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Tital der Erfindung
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Verfahren zum Fügen von Stahlbauteilen Anwendungsgebier der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein unter Montagebedingungen einzusetzendes Verfahren zur
Herstellung von Stumpfverbindungen an Bauteilen; insbesondere an Rohren,^ aus un-
bzw niedriglegiertem Stahl und/odor hochlegiortem Stahl.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösung Die am häufigsten
angewandten Verfahren für das Fügen von Rohrleitungen sind die Schweißverfahren.
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Während sich in der stationären Fertigung zum Schweißen von Rohren
aus un- bzw. niedrig legierten Stählen produktive Fügeverfahren,' wie das MBL-Schweißen
oder das Abbrennstumpfschweißen durchgesetzt haben, ist unter Baustellenbedingungen
das traditionelle Gas-Handschweißen immer noch dominierend. Obwohl die Schweißer
eine hohe Qualifikation bestizten, ist die Qualität der Fügestelle nicht reproduzierbar.
Aus diesen Grunde unterliegen die Schweißnähte einer Qualitätsprüfung, die in der
Regel
durch das Röntgen erfolgt. De nach thormischer und mechanischor
Beanspruchung müssen die Schweißnähte 10 yS oder 100 % geprüft werden. Dieses verursacht
hohe Kosten.
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Um reproduzierbare Nahtqualitäten auch unter Baustellenbedingungen
zu erreichen, wurde in jüngster Zeit ein Lötverfahren zum Fügen von Rohrleitungen
kleiner Durchmesser entwickelt, des mittels direkter elektrischer Wicierstandserwärmung
die Lötstelle erwärmt. /1/ Bei diesem Verfahren wird die zum Löten notwendige Löttemperatur
durch den von einem hinreichend großen Strom durchflossenen Widerstand der Löstelle
im Sekundärstromkreis eines Transformators erzeugt. Ein in der Nähe des Lötspaltes
deponierter Lot ring. der guten wärmeleitenden Kontakt mit der Fügestelle besitzt,
wird auf diese Weise zum Schmelzen gebracht. Das flüssige Lot füllt infolge der
Kapillarwirkung den Lötspalt aus. Die so hergestellten Nahtqualitäten sind reproduzierbar
Der toter hat keum einen Einfluß auf die Qualität der Verbindung. Doch haftet diesem
Verfahren ein Nachteil an, der in der Verwendung eines Lotes seine Begründung findet.
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Werden Bauteile aus un- bzw. niedriglegierten Stählen durch Hartlöten
gefügt, kommen in der Pegel Messing- oder Silberlote zum Einsatz, Aus kostengründen
tritt die Anwendung von Silberloten immer mehr in den Hintergrund, so das in zunehmendem
Maße auf den Einsatz von Messingloten orientiert wird. Diese Lote bositzen, umbinen
Zir vermeidon, 0,1 bis 0,3 % Silizi@@.
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Der Siliziumanteil wirkt sich bei Löten von Stahl nachteilig aus,
da Silizium mit Eisen eine intermetallische Eisen-Siliziumverbindung sing@@@, die
sich als Zwischenschicht zwischen Grundwerkste und Lot ausbildet. Diese harte und
spröde Zwischenschicht besinflußt bei geringen Dicken (E 12 µm) die Zugfestigkeit
der Verbindung kaum, wohlaber die Verformbarkeit von stumpfgelöteten Fügestellen.
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/1/ Salzborg, B.-P., Bogdahn, H., Wodara, @.
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Elektrisches Widerstandslöten zum Hartlöten von unlegierten Stahlrohren,
Schweißtachnik Berlin32 (1982) 10, 5. 443 L. 444
Schon bei geringer
Biegebelastung versagen diese Lötverbindungen. Aus diesem Grunde werden z.fl. Lötstellen
an innendruckbeaufschlagten Rohren nicht als Stumpf-, sondern als Muffenverbindungen
ausgeführt. /1/ Der Nachteil dieser Konstruktion besteht in der Anwendung einer
Muffe, die erhöhten Material und Fertigungsaufwand bedeutet. Desweiteren stellt
die Muffonverbindung eine Verschwächung im Rohrleitungssystem dar. Durch den wirkenden
Innendruck bei gleichzeitiger Temperaturbeanspruchung wird die Muffe aufgeweitet.
was ein Abschälen des Lotes von der Muffe verursacht. Die Folge davon ist ein Versagen
der Lotnaht durch Undichtigkeit.
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Aus diesem Grund erfolgt die Berechnung des zulässigen Innondruckes
für muffengelötete Rohrvsrbindungen nach der Festigkeit und Abmessung der Muffe.
Hieraus ergibt sich eine Reduzierung dos zulässigen Innendruckes von gelöteten Rohrs
syStemen gegenüber dem Grundwerkstoff von 20 bis 30 %.
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Rohre aus llochlogiorten Stählen worden in der Regal durch WIG-Handschweißen
oder mit WIG-Rohrumlaufschweißautomaten gefügt. Die bei den o.g. Vorfahren zum Schweißen
von Rohren aus un- bzw. niedriglegierten Rohren genannten Nachteile treten auch
hierbei auf. Eine hohe Qualifikation der Schweißer und die nicht bzw. nur unzureichend
reproduzierbare Schweißnahtqualität erfordern einen hohen Prüfaufwand, und damit
hohe Kosten. Der Einsatz von Rohrumlaufschweißautomaten, die zum Teil importiert
werden müssen und einen hohen Wartungseufwand erfordern1 führt zu zusätzlichen finanziellen
Aufwendungen.
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Auch das Fügen der schon erwähnten Grundwerkstoffe in ihrer Kombination
ist unter speziellen Bodingungen erforderlich.
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So müssen z.D. im Kernkraftwerksanlagenbau Rohrleitungen durch Räume
gelegt werden, die unterschiedliche Werkstoffgüten erfordern. In strahlungsaktiven
Räumen sind Rohrleitungon aus X8CrNiTi 18.10 notwendig, in normalen Maschinenräumen
werden aus Kostengründen un- bzw. niedriglegierte Stähle verwendet. Das Schweißen
eines Rohres aus hochlegiertom
Stahl mit einor un- bzw. niedriglogiertem
erfolgt nicht direkt miteinander, weil sich hierbei Martensit im Gefüge ergibt.
Der Hartensit entsteht durch die Mischung der beiden Schmelzen. Er ist hart und
spröde. Durch den Martensitgehalt ist die Dehnungsaufnahme des Bauteiles sehr gering,
so daß, von dieser Steile ausgehend, Risse in der Schweißnaht entstehen können.
Aus diesem Grunde werden sogenannte "Austenit-Ferrit-Verbinder" (AF-Vorbinder) für
die Kopplung von Rohren aus hochlocjiortom mit oit1om un-bzw. niedriglegiertem Stahl
verwendet. Die Herstellung dieser AF-Verbinder ist arbeitszeit- und materialaufwendig,
und verlangt gut geschultos Schweißpersonal. Hierzu werden spezielle Drehteile aus
rundem Stabstahl, deren Durchmesser sehr viel größer als der zu fügeende Rohrdurchmesser
ist, miteinander verschweißt. Auch hierbei entsteht Martensitgefüge, das aber, weil
das Ausgangsmaterial größer gewählt wurde, spanabhobond durch überdrehen und Ausbohren
entfernt wird. An diese Vorbinder lassen sicIl dann mit den üblichen Fügeverfahren
die Rohrenden aus hochlegiertem und un- bzw.
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niedriglogiertem Stahl anbringen.
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Ziel der erfindung Ziel der erfindung ist es, ein Verfahren zum Fügen
von (3auteilen, insbesondere von Rohren. atz. unz bzw. niedriglegiertem Stahl und/oder
hochlegiertem Stahl au schaffen, wobei der gerätetechnische Aufwand gering gehalten
werden soll und damit er Einsatz unter M@@tagebedingungen möglich ist.
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Darlegung des Wesens der Erfindung Aufgabe der Erfindung sit es, ein
Fügevorfahren zu schaffen, daß unter Mentagebedingungen die Herstellung von Stumpfverbindungen
an Bauteilen, insbesondere an Rohren, aus un- bzw.
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niedriglegiertem Stahl und/oder hochlogiertem Stahl in reproduzierbarer
Nahtqualität ermöglicht, die auch unter Diogebelastung Grundwerkstoffestigkeit Dositzen.
Erfindungsgemäß
wird die Aufgabe dadurch gelöst, duß die Fügeotolle
durch ein gut regelbares elektrisches Erwärmungsverfahren bis kurz unterhalb der
Schmolztemperatur des Grundwerkstoffes, aber mindestens bis 1400 °C erwärmt wird.
Dabei ist die Zufuhr von Sauerstoff an die Lötstelle durch geeignete Mittel weitestgehend
zu verhindern.
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Für den Fügeprozeß ist eine Vorrichtung zu verwenden, die bewirkt,
daß die während der Erwärmungsphase infolge der Wärmedehnung der Bauteile entstehenden
Kräfte in der Art auf die Fügestelle wirken, daß eine Proßwirkung entsteht.
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Günstige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte
sind im kennzeichnenden Teil der Unteransprüche aufgozeigt.
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Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll anschließend an drei Ausführungsbeispielen
erläutert werden.
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t. Beispiel Unlegierte Stahlrohre aus St 35 der Abmessung 12 x 2 nlrnn
sollen auf einer Rohrtrasse mittels direkter elektrischer Widerstand« erwärmung
gefügt werden, hierzu sind folgende verfahrensschritte notwendig; - Trennen der
Rohre senkrecht zur Rohrachse - Planparalleles Vorbereiten der Rohrstirnflächen
- Entfetten bzw. reinigon der Rohrenden, so daß diese metallisch roin sind t Einspannen
der Rohrenden in eine Lötvorrichtung, die im wesentlichen aus zwei parallel zueinander
angeordneten elastischen Kragträgern besteht, an deren Enden die zu fügenden Dauteile
eingespannt sind. Während der Widerstandserwärmung werden die Kragträger infolge
der Wärmedehnung dor tingospannten Bauteile ausgelenkt und bewirken die Aus bildung
einer Preßkraft in Richtung der Fügestelle. Damit ist eine Voraussetzung zum Engspaltlöten
mit innerem Druck
gogeben.
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Um die weitestgehende Zufuhr von Sauerstoff an der Fügol stelle zu
verhindern, wird um den Fügebereich eine Schutzgaskammer positioniert. Damit wird
eine Möglichkeit geschaffen, eine Schutzgasatmosphäre zu erzeugen. Mit dem Schutzgas
soll eine Reoxydation der Fügestelle während der Erwärmungsphass verhindert werden.
Das Kammervolumen ist vorzugsweise so zu wählen. das es maximal 200cm3 beträgt und
sollte 25 mal größer sein als das in der Kammer erwärmte Bauteilvolumen.
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Fluten der Schutzgaskammer mit Argon R 40 oder Stickstoff R 40 - Innenformieren
mit dem gleichen Schutzgas 0 Einschalten des Lötgerätes und Erwärmen der Fügestelle
was Unterbrochen der Wärmozufuhr erfolgt, wenn die Fügetemperatur erreicht ist.
Das Erkennen, ob die richtige Temperatur im Fügebereich anliegt oder nicht, kann
auf verschiedene Weise erfolgen. Wird, wie bei diesem Boispiel vorausgesetzt wurde,
ohne zusätzliche Hilfsmittel gearbeitet, kant die richtige Fügetemperatur anhand
der plastischen Doformation in Form einer wulst des Nahtbereiches erkannt werden.
Durch die elastische Verschiebung der Kragträger wirkt während der Erwärmungsphase
ständig eine Kraft auf den immer weicher werdenden Nahtbersich, Bei genügend hoher
Temperatur (ca. 30 °C unter der Schmolz temperatur des Grundworkstof fes werden
die Außenbereiche des Rohres plastisch deformiert, Dieses ist ein Kennzeichen für
eine richtig eingestellte Temperatur. Da die Fügetemperatur nur wenig unterhalb
des Schmelzpunktes des Grundwerkstoffes liegt, benötigt diese Technologie erfahrenes
Personal. Wird der Abschaltprozeß nur ein wenig ver/ögert (1 bis 2 Sonkunden), kommt
es zu Rissen ini Nahtbereich 6der sogar um Abtropfen des Grunde werkstoffes.
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kino andere Möglichkeit für das Finden des richtigen Abschaltmomentes
besteht darin, daß die zu fügenden Teile
bis 1400 °C arwärmt werden,
Dabeiist diese Temperatur mit einem Pyrometer oder einem Anlegethermoeloment zu
messen.
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Durch eine Haltezeit von 6 bis 7 Sekunden bei dieser Teml peratur
wird eine qualitätsgerechte Verbindung geschaffen.
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Eine weitere Möglichkeit für die Bestimmung des Abschaltens des Erwärmungsprozesses
ergibt sich durch die Vorwendung eines Zusatzmaterials, dessen Schmelzpunkt unterhalb
des Schmelzpunktes vom Grundwerkstoff liegen muß. Nach Abschmelzon des Zusatzmaterials,
das als Ring über der Fügestello anzubringen ist, muß je nach Schmelztemperatur
des Zusatzmaterials nachgeglüht worden. Als bosondors vor teilhaft hat sich die
Verwendung von Nickal 99,9 orwiesen.
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Der Schmelzpunkt dieses Materials liegt mit 1455 °C für den Fügeprozeß
sohr günstig. Eine Nachglühzeit von 2 Sekunden nach dem Abschmelzen des Lotringes,
das auch unter Montagebodingungen einfach zu bewerkstelligen ist, erbringt eine
qualitätsgerechte Verbindung. Die Verwendung eines Zusatzmaterials bietet neben
der relativ einfachen Möglichkeit der Kontrolle einer eingestellten richtigen Fügetemperatur
noch einen weiteren Vorteil, Durch das flüssige Zusatzmetall werden Unebonheiten
oder Kantenversatz in der Naht ausgeglichen, so daß die Kerbwirkung auf ein Minimum
reduziert wird. Voraussetzungen hierfür sind allerdings, daß Zusatzmaterial und
Grundwerkstoff im festen Zustand ineinander löslich sind und während des Abkühlens
keine spröden Phasen entstehen.
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- nach etwa 1 Minute Nachströmzeit Abstellen des Schutzgasstromes
- Uffnon der Schutzgaskammer und Herausnehmen dos gefügten Bauteiles aus der Vorrichtung.
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2. Beispiel Rohre aus hochlegiortem Stahl (X8CrNiTi 18.10) der Abmessung
12, x 2 mm sollen auf einer Rohrtrasse mittels direkter elektrischer Widerstandserwärmung
gefügt werden. Die hierzu notwendigen Vorfahrensschritte stimmen in Bezug auf die
Vorbehandlung
der Fügestelle und die Arbeit mit der Schutzgaskammer
mit dem Beispiel 1 überein.- Unterschiede ergeben sich für das Einspannen der Rohronden
und für die Problematik, ob die richtige Fügetemperatur erreicht ist.
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Das Einspannen der Rohronden erfolgt in eine Vorrichtung, die imwesentlichen
aus zwei parallel zueinander angeordnaten, starren Kragträgorn besteht. Diese Kragräger
müssen so dimensioniert sein, daß sie die durch die Erwärmung der eingespannten
Bauteile auftretenden Wärmedohnungskräfte aufnehmon können, ohne sich auszulonken.
Durch diese Einspannverhältnisse werden die Kräfte gleichmäßig auf die Stirnflächen
der zu fügenden Rohre geleitet, wodurch nach Beendigung des Fügevorganges eine Proßschweißverbindung
hoher Festigkeit entsteht.
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Das Unterbrochen der Wärmezufuhr erfolgt, wenn dio Fügetemporatur
orreicht ist. Das Erkennen, ob die richtige Fügetemparatur von etwa 1400 °C anliegt,
kann moßtechnisch, z.B.
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mit einem Pyromater oder anlogethermoelement gomessan werden.
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Desweiteren kann das Schmelzen eines an der Fügostelle deponiorton
Zusatzwerkstoffringes als Indikator für die richtig eingestellte Temperatur verwendet
werden. Der Zusatzwerkstoff kann aus 30 % Ni, 20 % Cr, Rest Eisen mit einer Schmelztemperatur
von 1400 °C bestehen. Die Materialzusammensetzung entspricht in etwa dem Grundwerkstoff1
so daß gleiche Korrosionseigenschaften vorhanden sind. in weiterer Vorteil in der
Verwindung eines Zusatzwerkstoffes besteht darin, daß durch sein Schmelzen nach
dom Fügen ein Kantenversatz in der Naht ausgeglichen wird und rann Kerbbildung weitestgehend
verhindert wird.
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- nach etwa 1 Minute Nachströmzeit Abstellen des Schutzgasstromes
- Öffnen der Schutzgaskammer und Herausnehmen des gefügten Bauteils aue der Vorrichtung.
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3. Beispiel Rohrenden der Abmessung 12 x 2 mm aus X8CrNiTi 18.10 und
st 36.2 sollen mittels direkter elektrischer Widerstandserwärmung und unter Verwendung
der Vorrichtung und Schutzgaskammer aus dem Beispiel 1 und 2 gefügt werden. Dazu
sind die gleichen vorbehandlungen der Fügestelle erforderlich, wie sie im 1. oder
2. Beispiel schon beschrieben werden sind. Das Winspannen in die Vorrichtung ist
jedocil etwas anders vorzunehmen. Die zu fügenden Werkstoffe weisen beträchtliche
Unterschiede im spezifischen elektrischen Widerstand auf. Eine wesentliche Voraussetzung
für die gleichmäßige Srwärmung der Fügestelle durch die direkte elektrische Widerstandserwärmung
besteht darin, daß die elektrischen Widerstände der zu fügenden Teile etwa gleich
sind. Dementsprechend sind unterschindliche einspannlägen zu wählen. Es hat sich
gezeigt, daß für eine qualitätsgerechte Verbindungein Verhältnis der Einspannlängen
der Rohrenden aus St 36.2 zum hochlegierten Stahl von etwa 2 t i erforderlich ist.
Dic Vorrichtung solber, in die die Rohronderi eingespannt werden knn sowohl aus
zwei elastischen als auch aus zwei starren parallel zueinander angeordneten Kragträgern
bestehen, Nachdom die Rohrenden so in die Vorrichtung eingespannt sind, kann nach
Schließen der Schutzgaskammer und Fluten mit einem schutzgas, z.B. Argon oder Stickstoff
R 40, die Erwärmung der Fügestelle eingeleitet werden.
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Bei Erreichen der Fügetemperatur ist die Energie abzuschalten.
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Hierbei können wieder die gleichen Kriterien zur Ermittlung der richtig
eingestellten Temperatur herangezogen werden.' wie im 1. Beispiel schon beschrieben
wurde. Als besonders günstig hat sich die Verwendung eines Zusatzmaterials erwiesen,
das aus 30 % tri, 20 % Cr und Rest Eisen besteht.
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Bei einer Temperatur von 1400 oO schmilzt der Ring und zeigt damit
nicht nur die Beendigung des Fügevorganges an, sondern füllt gleichzeigit Wanddickensprünge
oder Kantenversatz aus.
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Die beim Schweißen von AF-Verbindungen eintretende Vermischung der
Schmelzen, und damit unerwünschtes entstehen von
Martonsit, kann
bei dieser Fögetechnologie nicht stattfinden, weil die Fügetemperatur unterhalb
der Schmelz temperatur der zu fügenden Grundwerkstoff liegt. Die mit den Zusatzmaterialien
gefügten Rohrverbindungon brachton ein bemerkenswertes Ergohnie. Anstolle der zu
erwartenden Lötverbindungen ergaben sich kombinierte Schwoiß-Lötverbindungen. Im
Außenboreich liegt eine Auftragslötung vor. Der Innenbereich der Rohrs wandung ist
eine Preßschwaißverbindung, Durch das Zuesmmonpressen der Bautoile in den beschriebenen
Vorrichtungen kommen eicti bei hoher Fügetemperatur die Stirnflächen so nahe, daß
ein "Ninüberwachsen" des Gofüges vor der einen zur anderen Seite erfolgt. Uie ohne
Zusatzmoterialien gefügten Rohrendon sind poine Preßschweißvorbindungen. Daraus
resultiert euch die hoho Festigkeit der Vorbindung, die auch bei Biogebelastung
Grundworkstoffstigkeit besitzt. Bei Verwendung der genannten Zusatzmaterialion wird
ein T Teil dos Grundwerkstoffes gelöst, Das Let legiert sich mit dem Eisen des Grundworkstoffes.
So beträgt z.ß. bei einer mit einem Nickellet an St 35.2 hergestollten Verbindung
nach dem Löten der Eisengehalt 50%, was durch die Intensitätsverteilung der Elemente
mittels Mikrasonde ermittelt werden konnte. Damit läßt sich auch die geritige Wirkung
don motallurgischen Kerbe bei Biegebelastung erklären.