuum system. Furthermore, on the connection side of the flange 11 a recess 41 for receiving a metal gasket, wherein in the recess 41 a cutting edge 31 is provided (cf. ISO TS 3669-2 ). The pipe 21 consists of an aluminum alloy. All known weldable aluminum alloys may be used, typically alloys of groups 5000 and 6000 alloyed with Mg, Mg and Si, respectively.

Die Form des Aluminium-Bauteils ist frei wählbar, lediglich im Bereich der Verbindung zum Flansch 11, 12, 13, 14 ist eine rotationssymmetrische Form erforderlich. Anstatt eines Rohres 21 kann also vorteilhafterweise auch ein T-Stück, Kreuzstück oder ein Bogen verschweißt werden. Auch ein Verschluss stellt ein mögliches Bauteil dar, das mit dem Flansch 11, 12, 13, 14 verbunden werden kann. Der Übergang zwischen dem Flansch 11, 12, 13, 14 und dem Aluminium-Bauteil ist glatt und weist insbesondere auf der Innenseite, aber ebenso auf der Außenseite keinen Spalt oder Absatz auf. Ein Einsatz dieser Konfiguration ist damit auch im Lebensmittel-Bereich und in der Pharmazie möglich.The shape of the aluminum component is freely selectable, only in the area of the connection to the flange 11 . 12 . 13 . 14 a rotationally symmetric shape is required. Instead of a pipe 21 Thus, advantageously, a T-piece, cross piece or a bow can be welded. Also a lock represents a possible component that with the flange 11 . 12 . 13 . 14 can be connected. The transition between the flange 11 . 12 . 13 . 14 and the aluminum component is smooth and has no gap or step especially on the inside, but also on the outside. A use of this configuration is thus also possible in the food industry and in pharmacy.

Zur Herstellung des Flansch-Bauteils 1, 2, 3, 4 zur Verwendung in einem Vakuum-Rohrleitungssystem wird ein Rohrleitungsteil 21, 22, 23, 24 bestehend aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung mit einem stöchiometrischen Aluminium-Gehalt von mindestens 50% mit einem Flansch 11, 12, 13, 14 bestehend aus Titan oder einer Titan-Legierung stöchiometrischen Titan-Gehalt von mindestens 50% gasdicht verschweißt. Zur Herstellung der Verbindung wird das Reib-Schweißverfahren angewendet. Alternative Verfahren sind Weiterbildungen des Reibschweißens oder aber das Diffusionsschweißen oder das Ultraschall-Schweißen. Auch besteht die Möglichkeit Rohrleitungsteil 21, 22, 23, 24 und Flansch 11, 12, 13, 14 im Überlappstoß durch Laserschweißen zu verbinden. Die Bearbeitungstemperatur an der Grenzfläche wird durch Auswahl des Anpressdruckes und die gegenseitige Rotationsgeschwindigkeit von Flansch 11, 12, 13, 14 und Rohrleitungsteil 21, 22, 23, 24 so gewählt, dass die Entstehung intermetallischer Phasen vermieden wird und die Schmelztemperatur vom Material des Flansches 11, 12, 13, 14 und vom Material des Rohrleitungsteils 21, 22, 23, 24 vermieden wird.For the production of the flange component 1 . 2 . 3 . 4 for use in a vacuum piping system becomes a piping part 21 . 22 . 23 . 24 consisting of aluminum or an aluminum alloy with a stoichiometric aluminum content of at least 50% with a flange 11 . 12 . 13 . 14 consisting of titanium or a titanium alloy stoichiometric titanium content of at least 50% gas-tight welded. To make the connection, the friction welding method is used. Alternative methods are developments of friction welding or else diffusion welding or ultrasonic welding. There is also the possibility of pipeline part 21 . 22 . 23 . 24 and flange 11 . 12 . 13 . 14 in the lap joint by laser welding to connect. The processing temperature at the interface is determined by selecting the contact pressure and the mutual rotational speed of flange 11 . 12 . 13 . 14 and piping part 21 . 22 . 23 . 24 chosen so that the formation of intermetallic phases is avoided and the melting temperature of the material of the flange 11 . 12 . 13 . 14 and the material of the pipe part 21 . 22 . 23 . 24 is avoided.

Eine alternative vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist in 2 dargestellt. Der Flansch 12 (bestehend aus Titan oder einer Titan-Legierung) weist keine Bohrung auf, sondern ist als geschlossener Blindflansch ausgebildet und mit dem Rohrteil 22 (bestehend aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung) verschweißt. Diese Variante wird typischerweise verwendet, wenn in das Flansch-Bauteil eine Blende o. ä. eingearbeitet werden soll. Auch kann dies ein Zwischenprodukt sein, bei dem in einem nachfolgenden Verarbeitungsschritt der Flansch geöffnet wird, sodass ein Bauteil gemäß 1 entsteht. Zur Befestigung an weiteren Bauteilen der Ultra-Hoch-Vakuum-Anlage sind im Flansch 12 Bohrungen 62 für eine Verschraubung vorgesehen.An alternative advantageous embodiment of the invention is in 2 shown. The flange 12 (consisting of titanium or a titanium alloy) has no hole, but is designed as a closed blind flange and with the pipe part 22 (consisting of aluminum or an aluminum alloy) welded. This variant will typically used when in the flange component, a diaphragm o. Ä. To be incorporated. This may also be an intermediate product in which the flange is opened in a subsequent processing step, so that a component according to 1 arises. For attachment to other components of the ultra-high-vacuum system are in the flange 12 drilling 62 intended for a screw connection.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeigt 3. Das Flansch-Bauteil 3 umfasst einen Flansch 13 (bestehend aus Titan oder einer Titan-Legierung) und ist anstatt eines Rohres mit einem massiven Körper 23, z. B. einer Stange (bestehend aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung) verschweißt. Das Aluminium-Bauteil weist nur an der Verbindungsstelle zum Flansch-Bauteil einen rotationssymmetrischen Querschnitt auf und kann beliebig geformt sein, z. B. als Vierkant-, Sechskant- oder asymmetrisches Bauteil. Das Aluminium-Bauteil 23 kann daher vorteilhafterweise leicht an andere asymmetrische Teile angepasst und mit ihnen verbunden werden, typischerweise an ovale Rohrprofile, die in Bauteilen von Teilchenbeschleunigern eingesetzt werden. Möglich sind auch seitlich Abgänge und Winkelstücke. Der Titan-Flansch weist auch hier eine Aussparung 43 zur Aufnahme einer Metalldichtung, die wiederum mit einer Schneidkante 33 versehen ist.A further advantageous embodiment of the invention shows 3 , The flange component 3 includes a flange 13 (made of titanium or a titanium alloy) and is instead of a tube with a solid body 23 , z. B. a rod (consisting of aluminum or an aluminum alloy) welded. The aluminum component has only at the junction with the flange component to a rotationally symmetrical cross section and may be arbitrarily shaped, for. B. as a square, hexagonal or asymmetric component. The aluminum component 23 Therefore, it can advantageously be easily adapted and connected to other asymmetric parts, typically oval tube profiles, which are used in components of particle accelerators. Side outlets and contra-angles are also possible on the side. The titanium flange also has a recess here 43 for receiving a metal gasket, which in turn with a cutting edge 33 is provided.

4 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung. Das mit dem Aluminium-Bauteil 24 verschweißte Titan-Bauteil 14 weist keine Verbindungsbohrungen 61, 62, 63 auf (wie in Beispielen 1–3 existent). Die Montage erfolgt durch die Durchgangs- und/oder Gewindelöcher eines Überwurfrings 54, der zusätzlich durch ein optionales seitlich angebrachtes Gewinde fixiert werden kann. Mittels dieser Anordnung ist das Flansch-Bauteil 4 drehbar, die Verbindungsbohrungen 64 können beliebig orientiert werden. Außerdem wird weniger Material für das Titan-Bauteil benötigt, die Herstellungskosten sind somit verringert. Der Überwurfring 54 kann aus einem beliebigen Material gefertigt sein, weil er keinen direkten Kontakt zum Vakuum oder Medium hat. Der Überwurfring 54 muss lediglich die für die Verbindung notwendige Festigkeit besitzen. Vorteilhaft ist die Fertigung aus nicht magnetischem Material, typischerweise aus einer Aluminium-Legierung. Der Überwurfring 54 kann geteilt sein und damit nachträglich montiert oder gewechselt werden. Ebenfalls kann er eine konische Form aufweisen, um die Verwendung von Spannketten zu ermöglichen. 4 shows a particularly advantageous embodiment of the invention. That with the aluminum component 24 welded titanium component 14 has no connection holes 61 . 62 . 63 on (as in examples 1-3 existent). The assembly takes place through the passage and / or threaded holes of a coupling ring 54 , which can be additionally fixed by an optional laterally mounted thread. By means of this arrangement is the flange component 4 rotatable, the connecting holes 64 can be oriented arbitrarily. In addition, less material is needed for the titanium component, the manufacturing cost is thus reduced. The Überwurfring 54 can be made of any material because it has no direct contact with the vacuum or medium. The Überwurfring 54 only has to have the necessary strength for the connection. The production of non-magnetic material, typically of an aluminum alloy, is advantageous. The Überwurfring 54 can be shared and subsequently retrofitted or replaced. Also it may have a conical shape to allow the use of tensioning chains.

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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  • WO 2010097221 A1 [0005] WO 2010097221 A1 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • ISO TS 3669-2 [0029] ISO TS 3669-2 [0029]

Claims (16)

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 wobei die Verbindung zwischen Flansch und Rohrleitungsbauteil gasdicht ist.Flange component for use in a vacuum system wherein the flange member comprises a pipe part, wherein the pipe part is made of aluminum or an aluminum alloy, wherein the flange member comprises a flange, wherein the flange is made of titanium or a titanium alloy. wherein the flange is welded to the pipe part the connection between flange and pipe component is gas-tight. Flansch-Bauteil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrleitungsteil aus einer Al-Legierungen mit einem stöchiometrischen Aluminiumgehalt von mindestens 50% besteht.Flange component according to claim 1, characterized in that the pipe part consists of an Al alloy with a stoichiometric aluminum content of at least 50%. Flansch-Bauteil nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch aus einer Titan-Legierung mit einem stöchiometrischen Titangehalt von mindestens 50% besteht.Flange component according to claim 1 or 2, characterized in that the flange consists of a titanium alloy having a stoichiometric titanium content of at least 50%. Flansch-Bauteil nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Titan-Legierung eine Zugfestigkeit von > 500 N/mm2 bei Raumtemperatur, bevorzugt > 650 N/mm2 und besonders bevorzugt > 800 N/mm2 aufweist.Flange component according to claim 3, characterized in that the titanium alloy has a tensile strength of> 500 N / mm 2 at room temperature, preferably> 650 N / mm 2 and more preferably> 800 N / mm 2 . Flansch-Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–4 dadurch gekennzeichnet, dass die Leckrate der Grenzfläche zwischen Rohrleitungsteil und Flansch unter Helium-Standard-Bedingungen kleiner 10–7 mbar·l/s bevorzugt 10–8 mbar·l/s und besonders bevorzugt 10–9 mbar·l/s ist.Flange component according to one or more of claims 1-4, characterized in that the leakage rate of the interface between the pipe part and flange under helium standard conditions less than 10 -7 mbar · l / s, preferably 10 -8 mbar · l / s and especially preferably 10 -9 mbar · l / s. Flansch-Bauteil nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Flansch-Bauteil an der Grenzfläche zwischen Flansch und Rohrleitungsbauteil keine intermetallischen Phasen aufweist.Flange component according to claim 5, characterized in that the flange component has no intermetallic phases at the interface between the flange and the pipe component. Flansch-Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–6 dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche des Rohrleitungsteils mit einer Grundfläche des Flanschs verbunden ist.Flange component according to one or more of claims 1-6, characterized in that the end face of the pipe part is connected to a base surface of the flange. Flansch-Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–7 dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Rohrleitungsteils von maximal 4 mm, bevorzugt maximal 3 mm und besonders bevorzugt maximal 2 mm beträgt.Flange component according to one or more of claims 1-7, characterized in that the wall thickness of the pipe part of a maximum of 4 mm, preferably at most 3 mm and more preferably at most 2 mm. Flansch-Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–8 dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfläche zwischen Rohrleitungsteil und Flansch eine hohe thermische Stabilität bei 150°C, bevorzugt bei 200°C und besonders bevorzugt bei 250°C aufweist.Flange component according to one or more of claims 1-8, characterized in that the interface between the pipe part and the flange has a high thermal stability at 150 ° C, preferably at 200 ° C and particularly preferably at 250 ° C. Flansch-Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–9 dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfläche zwischen Rohrleitungsteil und Flansch eine hohe mechanische Festigkeit aufweist.Flange component according to one or more of claims 1-9, characterized in that the interface between the pipe part and the flange has a high mechanical strength. Flansch-Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–10 dadurch gekennzeichnet, dass das Flansch-Bauteil in dem Vakuumsystem mit einer metallischen Dichtung verwendbar ist.Flange component according to one or more of claims 1-10, characterized in that the flange component is used in the vacuum system with a metallic seal. Verfahren zur Herstellung eines Flansch-Bauteils zur Verwendung in einem Vakuum-Rohrleitungssystem gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1–11 dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrleitungsteil bestehend aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung mit einem stöchiometrischen Aluminium-Gehalt von mindestens 50% mit einem Flansch bestehend aus Titan oder einer Titan-Legierung stöchiometrischen Titan-Gehalt von mindestens 50% gasdicht verschweißt wird.Method for producing a flange component for use in a vacuum pipeline system according to one or more of claims 1-11, characterized in that a pipe part consisting of aluminum or an aluminum alloy with a stoichiometric aluminum content of at least 50% with a flange consisting of titanium or a titanium alloy stoichiometric titanium content of at least 50% gas-tight welded. Verfahren zur Herstellung eines Flansch-Bauteils nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass sich während des Herstellungsprozesses keine intermetallischen Phasen an der Grenzfläche zwischen Rohrleitungsteil und Flansch bilden.A method for producing a flange component according to claim 12, characterized in that form during the manufacturing process, no intermetallic phases at the interface between the pipe part and the flange. Verfahren zur Herstellung eines Flansch-Bauteils zur gasdichten, metallgedichteten Verbindung mit einem weiteren Bauteil eines Rohrleitungssystems gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 11 und 13 dadurch gekennzeichnet, dass während der Herstellungsprozesses die Bearbeitungstemperatur an der Grenzfläche zwischen Rohrleitungsteil und Flansch unterhalb der Schmelztemperatur des Materials des Rohrleitungsteils und der Schmelztemperatur des Materials des Flansches bleibt.A method for producing a flange member for gas-tight, metal-sealed connection with another component of a piping system according to one or more of claims 11 and 13, characterized in that during the manufacturing process, the processing temperature at the interface between the pipe part and flange below the melting temperature of the material of the pipe part and the melting temperature of the material of the flange remains. Verfahren zur Herstellung eines Flansch-Bauteils zur gasdichten, metallgedichteten Verbindung mit einem weiteren Bauteil eines Rohrleitungssystems gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 11–14 dadurch gekennzeichnet, dass Rohrleitungsteil und Flansch durch Reib-Schweißen oder durch Diffusionsschweißen oder durch Ultraschall-Schweißen verbunden werden.A method for producing a flange member for gas-tight, metal-sealed connection with another component of a piping system according to one or more of claims 11-14, characterized in that the pipe part and flange are connected by friction welding or by diffusion welding or by ultrasonic welding. Verfahren zur Herstellung eines Flansch-Bauteils zur gasdichten, metallgedichteten Verbindung mit einem weiteren Bauteil eines Rohrleitungssystems gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 11–15 dadurch gekennzeichnet, dass Rohrleitungsteil und Flansch im Überlappstoß durch Laserschweißen im Überlappstoß verbunden werden.A method for producing a flange member for gas-tight, metal-sealed connection with another component of a piping system according to one or more of claims 11-15, characterized in that the pipe part and flange are connected in the lap joint by laser welding in the lap joint.
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