DE1255835B

DE1255835B - Verfahren zum stoffschluessigen Verbinden von Kupferteilen mit Stahlteilen, insbesondere von Kupfer-Kuehlrippen mit dem staehlernen Kessel eines Stromrichtergefaesses

Info

Publication number: DE1255835B
Application number: DES104512A
Authority: DE
Inventors: Georg Engelhardt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-06-29
Filing date: 1966-06-29
Publication date: 1967-12-07
Also published as: DE1299496B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B23k

Deutsche Kl.: 21h-30/12

Nummer: 1255 835

Aktenzeichen: S 104512 VIII d/21 h

Anmeldetag: 29. Juni 1966

Auslegetag: 7. Dezember 1967

Bei luftgekühlten Stahlteilen oder Stahlbehältern hat man vielfach versucht, die Wärmeabführung durch gut wärmeleitende Kühlrippen aus Kupfer zu verbessern. Diese Aufgabe tritt insbesondere bei der Kühlung von Stahlkesseln von Stromrichtergefäßen auf. Es ist möglich, die Kupferrippen durch Hartlötung mit einem derartigen Kessel zu verbinden. Hierbei ist es jedoch schwierig, eine Verwerfung des Kessels zu vermeiden, da erhebliche Teile der Kesselwand in der Umgebung der Lötstelle auf hohe Temperatur gebracht werden müssen. Ferner muß ein Flußmittel verwendet werden, das eine aufwendige Reinigung des Werkstückes nach der Lötung erforderlich macht.

Es ist ferner bekannt, Kupfer-Kühlrippen mit dem Stahlkessel eines Stromrichtergefäßes zu verschweißen. Hierbei ergeben sich jedoch insofern Schwierigkeiten, als das Kupfer in das Stahlgefüge eindringt, wodurch die Festigkeit des Stahlteils beeinträchtigt wird. Das Kupfer kann sogar bis zur Innenseite des Kessels vordringen, was zu einer Vergiftung der Quecksilberfüllung führt. Diese Probleme sind in der schweizerischen Patentschrift 391 903 dargelegt. In dieser Patentschrift ist angegeben, daß die Schweißung mit einer desoxydierenden Stahlelektrode vorgenommen werden soll. Da hierbei die Schmelztemperatur des Stahls erreicht wird, sind die oben erläuterten Gefahren des Eindringens von Kupfer in die Kesselwand zumindest nicht völlig beseitigt. Nach der schweizerischen Patentschrift ist es ferner bekannt, die Kupferrippen umzubördeln und den umgebördelten Teil an der Kesselwand anzuschweißen.

Ein ähnliches Verfahren ist in der USA.-Patentschrift 1 735 213 beschrieben; hier werden ebenfalls kupferne Kühlrippen mit einem abgewinkelten Flansch auf einen Stahlzylinder aufgesetzt und durch Lichtbogenwänne unter Verwendung einer Kohlenstoffelektrode mit dem Stahlzylinder verschweißt, wobei sowohl das Kupfer der Flansche wie darunterliegende, örtlich begrenzte Teile der Zylinderwand schmelzen. Auch hier besteht also die Gefahr, daß Kupfer in erheblicher Tiefe in den Stahl vordringt.

Bekannt ist es auch, Kupferteile miteinander durch eine Lichtbogenschweißung unter einem neutralen oder reduzierenden Schutzgas (WIG-Verfahren) zu verbinden. In dem deutschen Gebrauchsmuster 1 806 189 ist weiterhin eine Vorrichtung zum Plattieren von Stahl mit Kupfer angegeben, bei der abschmelzende Kupferelektroden unter Schutzgas verwendet werden. Hierbei schmelzen jedoch sowohl der Stahl wie das Kupfer auf und verbinden sich in schmelzflüssigem Zustand.

Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von
Kupferteilen mit Stahlteilen, insbesondere von
Kupfer-Kühlrippen mit dem stählernen Kessel
eines Stromrichtergefäßes

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:
Georg Engelhardt, Berlin

Ein verbreitetes Verfahren zum Verbinden von

ao Stahlteilen ist ferner das Hartlöten mit Kupferlot unter einem reduzierenden Schutzgas ohne Flußmittel. Dieses Verfahren kommt jedoch zum Verbinden von Kupferteilen mit Stahlteilen nicht in Betracht, da das Kupferwerkstück bei der Erwärmung über die

as Schmelztemperatur des Lotes in dem Schutzgasofen ebenfalls vollständig schmelzen würde.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Kupferteilen mit Stahlteilen, insebsondere von Kupfer-Kühlrippen mit dem stählernen Kessel eines Stromrichtergefäßes. Sie besteht darin, daß das Kupferteil unter einem oxydationsverhindernden oder reduzierenden Schutzgas durch Erwärmung mittels eines Lichtbogens unter Verwendung einer nichtschmelzenden Elektrode mit dem Stahlteil bei einer Temperatur, die unterhalb der Schmelztemperatur des Stahls liegt, metallurgisch verbunden wird. Hierbei ist ein Vordringen des Kupfers in das Stahlteil, da dieses fest bleibt, nur bis zu unerheblichen Tiefen möglich, so daß auch Stahlbleche von wenigen Millimetern Dicke einwandfrei mit Kupferrippen besetzt werden können. Bei Anwendung des Verfahrens auf Stromrichterkessel tritt eine Verwerfung des Kessels nicht ein, da die Wärme jeweils nur örtlich engbegrenzten Teilen des Kessels zugeführt wird.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung können Zusatzwerkstoffe verwendet werden, deren Schmelzpunkt nicht höher liegt als der des Kupfers; es kommen z. B. übliche Hartlote aus einer Silber-Kupfer-Legierung in Betracht. Vorzugsweise wird jedoch als Zusatzwerkstoff ebenfalls Kupfer verwendet, das in Form eines Drahtes der Stoßfuge zwischen den bei-

709 707/477

Claims

den Werkstücken beigelegt λνεΓαεη kann. Das Verfahren gestaltet sich besonders einfach, wenn das als Zusatzwerkstoff verwendete Kupfer dem Körper des geeignet geformten Kupferteiles selbst entnommen wird. Insbesondere kann bei der Verbindung eines Kupferbleches mit einem Stahlteil das Kupferblech an der Verbindungsstelle einen abgewinkelten Flansch aufweisen, wobei der Rand des Flansches beim metallurgischen Verbinden zum Schmelzen gebracht wird. Als Material der nichtschmelzenden Lichtbogenelektrode wird Wolfram bevorzugt; Kohlenstoff ist weniger geeignet, da der Stahl unter Umständen durch Kohlenstoffaufnahme nachteilig verändert werden kann. Das Schutzgas kann, ähnlich wie bei dem sogenannten WIG-Schweißverfahren, durch eine Düse auf die Verbindungsstelle geblasen werden; die Verbindung kann jedoch auch in einem Behälter mit ruhender Schutzgasatmosphäre vorgenommen werden. Als Schutzgas kommt ein inertes Gas (z. B. Stickstoff, Argon) oder ein reduzierendes Gas (z. B. Leuchtgas) in Frage. Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des Verfahrens nach der Erfindung an Hand der Figuren erläutert. In F i g. 1 ist 1 ein Stahlblech, 2 ein stumpf aufgesetztes Kupferblech. Beide Bleche können z. B. 3 mm dick sein. Der Stoßfuge ist ein Draht 3 eines Zusatzwerkstoffes beigelegt, der aus einer Silber-Kupfer-Legierung oder aus Kupfer bestehen kann. Mit 4 ist eine Wolframelektrode bezeichnet; sie ist von einer Düse 5 umgeben, durch die ein Schutzgas, z. B. Argon, auf die Verbindungsstelle geblasen wird. Die Wolframelektrode 4 ist an den positiven Anschluß 6, das Stahlblech 1 an den negativen Anschluß 7 eines Gleichrichters angeschlossen. Zwischen der Wolframelektrode 4 und dem Draht 3 wird ein Lichtbogen 8 gezogen, der die für die Verbindung erforderliche Wärme liefert. Die Lichtbogenspannung kann etwa 30 V, der Lichtbogenstrom etwa 100 A betragen. Wenn der Draht 3 aus Kupfer besteht, schmilzt er bei etwa 1100° C; diese Temperatur bleibt weit unter der Schmelztemperatur des Stahls von etwa 1500° C. Das Material des Kupferbleches 2 wird teilweise mitangeschmolzen. Eine Oxydierung der beteiligten Werkstoffe wird durch die Bespülung mit Schutzgas verhindert; ein Flußmittel ist daher nicht erforderlich. In Fig.2 ist die fertige Verbindung im Schnitt dargestellt; die verflüssigte Zone ist mit 9 bezeichnet. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 weist das Kupferblech einen abgewinkelten Flansch la auf; der Lichtbogen 8 wird zwischen der Wolframelektrode 4 und der Kante des Flansches la gezogen. Infolgedessen schmilzt der Rand des Flansches la, so daß das Kupfermaterial des Flansches selbst als Zusatzwerkstoff wirkt. Die fertige Verbindung ist in F i g. 4 dargestellt, wobei die verflüssigte Zone mit 10 bezeichnet ist. Bei der Verbindung von Blechen der genannten ίο Dicke können je Sekunde einige Zentimeter der Stoßfuge verbunden werden; das Verfahren arbeitet also sehr schnell. Das Verfahren ergibt eine Verbindung hoher Festigkeit und geringen Wärmewiderstandes. Patentansprüche:

1. Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Kupferteilen mit Stahlteilen, insbesondere von Kupfer-Kühlrippen mit dem stählernen Kessel eines Stromrichtergefäßes, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupferteil unter einem oxydationsverhindernden oder reduzierenden Schutzgas durch Erwärmung mittels eines Lichtbogens unter Verwendung einer nichtschmelzenden Elektrode mit dem Stahlteil bei einer Temperatur, die unterhalb der Schmelztemperatur des Stahls liegt, metallurgisch verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzwerkstoff ebenfalls Kupfer verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Verbindung eines Kupferbleches mit einem Stahlteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupferblech an der Verbindungsstelle einen abgewinkelten Flansch aufweist und daß der Rand des Flansches beim metallurgischen Verbinden zum Schmelzen gebracht wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 745 140;

deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1 806 189;

schweizerische Patentschrift Nr. 391 903;

USA.-Patentschrift Nr. 1 735 213;

Schweißen von Kupferlegierungen, 3. Auflage, Berlin, 1954, S. 51, 52;

Löten — Vorträge der 1. DVS-Sondertagung Löten (Augsburg 1964), Düsseldorf, 1964, S. 15;

Katalog der metallochemischen Fabrik Dr. Leopold Rostosky, Ausgabe 19, Berlin, 1940;

K. K. Chrenow, Schweißen, Schneiden und

Löten von Metallen, Halle (Saale), 1958, S. 368.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen