DE3346161A1

DE3346161A1 - Verfahren und vorrichtung zum schutzgasloeten hochlegierter cr-ni-stahlbauteile

Info

Publication number: DE3346161A1
Application number: DE19833346161
Authority: DE
Inventors: Heiner DDR 1500 Potsdam Bogdahn; Manfred DDR 1502 Potsdam-Babelsberg Langhanki; Bernd-Peter DDR 1532 Kleinmachnow Salzberg
Original assignee: VEB GERAETE- und REGLER-WERKE TELTOW; TELTOV GERAETE REGLER; Veb Geraete und Regler Werke Teltow Ddr 1530 Teltow
Current assignee: Ingenieurbuero Wolf & Partner 12489 Berlin GmbH
Priority date: 1983-02-02
Filing date: 1983-12-21
Publication date: 1984-08-02
Also published as: HU199086B; DE3346161C2; GB2135229B; GB2135229A; GB8401354D0; DD213373B1; FR2542235A1; FR2542235B1; DD213373A1

Description

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Titel der Erfindung

Verfahren und Vorrichtung zum Schutzgaslöten hochlegierter Cr-Ni-St ahlb aute ile

Anwendungsgebiet der Erfindung

j Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum ': Löten hochlegierter Cr-Ni-Stahlbauteile unter Montagebedingungen insbesondere zum Fügen von Rohren kleiner Durchmesser_c

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Das Hauptproblem beim Löten von hochlegierten Cr-Ni-Stahleη 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 agressive· Flußmittelreste zurückbleiben, die in Verbindung mit Feuchtigkeit zu einer Korrosion des Grundwerkstoffes führen. Das mechanische

c Entfernen dieser Flußmittelreste ist sehr aufwendig und kann praktisch sogar andurchführbar werden«

: Bleiben selbst bei einer aufwendigen chemischen Behandlung der Lot-* stelle Flußiaittelreste zurück, so können diese später zu folgen-

* schweren Materialausf&llen führen·

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ifgrund der genannten Probleme wird häufig auf Ofenlötverfahrt-u suickgegriffen, bei denen die Beseitigung der Oxidschicht durch ein ikuum oder durch ein Schutzgas erreicht wird. Als Schutzgase kommen ltweder reduzierende Gase (z_oB. trockener Wasserstoff oder Ammoniaksaltgas) oder inerte Gase (z_oB_o Reinstargon, Summe aller Verunreiniir kleiner 10 vpm) zur Anwendung,, Da Cr-Ni-Stähle auch häufig noch ldere Metalle mit großer Affinität zum Sauerstoff enthalten, wie ,B₀ Titan, muß bei Verwendung eines inerten Gases, mit einem extrem ?ockenen Schutzgas (Taupunkt - 70 ⁰C) gearbeitet werden. ι nun eine Benetzung des Grundwerkstoffes zu erreichen, muß die )erflache aufwendig, mechanisch oder chemisch abgearbeitet werden, mit nur eine dünne Oxidhaut vorhanden ist. Bei hoher Löttemperatur 1000 ⁰C) reißt diese Oxidhaut auf und ermöglicht so dem Lot den er- >rderlichen Kontakt mit dem Grundwerkstoff . An den Bruchstellen der eidhaut wird diese vom Lot unterwandert, abgehoben und in das Lotjfüge eingebaut (Zimmermann, K.F₀ "Mechanisiertes Hartlöten auf )tvorrichtungen und Lotmaschinen - Ausführungsbeispiele für Ofeniteinrichtungen mit und ohne Schutzgasatmosphäre", Technik die ver-.ndet, Berichte aus Forschung und Praxis Nr. 25). ii Verwendung reduzierender Schutzgase werden die Oxidschichten irch die reduzierenden Bestandteile de© Schutzgases - im wesent-.chen Wasserstoff - beseitigte Die Höhe der Temperatur und die Zu-Lmmensetzung des Schutzgases sind maßgeblich für seine reduzieren- ! Wirkung verantwortlich. Schwer zu reduzierende Metalloxide (z.B. LTomoxid) benötigen praktisch ein von Sauerstoff und Sauerstoffirbindungen freies und extrem trockenes Schutzgas. Aus diesem Grunde irden häufig als Schutzgas trockener Wasserstoff oder trockenes imoniak-Spaltgas verwendet.

.ne weitere Methode, die störenden Oxidschichten beim Löten zu entirnen, liegt in der Anwendung des Vakuums. Hier basiert die Besei-.gung der Oxidschichten bei kohlenstoffhaltigen Werkstoffen auf der iduBierenden Wirkung des Kohlenstoffs selbst. Die Bedingungen für nen sohnellen Ablauf dieser Reaktion werden günstiger mit steigenim Kohlenstoffgehalt des Stahls, niedriger Stabilität des zu redu-.erenden Oxides und fallendem Druck im Vakuumofen. Da die Stabili-Lt des Oxides von. der Temperatur abhängt, ist die CO-Reaktion für

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die Oxide temperatur- und druckabhängig. So wird BoB₀ Chromoxid bereits bei 680 ⁰C von Kohlenstoff reduziert, wenn der CO-Partialdruck unter 10 at liegt. Bei 1000 ⁰C ist dieselbe Reaktion auch

_ρ dann noch möglich, wenn der Druck auf 10 at angestiegen ist.

(Ogiermann, G₀; Zimmermann, K.F.; "Mechanisiertes Hartlöten auf Lötvorrichtungen und Lötmaschinen _Ooo^fl Technik die verbindet Berichte aus Forschung und Praxis, Nr₀ 26) _o 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, K₀I¹. { "Bindungsverhalten einiger Hartlote unter Wasserstoff auf verschiedenen Grundwerkstoffen", Schweißen und Schneiden 21 (1969) Ho 6, So 249 - 254)o

Diesen hier beschriebenen Verfahren haften aber im wesentlichen folgende Nachteile an:

- Wegen des hohen apperativen Aufwandes ist das Löten unter Yakuum nur für den Eereich 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 Reinstargono (Kaiser, L₀ J Induktionslöten von Hochdruckrohrleitungen im Flug- und Raumfahrzeugbau, Schweißen und Schneiden 24 (1972) H₀ 5, S₀ 161-165) Wegen des hohen apperativen 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 Fügetechnolggie 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,

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das insbesondere unter Montagebedingungen ein einfaches und zuverlässiges Verbinden derartiger Bauteile ermöglicht_o

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung 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.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelost, 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 Kohlenstoff dioxidgehalt nicht größer als 1 vpm sein darf. Die Verbindung zum .böten hochlegierter Cr-Hi-Stahlbauteile besteht aus einer um die Lötstelle angeordneten Schutzkammer, mit einem Kammervolumen von maximal 200 cap. Dieses Kammervolumen muß aber 20 bis 30 mal größer sein als das am Lötprozeß beteiligte Bauteiivoiumen.' Die Eintritts Öffnung für das Inertgas in die Schutzkammer befindet sich maximal 2 bis 3 cm von der !lötstelle entfernt .

Ausrührungsbeispiel

Die Erfindung soll anschließend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Hochlegierte Stahlrohre (XSCrNiTi 18, 10) der Abmessungen 12 χ 2 mm sollen auf einer Rohrtrasse miteinander gelötet werden. Hierzu wird die Lötstelle mit einem fettlösenden Lösungsmittel gesäubert und folgendermaßen vorbereitet: Zunächst werden auf beide Rohrenden Lötringe aus x«,B. CuMa 10 Co 3 geschoben und mit einer

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Lehre ausgerichtet_o

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 befestigte Dann wird das Rohr von dem Schutzgas durchspült (10 l/min), 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 Lot spalt in die Schutzgaskammer gedrückt _o Nachdem auch die Schutzgaskammer über einen separaten Anschluß ca_o 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 ⁰C auf_o Das Fließen des Lotes ist erst dann möglich, wenn eine Reoxidation des Grundwerkstoffes verhindert wirdo 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 ein₀ 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, 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 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 Löt-

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altes gewährleistet ist, und das Lot in den Lötspalt schießen in_o Sind die Lotringe um den gesamten Rohrumfang geschmolzen, in die Erwärmung beendet werden<> Die Lötverbindung muß jetzt 5h etwa 30 ß in der Schutzgasatmosphäre abgekühlt werden„ um ier Verzunderung des Grundwerkstoffes entgegenzuwirken. Dann rden Lötkabel und Schutzgaskammer abgenommen und eventuell chandene Anlaßfarben mit Schmirgelleinen entfernt, c werden hochlegierte Stahlbauteile mit Nickelbasisloten im mtzgasofen gelötet. Diese besitzen, um die Schmelztemperatur 3 Lotes auf 835 ⁰C - 1135 ⁰C herunterzusetzen, nichtmetallische jierungselemente aus Si, B oder P* Das hat zur Folge, daß diese Sierungselemente in Verbindung mit Eisen spröde Zwischenschicht 1 bilden, die nach dem Löten nur durch anschließendes aufwenges Diffusionsglühen beseitigt werden können. Die Glühdauer trägt je nach Anteil von Si, B oder P ein bis fünf Stunden. s diesem Grund sind derartige Nickelbasislote für den Einsatz ber Baustellenmontagebedingungen nicht geeignet. s erfindungsgemäße Verfahren mit der dazugehörigen Anordnung nöglicht es, nun auch Lote einzusetzen, deren Schmelzpunkt nur Qig unter dem des Grundwerkstoffes liegt, da eine Temperaturgelung unmittelbar an der Lötstelle erfolgen kann, so daß auf β schmelztemperaturheruntersetzenden Bestandteile verzichtet rden kann. Ein diesen Anforderungen genügendes Lot besteht aus lgenden Bestandteilen: 0,1 % C, 1 % Si, 0,60 % Mn, 0,02 % P, 315 % S-, 19 % Cr, 29 % Ni, Rest Fe.

rch die Anwendung dieses Hochtemperaturlotes entfällt das aufndige Diffusionsglühen_o Da Grundwerkstoff und Lot annähernd aiche Zusammensetzungen besitzen, zeigt die Verbindungsstelle η ähnliches Korrosionsverhalten wie der Grundwerkstoff.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Schutzgaslöten hochlegierter Cr-Ni-Stahlbauunter Baustellenbedingungen, dadurch gekennzeichnet, die nach dem Prinsip der direkten elektrischen Widerstandserwärmung zu erwärmende Lötstelle von einer Schutzgaskammer 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, der Methangehalt nicht größer als 10 vpm, der Wasserstoff geh alt nicht größer als 10 vpm und der Kohlendioxidgehalt nicht größer als 1 vpm sein darf.

ο Verfahren zum Schutzgaslöten hochlegierter Or-Ni-Stahlbauteile unter Baustallenmontagebedingungen nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lot mit der Zusammensetzung 0 bis 0,1- % C, 1 bis 1,5 β Si, 0 bis 0,6 % Mn, 0 bis 0,02 % P₉ 0 bis 0,015 % S, 15 bis 25 % Cr, 20 bis 80 % Ni und Best Fs verwendet wird.

3ο Vorrichtung zum Schutzgaslöten hochlegierter Cr-Ni-Stahlbauteile unter Baustellenbedingungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötstelle von einer Schutzgaskammer mit einem Kammervolumen von maxiaal 200 eoor 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 Schutskammer maximal 2 bis 3 cm von der Lötstelle entfernt befindet.

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

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