DE3346161C2

DE3346161C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Schutzgaslöten hochlegierter Cr-Ni-Stahlbauteile

Info

Publication number: DE3346161C2
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 DDR 1530 TELTOW DD; 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: 1986-12-18
Also published as: GB8401354D0; GB2135229A; FR2542235B1; DE3346161A1; FR2542235A1; DD213373A1; GB2135229B; DD213373B1; HU199086B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutzgaslöten von hochlegierten Cr-Ni-Stahlbauteilen. Ziel der Erfindung ist es, unter Montagebedingungen ein einfaches und zuverlässiges Verbinden derartiger Bauteile zu ermöglichen, wobei eine separate chemische bzw. mechanische Vorbehandlung der auf dem Metall haftenden Oxidschicht entfallen soll. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß die nach dem Prinzip der direkten elektrischen Widerstandserwärmung zu erwärmende Lötstelle von einer Schutzkammer umgeben wird. Diese Anordnung wird dann während der Erwärmungsphase und der sich anschließenden Abkühlungsphase von einem Inertgas durchströmt, das eine maximale technische Verunreinigung von 100 vpm haben darf. Das Kammervolumen darf maximal 200 cm3 nicht überschreiten, wobei es aber 20 bis 30 mal größer sein muß als das am Lötprozeß beteiligte Bauteilvolumen.

Description

40

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Löten hochlegierter Cr-Ni-Stahlbauteile unter Montagebedingungen insbesondere zum Fügen von Rohren kleiner Durchmesser.

Charakteristik der bekannten
technischen Lösungen

45

50

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. Dieses Verfahren bedingt, daß nach dem Löten agressive Flußmittelreste zurückbleiben, die in Verbindung mit Feuchtigkeit zu einer Korrosion des Grundwerkstoffes führen. Das mechanische Entfernen dieser Fiußmineireste 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 Schutzgas kommen entweder reduzierende Gase (z. B. trockener Wasserstoff oder Ammoniak-Spaltgas) oder inerte Gase (z.B. Reinstargon, Summe aller Verunreinigungen kleiner als 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°C) 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, angehoben 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. Hier 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 CO-Reaktion für die Oxide temperatur- und druckabhängig. So wird 2. B. Chromoxid bereits bei 68O⁰C von Kohlenstoff reduziert, wenn der CO-Partialdruck unter 10~⁶ at liegt. Bei 1000° C ist dieselbe Reaktion auch dann noch möglich, wenn der Druck auf 10~² at 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 haftet aber im wesentlichen folgendes an:

— Wegen des hohen apperativen 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- oder Raumfahrzeugbau, Schweißen und Schneiden 24 (1972) H. 5, S. 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 Oxidschicht und die hohen Schutzgaskosten (Reinstargon) negativ auf dis 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-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 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.

Die Vorrichtung zum Löten hochlegierter Cr-Ni-Stahlbauteile besteht aus einer um die Lötstelle angeordneten Schutzkammer, mit einem Kammervolumen von maximal 200 cm³. Dieses Kammervolumen muß aber 20 bis 30mal größer sein als das am Lötprozeß beteiligte Bauteilvolvumen. Die Eintrittsöffnung für das Inertgas in die Schutzkammer befindet sich maximal 2 bis 3 cm von der Lötstelle entfernt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anschließend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Hochlegierte Stahlrohre (X8CrNiTi 18, 10) der Abmessungen i2 χ 2 mm soiien 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 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 Schutzgaskamer 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

ίο 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 Lötspalt in die Schutzgaskammer gedrückt Nachdem auch die Schutzgaskammer 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 Lötspalt eingeleitet werden.

Die beim Lötprozeß den Lötfluß hemmenden Oxidschichten brechen bei Temperaturen über 1000⁰C auf. Das Fließen des Lotes ist erst dann möglich, wenn eine Reoxidation ägs Grundwerkstoffes verhindert wird. Dies wird durch die innerte Schutzgasatmosphäre erreicht die aus Argon bzw. Stickstoff mit technischen Verunreingungen 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 cm³ ist, wobei im konkreten Fall das Kamervolumen so zu wählen ist, daß es 20 bis 30mal, vorzugweise 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 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 Verzunderung des

so Grundwerkstoffes entgegenzuwirken. Dann werden Lötkabel und Schutzgaskammer abgenommen und eventuell vorhandene Ablaßfarben mit Schmirgelleinen entfernt.

Oft werden hochlegierte Stahlbauteile mit Nickelbasisloten im Schutzgasofen gelötet. Diese besitzen, um die Schmelztemperatur des Lötens auf 835 bis 1135°C herunterzusetzen, nichtmetallische Legierungselemente aus Si, B oder P. Das hat zu Folge, daß diese Legierungselemente in Verbindung mit Eisen spröde Zwischen- schichten bilden, die nach dem Löten nur durch anschließendes aufwendiges Diffusionsglühen beseitigt werden können. Die Glühdauer beträgt je nach Anteil von Si, B oder P 1 bis 5 Stunden. Aus diesem Grund sind derartige Nickelbasislote 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. Ein 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% Ni, Rest Fe.

Durch die Anwendung dieses Hochtemperaturlotes entfällt das aufwendige Diffusionsglühen. Da Grundwerkstoff und Lot annähernd gleiche ZusammeDsetzungen besitzen, zeigt die Verbindungsstelle ein ähnliches Korrosionsverhalten wie der Grundwerkstoff.

15

20

25

30

35

40

45

50

55

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 Schutzgaskammer umgeben ist, und daß diese Anordnung von einem Intergas 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 und der Kohlendioxidgehalt nicht größer als 1 vpm sein darf.

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

3. Vorrichtung zum Schutzgaslöten hochlegierter Cr-Ni-Stahlbauteile unter Baustellenbedingungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötstelle von einer Schutzgaskammer mit einem Kammervolumen von maximal 200 cm³ umgeben ist, wobei dieses Kammervolumen 20 bis 30mal größer sein muß, als das am Lötprozeß beteiligte Bauteilvolumen und daß sich die Eintrittsöffnung für das Inertgas in die Schutzkammer maximal 2 bis 3 cm von der Lötstelle entfernt befindet.

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