DD213373A1

DD213373A1 - Verfahren und vorrichtung zum schutzgasloeten hochlegierter cr-ni-stahlbauteile

Info

Publication number: DD213373A1
Application number: DD24767083A
Authority: DD
Inventors: Heiner Bogdahn; Manfred Langhanki; Bernd-Peter Salzberg
Original assignee: Teltov Geraete Regler
Priority date: 1983-02-02
Filing date: 1983-02-02
Publication date: 1984-09-12
Also published as: DD213373B1; HU199086B; DE3346161A1; FR2542235B1; GB8401354D0; GB2135229A; FR2542235A1; DE3346161C2; GB2135229B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutzgasloeten von hochlegierten Cr-Ni-Stahlbauteilen. Ziel der Erfindung ist es, unter Montagebedingungen ein einfaches und zuverlaessiges Verbinden derartiger Bauteile zu ermoeglichen, wobei eine separate chemische bzw. mechanische Vorbehandlung, der auf dem Metall haftenden Oxidschicht entfallen soll.Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht,dass die nach dem Prinzip der direkten elektrischen Widerstandserwaermung zu erwaermende Loetstelle von einer Schutzkammer umgeben wird. Diese Anorddnung wird dann waehrend der Erwaermungsphase und der sich anschliessenden Abkuehlungsphase von einem Inertgas durchstroemt, dass eine maximale technische Verunreinigung von 100 vpm haben darf. Das Kammervolumen darf maximal 200 cm hoch 3 nicht ueberschreiten, wobei es aber 20- bis 30 mal groesser sein muss als das am Loetprozess beteiligte Bauteilvolumen.

Description

/' ,

Titel der Erfindung

Verfahren und Vorrichtung zum Schutzgaslöten hochlegierter Cr-Ni-Stahlbauteile

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Löten hochlegierter Cr-Ni-Stahlbauteile unter Moatagebedingungen insbesondere zum Fügen von Bohren kleiner Durchmesser·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Das Hauptproblem beim Löten von hochlegierten Cr-Ni-Stählen stellt die Beseitigung der auf dep Metall haftenden Oxidschicht dar· Diese wird bei bekannten Lötverfahren durch Salzflußmittel beseitigt· Der Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß nach dem Löten agressiver Flußmittelreste zurückbleiben, die in Verbindung mit Feuchtigkeit zu einer Korrosion des Grundwerkstoffes führen. Das mechanische Entfernen dieser Flußmittelreste ist sehr aufwendig und kann praktisch sogar undurchführbar werden·

Bleiben selbst bei einer aufwendigen chemischen Behandlung der Lötstelle Flußmittelreste zurück, so können diese später zu folgenschweren Materialausfällen führen«

Aufgrund der genannten Probleme wird häufig auf Ofenlötverfahren zurückgegriffen, . bei denen die Beseitigung der Oxidschicht durch ein Vakuum oder durch ein Schutzgas erreicht wird. Als Schutzgase kommen entweder reduzierende Gase (z.B. trockener Wasserstoff oder Ammoniak-Spaltgas) oder inerte Gase (z.B. Reinstargon, Summe aller Verunreiniger kleiner 10 vpm) zur Anwendung. Da Cr-Ni-Stähle auch häufig noch andere Metalle mit großer Affinität zum Sauerstoff enthalten, wie z.B. Titan, muß bei Verwendung eines inerten Gases, mit einem extrem trockenen Schutzgas (Taupunkt - 70 C) gearbeitet werden. Um nun eine Benetzung des Grundwerkstoffes zu erreichen, muß die Oberfläche aufwendig, mechanisch oder chemisch abgearbeitet werden, damit nur eine dünne Oxidhaut vorhanden ist· Bei hoher Löttemperatur (1000 ⁰C) reißt diese Oxidhaut auf und ermöglicht so dem Lot den erforderlichen Kontakt mit dem Grundwerkstoff. An den Bruchstellen der Oxidhaut wird diese vom Lot unterwandert, abgehoben und in das Lotgefüge eingebaut (Zimmermann, K.F. "Mechanisiertes Hartlöten auf Lötvorrichtungen und Lötmaschinen - Ausführungsbeispiele für Ofenlöteinrichtungen mit und ohne Schutzgasatmosphäre'*, Technik die verbindet, Berichte aus Forschung und Praxis Nr. 25).

Bei Verwendung reduzierender Schutzgase werden die Oxidschichten durch die reduzierenden Bestandteile des Schutzgases - im wesentlichen Wasserstoff - beseitigt. Die" Höhe der Temperatur und die Zusammensetzung des Schutzgases sind maßgeblich für seine reduzierende Wirkung verantwortlich. Schwer zu reduzierende Metalloxide (z.B. Chromoxid) benötigen praktisch ein von Sauerstoff und Sauerstoffverbindungen freies und extrem trockenes Schutzgas. Aus diesem Grunde werden häufig als Schutzgas trockener Wasserstoff oder trockenes Ammoniak-Spaltgas verwendet. Eine weitere Methode, die störenden Oxidschichten beim Löten zu entfernen» liegt in der Anwendung des Vakuums. Eier basiert die Beseitigung der Oxidschichten bei kohlenstoffhaltigen Werkstoffen auf der reduzierenden Wirkung des Kohlenstoffs selbst. Die Bedingungen für einen schnellen Ablauf dieser Reaktion werden günstiger mit steigendem Kohlenstoffgehalt des Stahls, niedriger Stabilität des zu reduzierenden Oxides und fallendem Druck im Vakuumofen. Da die Stabilität des Oxides

von der Temperatur abhängt, ist die CG-Reaktion für die Oxide temperatur- und druckabhängig. So wird z.B. Chromoxid bereits bei 680 °C von Kohlenstoff reduziert, wenn der CO-Partialdruck unter 10~ at liegt. Bei 1000 ⁰C ist dieselbe Reaktion auch dann noch möglich, wenn der Druck auf 10 at angestiegen ist. (Ogiermann, G.; Zimmermann, K.F.j "Mechanisiertes Hartlöten auf Lötvorrichtungen und Lötmaschinen ..." Technik die verbindet - Berichte aus Forschung und Praxis, Nr. 26)." Bei nicht kohlenstoffhaltigen Werkstoffen werden die Oxide entweder vom Wasserstoff gelöst oder die Oxidschichten brechen beim Erwärmen auf und werden dann vom flüssigen Lot unterwandert, abgehoben und in das Lotgefüge mit eingebaut. (Mahler, W.; Zimmermann, K.F,;"3indungsverhalten einiger Hartlote unter Wasserstoff auf verschiedenen Grundwerkstoffen", Schweißen und Schneiden 21 (1969) H. 6, S. 249-254) Diesen hier"beschriebenen Verfahren haften aber im wesentlichen folgende Nachteile an:

- Wegen des hohen opperativen Aufwandes ist das Löten unter Vakuum nur für den Bereich der stationären Fertigung anwendbar.

- Reduzierende Gase, die vorwiegend Wasserstoff als Reduktionsmittel enthalten, scheiden aus Sicherheitsgründen aus, weil die Gefahr einer Knallgasexplosion unter Baustellenmontagebedingungen zu groß ist·

Eine weitere bekannte Methode des Fügens von Cr-Ni-Stählen ist das induktive Löten unter Verwendung von Reinstargon. (Kaiser, L.; Induktionslöten von Hochdruckrohrleitungen im Flug- und Raumfahrzeugbau, Schweißen und Schneiden 24 (1972) H. 5, S. 161-165)

Wegen des hohen crpperativen Aufwandes für.die Erwärmeinrichtung ist diese Methode ebenfalls nur für die stationäre Fertigung geeignet, wobei sich außerdem der hohe Aufwand für die mechanische Abarbeitung der Oxidschichten und die hohen Schutzgaskosten (Reinstargon) negativ auf die Wirtschaftlichkeit dieser Fügetechnologie auswirken.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen von Bauteilen aus hochlegierten Cr-Ni-Stählen zu schaffen, das insbesondere unter Montagebedingungen ein einfaches und zuverlässiges Verbinden derartiger Bauteile ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Löten von Bauteilen aus hochlegierten Cr-M-Stählen in inerter Schutzgas at mosphäere zu schaffen, bei dem eine separate chemische bzw. mechanische Vorbehandlung der auf dem Metall haftenden Oxidschicht entfällt· Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die nach dem Prinzip der direkten elektrischen Widerstandserwärmung zu erwärmenden Lötstelle von einer Schutzkammer umgeben wird· Diese Anordnung wird dann während der Erwärmungsphase und der sich anschließenden Abkühlungsphase von einem Inertgas durchströmt. Dabei darf die maximale technische Verunreinigung 100 vpm betragen, wobei der Feuchtigkeitsgehalt nicht größer als 35 vpm, der Sauerstoffgehalt nicht größer als 8 vpm, der Methangehalt nicht größer als 10 vpm» der Wasserstoffgehalt nicht größer als 1 vpm und der Kohlenstoffdioxidgöhalt nicht größer als 1 vpm sein darf*

Die Verbindung zum Löten hochlegierter Cr-Ni-Stahlbauteile besteht aus einer um die Lötstelle angeordneten Schutzkammer, mit einem Kammervolumen von maximal 200 ca . Dieses Kammervolumen muß aber 20 bis 30 mal größer sein als das am Lötprozeß beteiligte Bautei!volumen· Die Eintrittsoffnung für das Inertgas in die Schutzkammer befindet sich maximal 2 bis 3 ca von der Lötstelle entfernt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anschließend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Hochlegierte Stahlrohre (X8CrSiTi 18, 10) der Abmessungen 12 χ 2 mm sollen auf einer Eohrtrasse miteinander gelötet werden.

Hierzu wird die Lötstelle mit einem fettlösenden Lösungsmittel gesäubert und folgendermaßen vorbereitet: Zunächst werden auf beide Rohrenden Lotringe aus Z.3* CuMa 10 Co 3 geschoben und mit einer Lehre ausgerichtet· Dann wird eine Lötmuffe auf ein Rohrende geschoben und das zweite Rohr ebenfalls in diese Lötmuffe geschoben, so daß sich die Rohrstoßstellen berühren· Um die so vorbereitete Lötstelle wird eine Schutzgaskammer positioniert, die an ihrer Oberseite mit einer Klarsichtscheibe ausgerüstet ist.

Rechts und links der Kammer werden die elektrischen Kontakte eines Widerstandslötgerätes an die Rohre geklemmt und an eine Seite der zu verlötenden Rohre wird ein Anschluß zum Einleiten eines inerten Schutzgases in das Rohrinnere befestigt. Dann wird das Rohr von dem Schutzgas durchspült (10 1/^iß)* so daß keine Luft mehr im Rohrinnern vorhanden ist. Jetzt wird das andere Rohrende verschlossen und das eingeleitete Schutzgas wird über den Rohrstoß durch den Lötspalt in die Schutzgaskammer gedrückt. Nachdem auch die Schutzgaskamzier über einen separaten Anschluß ca. 30 s lang mit dem gleichen Durchfluß wie die zu verlötenden Rohre mit dem Schutzgas geflutet wurde und auch hier die vorhandene Luft entwichen ist, kann der Lötprozeß eingeleitet werden.

Die beim Lötprozeß den Lötfluß hemmenden Oxidschichten brechen bei Temperaturen über 1000 C auf. Das Fließen des Lotes ist erst dann möglich, wenn eine Reoxidation des Grundwerkstoffes verhindert wird. Dies wird durch die inerte Schutzgasatmosphäre erreicht, die aus Argon bzw. Stickstoff mit technischen Verunreinigungen bis 100 vpm (Argon: Feuchte 35 vpm, Sauerstoff 8 vpm, Methan 1 vpm; Stickstoff: Feuchte 30 vpm, Sauerstoff 1 vpm, Kohlendioxid 1 vpm, Wasserstoff 10 vpm) bestehen kann.

Unter diesen Verhältnissen unterwandert das flüssige Lot die aufgerissenen Oxidschichten, hebt diese ab und baut sie in das Lotgefüge ein* Voraussetzung für das Löten mit den beschriebenen Gasen ist die Anwendung einer Schutzgaskammer· Dabei sind die Abmaße der Schutzgaskammer so zu wählen, daß ihr Volumen nicht größer als 200 cm ist_s wobei im konkreten Fall das Kammervolumen so zu wählen ist, daß es 20 bis 30 mal, vorzugsweise 25 mal, größer ist als das am Lötprozeß beteiligte Bauteilvolumen· Die Eintrittsoffnung für das Schutzgas in die Schutzgaskammer soll lediglich 2 bis 3 cm von der Lötstelle entfernt sein. Außerdem muß die Erwärmung der Lötstelle nach dem Prinzip der direkten elektrischen Widerstandserwärmung erfolgen, damit eine kurzzeitige Erwärmung des Lötspaltes gewährleistet ist, und das Lot in den Lötspalt schießen kann« Sind die Lotringe um den gesamten Rohrumfang geschmolzen, kann die Erwärmung beendet werden. Die Lötverbindung muß

jetzt noch etwa 30 s in der Schutzgasatmosphäre abgekühlt werden, um einer Verzundsrung des Grundwerkstoffes entgegenzuwirken. Dann werden Lötkabel und Schutzgaskammer abgenommen und eventuell vorhandene Anlaßfarben mit Schmirgelleinen entfernt·

Oft werden hochlegierte Stahlbauteile mit Nickelbasisloten im Schutzgasofen gelötet. Diese besitzen, um die Schmelztemperatur des Lotes auf 835 °C - 1135 °C herunterzusetzen, nichtmetallische Legierungselemente aus Si, B oder P. Das hat zur Folge, daß diese Legierungselemente in Verbindung mit Eisen spröde Zwischenschichten bilden, die nach dem Löten nur durch anschließendes aufwendiges Diffusionsglühen beseitigt werden können. Die Glühdauer beträgt je nach Anteil von Si, B oder P ein bis fünf Stunden. Aus diesem Grund sind derartige Hickelbasislote für den Einsatz unter Baustellenmontagebedingungen nicht geeignet. Das erfindungsgemäße Verfahren mit der dazugehörigen Anordnung ermöglicht es, nun auch Lote einzusetzen, deren Schmelzpunkt nur wenig unter dem des Grundwerkstoffes liegt, da eine Temperaturregelung unmittelbar an der Lötstelle erfolgen kann, so daß auf die schmelztemperaturheruntersetzenden Bestandteile verzichtet werden kann. Sin diesen Anforderungen genügendes Lot besteht aus folgenden Bestandteilen: 0,1 % C, 1 % Si, 0,60 % Mn, 0,02 % P, "0,015 % S, 19 % Cr, 29 % Hi, Best Fe. Durch die Anwendung dieses Hochtemperaturlotes entfällt das aufwendige Diffusionsglühen. Da Grundwerkstoff und Lot annähernd gleiche Zusammen-Setzungen besitzen, zeigt die Verbindungsstelle ein ähnliches Korrosionsverhalten wie der Grundwerkstoff,

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Schutzgaslöten hochlegierter Cr-Ni-Stahlbauteile unter Baustellenbedingungen, dadurch gekennzeichnet, daß die nach dem Prinzip der direkten elektrischen Widerstandserwärmung zu erwärmende Lötstelle von einer Schutzkammer umgeben ist, und daß diese Anordnung von einem Inertgas mit technischen Verunreinigungen bis maximal 100 vpm durchströmt wird, wobei der Feuchtigkeitsgehalt nicht größer als 35 vpm, der Sauerstoffgehalt nicht größer als 8 vpm» dar Methangehalt nicht größer als 10 vpm, der Wasserstoffgehalt nicht größer als 10 vpm und der Kohlendioxidgehalt nicht größer als 1 vpm sein darf.

2· Verfahren zum Schutzgaslöten hochlegierter Cr-Ni-Stahlbauteile unter Baustellenmontagebedingungen nach Punkt I₁ dadurch gekennzeichnet, daß ein Lot mit der Zusammensetzung 0 bis 0,1 % C, 1 bis 1,5 % Si, 0 bis 0,6 % Mn, 0 bis 0..02 ?S P, 0 bis 0,015 % S, 15 bis 25 % Cr, 20 bis 80 % Ni und Rest Fe verwendet wird·

3· Vorrichtung zum Schützgaslöten hochlegierter Cr-Ui~Stahlbauteile unter Baustellenbedingungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötstelle von einer Schutzkammer mit einem Kammervolumen von maximal 200 cm umgeben ist, wobei dieses Kammervolumen 20 bis 30 mal größer sein muß, als das am Lötprozeß beteiligte Bauteilvolumen und daß sich die Eintrittsöffnung für das Inertgas in die SchutzJsammer maximal 2 bis 3 cm von der Lötstelle entfernt befindet«

4· Vorrichtung zum Schutzgaslöten hochlegierter Cr-Ni-Stahlbauteile unter Baustellenbedingungen nach Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzkammer an ihrer oberen Seite mit einer Klarsichtscheibe ausgerüstet ist.