DD213373B1 - PROCESS FOR PROTECTING GLAZING OF HIGH-ALLOYED CR-NI STEEL COMPONENTS - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten hochlegierter Cr-Ni-Stahlbauteile unter Montagebedingungen insbesondere zum Fügen von Rohren kleiner Durchmesser.The invention relates to a method for brazing high-alloy Cr-Ni steel components under assembly conditions, in particular for joining pipes of small diameter.
Das Hauptproblem beim Löten von hochlegierten Cr-Ni-Stählen stellt die Beseitigung der auf dem Metall haftenden Oxidschicht dar. Diese wird bei bekannten Lötverfahren durch Salzflußmittel beseitigt. Der Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß nach dem Löten aggressive 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.The main problem in brazing high alloy Cr-Ni steels is the elimination of the oxide layer adhering to the metal. This is eliminated by known salt fluxing methods. The disadvantage of this method is that remain after soldering aggressive flux residues that lead in conjunction with moisture to corrosion of the base material. The mechanical removal of these flux residues is very expensive and can be practically even impracticable.
Bleiben selbst bei einer aufwendigen chemischen Behandlung der Lötstelle Flußmittelreste zurück, so können diese später zu folgenschweren Materialausfällen führen.Remain even with a complex chemical treatment of the soldering flux residues, so they can later lead to serious material losses.
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 zur Anwendung, wobei der Einsatz von inerten Gasen eine hohe Reinheit (Summe aller Verunreinigungen < 10 vpm) voraussetzt. Dabei stellt das technisch wichtigste Argon dar, das durch Luftzerlegung gewonnen wird, wodurch, wie in Rubel/Bernsdorf „Löttechnik für den Praktiker" auf Seite 107 ausgeführt wird, es nie frei von Sauerstoff ist, der die auf den Werkstück- und Lotoberflächen immer vorhandenen dünnen Oxidschichten trotz Luftabschluß während der Erwärmung verdicken würde. Eine Bindung zwischen Werkstück- und Lotoberfläche wäre unter diesen Umständen gar nicht möglich.Owing to the problems mentioned, use is often made of furnace soldering methods in which the removal of the oxide layer is achieved by a vacuum or by a protective gas. Suitable protective gases are either reducing gases (eg dry hydrogen or ammonia cracking gas) or inert gases, the use of inert gases presupposing a high purity (sum of all impurities <10 vpm). The technically most important argon is that obtained by air separation, which, as stated in Ruble / Bernsdorf "Soldering for the practitioner" on page 107, it is never free of oxygen, which always exists on the workpiece and solder surfaces thin oxide layers would be thickened during the heating, despite the absence of air, and a bond between the workpiece surface and the solder surface would not be possible under these circumstances.
Damit wird die Möglichkeit des Einsatzes von Argon bzw. einem anderen Inertgas mit Verunreinigungen > 10vpm völlig ausgeschlossen. 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 außerdem mit einem extrem trockenen Schutzgas (Taupunkt — 7O0C) gearbeitet werden.This completely excludes the possibility of using argon or another inert gas with impurities> 10vpm. Since Cr-Ni steels also often contain other metals with high affinity for oxygen, such as titanium, when using an inert gas must also be used with an extremely dry inert gas (dew point - 7O 0 C).
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 (10000C) 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).In order to achieve a wetting of the base material, the surface must be elaborate, mechanically or chemically processed so that only a thin oxide skin is present. At high soldering temperature (1000 0 C) breaks up this oxide skin, thus allowing the solder the required contact with the base material. At the fractures of the oxide skin, this is infiltrated by the solder, lifted and installed in the solder structure (Zimmermann, KF "Mechanized brazing on soldering and soldering machines - embodiments of furnace soldering with or without inert gas atmosphere", Technik that connects, reports from research and practice 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. Hier basiert die Beseitigung der Oxidschicht 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 СО-Reaktion für die Oxide temperatur- und druckabhängig. So wird z. B. Chromoxid bereits bei 6800C von Kohlenstoff reduziert, wenn der CO-Partialdruck unter 10"6at liegt. Bei 10000C ist dieselbe Reaktion auch dann noch möglich, wenn der Druck auf 10"2at angestiegen ist. (Ogiermann, G.; Zimmermann, K. F.; „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.; „Bindungsverhalten 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:When using reducing protective gases, the oxide layers are eliminated by the reducing components of the protective gas - essentially hydrogen. The height of the temperature and the composition of the protective gas are largely responsible for its reducing effect. Hard-to-reduce metal oxides (eg, chromium oxide) require virtually an oxygen and oxygen compound-free and extremely dry shielding gas. For this reason, dry hydrogen or dry ammonia cracking gas is often used as a protective gas. Another way to remove the annoying oxide layers during soldering is to use the vacuum. Here, the elimination of the oxide layer in carbonaceous materials is based on the reducing effect of the carbon itself. The conditions for rapid reaction of this reaction become more favorable with increasing carbon content of the steel, low stability of the oxide to be reduced and decreasing pressure in the vacuum furnace. Since the stability of the oxide depends on the temperature, the СО reaction for the oxides is temperature- and pressure-dependent. So z. For example, chromium oxide is already reduced by carbon at 680 ° C. when the CO partial pressure is below 10 -6 atm At 1000 ° C., the same reaction is still possible even when the pressure has risen to 10 -2 atm. (Ogiermann, G. Zimmermann, KF; "Mechanized Brazing on Soldering Machines and Soldering Machines ..." Technology that Joins - Reports from Research and Practice, No. 26.) For non-carbonaceous materials, the oxides are either dissolved by the hydrogen or the oxide layers break up on heating and are then infiltrated by the liquid solder, lifted off and incorporated into the solder structure (Mahler, W. Zimmermann, KF; "Bonding Behavior of Some Brazing Alloys Under Hydrogen on Different Base Materials", Welding and Cutting 21 (1969) H. 6, pp. 249-254). However, these methods described here have essentially the following disadvantages:
— Wegen des hohen apparativen Aufwandes ist das Löten unter Vakuum nur für den Bereich der stationären Fertigung anwendbar.- Because of the high expenditure on equipment soldering under vacuum is only applicable to the field of stationary production.
— Reduzierende Gase, die vorwiegend Wasserstoff als Reduktionsmittel enthalten, scheiden aus Sicherheitsgründen aus, weil die Gefahr einer Knallgasexplosion unter Baustellenmontagebedingungen zu groß ist.- Reducing gases, which contain predominantly hydrogen as a reducing agent, are eliminated for safety reasons, because the risk of a blast gas explosion is too high under construction site conditions.
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) Heft 5, S. 161-165).Another known method of joining Cr-Ni steels is inductive brazing using pure-argon. (Kaiser, L .; "Induction brazing of high-pressure pipes in aircraft and spacecraft", welding and cutting 24 (1972), No. 5, pp. 161-165).
Wegen des hohen apparativen 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.Because of the high equipment costs for the heating device, this method is also suitable only for stationary production, which also have a negative impact on the cost of this joining technology, the high cost of mechanical processing of the oxide layers and the high protective gas costs (pure stargon).
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen aus hochlegierten Cr-Ni-Stählen zu schaffen, das insbesondere unter Montagebedingungen ein einfaches und zuverlässiges Verbinden derartiger Bauteile ermöglicht.The aim of the invention is to provide a method for joining components made of high-alloy Cr-Ni steels, which allows a simple and reliable connection of such components, especially under mounting conditions.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Löten von Bauteilen aus hochlegierten Cr-Ni-Stählen in inerter Schutzgasatmosphäre zu schaffen, bei dem eine separate chemische bzw. mechanische Vorbehandlung der auf dem Metall haftenden Oxidschicht entfällt.The object of the invention is to provide a method for soldering components made of high-alloy Cr-Ni steels in an inert protective gas atmosphere, in which a separate chemical or mechanical pretreatment of the oxide layer adhering to the metal is omitted.
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 Kohlenstoffdioxidgehalt nicht größer als 1 vpm sein darf. Das Kammervolumen der Schutzgaskammer darf dabei 20 bis 30mal größer sein als das am Lötprozeß beteiligte Bauteil, jedoch nicht größer als 200cm3. Die Eintrittsöffnung für das Inertgas befindet sich dabei maximal2-3cm von der Lötstelle entfernt.According to the invention, this object is achieved in that the solder joint to be heated according to the principle of direct electrical resistance heating is surrounded by a protective chamber. This arrangement is then flowed through by an inert gas during the heating phase and the subsequent cooling phase. The maximum technical contamination shall be 100 vpm, the moisture content not exceeding 35 vpm, the oxygen content not exceeding 8 vpm, the methane content not exceeding 10 vpm, the hydrogen content not exceeding 1 vpm and the carbon dioxide content not exceeding 1 vpm may be. The chamber volume of the protective gas chamber may be 20 to 30 times greater than the component involved in the soldering process, but not greater than 200 cm 3 . The inlet opening for the inert gas is located at most 2-3 cm from the solder joint.
Die Erfindung soll anschließend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail in an exemplary embodiment.
Hochlegierte Stahlrohre (X8CrNiTi 18,10) der Abmessungen 12 χ 2mm sollen auf einer Rohrtrasse miteinander gelötet werden. Hierzu wird die Lötstelle mit einem fettlösenden Lösungsmittel gesäubert und folgendermaßen vorbereitet: Zunächst werden auf beide Rohrenden Lotringe aus z.B. 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.High-alloy steel tubes (X8CrNiTi 18.10) of dimensions 12 χ 2mm are to be soldered together on a pipe line. For this purpose, the solder joint is cleaned with a degreasing solvent and prepared as follows: First, solder rings of e.g. CuMa 10 Co 3 pushed and aligned with a gauge. Then, a solder joint is pushed onto a pipe end and the second pipe is also pushed into this solder joint, so that touch the pipe joints. A protective gas chamber is fitted around the solder joint prepared in this way, which is equipped with a transparent disc on its upper side.
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 (101/min), so daß keine Luft mehr im Rohrinneren 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 Schutzgaskammer über einen separaten Anschluß ca. 30 slang 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.Right and left of the chamber, the electrical contacts of a Widerstandlötgerätes be clamped to the pipes and to one side of the pipes to be soldered a connection for introducing an inert protective gas is secured in the pipe interior. Then the tube is purged of the inert gas (101 / min), so that no more air is present in the tube interior. Now the other pipe end is closed and the introduced protective gas is forced through the pipe joint through the soldering gap in the protective gas chamber. After the protective gas chamber has been flooded about 30 slang with the same flow as the pipes to be soldered with the protective gas via a separate connection and also here the existing air has escaped, the soldering process can be initiated.
Die beim Lötprozeß den Lötfluß hemmenden Oxidschichten brechen bei Temperaturen über 10000C 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 100vpm (Argon: Feuchte 35vpm. Sauerstoff 8vpm, Methan 1 vpm; Stickstoff: Feuchte30vpm, Sauerstoff 1 vpm. Kohlendioxid 1 vpm, Wasserstoff 10vpm) 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 200cm3 ist, wobei im konkreten Fall das Kammervolumen so zu wählen ist, daß es 20 bis ЗОтаІ, vorzugsweise 25mal, größer ist als das am Lötprozeß beteiligte Bauteilvolumen. Die Eintrittsöffnung 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 schließen 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 Verzunderung des Grundwerkstoffes entgegenzuwirken. Dann werden Lötkabel und Schutzgaskammer abgenommen und eventuell vorhandene Anlaßfarben mit Schmirgelleinen entfernt.The during soldering the solder flow-inhibiting oxide layers break at temperatures above 1000 0C. The flow of the solder is only possible if a reoxidation of the base material is prevented. This is achieved by the inert inert gas atmosphere, which can consist of argon or nitrogen with technical impurities up to 100vpm (argon: humidity 35vpm, oxygen 8vpm, methane 1vpm, nitrogen: humidity30vpm, oxygen 1ppm, carbon dioxide 1vpm, hydrogen 10vpm). Under these conditions, the liquid solder infiltrates the broken-up oxide layers, lifts them off and builds them into the solder structure. Prerequisite for the soldering with the gases described is the use of a protective gas chamber. The dimensions of the protective gas chamber are to be chosen so that their volume is not greater than 200cm 3 , in which case the chamber volume is to be chosen so that it is 20 to ЗОтаІ, preferably 25 times larger than the component involved in the soldering process. The inlet opening for the protective gas in the protective gas chamber should be removed only 2 to 3 cm from the solder joint. In addition, the heating of the soldering must be done on the principle of direct electrical resistance heating, so that a brief warming of the soldering gap is ensured, and can close the solder in the soldering gap. If the solder rings have melted around the entire pipe circumference, the heating can be stopped. The solder joint must now be cooled for about 30 s in the protective gas atmosphere to counteract scaling of the base material. Then soldering cable and protective gas chamber are removed and possibly existing temper colors removed with emery cloths.
Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, entgegen der Auffassung weiter Kreise der Fachwelt, zum Schutzgaslöten hochlegierter Bauteile unter Baustellenmontagebedingungen technisches Argon der Reinheit 99,99% mit den üblichen Verunreinigungen oder ein anderes Inertgas ähnlicher Qualität einzusetzen.By applying the method according to the invention, it is possible, contrary to the opinion of other circles of experts, to use inert gas for high alloy components under construction site conditions technical grade 99.99% pure argon with the usual impurities or another inert gas of similar quality.
In Betracht gezogene Druckschriften:Documents considered:
DD-PS 85495 (B 23 K, 1/04)DD-PS 85495 (B 23 K, 1/04)
G. Bernsdorf, W. Rubel:G. Bernsdorf, W. Rubel:
Löttechnik für den PraktikerSoldering for the practitioner
TWA Nr. 67 des Zentralinstituts für Schweißtechnik Halle (S.) 1970, S. 108-109.TWA No. 67 of the Central Institute for Welding Technology Halle (S.) 1970, pp. 108-109.
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Legal Events
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ENJ | Ceased due to non-payment of renewal fee | ||
RPI | Change in the person, name or address of the patentee (searches according to art. 11 and 12 extension act) |