DE3221887A1

DE3221887A1 - Verfahren zum herstellen von bimetall-rohren

Info

Publication number: DE3221887A1
Application number: DE19823221887
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Kawasaki; Hiroshi Ichikawa Chiba Ohtsubo; Isao Chiba Takada
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1981-06-11
Filing date: 1982-06-09
Publication date: 1983-02-24
Also published as: DE3221887C2; CA1198267A; FR2507508A1; FR2507508B1; GB2100641A; US4533806A; GB2100641B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von plattierten Rohren bzw. Bimetallrohren und schafft ein Verfahren zum Herstellen von Bimetallrohren durch Einbringen eines korrosionsbeständigen oder wärmebeständigen Innenrohres in das Innere eines preisgünstigen Außenrohres.

Im allgemeinen werden an Rohre entsprechend ihren Verwendungszwecken unterschiedliche Anforderungen gestellt und werden folglich Rohre aus Werkstoffen hergestellt, die den jeweiligen Anforderungen gerecht werden. In jüngerer Zeit werden jedoch die an Rohre gestellten Anforderungen immer differenzierter und mit dem Fortschritt der Technik immer schweriger zu erfüllen, insbesondere im Bereich der chemischen Industrie sowie deren Nachbarindustrien. Das führt dazu, daß gegenwärtig sehr kostenintensive Werkstoffe verwendet werden müssen, um alle gestellten Anforderungen mit einem einzigen Material (Monomaterial) zu erfüllen.

Um eine Kostensteigerung als Folge der Verwendung kostenintensiver Werkstoffe zu vermeiden, sind bereits ver-

schiedene Verfahren vorgeschlagen worden, mit derern Hilfe Mehrschichtenrohre durch Kombination von Werkstoffen mit

unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt werden sollen. 5

Diese Verfahren lassen sich grob in die folgenden Gruppen

unterteilen:

1) Zwei Rohre mit geringfügig unterschiedlichen Durchmessern werden mechanisch ineinander gefügt unter Anwendung

10 .

der Wärmedehnung und -schrumpfung oder durch Verwendung eines festen Schmiermittels, wie Blei, Zink oder dergleichen ;

2) ein Rohr mit kleinem Durchmesser wird in ein Rohr mit

großem Durchmesser eingefügt und die beiden Rohr»= werden 15

miteinander mit Hilfe des Explosivschweißens, des Warmbzw. Kaltwalzens verbunden;

3) ein Stahlband wird um eine Außenoberfläche eines Rohres herumgewickelt und mit seinem Ende am Rohr verschweißt ; .

¹J) eine Innenoberfläche oder eine Außenoberfläche eines Rohres wird mit einem Schweißdraht aus einem verschiedenen Werkstoff mittels Schweißen plattiert oder das mit einem verschiedenen Material beschichtete Rohr wird einem Wärmer, walzen oder einem Kaltwalzen unterworfen, um ein langes Rohr zu erzielen; und

5) verschiedene Stahlbänder werden übereinander angeordnet und zu einem Rohr verarbeitet; stattdessen können die Bänder auch schraubenförmig gewickelt und miteinander QQ verschweißt werden.

Die oben erwähnten Verfahren besitzen jedoch die im folgenden noch näher erläuterten Nachteile und weisen keinesfalls immer zufriedenstellende Eigenschaften als Mehrschichtenrohr auf.

Die nach dem Verfahren 1) hergestellten Bimetallrohre werden in ihrem Verbindungsbereich bei Verwendung auf

10

höheren Temperaturen oder bei wiederholten Benutzungen unter Temperaturwechseln gelockert. Ferner macht das Einbringen vermittels eines Blei- oder Zinkschmiermittels oder dergleichen Schwierigkeiten bei der Kombination von dünnwandigen Rohren oder bei der Herstellung von großdimensionierten Bimetallrohren. Das bedeutet, daß dieses Verfahren 1) in bezug auf die Größe der herstellbaren Rohre beschränkt ist.

Das Verfahren 2) gestattet die Herstellung groß dimensionierter Bimetallrohre, aber dafür ist die Herstellung kleindimensionierter Bimetallrohre schwierig. Insbesondere durch das Explosivschweißen werden Schwierigkeiten hinsichlich der Maßgenauigkeit der Rohrdurchmesser und Rohr-■ abmessungen sowie hinsichtlich der Produktivität hervorgerufen, wohingegen sich die erforderlichen Warmwalzungen bzw. Kaltwalzungen in einer Komplizierung d.es Herstellungs-

20 weges auswirken.

Beim Verfahren 3) ist die Verbindung zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr in dem geschweißten Bereich gut, aber das Innenrohr ist nicht an anderen Bereichen außer dem geschweißten Bereich mit dem Außenrohr verbunden, weshalb die Gefahr besteht, daß die Verbindung gelockert wird oder daß Risse in dem geschweißten Bereich bei Hochtemperaturanwendungen oder bei wiederholten Benutzungen unter Temperaturwechseln auftreten. Außerdem ist es erforderlich, Werkstoffe auszuwählen, welche beim Schweißen nicht reißen, so daß eine Beschränkung hinsichtlich der miteinander zu kombinierenden Werkstoff gegeben ist.

Bei dem Verfahren 4) kann eine Auftragsschweißung lediglieh auf die großdimensionierten Bimetallrohre aufgebracht werden, so daß sich eine Beschränkung hinsichtlich der Größe der herzustellenden Rohre ergibt. Außerdem können Risse in der Auftragsschweißung oder in dem Basis-

metall auftreten und ist ferner die Bearbeitbarkeit des aufgetragenen Schweißmaterials gering, so daß sich eine

Beschränkung im Hinblick auf die Kombination von auszuo .

tragendem Material und Basis-Metallrohr ergibt.

Mit Hilfe des Verfahrens 5) ist die Herstellung von kleindimensionierten Bimetallrohren schwierig und ergibt sich ferner das Problem, daß die erzeugten Bimetallrohre bei Verwendung auf höheren Temperaturen in Bereichen eine Lockerung erfahren, die von dem verschweißten Bereich verschieden sind. Außerdem ist es schwierig, Rohre mit extrem unterschiedlichen Wanddicken oder Rohre die aus ■ig unterschiedlichen Materialien bestehen, miteinander zu verschweißen, selbst im Falle der Herstellung großdimensionierter Bimetallrohre, so daß sich Beschränkungen hinsichtlich Größe und Werkstoff der miteinander zu kombinierenden Rohre unvermeidlich ergeben.

Die Erfindung verfolgt demzufolge das Ziel, die vorstehenden Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein verbessertes Herstellungsverfahren für Bimetallrohre zu schaffen.

Gemäß eines ersten Aspektes der Erfindung ist ein Herstellungsverfahren für Bimetallrohre, bei welchem ein Innenrohr in ein Außenrohr eingeführt und die beiden Rohre miteinander verbunden werden, dadurch spezifiziert, daß nach dem Einfügen des Innenrohres in das Außenrohr ein Lötmittel in einen Raum eingefüllt wird, welcher zwischen der Innenseite des Außenrohres und der Außenseite des Innerirohres vorliegt und daß die erhaltene Rohranordnung in dem sich überlappenden Bereich verlötet wird durch Zonenerwärmung des überlappten Bereiches unter Pruckaus-• übung auf die Innenseite des Innenrohres mittels eines Gases, wobei der zu erwärmende Abschnitt über die Gesamtlänge der Rohranordnung bewegt wird.

Gemäß eines zweiten Aspektes der Erfindung ist ein Herstellungsverfahren für Bimetallrohre, bei welchem ein

_ Innenrohr in ein Außenrohr eingeführt und die beiden ο

Rohre miteinander verbunden werden dadurch definiert, daß die Werkstoffe für das Innenrohr und das Außenrohr so gewählt werden, daß der Wärmedehnungskoeffizient des Innenrohres geringer ist als der Wärmedehnungskoeffizient des Außenrohres und daß nach dem Einfügen des Innenrohres in das Außenrohr die erhaltene Rohranordnung erwärmt wird, während Druck auf die Innenseite des Innenrohres mit Hilfe eines Gases ausgeübt und eine Abkühlung vorgenommen wird, um das Innenrohr am Außenrohr zu befestigen.

Die Erfindung wird im folgenden noch im Detail erläutert

werden. ·

Bei dem ersten Aspekt der Erfindung können alle ein übliches Verlöten (Hartlöten) gestattenden Rohrwerkstoffe verwendet werden. Außerdem ist es vorteilhaft, daß wenigstens ein Verbindungsbereich des Innenrohres und des Außenrohres einer Metallplattierung oder einem Metallsprühen mit wenigstens einem Lötmittel-Werkstoff, ausgelöst aus einer Nickel, Chrom, Kupfer und Eisen enthaltenden Gruppe ausgelöst wird. Nachdem der zwischen der Innenseite des Außenrohres und der Außenseite des Innenrohres vorliegende Raum mit dem Lötmittel gefüllt ist, kann dieser Raum unter einen verminderten Druck oder in eine Schutzgasatmosphäre und/oder unter eine reduzierende Gasatmosphäre gebracht werden, falls erforderlich. Beim Zonenerwärmen kann eine Kompressionskraft auf das Innenrohr von dessen beiden Enden in Axialrichtung ausgeübt werden, während die Innenseite des Innenrohres mittels Luft oder Inertgas unter Druck gesetzt wird, so daß das Innenrohr und das Außenrohr gut miteinander verlötet werden

15 20 25 30 35

Nach dem ersten Aspekt (erste Ausführungsform) der Erfindung ist es vorteilhaft, das verwendete Lötmittel mit

Blick auf die Rohrraaterialkombination auszuwählen, welche 5

entsprechend dem angestrebten Verwendungszweck sowie den zu erwartenden Benutzungstemperaturen des Bimetallrohres ausgewählt sind. Einige geeignete Lötmittel sind in der folgenden Tafel 1 zusammen mit Werkstoffen für Innen-. und Außenrohr sowie unter Angabe der Verwendungstemperaturen zusammengestellt.

co ο

bo O

Tafel 1

Lötmittel	Gestalt des Lötmittels	Zusammensetzung	Schmelztempera	Verwendung des Löt
		des Lötmittels	turbereich des	mittels
		(%)	Lötmittels (⁰C)
phosphor-	gegossener oder warmge	P: 5-7	640 - 900	kein Flußmittel für
haltiges	walzter Lötdreht	Ag: 5-15		Kupfer ; zu verwenden
Kupferlot	in Bandform oder Pulver	Cu: Rest		für das Löten von
				Kupfer und Kupferle-
	*			legierungen; ungeeig
				net für Gußeisen und
				Stahl; Löten (Hart- ν löten) mit dem ^_n, %
				Brenner durch Ein- ^ ·
				tauchen und im Ofen <
				geeignet zum Lösen von
Silberlot	Band, Draht und Pulver	Cd: 0-24	600 - 790	Kupferlegierungen,
		Cu: 15-35		Nickellegierungen und :
		Zn: 0-28		Eisenlegierungen;
		weitere		das Vorliegen von Phos-2
		Stoffe: 0-5		phor ist ungeeignet
		Ag: Rest		zum Löten von Kupfer,
				Gußeisen und anderen *
				Eisenlegierungen; Löten;
				(Hartlöten) mittels des:
				Brenners durch Ein
				tauchen und im Ofen ^

co ο

σι

Tafel 1 (Fortsetzung)

Lötmittel	Gestalt des Lötmittels	Zusammensetzung des Lötmittels	Schmelztempera turbereich des Lötmittels (⁰C)	Verwendung des Löt mittels
Deutsches Silberlot	pulvrig und stöckig	Zn: 30-55 Ni: 0-10 Cu:' .Rest	800 - 900	geeignet zum Löten von Kupferlegierungen, Nickel legierungen, Kupfer und Gußeisen; Löten (Hart löten mittels des Brenners, durch Eintauchen und im Ofen
Messinglot	Band, Stab, Draht, Pulver und Stücke	Zn: 0-48 weitere Stoffe: 0-11 Cu: Rest	850 - 980	geeignet für das Verlöten von Kupferlegierungen, Nickellegierungen, Guß eisen und ausreichende Festigkeit verlagende Stahl verbindungen
Goldlot	Band und Draht	Cu: 20-63 Au: Rest	880 - 960	verwendbar für das Löten von Elektronenröhrenteilen; für ein Löten in redu zierender Atmosphäre, unter vermindertem Druck und im Vakuum;

ω ο

to O

Tafel 1 (Fortsetzung)

Lötmittel

Gestalt des Lötmittels

Zusammensetzung des Lötmittels

Schmelztemperaturbereich des
Lötmittels (⁰C)

Verwendung des Lötmittels

Aluminiumlot

Band, Stab und Draht

Si: 5-12 Cu: 0-4 Al: Rest

- 640

zum Verlöten von Aluminiumlegierungen ;
Löten (Hartlöten)
mittels des Brenners, durch Eintauchen und im Ofen; Flußmittel erforderlich

Wärmebeständiges

Band, Stab, Draht und Pulver

Ni:	70	85	5
Cr:	17	15	10
B:	3,
Fe+Si+C:
Ag:
Mn :

1070

- 970

geeignet zum Verlöten von nichtrostendem Stahl und nickelreichen Legierungen ; zum Löten unter reduzierender Atmosphäre und für das Verlöten im Ofen unter WasserstoffatmosDhäre

CO ISJ

KT

Beim Löten (Hartlöten) ist die Verwendung eines Flußmittels günstig, um insbesondere ein Oxidation und eine Herabsetzung des Fließvermögens des Lötwerkstoffes zu verhindern. Zu ,- diesem Zweck können Zinkchlorid, Harz, Borax, Borsäure, Natriumchlorid, Lithiumchlorid, Fluorverbindungen und dergleichen wahlweise als Flußmittel entsprechend den Erfordernissen an das Lötmittel und die miteinander zu verbindenden Rohrwerkstoffe verwendet werden.

Beim Zonenerwärmen der Rohranordnung liegt die Erwärmungstemperatur innerhalb eines Arbeitstemperaturbereiches des ausgewählten Lötmittels, wie vorstehend angegeben. Außerdem wird ein Druck P (kg/cm²) auf die Innenseite des 5 Innenrohres zum Einwirken gebracht, der gerade ausr .cht, um das Innenrohr als Folge einer elastischen oder plastischen Verformung so zu expandieren, daß es in innigem Kontakt mit der Innenoberfläche des Außenrohres gelangt. Der Druck schwankt etwas in Abhängigkeit von dem Raum zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr. Vorteilhafterweise genügt der -Druck der folgenden Gleichung:

P/100 <2crt_o/D_o

In dieser Gleichung bezeichnet ©-. die Zugfestigkeit (kg/mm²) des Innenrohrwerkstoffes bei der Arbeitstemperatur, t. d: Dicke (mm) des Innenrohres, D. den Außendurchmesser (mm) des Innenrohres, 6^ die Bruchfestigkeit (kg/mm²) des Auß< rohrwerkstoffes bei der Löttemperatur, t_n die Dicke (mm) des Auß<
rohres.

des Innenrohrwerkstoffes bei der Arbeitstemperatur, t. die

:m

des Innenrohres, 6^ die Bruchfestigkeit (kg/mm²) des Außen-

der Löttemperatur, t

des Außenrohres und D den Innendurchmesser (mm) des Außen-

Gemäß des zweiten Aspekts (zweite Ausführungsform) der Erfindung kann die Rohranordnung über ihre gesamte Länge

gleichzeitig erwärmt werden oder kann die örtliche Erwärmungszone über die Gesamtlänge der Rohranordnung bewegt werden. Im letzten Fall läßt sich die Expansion des Rohres weiter dadurch erleichtern, daß das Innenrohr mit einer

Kompressionskraft in Axialrichtung des Rohres beaufschlagt wird. Erfindungsgemäß kann die Größe bzw. Dimension des

erzeugten Bimetallrohres dadurch gesteuert werden, daß der 5

Durchmesser des Bimetallrohres auf herkömmliche Weise vergrößert oder verringert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

Figuren 1 und 2 schematische Längsschnitte durch Ausführungsformen von zur Durchführung des Verfahrens , p- nach der Erfindung geeigneten Vorrichtungen.

Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, wird ein Innenrohr 2 in ein Außenrohr 1 eingebracht und wird sodann ein zwischen dem Außenrohr 1 und dem Innenrohr 2 vorhandener Zwischenraum mit einem Lötpulver 3, gegebenenfalls unter Zusatz eines Flußmittels, gefüllt. Nachdem beide Enden des Innenrohres 2 luftdicht mit Hilfe einer Verschlußkappe 4 geschlossen sind, wird die erhaltene Rohranordnung in eine Kammer 5 mit kondxtionierbarer Atmosphäre eingebracht. Gegebenenfalls können der Zwischenraum zwischen den Rohren sowie der Innenraum des Innenrohres 2 mit Hilfe einer Vakuum-Absaugeinrichtung 13 evakuiert werden oder kann ein inertes Gas oder ein reduzierendes Gas aus einer Gasflasche 14 in das Innere der Kammer 5 eingeleitet werden. Sodann ■ werden Luft oder ein Inertgas aus einer Gasflasche 12 unter Druck in den Innenraum des Innenrohres 2 gepumpt, während die Rohranordnung zonenweise erwärmt wird, was durch Anlegen eines hochfrequenten Stromes aus einer Stromquelle 10 an eine Hochfrequenz-Erwärmungsspule 6 und durch Bewegen dieser Spule 6 mit Hilfe einer Spulenbewegungseinrichtung 11 erfolgt, so daß das Innenrohr 2 im Bereich der jeweiligen Ortslage der Erwärmungsspule 6 nach außen expandiert wird, um auf diese Weise in Richtung auf das Außenrohr 1 bewegt

und rait diesem Verlötet zu werden. Durch Bewegen einer derartigen Erwärmungszone über die Gesamtlänge des Rohres ι- kann das Innenrohr mit dem Außenrohr zwecks Erzeugung eines Bimetallrohres verlötet werden. Außerdem kann das Verlöten des Innenrohres und des Außenrohres dadurch unterstützt ' werden, daß das Innenrohr 2 in Richtung seiner Achse mit einer Kompressionskraft beaufschlagt wird, wie mit Hilfe einer Kompressions-Belastungseinrichtung 7, eines diese

Belastung messenden Instrumentes 8 sowie eines Komressionskolbens 9. Diese Druckbeaufschlagung sollte während der zonenweisen Erwärmung durchgeführt werden.

Ist es außerdem beabsichtigt, ein Bimetallrohr ohne Verwendung eines Lötmittels herzustellen, so werden Innenrohre und Außenrohre mit unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten verwendet. Werden derartige Innen- und Außenrohre in die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung eingebracht, ^so wird das Innenrohr 2 expandiert und mit dem Außenrohr

1 während des zonenweisen Erwärmens verbunden. Sodann wird, durch Abkühlen der Rohranordnung im Anschluß an das Erwärmen das Innenrohr fest mit dem Außenrohr verbunden als Folge der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten, welche das Innenrohr einerseits und das Außenrohr andererseits aufweisen. Auf diese Weise kann ein Bimetallrohr hergestellt werden.

Fig. 2 zeigt eine andere Herstellungsweise für Birnetallrohre, wobei ein Innenrohr 2 in ein .Außenrohr 1 eingesetzt wird und beide Enden des Innenrohres 2 luftdicht mit Hilfe von Dichtungskappen 4 verschlossen werden, worauf die so erhaltene Rohranordnung in einen rohrförmigen Elektroofen 15 eingesetzt wird. Durch Eilbringen von Luft oder Inertgas aus einer Gasflasche 12 in den Innenraum des Innenrohres

2 während die Rohranordnung als ganzes in dem Ofen 15 erwärmt wird, wird das Innenrohr 2 expandiert und am Außenrohr befestigt. Wird die Rohranordnung nach dem Erwärmen abgekühlt,

so ist die Schrumpfung des Außenrohres 1 größer als die Schrumpfung des Innenrohres 2 als Folge der den beiden

_ Rohren innewohnenden unterschiedlichen Wärmedehnungs-5

koeffizienten, so daß das Außenrohr 1 eine Kompressionskraft auf das Innenrohr 2 ausübt, wodurch die Außen- und Innenrohre fest miteinander vereinigt werden.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele noch näher erläutert, wobei die Erfindung keinesfalls auf diese Beispiele beschränkt ist.

Beispiel 1

In diesem Beispiel wurde ein Außenrohr mit einem Außendurchmesser von 17,3 mm aus dem Werkstoff SUS 304 TP verwendet und wurde ein Innenrohr mit einem Außendurchmesser von 14,0 mm und einer Wandstärke von 0,3 mm aus einem unter der Bezeichnung "Inconel" bekannten Werkstoff benutzt.

Als Lötmaterial wurde ein wärmebeständiges Lot aus BNi-4-Pulver (Ni-Si-B-Typ) ohne Flußmittelzusatz benutzt.

Zunächst wurde die Außenoberfläche des in das Außenrohr eingebrachten Innenrohres mit einer Paste aus einem pulvrigen Lötmittel und einem organischen Lösungsmittel aufgetragen. Jedes Ende des Innenrohres wurde mittels einer Dichtungskappe aus dem Werkstoff SUS 304 zugelötet. Die erhaltene Rohranordnung wurde in die in Fig. 1 dargestellte Kammer mit konditionierbarer Atmosphäre eingebracht, welche entleert und in welche eine Atmosphäre aus Argon mit 5 % Hp aufrechterhalten wurde. Der Innenraum des Innenrohres wurde evakuiert und mit einem Argon-Druckgas bis zu 10 kg/cm^a beaufschlagt. Die Rohranordnung wurde zonenmäßig bis zu 115O⁰C mit Hilfe einer Hochfrequenz-Erhitzungsspule mit doppelten Windungen erwärmt und die Erwärmungszone wurde mit einer Geschwindigkeit von 200 mm/min bewegt. Das auf diese Weise erhaltene Bimetallrohr wurde der Länge nach aufgeschnitten und überprüft, wobei gefunden wurde, daß

/p-

das Biraetallrohr vollständig verlötet war.

_ Beispiel 2 ο '—

Es wurde ein Außenrohr mit einem Außendurchmesser von' 17,3 mm und einer Wandungsdicke von 1,2 mm aus dem Werkstoff SUS 304 TP zusammen mit einem Cu-Ni-nahtgeschweißten Innenrohr mit einem Außendurchmesser von 14,0 mm und einer Wandungsdicke von 0,5 mm verwendet. Als Lötmittel wurde ein Silberlot aus BAg-8-Pulver verwendet, welches mit einem handelsüblichen Flußmittel vermischt und auf die Außenoberfläche des Innenrohres aufgetragen wurde. Sodann wurde der gesarate in Beispiel 1 beschriebene Vorgang wiederholt mit der Ausnahme, daß im Innenraum der Kammer in Vakuum (10 Torr) herrschte und der Innenraum des Innenrohres mittels eines Argon-Druckgases mit 50 kg/cm² beaufschlagt wurde. Die zonenweise Erwärmungstemperatur betrug 85O⁰C und die Bewegungsgeschwindigkeit betrug 200 mm/min.

°as auf diese Weise erzielte Zweifachrohr erwies sich bei einer Längsschnittprüfung als vollständig verlötet.

Beispiel 3

Als Außenrohr wurde ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 17,3 mm und einer Dicke von 1,2 mm aus dem Werkstoff SUS 304 TP verwendet und als Innenrohr diente ein Kupferrohr mit einem Außendurchmesser von 14,0 mm und einer Dicke von 0,5 mm. Als Lötmittel wurde das sogenannte Lot 50 aus Zinnpulver verwendet, welches mit einem handelsüblichen Flußmittel für Stahl vermischt und auf die Außenoberfläche des Innenrohres aufgetragen wurde.

Sodann wurde der gleiche Vorgang, wie in Beispiel 1 beschrieben, wiederholt, mit der Ausnahme, daß im Inneren der Kammer eine Luftatmosphäre aufrechterhalten wurde, daß im Innenraum des Innenrohres mit Hilfe von Druckluft ein Druck von 50 kg/cm² aufrechterhalten wurde, daß die Temperatur der zonenweisen Erwärmugn 300⁰C und die Be-

wegungsgeschwindigkeit 200 mm/min betrug. Außerdem wurden beide Enden des Innenrohres in Axialrichtung mit einer

Kompressionskraft von etwa 100 kg beaufschlagt. Das der-5

art erhaltene Bimetallrohr zeigte sich bei einer Längsschnittuntersuchung als vollständig verlötet.

Beispiel 4

Als Außenrohr wurde ein Rohr aus dem Werkstoff SUS 304 TP · mit einem Außendurchraesser von 17,3 mm und einer Dicke von 1,2 mm verwendet. Als Innenrohr wurde ein geschweißtes Rohr aus dem Werkstoff "Inconel" mit einem Außendurchmesser von 14,0 mm und einer Dicke von 0,3 mm verwendet. Nachdem

,ρ- die miteinander verbundenen Oberflächen dieser Rohre, d.h. die Innenoberfläche des Außenrohres sowie die Außenoberfläche des Innenrohres, einer Kupferplattierung unterzogen worden waren, wurde ein Silberlot aus einem BAg-8-Pulver zusammen mit einem Flußmittel auf die Außenober-

20 fläche des Innenrohres aufgetragen.

Sodann wurde der gleiche Vorgang wiederholt, wie in Beispiel 1 beschrieben, mit der Ausnahme, daß das Innere der Kammer mittels Argongas gespült wurde, der Innenraum des Innenrohres mittels Argongas mit einem Druck von 50 kg/cm² beaufschlagt wurde, als Temperatur für die zonenweise Erwärmung 850⁰C gewählt wurde und die Bewegungsgeschwindigkeit 200 mm/min betrugt. Das derart erhaltene Bimetallrohr zeigte sich bei einer Längsschnittuntersuchung als voll-

30 ständig verlötet.

Beispiel 5

Es wurde der gleiche Vorgang wie in Beispiel 1 beschrieben, wiederholt mit der Ausnahme, daß der Druck im'Inneren des Innenrohres 30 kg/cm² betrug. Bei dem derart erzeugten Bimetallrohr war der Außendurchraesser des Rohres auf 18,0 bis 18,5 mm vergrößert. Sodann wurde dieses Bimetallrohr durehmsssermäßig auf herkömmliche Weise auf 17,5 mm

reduziert. Als Ergebnis einer Längsschnittuntersuchung ergab sich, daß das Innenrohr und das Außenrohr vollständig miteinander verlötet waren.

Wie aus den vorstehenden Beispielen erkennbar, sind vielfältige Werkstoffkombinationen für Innenrohr und Außenrohr beim erfindungsgemäßen Verfahren möglich und wird das Lötmittel in Abhängigkeit von der gewählten Werkstoffkombination ausgewählt. Um den LötVorgang zu unterstützen kann es weiterhin nützlich sein, daß die Verbindungsoberfläche des Rohres mit einem Metall beschichtet wird, sei es durch Plattieren oder durch Sprühen, welches die gleiche Wirkung hat wie die Metallplattierung. Es kann auch eine

Druckkraft auf beide Enden des Innenrohres in RiChI¹¹Ig dessen 15

Längsachse zur Einwirkung gebracht werden. Ferner versteht sich, daß der im. Innenraum des Innenrohres aufgebrachte Druck in Abhängigkeit von der elastischen oder plastischen Verformung des Werkstoffes des Innenrohres bei der Erwärmungstemperatur während des Lötvorganges verändert werden muß, weil die Herstellung der Bimetallrohre von der elastischen oder plastischen Verformung des Innenrohres bei hoher Temperatur Gebrauch macht, übersteigt jedoch der Druck im Innenraum des Innenrohres den der Zugfestigkeit oder der Streckgrenze des Außenrohres bei der herrschenden hohen Temperatur entsprechenden Druck, so führt dieses zu einer Erweiterung des Außenrohres, wie in Beispiel 5 gezeigt. Aus diesem Grunde ist es ratsam, daß der das Innere des Innenrohres beaufschlagende Druck nicht höher ist als ein Druck, welcher der Bruchfestigkeit des Außenrohres bei der Löttemperatur entspricht. Das bedeutet, daß der Druck im Inneren des Innenrohres vorzugsweise anhand der vorstehend angegebenen Gleichung berechnet wird. Wenngleich die vorstehenden Beispiele lediglieh klein dimensionierte Rohre mit einem Durchmesser von 17,3 mm betreffen, so kann die Erfindung auf die Herstellung groß dimensionierter Rohre, wie Ölförderrohre oder dergleichen angewendet werden. Außerdem ist die Erfindung an-

rf

wendbar auf die Herstellung von Mehrschichten-Kastenbehältern und dergleichen.

Beispiel 6

Für dieses Beispiel wurde ein Kohlenstoffstahl-Rohr (STBA 22) mit einem Außendurchmesser von 50,8 mm und einer Dicke von 5,0 mm als Außenrohr zusammen mit einem TIG-geschweißten Rohr aus reinem Titan (zweite Klasse gemäß japanischer Industrienorm) mit einem Außendurchmesser von 38,0 mm und einer Dicke von 0,5 mm als Innenrohr verwendet. Ein Bimetallrohr wurde aus diesem Innenrohr und diesem Außenrohr in der folgenden Weise hergestellt. Wie in Fig. 2

dargestellt, wurde das Innenrohr 2 in das Außenrohr 1 15

eingebracht und wurden beide Enden des Innenrohres 2 mit Hilfe von Dichtkappen 4 mit Hilfe des TIG-Schweißens verschlossen. Die erhaltene Rohranordnung wurde in den rohrförmigen Elektroofen 15 eingesetzt, wo die gesamte Anordnung auf eine Temperatur von 800°C erwärmt wurde, während das Innere des Innenrohres 2 mit Hilfe von aus der Gasflasche 12 zugeführtem Argongas mit einem Druck von 15 Atmosphären beaufschlagt wurde. Nachdem die Rohranordnung 5 min. lang auf 800°C gehalten worden war, wurde sie aus dem Ofen entnommen und unter einem verminderten Druck abgekühlt. Das 25

derart erhaltene Bimetallrohr zeigte sich bei einer Querschnittsuntersuchung über die gesamte Länge als vollständig miteinander verbunden (Innenrohr und Außenrohr).

₃₀ Beispiel 7

Es wurde ein Kohlenstoffstahl-Rohr (STBA 22) mit einem Außendurchmesser von 50,8 mm und einer Dicke von 5,0 mm als Außenrohr zusammen mit einem TIG-geschweißten Rohr aus hochreinem ferritischen Edelstahl (30% Cr; 2% Mo) mit einem Außendurchmesser von 38,0 mm und einer Dicke von 0,45 mm als Innenrohr verwendet.

Ein Metallrohr wurde aus diesen beiden Rohren wie folgt

hergestellt. Gemäß Fig. 1 wurden Dichtungskappen U an beide Enden des Innenrohres 2 geschweißt, welches in das Außenrohr 1 eingeschoben worden war. Die erhaltene'Rohranordnung wurde in die Kammer 5 mit konditionierbarer Atmosphäre eingebracht, deren Inneres mit Hilfe der Vakuum-Absaugeinrichtung 13 entleert und sodann mit Argongas aus der Gasflasche 14 aufgefüllt wurde. Das Innere des Innenrohres 2 wurde mit Hilfe von Argongas aus der Gasflasche 12 mit einem

Druck von 10 Atmosphären beaufschlagt. Sodann wurde die

Rohranordnung auf 105Q⁰C mit Hilfe der sich mit einer Geschwindigkeit von 200 mm/min über die gesamte Rohrlänge bewegenden Erwärmungsspule 6 zonenweise erwärmt. Das derart erhaltene Bimetallrohr zeigte sich bei einer Querschnitts-15

überprüfung als über seine gesamte Länge vollständig vereinigt (Innen- und Außenrohr).

Beispiel 8

_Λ Es wurde ein nichtrostendes Stahlrohr aus dem Werkstoff 20

SUS 316 mit einem Außendurchmesser von 50,8 mm und einer Dicke von 5,0 mm als Außenrohr zusammen mit einem TIG-geschweißten Rohr aus einer Nickellegierung (Inconel 625) mit einem Außendurchmesser von 38,0 mm und einer Dicke von 0,5 mm als Innenrohr verwendet.

Der gleiche Vorgang, wie in Beispiel 7 beschrieben, wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß die Erwärmungstemperatur 1000⁰C betrug, der Druck im Inneren des Innenrohres 30'

3Q Atmosphären ausmachte und außerdem eine Kompressionskraft von etwa 1000 kg auf das Innenrohr in dessen Axialrichtung ■aufgebracht wurde. Dieses geschah mit Hilfe der Kompressionsbelastungseinrichtung 7, der Belastungsmeßeinrichtung 8 sowie des Kompressionskolbens 9. Das derart erhaltene Bimetallrohr erwies sich bei einer Querschnittsprüfung als über die gesamte Länge vollständig vereinigt (Innen- und Außenrohr).

Beispiel 9

Der Außendurchmesser des in Beispiel 8 erhaltenen Bimetallrohres wurde mit Hilfe eines hydraulischen Erweiterungs-5

Verfahrens auf 52,8 mm erweitert. Andererseits wurde der Außendurchmesser des in Beispiel 6 erhaltenen Bimetallrohres auf 49,0 mm mit Hilfe eines Kaltziehverfahrens reduziert. Jedes dieser erweiterten bzw. reduzierten Doppe1-rohre erwies sich bei einer Querschnittsüberprüfung als über die gesarate Länge vollständig vereinigt (Innen- und Aüßenrohr).

Vergleichsbeispiel 1

Es wurde das gleiche Vorgehen,wie in Beispiel 7 beschrieben, wiederholt mit der Ausnahme, daß ein KohlenstoffStahlrohr (STBA 22) mit einem Außendurchmesser von 50,8 mm und einer Dicke von 5,0 mm als Außenrohr zusammen mit einem TIG-geshweißten Rohr aus rostfreiem Stahl gemäß SUS 304 mit einem

2Q Außendurchmesser von 38,0 ram und einer Dicke vno 0,5 mm als Innenrohr verwendet wurde; die Erwärmungstemperatur 1100⁰C betrug und im Inneren des Innenrohres ein Druck von 15 Atmosphären erzeugt wurde. Als Ergebnis einer Querschnittsuntersuchung wurde gefunden, daß das erhaltene Bi-

25 metallrohr einen Spalt von etwa 0,1 mm aufwies und daß

außerdem Innen- und Außenrohr nicht innig miteinander verbunden waren.

Die Kombination der Rohrwerkstoffe, die Relation des Wärmedehnungskoeffizienten sowie die Ergebnisse des Vereinigungszustandes in den Beispielen 6 bis 8 sowie im Vergleichsbeispiel 1 sind in der folgenden Tafel 2 zusammengestellt.

32218G7

IS

Tafel 2

	Außenrohr	Innenrohr	Verbindungs-
	- Kohlenstoff	Ti	zustand
Beispiel 6	Kohlenstoff	hochreiner	gut
Beispiel 8		ferritischer	gut ;
		nichtrosten
		der Stahl
		(Fe-30Cr-2Mo)
	nichtrosten	Ni-Legierung
	der Stahl	(Inconel 625)	gut
	(SUS 316)
	Kohlenstoff	nichtrosten
Vergleichs- ·	stahl	der Stahl	schlecht
bsispiel 1		(SOS 304)

Wie aus Tafel 2 hervorgeht, ist die Werkstoffkombination für Innen- und Außenrohr erfindungsgemäß beliebig, sofern der Wärmedehnungskoeffizient des Außenrohres größer ist als der Wärmedehnungskoeffizient des Innenrohres. Die Erwärmungstemperatur, der im Inneren des Innenrohres aufgebrachte Druck, die Kompressionskraft und dergleichen sind Faktoren zum Erweitern des Innenrohres bei hohen Temperaturen zwecks Herbeiführung eines innigen Kontaktes mit dem Außenrohr, woraus folgt, daß diese Einflußgrößen leicht in Abhängigkeit von der Werkstoffestigkeit bei der Erhitzungstemperatur, dem Durchmesser und der Wandstärke des Innenrohres und dergleichen festgelegt werden können.

Erfindungsgemäß wird das Innenrohr durch das Außenrohr kompressiven Beanspruchungen unterworfen, indem die Unterschiedlichkeit der Wärmedehnungskoeffizienten des Innen-

rohres und des Außenrohres verwendet wird, woraus sich ergibt, daß beide Rohrwerkstoffe selbstverständlich höheren

P- Erwärmungstemperaturen standhalten müssen. Bei der Ausübung ο

der Erfindung ist der verwendbare Temperaturbereich jedoch breiter als beim herkömmlichen Aufschumpfen, so daß die Produktion leichter vor sich geht. Außerdem wird das Innenrohr innig mit dem Außenrohr durch Beaufschlagung des Inneren

,ρ des Innenrohres mit einem Druck vereint, so daß es nicht erforderlich ist, den Innendurchmesser des Außenrohres und den Außendurchmesser des Innenrohres mit hoher Genauigkeit zu dimensionieren, verglichen mit dem herkömmlichen Aufschrumpfen, was einen beträchtlichen Vorteil für die Herstellung von groß dimensionierten Bimetallrohren beinhaltet, wenngleich die vorstehenden Beispiele die Verarbeitung von Rohren mit Durchmessern von ca. 50 mm beschreiben. Die Erfindung ist anwendbar auf die Herstellung von Bimetallrohren mit unterschiedlichen Durchmessern und nicht nur für große und kleine Rohre für Sonderzwecke. Ferner kann die obere Grenze der Verwendungstemperatur eines Bimetallrohres angehoben werden durch Steigerung der Temperatur des Innenrohres bei der Erweiterung unter Druck.

Wie bereits erwähnt, ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Bimetallrohren äußerst vorteilhaft zum Verbinden eines hochkorrosionsbeständigen oder wärmebeständigen Innenrohres aus einem kostspieligen Material mit einem Außenrohr aus einem preisgünstigen Material mit oder ohne Anwendung eines Lötmittels, so daß sich Bimetallrohre vergleichsweise kostengünstig und vorteilhaft erzeugen lassen. Ferner sind die hergestellten Bimetallrohre für Apparaturen und Rohrleitungen verwendbar, welche bisher auf die Anwendung teurer, hochkorrosionsbeständiger

35 Materialien angewiesen waren, wodurch sich Kosten einsparen lassen.

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

\1 .· Verfahren zum Herstellen von Bimetallrohren, Dei welchem ein Innenrohr in ein Außenrohr eingeführt und die beiden Rohre miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet , daß nach dem Einbringen des Innenrohres in das Außenrohr ein Lötmittel in einen zwischen der Innenseite des Außenrohres und der Außenseite des Innenrohres vorhandenen Zwischenraum eingeführt wird und daß die derart erhaltene Rohranordnung in ihrem.sich überlappenden Bereich durch zonenw.eises Erwärmen dieses sich überlappenden Bereiches bei gleichzeitiger Druckbeaufschlagung des Inneren des Innenrohres mit einem Gas verlötet wird, wobei die Erwärmungszone über die gesamte Länge der Rohrenanordnung bewegt wird.
2. Verfahren zum Herstellen von Bimetallrohren, bei welchem ein Innenrohr in ein Außenrohr eingebracht und die beiden Rohre miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet , daß die Werkstoffe des Innenrohres und des Außenrohres so gewählt werden, daß der Wärmedehnungskoeffizient des Innenrohres kleiner ist als der Wärmedehnungskoeffizient des Außenrohres, und daß nach Einbringen des Innenrohres in das Außenrohr die so erhaltene Rohranordnung erwärmt und gleichzeitig das

Innere des Innenrohres mit einem Druckgas beaufschlagt und abgekühlt wird, um das Innenrohr am Außenrohr zu bec festigen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß ein zuvor mit einem Flußmittel vermischtes Lötmittel verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ·, daß der Zwischenraum nach Einbringen des Lötmittels unter einen verminderten Druck oder unter einer inerten oder einer reduzierenden Gasatmosphäre ge-

15 halten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine der mit einander zu verbindenden Oberflächen des Innenrohres bzw. des Außenrohres einer Metallplattierung oder einem Metallsprühen unter Verwendung wenigstens eines Lötmittels, ausgewählt aus einer Nickel, Chrom, Kupfer und Eisen umfassenden Gruppe unterzogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Rohranordnung zonenweise dadurch erwärmt wird, daß die Erhitzungszone über die Gesamtlänge der Rohranordnung bewegt wird.

30
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, dadurch ge

kennzeichnet , daß beide Enden des Innenrohres in Richtung ihrer Längsachse während des Erwärmens der Rohranordnung mit einer Kompressionskraft beaufschlagt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser des

Bimetallrohres auf eine vorbestimmte Abmessung erweitert oder reduziert wird.

10

25 30 35