Verfahren zum Verschweissen von explosionsplattierten Stahlplatten Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verschweissen von expolionsplattierten Stahlplatten, deren Plattierungsschicht aus einem mit Stahl nicht schmelzschweissbaren Metall besteht, sowie auf eine Anwendung dieses Verfahrens.
Solche explosionsplattierte Stahlplatten eignen sich insbesondere zum Bau von Behältern zur Aufnahme von Stoffen, die mit Bezug auf Stahl aggressiv sind. Diese Stahlplatten sind durch das Explosions-Plattie- rungsverfahren mit einer fest haftenden dünnen Schicht aus einem wertvolleren Metall, z. B. Tantal, versehen, welches infolge seines wesentlich höheren Schmelz punktes nicht mit Stahl schmelzverschweissbar ist. Daher war es bisher nicht möglich, solche explosions- plattierten Stahlplatten z.B. stumpf zusammenzuschweis, sen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, dieses Problem mit relativ einfachen Mitteln zu lösen und ein Verfahren zum Verschweissen solcher explosionsplattierter Stahl platten zu schaffen, welches sich nicht nur zum Stumpfschweissen solcher Platten, sondern auch insbe sondere zum Herstellen von Rohrböden für Wärme austauschvorrichtungen eignet, wodurch die Verwen dung solcher Verbundwerkstoffe für Kühl- oder Heiz- register erschlossen wird, um auch für Stahl aggressive Stoffe in einer dauerhaften Vorrichtung einem Wärme- austauschprozess unterziehen zu können.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass zunächst die Stahlschicht der zu verschweissenden Platten an den zu verbindenden Stellen von der der Plattierungsschicht abgelegenen Seite her bis nahezu an die Plattierungsschicht heran spanabhebend bearbeitet wird und der an die Plattierungsschicht angrenzende Rest der Stahlschicht zur Bildung einer Nut soweit weggeätzt wird, dass ein überstehender Rand der Plat- tierungsschicht verbleibt, dass dann dieser überste hende Rand über einen Radius etwa rechtwinklig hoch gebogen wird und dass daraufhin die hochgebogenen Ränder der Plattierungsschicht verschweisst werden.
Dabei kann zum Stumpfschweissen zweier explo- sionsplattierter Stahlplatten nach dem Verschweissen der hochgebogenen Ränder der Plattierungsschicht auch die Stahlschicht verschweisst werden.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Anwen dung dieses Verfahrens zur Herstellung von Rohrbö den für Wärmeaustauschvorrichtungen, deren Plattie- rungsschicht aus einem mit Stahl nicht schmelzver- schweissbarem Metall, z.
B Tantal, besteht, aus wel chem auch die Rohre der Wärmeaustauschvorrichtun gen bestehen, dabei wird so verfahren, dass zunächst an den Stellen, an denen die Rohre mit dem Rohrbo den verbunden werden sollen, sowohl die Stahlschicht als auch die Plattierungsschicht mit Bohrungen kleine ren Durchmessers versehen werden, dass dann jede Bohrung in der Stahlschicht bis nahezu an die Plattie- rungsschicht heran erweitert wird, dass anschliessend der noch an dem nach innen vorstehenden Plattie- rungsschichtrand anhaftende Stahlrest bis zur Bildung einer über den Durchmesser der erweiterten Bohrung der Stahlschicht hinausgehenden Ringnut weggeätzt wird,
dass daraufhin der Plattierungsschichtrand unter Beibehaltung eines Radius zur Bildung einer mit der Stahlschichtbohrung fluchtenden Aushalsung aufgebo gen wird, wonach das aus dem gleichen Werkstoff wie dem der Plattierungsschicht bestehende Rohr in die Gesamtbohrung mit Pressitz eingeschoben wird, bis das Rohrende mit der Aushalsung im wesentlichen bündig abschneidet, woraufhin die Aushalsung mit dem Rohr ende verschweisst wird.
Zum Herausätzen der Ringnut kann ein säurebe ständiger Stopfen mit freier Innenbohrung in die Boh rung der Stahlschic ht soweit eingeführt werden, dass zwischen seiner Innen-Stirnfläche und dem Plattie- rungsschichtrand ein Abstand verbleibt, welcher der axialen Breite der beabsichtigten Ringnut entspricht, und dass daraufhin jede so vorbereitete Bohrung des Rohrbodens bis zu einer vorbestimmten Füllhöhe in nerhalb der Stopfenbohrung mit einer Säure gefüllt wird, welche man über eine Zeitspanne, die für das Ausätzen der Ringnut notwendig ist, einwirken lässt.
Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie bei spielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlicher beschrieben, und zwar zeigen die Fig. 1 bis 5 die verschiedenen Verfahrensstufen zum Stumpfschweissen zweier explosionsplattierter Stahlplatten, die Fig. fr bis 10 die Anwendung des erfindungsgemäs- sen Verfahrens zur Herstellung eines Rohrbodens für Wärmeaustauschvorrichtungen in den verschiedenen Verfahrensstufen, während Fig. 11 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäss hergestellten Rohrbodens in Perspektive wiedergibt.
In Fig. 1 sind zwei explosionsplattierte Stahlplatten 1 dargestellt, die aus einer Stahlschicht 2 und einer dünnen (hier etwas stärker gezeichneten) Plattierungs- schicht 3, beispielsweise aus Tantal, bestehen. Es han delt sich bei der Plattierungsschicht 3 um ein Metall, welches infolge seines höheren Schmelzpunktes nicht durch Schmelzschweissung mit Stahl verbunden wer den kann. Durch das bekannte Explosionsplattieren haftet jedoch die Plattierungsschicht 3 sehr fest an der Stahlschicht 2.
Um nun solche explosionsplattierten Stahlplatten 1 stumpf aneinanderschweissen zu können, werden die stumpf zu schweissenden Endflächen der beiden Plat ten 1, wie in Fig. 2 dargestellt, bearbeitet, und zwar wird durch Zerspanungsarbeit die der Plattierungs- schicht 3 abgelegene Kante 4 schräg weggenommen und das an die Plattierungsschicht 3 angrenzende Material der Stahlschicht 2 mit einer Säure weggeätzt, welche die Plattierungsschicht 3 nicht angreift. Durch das Wegätzen. wird eine Nut 5 gebildet, so dass ein Rand 6 der Plattierungsschicht 3 über die Stahlschicht 2 hinaus vorsteht.
Daraufhin werden die Ränder 6 nach oben gebo gen, wie in Fig. 3 dargestellt. Da die Plattierungs- schicht 3 aus einem ziemlich sprödem Material, z. B. Tantal, besteht, muss der Rand 6 der Plattierungs- schicht 3 über einen Radius 7 gebogen werden, und die weggeätzte Nut 5 dient dazu, das Biegen des Radius 7 zu ermöglichen.
Ferner ist das Ausätzen der Nut 5 deshalb notwendig, weil man beim spanabheben den Bearbeiten der schrägen Kante 4 mit dem Zer- spanungswerkzeug nicht bis dicht an die Plattierungs- schicht 3 herangehen kann, da sonst die wertvolle Plat- tierungsschicht 3 beschädigt werden könnte. Anschlies- send werden die Platten 1 zusammengebracht und die hochgebogenen Kanten 6 durchgehend verschweisst, wie bei 8 in. Fig. 4 dargestellt.
Auch hierbei erweisen sich die ausgeätzten Nuten 5 deshalb als nützlich, weil sie beim Schweissen der Kanten 6 der Plattierungs- schicht 3 (was mit sehr hoher Temperatur geschieht) einen ausreichenden Abstand von der Stahlschicht 2 gewährleisten, so dass letztere durch die hohe Schweisstemperatur nicht in Mitleidenschaft gezogen wird.
Zum Schluss können dann die Stahlschichten 2 der Platten 1 an den schrägen Kanten 4, die eine V-Nut bilden, mit einer V-Naht 9 verschweisst werden, wie in Fig. 5 dargestellt ist.
Auf ähnliche Weise können auch Rohrböden 10 (s. Fig. 11) für Kühl- oder Heizregister hergestellt wer den, wobei die Rohrböden 10 aus einer explosionsplat- tierten Stahlplatte 11 mit einer Stahlschicht 12 und einer Plattierungsschicht 13 bestehen und mit Rohren 14 verbunden werden, die aus dem gleichen Metall wie dem der Plattierungsschicht 13, z. B. aus Tantal, beste- hen. Dadurch werden dauerhafte Wärmeaustauschvor richtungen geschaffen, in denen auch Stoffe verarbeitet werden können, die gegenüber einfachem Stahl aggres siv sind.
In den Fig. 6 bis 10 sind die einzelnen Verfah rensschritte zur Herstellung eines Rohrbodens 10 dar gestellt. Wie in Fig. 6 gezeigt, wird zunächst die bei spielsweise mit Tantal explosionsplattierte Stahlplatte 11 an denjenigen Stellen, an denen die Rohre 14 (s. Fig. 10 und 11) an der Platte 11 befestigt werden sollen, mit Bohrungen 15 kleineren Durchmessers ver sehen, und zwar werden sowohl die Stahlschicht 12 als auch die Plattierungsschicht 13 durchbohrt. Danach wird nur die Stahlschicht 12, wie in Fig. 7 gezeigt, mit einer erweiterten Bohrung 16 versehen, und zwar bis kurz vor die Plattierungsschicht 13.
Der noch an dem nach innen vorstehenden Plattierungsschichtrand 17 anhaftende Stahlrest 18 wird anschliessend soweit weg geätzt, dass, wie in Fig. 8 dargestellt, an der Grenze zwischen der Plattierungsschicht 13 und der Stahl schicht 12 eine Ringnut 19 gebildet wird (ähnlich der Nut 5 in den Fig. 2 bis 5). Zu diesem Zweck wird in die Bohrung 16 der Stahlschicht 12 ein Stopfen 20 ein geführt, der aus einem weichen, säurebeständigen Material besteht und eine freie Innenbohrung 21 auf weist. Der Stopfen 20 wird soweit eingeführt, dass zwi schen seiner Innen-Stirnfläche 22 und dem nach innen vorstehenden Ringrand 17 der Plattierungsschicht 13 ein Abstand verbleibt, welcher der Breite der beabsich tigten Ringnut 19 entspricht.
Zum Ausätzen der Ringnut 19 wird die gesamte Platte 11, mit der Plattierungsschicht nach unten, auf eine Dichtungsplatte 23 aufgepresst, welche die Boh rungen 15 in der Plattierungsschicht 13 abdichtet. Dann werden die Bohrungen 21 der Stopfen 20, die Bohrungen 16 der Stahlabschnitte 12 (soweit sie durch die Stopfen 20 freigelassen sind) und die Bohrungen 15 der Plattierungsschicht 13 mit einer Säure 24 bis etwa zu einer Füllhöhe 25 gefüllt. Man lässt die Säure 24, die nur die Stahlschicht 12 angreift, solange ein wirken, wie es zum Erreichen der gewünschten Tiefe der Ringnut 19 erforderlich ist.
Danach werden die Säure 24 und die Stopfen 20 ent fernt und die Säurereste abgespült. Die vorstehenden Plattierungsschichtränder 17 (Fig. 7 und 8) werden dann, wie in Fig. 9 dargestellt, über einen Radius 26 zur Bildung von Aushalsungen 27 etwa rechtwinklig aus der Ebene der Plattierungsschicht 13 hochgehoben, und zwar so, dass die Innenbohrungen der Aushalsun- gen 27 mit den Stahlschichtbohrungen 16 fluchten. Nun werden die Rohre 14 in die Bohrungen 16 (s. Fig. 1(i) soweit mit Pressitz eingeschoben, bis die Rohr enden 28 mit den Aushalsungen 27 im wesentlichen bündig abschneiden, woraufhin diese Rohrenden 28 mit den Aushalsungen 27 verschweisst werden, wie bei 29 in den Fig. 10 und 11 dargestellt.
Auch hierbei ermöglichen die Ringnuten 19 das Ausbiegen des Radius 26 an den Aushalsungen 27 und gewährleisten beim Verschweissen der Rohrenden 28 und mit den Aushalsungen 27 einen ausreichenden Ab stand der Schweissnaht 29 vom, der Stahlschicht 12.
Method for welding explosion-clad steel plates The invention relates to a method for welding explosion-plated steel plates, the cladding layer of which consists of a metal which cannot be welded to steel, and to an application of this method.
Such explosion-plated steel plates are particularly suitable for the construction of containers for holding substances that are aggressive with respect to steel. These steel plates are covered by the explosion plating process with a tightly adhering thin layer of a more valuable metal, e.g. B. tantalum, which is not melt-weldable with steel due to its much higher melting point. Therefore, it has not previously been possible to use such explosion-clad steel plates e.g. butt weld together, sen.
It is the object of the invention to solve this problem with relatively simple means and to provide a method for welding such explosion-plated steel plates, which is not only suitable for butt welding such plates, but also in particular special for the manufacture of tube sheets for heat exchange devices, whereby the Such composite materials are used for cooling or heating registers in order to be able to subject aggressive substances to steel in a permanent device to a heat exchange process.
According to the invention, this is achieved by first machining the steel layer of the plates to be welded at the points to be connected from the side remote from the cladding layer almost to the cladding layer and etching away the rest of the steel layer adjacent to the cladding layer to form a groove is that a protruding edge of the cladding layer remains, that this protruding edge is then bent up over a radius approximately at right angles and that the bent up edges of the cladding layer are then welded.
For butt welding two explosion-clad steel plates, the steel layer can also be welded after the upturned edges of the cladding layer have been welded.
Another object of the invention is the application of this method for the production of tube sheets for heat exchange devices, the cladding layer of which is made of a metal that cannot be welded to steel, e.g.
B Tantalum, consists of which the tubes of the heat exchange devices are made, the procedure being that initially both the steel layer and the cladding layer with holes are smaller at the points where the tubes are to be connected to the tube base Diameter so that each hole in the steel layer is then widened almost to the cladding layer, that then the steel residue still adhering to the inwardly protruding cladding layer edge until an annular groove is formed that extends beyond the diameter of the widened hole in the steel layer is etched away,
that then the edge of the cladding layer is opened while maintaining a radius to form a neck flush with the steel layer bore, after which the pipe made of the same material as the cladding layer is pushed into the overall bore with a press fit until the end of the tube is essentially flush with the neck , whereupon the collar is welded to the pipe end.
To etch out the annular groove, an acid-resistant plug with a free inner bore can be inserted into the bore of the steel layer to such an extent that a distance remains between its inner end face and the cladding layer edge which corresponds to the axial width of the intended annular groove and then Each bore in the tube sheet prepared in this way is filled with an acid up to a predetermined level in the stopper bore, which acid is allowed to act over a period of time that is necessary for etching out the annular groove.
The invention will now be described in more detail with reference to the drawing reproducing it for example, namely FIGS. 1 to 5 show the various process stages for butt welding two explosion-plated steel plates, FIGS. 1 to 10 show the use of the method according to the invention for producing a tube sheet for Heat exchange devices in the various process stages, while FIG. 11 shows a section of a tube sheet produced according to the invention in perspective.
In FIG. 1, two explosion-plated steel plates 1 are shown, which consist of a steel layer 2 and a thin (here somewhat more strongly drawn) plating layer 3, for example made of tantalum. The plating layer 3 is a metal which, due to its higher melting point, cannot be joined to steel by fusion welding. However, by the known explosion plating, the plating layer 3 adheres very firmly to the steel layer 2.
In order to be able to butt-weld such explosion-plated steel plates 1 to one another, the butt-to-be-welded end faces of the two plates 1, as shown in FIG. 2, are machined, namely the edge 4 remote from the cladding layer 3 is removed obliquely by machining material of the steel layer 2 adjoining the plating layer 3 is etched away with an acid which does not attack the plating layer 3. By etching away. a groove 5 is formed so that an edge 6 of the plating layer 3 protrudes beyond the steel layer 2.
The edges 6 are then bent upwards, as shown in FIG. Since the cladding layer 3 is made of a fairly brittle material, e.g. B. tantalum exists, the edge 6 of the cladding layer 3 must be bent over a radius 7, and the etched away groove 5 serves to enable the radius 7 to be bent.
Furthermore, the etching out of the groove 5 is necessary because the machining of the inclined edge 4 with the cutting tool cannot get right up to the cladding layer 3, since otherwise the valuable cladding layer 3 could be damaged. The plates 1 are then brought together and the bent-up edges 6 are continuously welded, as shown at 8 in FIG.
Here, too, the etched grooves 5 prove to be useful because they ensure a sufficient distance from the steel layer 2 when the edges 6 of the cladding layer 3 are welded (which happens at a very high temperature) so that the latter does not fall into place due to the high welding temperature Being drawn.
Finally, the steel layers 2 of the plates 1 can then be welded to the inclined edges 4, which form a V-groove, with a V-seam 9, as shown in FIG. 5.
In a similar way, tube sheets 10 (see FIG. 11) for cooling or heating registers can be produced, the tube sheets 10 consisting of an explosion-plated steel plate 11 with a steel layer 12 and a cladding layer 13 and being connected to tubes 14, those made of the same metal as that of the plating layer 13, e.g. B. made of tantalum. As a result, permanent Wärmeaustauschvor devices are created in which substances can be processed that are aggressive to simple steel.
6 to 10, the individual procedural steps for producing a tube sheet 10 are provided. As shown in Fig. 6, the example with tantalum explosion-plated steel plate 11 at those points where the tubes 14 (s. Fig. 10 and 11) are to be attached to the plate 11, see with holes 15 smaller diameter ver , both the steel layer 12 and the clad layer 13 are pierced. Thereafter, only the steel layer 12, as shown in FIG. 7, is provided with an enlarged bore 16, to be precise until just before the cladding layer 13.
The steel residue 18 still adhering to the inwardly protruding cladding layer edge 17 is then etched away so far that, as shown in FIG. 8, an annular groove 19 is formed at the boundary between the cladding layer 13 and the steel layer 12 (similar to the groove 5 in Figs. 2 to 5). For this purpose, a plug 20 is inserted into the bore 16 of the steel layer 12, which consists of a soft, acid-resistant material and has a free inner bore 21. The stopper 20 is inserted to such an extent that a distance remains between its inner end face 22 and the inwardly protruding annular edge 17 of the cladding layer 13 which corresponds to the width of the intended annular groove 19.
To etch out the annular groove 19, the entire plate 11, with the cladding layer facing down, is pressed onto a sealing plate 23, which seals the bores 15 in the cladding layer 13. Then the bores 21 of the plugs 20, the bores 16 of the steel sections 12 (to the extent that they are left free by the plugs 20) and the bores 15 of the cladding layer 13 are filled with an acid 24 up to approximately a filling level 25. The acid 24, which only attacks the steel layer 12, is allowed to act as long as is necessary to achieve the desired depth of the annular groove 19.
Then the acid 24 and the stopper 20 are removed and the acid residues are rinsed off. The protruding edges of the cladding layer 17 (FIGS. 7 and 8) are then, as shown in FIG. 9, raised approximately at right angles from the plane of the cladding layer 13 over a radius 26 to form necks 27, in such a way that the inner bores of the necking Gen 27 align with the steel layer bores 16. Now the tubes 14 are pushed into the bores 16 (see Fig. 1 (i) with a press fit) until the tube ends 28 are essentially flush with the necks 27, whereupon these tube ends 28 are welded to the necks 27, as in 29 shown in FIGS. 10 and 11.
Here, too, the annular grooves 19 enable the radius 26 to be bent out at the necks 27 and, when the pipe ends 28 and with the necks 27 are welded, the weld seam 29 is sufficiently spaced from the steel layer 12.