DE3517024C2 - Verfahren zur Herstellung von Stumpfverbindungen - Google Patents

Description

Die am häufigsten angewandten Verfahren für das Fügen in der metallverarbeitenden Industrie sind die Schweißverfahren.

In der stationären Fertigung haben sich zum Schweißen von Rohren aus un- bzw. niedriglegierten Stählen produktive Fügeverfahren, wie das MBL-Schweißen oder das Abbrennstumpfschweißen durchgesetzt. Auch die Widerstandsschweißverfahren finden ihren Einsatz in der stationären Fertigung. Es ist z. B. ein Widerstandsabschmelzschweißverfahren für das Stumpfschweißen von flachen Streifenenden bekannt (DE 33 06 001 A1). Zur Verbesserung der Verbindungsqualität und zur Reduzierung des Stromverbrauchs bei hochfesten oder niedriglegierten Stählen erfolgt der Fügevorgang unter einem brennbaren Schutzgas (Propan, Erdgas oder Wasserstoff). Damit wird eine Oxidation der Fügeteile während des Fügens verhindert.

Aber unter Baustellenbedingungen sind derartige effektive Fügeverfahren nicht einsetzbar. Das traditionelle Gas-Handschweißen ist unter Vor-Ort-Bedingungen immer noch dominierende Fügeverfahren. Obwohl die Schweißer eine hohe Qualifikation besitzen, ist die Qualität der Fügestelle nicht reproduzierbar. Aus diesem Grund unterliegen die Schweißnähte einer Qualitätsprüfung, die in der Regel durch das Röntgen erfolgt. Je nach thermischer und mechanischer Beanspruchung müssen die Schweißnähte 10% oder 100% geprüft werden. Dieses verursacht hohe Kosten. Um reproduzierbare Nahtqualitäten auch unter Baustellenbedingungen zu erreichen, wurde in jüngster Zeit ein Lötverfahren zum Fügen von Rohrleitungen kleiner Durchmesser entwickelt, das mittels direkter elektrischer Widerstandserwärmung die Lötstelle erwärmt. Bei diesem Verfahren wird die zum Löten notwendige Löttemperatur durch den von einem hinreichend großen Strom durchflossenen Widerstand der Lötstelle im Sekundärstromkreis eines Transformators erzeugt. Ein in der Nähe des Lötspaltes deponierter Lotring, 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 Löter hat kaum einen Einfluß auf die Qualität der Verbindung. Doch haftet diesem Verfahren ein Nachteil an, der in der Verwendung eines Lotes seine Begründung findet.

Werden Bauteile aus un- bzw. niedriglegierten Stählen durch Hartlöten gefügt, kommen in der Regel Messing-Silberlote zum Einsatz. Aus Kostengründen tritt die Anwendung von Silberloten immer mehr in den Hintergrund, so daß in zunehmenden Maße auf den Einsatz von Messingloten organisiert wird. Diese Lote besitzen, um einen Zinkausbrand zu vermeiden, 0,1 bis 0,3% Silizium. Der Siliziumanteil wirkt sich beim Löten von Stahl nachteilig aus, da Silizium mit Eisen eine intermetallische Eisen-Siliziumverbindung eingeht, die sich die Zwischenschicht zwischen Grundwerkstoff und Lot ausbildet. Diese harte und spröde Zwischenschicht beeinflußt bei geringen Dicken (<12 µm) die Zugfestigung der Verbindung kaum, wohl aber die Verformbarkeit von stumpfgelöteten Fügestellen. Schon bei geringer Biegebelastung versagen diese Lötverbindungen. Aus diesem Grunde werden z. B. Lötstellen an innendruckbeaufschlagten Rohren nicht als Stumpf-, sondern als Muffenverbindungen ausgeführt (Salzberg, B.-P., Bogdahn, H., Wodara, J.: Elektrisches Widerstandslöten zum Hartlöten von unlegierten Stahlrohren, Schweißtechnik, Berlin 32 (1982) 10, S. 443-444).

Der Nachteil dieser Konstruktion besteht in der Anwendung einer Muffe, die erhöhten Material- und Fertigungsaufwand bedeutet. Des weiteren stellt die Muffenverbindung 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 Lötnaht durch Undichtigkeit.

Aus diesem Grund erfolgt die Berechnung des zulässigen Innendruckes für muffengelötete Rohrverbindungen nach der Festigkeit und der Abmessung der Muffe. Hieraus ergibt sich eine Reduzierung des zulässigen Innendruckes von gelöteten Rohrsystemen gegenüber dem Grundwerkstoff von 20 bis 30%.

Rohre aus hochlegierten Stählen werden in der Regel durch WIG-Handschweißen oder mit WIG- Rohrumlaufschweißautomaten gefügt. Die bei den o. g. Verfahren 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 Schweißqualität erfordern einen hohen Prüfaufwand und damit hohe Kosten. Der Einsatz von Rohrumlaufschweißautomaten, die zum Teil importiert werden müssen und einen hohen Wartungsaufwand erfordern, führt zu zusätzlichen finanziellen Aufwendungen.

Auch das Fügen der schon erwähnten Grundwerkstoffe in ihrer Kombination ist unter speziellen Bedingungen erforderlich. So müssen z. B. im Kernkraftwerksanlagenbau Rohrleitungen durch Räume gelegt werden, die unterschiedliche Werkstoffgüten erfordern. In strahlungsaktiven Räumen sind Rohrleitungen aus X8CrNiTi 18.10 notwendig, in normalen Maschinenräumen werden aus Kostengründen un- bzw. niedriglegierte Stähle verwendet. Das Schweißen eines Rohres aus hochlegiertem Stahl mit einem un- bzw. niedriglegiertem erfolgt nicht direkt miteinander, weil sich hierbei Martensit im Gefüge ergibt. Der Martensit 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 Stelle ausgehend, Risse in der Schweißnaht entstehen können. Aus diesem Grunde werden sogenannte "Austenit-Ferrit-Verbinder" (AF-Verbinder) für die Kopplung von Rohren aus hochlegiertem mit einem un- bzw. niedriglegiertem Stahl verwendet. Die Herstellung dieser AF-Verbinder ist arbeitszeit- und materialaufwendig und verlangt gut geschultes Schweißpersonal. Hierzu werden spezielle Drehteile aus rundem Stabstahl, deren Durchmesser sehr viel größer als der zu fügende Rohrdurchmesser ist, miteinander verschweißt. Auch hierbei entsteht Martensitgefüge, das aber, weil das Ausgangsmaterial größer gewählt wurde, spanabhebend durch Überdrehen und Ausbohren entfernt wird. An diese Verbinder lassen sich dann mit den üblichen Fügeverfahren die Rohrenden aus hochlegiertem und un- bzw. niedriglegiertem Stahl anbringen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fügeverfahren zu schaffen, bei dem der gerätetechnische Aufwand gering gehalten werden kann, so daß unter Montagebedingungen die Herstellung von Stumpfverbindungen bei Bauteilen, insbesondere Rohren, aus un- oder niedriglegiertem Stahl und/oder hochlegiertem Stahl in reproduzierbarer Nahtqualität möglich ist, die auch unter Biegebelastung Grundwerkstoffestigkeit besitzen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

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 Preßwirkung entsteht.

Günstige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte sind im kennzeichenden Teil der Unteransprüche aufgezeigt.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll anschließend an drei Ausführungsbeispiele erläutert werden.

1. Beispiel

Unlegierte Stahlrohre aus St 35 der Abmessung 12×2 mm sollen auf einer Rohrtrasse mittels direkter elektrischer Widerstandserwärmung gefügt werden. Hierzu sind folgende Verfahrensschritte notwendig:
- Trennen der Rohre senkrecht zur Rohrachse
- Planparalleles Vorbereiten der Rohrstirnflächen
- Entfetten bzw. Reinigen der Rohrenden, so daß diese metallisch rein sind
- Einspannen der Rohrenden in eine Lötvorrichtung, die im wesentlichen aus zwei parallel zueinander angeordneten elastischen Kragträgern besteht, an deren Enden die zu fügenden Bauteile eingespannt sind. Während der Widerstandserwärmung werden die Kragträger infolge der Wärmedehnung der eingespannten Bauteile ausgelenkt und bewirken die Ausbildung einer Preßkraft in Richtung der Fügestelle. Damit ist eine Voraussetzung zum Engspaltlöten mit innerem Druck gegeben.

Um die weitestgehende Zufuhr von Sauerstoff an der Fügestelle zu verhindern, wird um den Fügebereich eine Schutzgaskammer positioniert. Damit wird eine Möglichkeit geschaffen, eine Schutzgasatmosphäre zu erzeugen. Mit dem Schutzgas soll eine Reoxidation der Fügestelle während der Erwärmungsphase verhindert werden. Das Kammervolumen ist vorzugsweise so zu wählen, daß es maximal 200 cm³ beträgt und sollte 25mal größer sein als das in der Kammer erwärmte Bauteilvolumen.
- Fluten der Schutzgaskammer mit Argon R 40 oder Stickstoff R 40
- Innenformieren mit dem gleichen Schutzgas
- Einschalten des Lötgerätes und Erwärmen der Fügestelle
- Das Unterbrechen der Wärmezufuhr 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 Beispiel vorausgesetzt wurde, ohne zusätzliche Hilfsmittel gearbeitet, kann die richtige Fügetemperatur anhand der plastischen Deformation 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 Nahtbereich. Bei genügend hoher Temperatur (ca. 30°C unter der Schmelztemperatur des Grundwerkstoffes) 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 dies Technologie erfahrenes Personal. Wird der Abschaltprozeß nur ein wenig verzögert (1 bis 2 Sekunden), kommt es zu Rissen im Nahtbereich oder sogar zum Abtropfen des Grundwerkstoffes.

Eine andere Möglichkeit für das Finden des richtigen Abschaltmomentes besteht darin, daß die zu fügenden Teile bis 1400°C erwärmt werden. Dabei ist diese Temperatur mit einem Pyrometer oder einem Anlagethermoelement zu messen. Durch eine Haltezeit von 6 bis 7 Sekunden bei dieser Temperatur wird eine qualitätsgerechte Verbindung geschaffen. Eine weitere Möglichkeit für die Bestimmung des Abschaltens des Erwärmungsprozesses ergibt sich durch die Verwendung eines Zusatzmaterials, dessen Schmelzpunkt unterhalb des Schmelzpunktes vom Grundwerkstoff liegen muß. Nach Abschmelzen des Zusatzmaterials, das als Ring über der Fügestelle anzubringen ist, muß je nach Schmelztemperatur des Zusatzmaterials nachgeglüht werden. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Nickel 99,9 erwiesen. Der Schmelzpunkt dieses Materials liegt mit 1455°C für den Fügeprozeß sehr günstig. Eine Nachglühzeit von 2 Sekunden nach dem Abschmelzen des Lotringes, das auch unter Montagebedingungen 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 Unebenheiten 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.
- nach etwa 1 Minute Nachströmzeit Abstellen des Schutzgasstromes
- Öffnen der Schutzgaskammer und Herausnehmen des gefügten Bauteiles aus der Vorrichtuung.

2. Beispiel

Rohre aus hochlegiertem Stahl (X8CrNiTi18.10) der Abmessung 12×2 mm sollen auf einer Rohrtrasse mittels direkter elektrischer Widerstandserwärmung gefügt werden. Die hierzu notwendigen Verfahrensschritte 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 Rohrenden und für die Problematik, ob die richtige Fügetemperatur erreicht ist. Das Einspannen der Rohrenden erfolgt in eine Vorrichtung, die im wesentlichen aus zwei parallel zueinander angeordneten, starren Kragträgern besteht. Diese Kragträger müssen so dimensioniert sein, daß sie die durch die Erwärmung der eingespannten Bauteile auftretenden Wärmedehnungskräfte aufnehmen können, ohne sich auszulenken. Durch diese Einspannverhältnisse werden die Kräfte gleichmäßig auf die Stirnflächen der zu fügenden Rohre geleitet, wodurch nach Beendigung des Fügevorganges eine Preßschweißverbindung hoher Festigkeit entsteht.

Das Unterbrechen der Wärmezufuhr erfolgt, wenn die Fügetemperatur erreicht ist. Das Erkennen, ob die richtige Fügetemperatur von etwa 1400°C anliegt, kann meßtechnisch, z. B. mit einem Pyrometer oder Anlegethermoelement gemessen werden. Des weiteren kann das Schmelzen eines an der Fügestelle deponierten 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 Grundwerkstoff, so daß gleiche Korrosionseigenschaften vorhanden sind. Ein weiterer Vorteil in der Verwendung eines Zusatzwerkstoffes besteht darin, daß durch sein Schmelzen nach dem Fügen ein Kantenversatz in der Naht ausgeglichen wird und eine Kerbbildung weitestgehend verhindert wird.
- nach etwa 1 Minute Nachströmzeit Anstellen des Schutzgasstromes
- Öffnen der Schutzgaskammer und Herausnehmen des gefügten Bauteiles aus der Vorrichtung.

3. Beispiel

Rohrenden der Abmessung 12×2 mm aus X8CrNiTi18.10 und St 35.2 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 worden sind. Das Einspannen in die Vorrichtung ist jedoch etwa anders vorzunehmen. Die zu fügenden Werkstoffe weisen beträchtliche Unterschiede im spezifischen elektrischen Widerstand auf. Eine wesentliche Voraussetzuung für die gleichmäßige Erwärmung der Fügestelle durch die direkte elektrische Widerstandserwärmung besteht darin, daß die elektrischen Widerstände der zu fügenden Teile etwa gleich sind.

Dementsprechend sind unterschiedliche Einspannlängen zu wählen. Es hat sich gezeigt, daß für eine qualitätsgerechte Verbindung ein Verhältnis der Einspannlängen der Rohrenden aus St 35.2 zum hochlegierten Stahl von etwa 2 : 1 erforderlich ist. Die Vorrichtung selbst, in die Rohrenden eingespannt werden, kann sowohl aus zwei elastischen als auch aus zwei starren parallel zueinander angeordneten Kragträgern bestehen. Nachdem 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. Bei Erreichen der Fügetemperatur ist die Energie abzuschalten. 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% Ni, 20% Cr und Rest Eisen besteht.

Bei einer Temperatur von 1400°C schmilzt der Ring und zeigt damit nicht nur die Beendigung des Fügevorgangs an, sondern füllt gleichzeitig Wanddickensprünge oder Kantenversatz aus. Die beim Schweißen von AF-Verbindungen eintretende Vermischung der Schmelzen, und damit unerwünschten Entstehen von Martensit, kann bei dieser Fügetechnologie nicht stattfinden, weil die Fügetemperatur unterhalb der Schmelztemperatur der zu fügenden Grundwerkstoffe liegt. Die mit den Zusatzmaterialien gefügten Rohrverbindungen brachten ein bemerkenswertes Ergebnis. Anstelle der zu erwartenden Lötverbindungen ergaben sich kombinierte Schweiß-Lötverbindungen. Im Außenbereich liegt eine Auftragslötung vor. Der Innenbereich der Rohrwandung ist eine Preßschweißverbindung.

Durch das Zusammenpressen der Bauteile in den beschriebenen Vorrichtungen kommen sich bei hoher Fügetemperatur die Stirnflächen so nahe, daß ein "Hinüberwachsen" des Gefüges von der einen zur anderen Seite erfolgt. Die ohne Zusatzmaterialien gefügten Rohrenden sind reine Preßschweißverbindungen. Daraus resultiert auch die hohe Festigkeit der Verbindung, die auch bei Biegebelastung Grundwerkstoffestigkeit besitzt. Bei Verwendung der genannten Zusatzmaterialien wird ein Teil des Grundwerkstoffes gelöst. Das Lot legiert sich mit dem Eisen des Grundwerkstoffes. So beträgt z. B. bei einer mit einem Nickellot an St 35.2 hergestellten Verbindung nach dem Löten der Eisengehalt 50%, was durch die Intensitätsverteilung der Elemente mittels Mikrosonde ermittelt werden konnte. Damit läßt sich auch die geringe Wirkung der metallurgischen Kerbe bei Biegebelastung erklären.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung von Stumpfverbindungen bei Bauteilen aus unlegierten, niedriglegierten und/oder hochlegierten Stählen unter Montagebedingungen, wobei die zu verbindenden Bauteile in eine Spannvorrichtung eingespannt werden und worauf eine elektrische Erwärmung der Fügestelle erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile so eingespannt werden, daß an der Fügestelle während der Erwärmungsphase durch Wärmedehnung eine Preßwirkung entsteht, daß die Fügestelle durch ein gut regelbares elektrisches Erwärmungsverfahren auf eine Temperatur bis kurz unterhalb der Schmelztemperatur des Bauteils mit dem niedrigen Schmelzpunkt, mindestens aber auf 1400°C erwärmt und dabei die Zufuhr von Sauerstoffen an die Fügestelle weitestgehend verhindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügestelle durch daß Prinzip der direkten elektrischen Widerstandserwärmung erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitestgehende Zufuhr von Sauerstoff, durch Umspülung der Fügestelle mit einem Schutzgas, vorzugsweise Argon oder Stickstoff R 40, verhindert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Indikatoren oder Kriterien vorgesehen sind, die es ermöglichen, den Zeitpunkt für die Beendigung der Wärmezufuhr an der Fügestelle zu bestimmen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kriterium zur Bestimmung des Zeitpunktes für die Beendigung der Wärmezufuhr die sich in der Fügestelle infolge der Wärmedehnungskräfte ergebende Wulst verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Zeitpunktes für die Beendigung der Wärmezufuhr an der Fügestelle die Temperatur im Bereich der Fügestelle gemessen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Indikator zur Bestimmung des Zeitpunktes für die Beendigung der Wärmezufuhr an der Fügestelle das Schmelzen eines Zusatzwerkstoffes verwendet wird, der bei hinreichend hoher Temperatur oder ausreichend langer Haltezeit den Grundwerkstoff löst, wobei die Temperatur aber so hoch gewählt werden muß, daß während der Abkühlungsphase keine spröden Phasen im Bereich der Fügestelle entstehen.

8. Verfahren nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Indikator für eine richtig eingestellte Temperatur beim Fügen von Bauteilen aus un- bzw. niedriglegierten Stählen des Abschmelzen eines Lotwerkstoffes aus mindestens 98% Nickel mit den üblichen Begleitelementen verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Indikator für eine richtig eingestellte Temperatur beim Fügen von Bauteilen mit mindestens einem Partner aus hochlegiertem Stahl das Abschmelzen eines Lotwerkstoffes aus 30% Ni, 20% Cr, Rest Eisen verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspannen der Rohrenden in zwei im wesentlichen parallel zueinander angeordneten elastischen Kragträgern erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspannen der Rohrenden in zwei im wesentlichen parallel zueinander angeordneten elastischen oder starren Kragträgern erfolgt.