DE3811144C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bimetall-Hohlkörpers durch Verlöten eines Außenschusses und eines Innenschusses in einem Ofen, wobei der dickwandige Außenschuß und der dünnwandige Innenschuß vorzugsweise große Durchmesser haben.

Die Erfindung kann im chemischen sowie petrochemischen Bereich und im Energiemaschienenbau zur Herstellung von verschiedenen Behältern, Reaktoren, Rohren oder Stutzen Anwendung finden.

Es ist ein Verfahren zum selbsttätigen Löten im Vakuum von zylinderförmigen Großteilen (L. G. Puzrin u. a. "Selbsttätiges Hochtemperaturlöten im Vakuum", 1975, Verlag "Znanie" (Kiev), S. 8 bis 10) bekannt, bei dem die zylinderförmigen Teile vor dem Verlöten unter Belassung eines nichtkapillaren Spalts ineinandergesetzt werden, über welchem ein Lot angebracht wird. Der Spalt wird bewußt nichtkapillar gewählt, d. h., das Lot soll in diesen Spalt nur unter Einwirkung des Eigengewichts und nicht unter Einwirkung von Kapillarkräften einfließen, weil es bekannt ist ("Handbuch für Löten", Herausgeber I. E. Petrunin, 1984, Verlag "Maschinotrojenie" (Moskau), S. 21), daß in einem kapillaren Spalt das geschmolzene Lot nicht bis zur erforderlichen Tiefe fließt.

Durch die US-PS 46 20 660 ist ein Verfahren zum Herstellen von Verbund-Hohlkörpern bekannt, das zum Verlöten eines Außenschusses aus Stahl und eines Innenschusses aus einer Legierung auf Nickelbasis angewendet wird. Auf die Innenfläche des Außenschusses wird ein Lot aufplattiert. Nach dem Einsetzen des Innenschusses unter Belassung eines Spaltraums zwischen dem Außen- und Innenschuß, werden deren untere Enden durch eine vakuumdichte Rundnaht miteinander verschweißt. Auf das obere Ende des Außenschusses wird eine mit dem Innenschuß einen breiteren Ringraum begrenzende Haube aufgesetzt. Der untere Rand der Haube wird durch eine, als Kehlnaht ausgebildete Rundnaht mit der oberen Stirnfläche des Außenschusses und der Boden der Haube durch eine ebenfalls als Kehlnaht ausgeführte Rundnaht mit der Außenwand des sich durch den Haubenboden nach außen erstreckenden Innenschusses verschweißt. Im Haubenboden ist eine Bohrung vorgesehen, in der eine Leitung zum Evakuieren des Spaltraums zwischen dem Außen- und Innenschuß angeschlossen werden kann. Die am unteren Ende unmittelbar durch eine Rundnaht und oben über das Bauelement Haube durch zwei Rundnähte miteinander verschweißten Schüsse bilden eine Baugruppe, die nach dem Evakuieren des Spaltraums für die Endstufen zum Bilden eines Bimetall- Hohlkörpers bereitsteht.

Durch die US-PS 41 62 758, insbesondere die Fig. 4 bis 6, ist ein Verfahren zum Herstellen von Verbund- Rohren bekannt, bei dem zum engen bzw. dichten Verbinden eines Außenschusses aus Kohlenstoffstahl und eines Innenschusses aus nichtrostendem Stahl das Explosions- Plattieren angewendet wird. Nach galvanischer Vernickelung der Innenfläche des Außenschusses wird der Innenschuß unter Belastung eines Zwischenraums von bestimmter Größe in den Außenschuß eingesetzt und der in den Innenschuß eingebrachte Sprengstoff zur Entzündung gebracht. Die über den Außenschuß vorstehenden Enden des Innenschusses werden dann durch eine als Kehlnaht ausgeführte Rundnaht vakuumdicht mit den Stirnflächen des Außenschusses verschweißt.

Aus der US-PS 33 70 930 ist ein Verfahren zum Herstellen großvolumiger Verbund-Hohlkörper bekannt, das zum Verlöten eines Außenschusses aus einem Kohlenstoffstahl und eines Innenschusses aus einem nichtrostenden Stahl verwendet wird, wobei die Wandstärke des Außenschusses um ein Vielfaches die Wandstärke des Innenschusses übersteigt. Dieses Verfahren wird zur Herstellung von großen zylinderförmigen Bimetallerzeugnissen verwendet. Dabei wird während der Montage der Innenschuß mit einer geringen Wandstärke vorgeformt. Der Innenschuß wird entweder aus einem fertigen Rohr oder durch Einrollen eines Blechstreifens aus einem nichtrostenden Stahl geformt, dessen Längskanten durch eine Längsnaht miteinander verschweißt werden, wonach die Außenfläche des Innenschusses mechanisch bearbeitet wird. Dann wird der Innenschuß unter Belassung eines ringförmigen Spaltraums in den Außenschuß eingesetzt. In den Spaltraum wird ein Lot in Form einer Folie eingesetzt, die an der Außenwand des Innenschusses befestigt wird. Die Größe des Spaltraums zwischen den Schüssen wird so bemessen, daß zwischen der Innenwand des Außenschusses und der Lotfolie ein freier Raum mit einer Breite bestehen bleibt, die der Differenzgröße der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der beiden Schüsse in radialer Richtung während der anschließenden Erwärmung entspricht. Dabei hat der Innenschuß aus einem nichtrostenden Stahl einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Außenschuß aus einem Kohlenstoffstahl. Die Stirnflächen der Schüsse werden durch vakuumdichte Rundnähte mittels nachgiebiger Ringelemente (Kompensatoren) wie Dehnungsringe oder Deckel verbunden, die während der Erwärmung eine Bewegung der Stirnfläche des Innenschusses relativ zu dem Außenschuß in axialer Richtung infolge der auch in dieser Richtung vorhandenen Differenz ihrer unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zulassen. Aus dem geschlossenen Spaltraum zwischen dem Außenschuß und dem Innenschuß mit der auf diesen aufgebrachten Lotfolie wird die Luft evakuiert und die hergestellte Baugruppe wird in einem Ofen auf Löttemperatur erwärmt, während Gase aus dem Spaltraum mit Hilfe einer Vakuumpumpe weiter entfernt werden. Während der Erwärmung wird der Spaltraum zwischen den Schüssen und dem Lot allmählich beseitigt und die Schüsse treten über das Lot miteinander in Verbindung, während die vorhandenen elastischen Ringelemente eine freie Dehnung des dünnwandigen Innenschusses in axialer Richtung gewährleisten. Nach dem Erreichen der Löttemperatur schmilzt das Lot und verbindet die Schüsse miteinander, wonach die Baugruppe abgekühlt wird.

Die Notwendigkeit, einen genauen ringförmigen Spaltraum zwischen dem Außenschuß und dem Innenschuß sicherzustellen, ist vor allem durch die Montagetechnologie bedingt, bei der der fertige Innenschuß in den Außenschuß eingesetzt werden muß, wobei die Größe dieses Spaltraums infolge der Differenz der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Schüsse in radialer Richtung in engen Grenzen gehalten werden muß. Zur Herstellung des erforderlichen Spaltraums mit einer gleichbleibenden vorgegebenen Breite über die gesamte Länge der Schüsse muß eine Reihe von Bedingungen eingehalten werden, von denen jede vom technologischen Standpunkt aus eine schwierige Aufgabe darstellt. Zu den genannten Bedingungen gehören:

• - Die unablässige Einhaltung einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit der zu verbindenden Flächen hinsichtlich Formgenauigkeit und Maßhaltigkeit, was besonders Schwierigkeiten bei der Bearbeitung des Innenschusses aus nichtrostendem Stahl bereitet, da dieser Schuß infolge seines großen Durchmessers und seiner geringen Wandstärke nur eine geringe Steifigkeit besitzt;
• - Evakuieren der Luft aus dem Spaltraum während der Erwärmung, was umständlich und technologisch kompliziert ist, weil dafür Sonderöfen mit Herausführungen für die die Baugruppe mit der Vakuumpumpe verbindenden Leitungen vorgesehen werden müssen, wodurch sich zusätzliche Schwierigkeiten beim Einsetzen der Baugruppe in Lötofen ergeben;
• - das ständige Einhalten einer hohen Montagegenauigkeit beim Einbauen, was durch Verwendung nachgiebiger Ringelemente und insbesondere durch die Notwendigkeit der Ausführung einer großen Anzahl vakuumdichter Schweißnähte, die mit einem höheren Arbeitsaufwand bei der Montage für das Löten verbunden ist, erschwert wird;
• - es soll ferner das Einhalten eines genau gleichgroßen Lötspalts zwischen den Lötflächen gewährleistet werden, weil andernfalls, z. B. durch einen vergrößerten Spalt mangelhafte Bedingungen entstehen können.

Alle beschriebenen Bedingungen erschweren die Durchführung des Verfahrens zum selbsttätigen Löten im Vakuum, wodurch seine Anwendung in der Produktion von Bimetall- Hohlkörpern eingeschränkt wird.

Bei der Anwendung dieses bekannten Verfahrens kann vielfach eine hohe Qualität der herzustellenden Lötverbindung nicht gewährleistet werden, weil bleibende Spannungen und eventuelle Risse der Lötnaht infolge einer Bewegung der in axialer Richtung am Rande liegenden Abschnitte des Innenschusses relativ zu dem Außenschuß während der Kontraktion bei der Abkühlung entstehen, was für Schüsse mit großer Länge besonders gefährlich ist.

Mangelhafte Bindungen können auch infolge eines undichten Anliegens des Innenschusses an dem Außenschuß beim Löten entstehen, wodurch die Qualität der herzustellenden Lötverbindung nachteilig beeinträchtigt wird. Bei der Verwendung von Loten, die leichtverdampfende Komponenten, wie Mangan, Zink oder dergl. enthalten, können ebenfalls mangelhafte Bindungen infolge einer Erhöhung der Löttemperatur und einer Verminderung der Dünnflüssigkeit der Lote entstehen, da diese Komponenten beim Evakuieren der Gase während der Erwärmung für das Löten mitgerissen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zum selbsttätigen Verlöten im Vakuum eines Außenschusses und eines Innenschusses aufzuzeigen, das die Montage und das Schweißen durch Verringern der Anzahl der auszuführenden Schweißnähte vereinfacht, ein dichtes Anliegen des Innenschusses am Außenschuß unter Vermeiden von Relativbewegungen beim Verlöten und Abkühlen sowie das genaue Einhalten eines Spalts zwischen den beiden Schüssen auf deren gesamten Länge gewährleistet und das außerdem einen geringen Arbeitsaufwand erfordert, die Güte und mechanische Festigkeit der Lötverbindung verbessert sowie das Sortiment der anwendbaren Lote erweitert.

Die gestellte Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine alternative Lösung der gestellten Aufgabe enthält der kennzeichnende Teil des Nebenanspruchs 3.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3 sind in den jeweiligen Unteransprüchen 2 und 4 bis 6 gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, die Güte der Lötverbindung zwischen dem Außen- und Innenschuß sowie die mechanische Festigkeit dieser Verbindung dadurch zu verbessern, daß beim Aufweiten und Andrücken des durch Einrollen eines Blechzuschnitts mit einer Überlappung vorgeformten und in den Außenschuß eingesetzten Innenschusses an den Außenschuß ein dichtes Aneinanderliegen durch die Lötschicht gewährleistet wird. Damit werden nicht ausgefüllte Bereiche vermieden und auch eine relative Bewegung der Schüsse gegeneinander während des Lötens und der Abkühlung ausgeschlossen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren sind die Montage- und Schweißvorgänge vereinfacht sowie der Arbeitsaufwand bei der Durchführung dieser Vorgänge vermindert, da in den Außenschuß der mit Überlappung eingerollte Blechzuschnitt des Innenschusses eingesetzt wird und das Verschweißen der Längskanten dieses Schusses erst nach seinem dichten Andrücken an den Außenschuß vorgenommen wird, wodurch komplizierte technologische Bedingungen, die mit einem genauen Einhalten der vorgegebenen Größe des Spalts zwischen dem Außen- und Innenschuß auf deren gesamten Länge verbunden sind, vermieden werden können. Außerdem wurde die Anzahl der auszuführenden Schweißnähte reduziert, da nur eine Längsnaht beim Schweißen der Längskanten des Blechzuschnitts und zwei vakuumdichte Rundnähte zum Verbinden des Außen- und des Innenschusses, ohne daß nachgiebige Ringelemente notwendig sind, auszuführen sind.

Durch die Ausführung vakuumdichter Rundnähte als Kehlnähte, die im Längsschnitt die Form von Dreiecken aufweisen, mit vorgegebenen Schenkellängen der Kehlnaht können die mechanische Festigkeit der gesamten Baugruppe vergrößert und letztlich die Güte der Lötverbindung verbessert sowie die Zuverlässigkeit eines bimetallischen Rohrs erhöht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet, auf den Arbeitsgang des Entlüftens des Spalts zwischen dem Außen- und dem Innenschuß durch Evakuieren oder Auspumpen der Gase während des Lötvorganges zu verzichten. Infolgedessen können leichtverdampfende Komponenten enthaltende Lote verwendet werden, d. h., das Sortiment der anzuwendenden Lote kann erweitert werden.

Das wird gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 mit einer vollständigen Entlüftung des Spalts durch ein dichtes Andrücken des Innenschusses an den Außenschuß erzielt und ist außerdem darauf zurückzuführen, daß der Außenschuß und der Innenschuß vor dem Löten durch vakuumdichte, als Kehlnähte ausgeführte Rundnähte miteinander verschweißt werden.

Durch eine Reduzierung der Anzahl der Schweißnähte auf nur zwei vakuumdichte, als Kehlnähte mit bestimmter Schenkellänge ausgeführte Rundnähte wird außerdem die Zuverlässigkeit des Verfahrens zum selbsttätigen Löten im Vakuum erhöht, weil die Wahrscheinlichkeit eines Undichtwerdens beim Löten und bei der Abkühlung vermindert wird. Die mechanische Festigkeit der vakuumdichten Schweißnähte wird außerdem bedeutend dadurch erhöht, daß sie als Kehlnähte ausgeführt werden.

Das Verbindungen der Stirnflächen des Außenschusses und des Innenschusses durch Kehlnähte, bei denen die an den dünnwandigen Innenschuß angrenzende Schenkellänge mindestens der Wandstärke des Innenschusses entspricht, während die an den Außenschuß angrenzende Schenkellänge mindestens zwei Wandstärken dieses Schusses beträgt, trägt dazu bei, daß eine Bewegung des dünnwandigen Innenschusses relativ zu dem dickwandigen Außenschuß verhindert und die damit verbundene Entstehung von bleibenden Spannungen und Rissen in der Lötnaht ausgeschlossen wird.

Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand der Beschreibung der Durchführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugsnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Baugruppe gemäß der Erfindung vor dem Verlöten;

Fig. 2 eine Stirnansicht eines durch Einrollen eines Blechzuschnitts mit einer Überlappung seiner Enden vorgeformten Innenschuß gemäß der Erfindung in verkleinertem Maßstab;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsvariante einer Baugruppe gemäß der Erfindung mit einem zwischen Außen- und Innenschuß eingesetzten Stahldrahtgewebe vor dem Verlöten und

Fig. 4 einen Ausschnitt A der Baugruppe nach Fig. 3 im vergrößerten Maßstab.

Fig. 1 zeigt einen Außenschuß 1 mit einem darin eingesetzten Innenschuß 2. Der Außenschuß 1 ist aus einem Kohlenstoffstahl und der Innenschuß 2 aus einem nichtrostenden Stahl hergestellt, wobei die Wandstärke des Außenschusses 1 um ein Vielfaches die Wandstärke des Innenschusses 2 übertrifft. Zwischen dem Außenschuß 1 und dem Innenschuß 2 ist eine Lotschicht 3, z. B. aus einer Legierung mit 75% Mangan, 15% Nickel und 10% Kupfer angebracht. Die beiden Schüsse, deren Stirnflächen mit 4 und 5 bezeichnet sind, werden durch vakuumdichte, als Kehlnähte ausgeführte Rundnähte 6 miteinander verschweißt.

Wie bekannt, werden Schweißnähte, im vorliegenden Fall vakuumdichte Rundnähte 6, die im Schnitt die Form eines Dreieckes haben als Kehlnähte bezeichnet. Bei der vorliegenden Erfindung entspricht die in radialer Richtung gemessene Länge des einen Schenkels 7 der Schweißnaht 6 mindestens einer Wandstärke des Innenschusses 2, während die in Längsrichtung gemessene Länge des anderen Schenkels 8 mindestens zwei Wandstärken des Innenschusses 2 beträgt.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Innenschuß 2 dadurch vorgeformt, daß ein Blechzuschnitt 9 (Fig. 2) aus einem nichtrostenden Stahl mit einer Überlappung a, z. B. auf Blechbiegewalzen bis zu einem Durchmesser d eingerollt wird, der etwas kleiner als der Innendurchmesser D des aus diesem Blechzuschnitt 9 zu seiner Endform aufgeweiteten Innenschusses 2 (Fig. 1) ist. Der Blechstreifen 9 wird so eingerollt, daß sich seine Endabschnitte 10 um das Maß a überlappen und die Möglichkeit zu einer relativen Bewegung gegeneinander (in Pfeilrichtung b) haben.

Auf die Außenfläche des eingerollten Blechzuschnitts wird entweder eine Lotschicht 3 aufgedampft oder eine aus einem Lot hergestellte Folie an diese Außenfläche mittels des elektrischen Punktschweißens leicht angeheftet. Die Lotschicht 3 kann z. B. auch auf die Innenwand des Außenschusses 1 aufgetragen oder an diese angeheftet werden. Der eingerollte Blechzuschnitt 9 des Innenschusses wird in den Außenschuß 1 unter Belassung eines Spalts 12 eingesetzt, und z. B. mit Hilfe von Abstandshaltern (nicht gezeigt) an die Innenwand des Außenschusses 1 dicht angedrückt. Nach dem Andrücken des Blechstreifens 9 gehen dessen Längskanten 11 auseinander (Pfeil b), die Überlappungszone a verschwindet und die Längskanten 11 liegen stumpf einander gegenüber. Dadurch, daß der vorgeformte Blechzuschnitt 9 mit einer Überlappung eingerollt worden ist, kann nicht nur ein dichtes Anliegen des Blechzuschnitts 9 am Außenschuß 1 erzielt, sondern auch das erforderliche stumpfe Aneinanderstoßen der Längskanten 11 des Blechzuschnitts 9 zum anschließenden Verschweißen erreicht werden. Beim Aufweiten des Blechzuschnitts 9 bis zu seinem dichten Anliegen bzw. Andrücken an den Außenschuß 1 wird die Luft aus einem Spalt 12 abgesaugt bzw. evakuiert, so daß der Spalt 12 mit der Lotschicht 3 vollständig gefüllt wird. Dann werden die Längskanten 11 des Blechzuschnitts 9 durch eine Längsnaht 13 zusammengeschweißt, wonach die Herstellung des Innenschusses 2 abgeschlossen ist.

Dann werden die Schüsse 1 und 2 durch die vakuumdichten als Kehlnähte ausgeführten Rundnähte miteinander verschweißt, wonach der Außenschuß 1 und der Innenschuß 2, d. h. die Baugruppe auf die Löttemperatur, bei der das Lot schmilzt, erwärmt, und somit die Schüsse 1, 2 verbunden werden. Nach dem Löten wird die Bau- oder Montagegruppe abgekühlt, wobei ein zylinderförmiges Bimetallerzeugnis mit einem dickwandigen Rohr aus einem Kohlenstoffstahl und einem dünnwandigen Innenrohr aus einem nichtrostenden Stahl, hergestellt wird.

Beispiel 1

Der Blechzuschnitt 9 (Fig. 2) eines Innenschusses 2 aus einem nichtrostenden Stahl mit einer Dicke von 5 mm, einer Breite von 1000 mm und einer Länge von etwa 3140 mm wurde mit einer Überlappung a bis zu einem Außendurchmesser d von etwa 950 mm eingerollt. Die über die Kreislinie gemessene Länge der Überlappungszone a beträgt etwa 79 mm. An der Außenwand des Blechzuschnitts 9 wurde durch elektrisches Punktschweißen eine Lotschicht 3 in Form einer Folie mit einer Dicke von 0,3 mm leicht befestigt. Die Folie besteht aus einem gewalzten biegsamen Bandlot mit einer Schmelztemperatur von 1060°C und ist zusammengesetzt aus 75% Mangan, 15% Nickel und 10% Kupfer.

Der Blechzuschnitt 9 wurde in den Außenschuß 1 mit einem Innendurchmesser von 1000 mm, einer Länge von 1025 mm und einer Wandstärke von 220 mm eingesetzt. Der Blechzuschnitt 9 wurde mittels Schraubzwingen aufgeweitet und an den Außenschuß 1 unter dichtem Anliegen des Blechzuschnitts 9 (Fig. 2) an dieser Innenfläche angedrückt, die Längskanten 11 des Blechzuschnitts 9 wurden durch eine Längsnaht 13 stumpfgeschweißt. Das Schweißen wurde mittels Elektroden zum Schweißen austenitischer Stahle durchgeführt. Der Innenschuß 2 und der Außenschuß 1 wurden mittels der vakuumdichten als Kehlnähte 6 ausgeführten Rundnähte miteinander verschweißt, die als Kehlnähte mit folgenden Schenkellängen ausgeführt sind: von 5,3 mm gemessen in radialer Richtung (Verbindung mit Innenschuß 2) und von 12 mm, gemessen in Längsrichtung (Verbindung mit Außenschuß 1). Das Schweißen wurde mittels Elektroden zum Schweißen von ungleichartigen Stählen durchgeführt. Die Baugruppe wurde in einem Wärmebehandlungsofen ohne Schutzgas auf eine Löttemperatur von 1060 +20°C erwärmt und dann zusammen mit dem Ofen abgekühlt.

Die Güte der Verbindung wurde durch Ultraschallprüfung und mechanische Versuche geprüft.

Die Ultraschallprüfung wurde mittels eines Prüfkopfes mit einer Auflösung von 3 mm² durchgeführt. Es wurden keine mangelhaften Bedingungen nachgewiesen. Bei der Durchführung von Biegeversuchen mit der nach außen gerichteten Plattierschicht und der nach innen gerichteten Plattierschicht wurden bei einem Biegewinkel von 180°C keine Abschichtungen, Anrisse und andere Fehler festgestellt. Bei Scherversuchen an der Plattierschicht von 18 Versuchsstücken ergab sich folgender Festigkeitsgrad:

Ein Ablösungsversuch an der Plattierschicht von 18 Versuchsstücken ergab folgenden Festigkeitsgrad:

Diese Angaben zeugen von einer hohen Festigkeit der Hartlötverbindung.

Eine Sichtprüfung von Grobschliffen ergab, daß die verbundenen Flächen mit dem Lot ausreichend benetzt sind und keine mangelhaften Bindungen vorliegen.

Der Durchführung des im Beispiel 1 beschriebenen Verfahrens zum selbsttätigen Löten im Vakuum ging eine Reihe von Versuchen zur Bestimmung von optimalen Parametern der an den Schüssen ausgeführten vakuumdichten Kehlnähte 6 voraus. Die Versuche wurden an Modellen durchgeführt, welche aus koaxial zusammengebauten Stahlstäben mit einer Länge von 2020 mm, einem Durchmesser von 38 mm und aus Stahlbuchsen mit einem Außendurchmesser von 45 mm, einer Länge von 2000 mm und einer Wanddicke von 3 mm bestanden.

Die beiden Stirnflächen des Stutzens wurden an den Stab durch vakuumdichte, als Kehlnähte ausgeführte Rundnähte angeschweißt. Das Schweißen wurde mittels Elektroden für ungleichartige Stähle durchgeführt. Die hergestellten Baugruppen wurden auf eine Temperatur von 1100°C erwärmt. In Abhängigkeit von der Schenkellänge der vakuumdichten Rundnaht waren an den Verbindungsstellen der Naht mit dem Stab oder mit der Buchse verschiedenartige Zerstörungsbilder der Schweißnähte zu verzeichnen, welche Zerstörungen bei der Erwärmung der Baugruppen oder Montageeinheiten infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe des Stabs und der Buchse entstanden.

Die Ergebnisse der Versuche sind in der Tabelle 1 angeführt.

Tabelle 1

Aufgrund der durchgeführten Versuche wurden optimale Schenkellängen der vakuumdichten Kehlnaht 6 ermittelt, d. h. die in radialer Richtung gemessene Länge des Schenkels 7 muß mindestens einer Wandstärke des Innenschusses 2 entsprechen, während die in Längsrichtung gemessene Länge des anderen Schenkels 8 mindestens zwei Wandstärken des Innenschusses 2 betragen muß.

Durch die vorliegende Erfindung kann das Verfahren zum selbsttätigen Löten im Vakuum bedeutend vereinfacht und die Zuverlässigkeit einer Lötverbindung erhöht werden. Das wird durch eine Vereinfachung der Montagetechnologie für den Außenschuß 1 und den Innenschuß 2 erzielt, wodurch die Notwendigkeit einer strikten Einhaltung der Größe des Spalts 12 zwischen dem Außenschuß 1 und dem Innenschuß 2 entfällt. Durch das Andrücken des Blechzuschnitts 9 des Innenschusses 2 wird ein dichtes Anliegen des Innenschusses 2 durch die Lotschicht 3 an dem Außenschuß 1 erzielt, wobei das Entstehen von Hohlräumen ausgeschlossen wird. Gleichzeitig findet eine Entlüftung des Spalts 12 statt, wodurch nach dem Verschweißen des Außenschusses 1 und des Innenschusses 2 durch die vakuumdichten Kehlnähte 6 ein hermetisches Abschließen des Spalts 12 erzielt wird und keine Evakuierung (Auspumpen der Gase) während der Erwärmung für das Löten durchgeführt werden muß. Dadurch wird die Herstellung einer festen Lötverbindung ohne Fehler, d. h. ohne mangelhafte Bindungsbereiche gewährleistet. Durch das Verzichten auf die Evakuierung der Baugruppe während des Lötens wird es möglich, leichtverdampfende Komponenten enthaltende Lote zu verwenden, d. h. das Sortiment der anwendbaren Lote zu erweitern. Durch ein dichtes Aneinanderliegen des Außenschusses 1 und des Innenschusses 2 und das Verschweißen dieser Schüsse wird eine gegenseitige Bewegung der Schüsse 1, 2 während des Lötens und der Abkühlung ausgeschlossen, wobei die Längen der Schenkel 7, 8 der vakuumdichten Kehlnaht 6 so gewählt werden, daß die Notwendigkeit in der Verwendung nachgiebiger Ringelemente und in der Durchführung von Schweißvorgängen zum Verbinden dieser Elemente mit dem Außenschuß 1 und dem Innenschuß 2, wie es im Stand der Technik der Fall ist, entfällt. Dadurch wird die Anzahl der Schweißnähte reduziert und folglich die Zuverlässigkeit sowohl des Verfahrens, als auch des herzustellenden zylinderförmigen Bimetallerzeugnisses erhöht.

Fig. 3 zeigt eine Baugruppe bzw. Montageeinheit, bestehend aus dem Außenschuß 1 und dem Innenschuß 2, die senkrecht angeordnet sind. Ebenso wie bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante besteht der dickwandige Außenschuß 1 aus einem Kohlenstoffstahl und der dünnwandige Innenschuß 2 aus einem nichtrostenden Stahl. Die Herstellung des Innenschusses 2 aus dem Blechzuschnitt 9 erfolgt wie anhand der Fig. 2 beschrieben. Im vorliegenden Fall ist jedoch zwischen dem Außenschuß 1 und dem Innenschuß 2 ein Stahldrahtgewebe 14 eingesetzt. Im Oberteil des Außenschusses 1 ist auf der gleichen Höhe mit der oberen Stirnfläche 5 des Innenschusses 2 ein Ringraum 15 vorgesehen, in dem ein Lot 3 untergebracht ist, und der über eine Öffnung 16 mit der Leitung 17 hermetisch verbunden ist. Der Außenschuß 1 und der Innenschuß 2 sind durch die vakuumdichten, als Kehlnähte 6 ausgeführten Rundnähte miteinander verschweißt, bei denen die Länge der Schenkel 7 in radialer Richtung mindestens einer Wandstärke des Innenschusses 2 entspricht, d. h. die vakuumdichte Kehlnaht 6 übergreift den Innenschuß 2 über dessen gesamte Stärke, während in Längsrichtung die Länge der Schenkel 8 mindestens zwei Wandstärken des Innenschusses 2 beträgt. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Blechzuschnitt 9 des Innenschusses 2 mit der Überlappung a, z. B. auf Blechbiegewalze bis zu einem Durchmesser d eingerollt, der kleiner als der Innendurchmesser D des Außenschusses 1 ist. An der Außenwand der Blechzuschnitts 9 des Innenschusses 2 wird mittels Zwingen das Gewebe 14 geheftet. Der eingerollte Blechzuschnitt 9 des Innenschusses 2 wird mit dem Gewebe 14 (Fig. 3) in den Außenschuß 1 eingesetzt, mittels Schraubzwingen oder einfacher Abstandshalter an den Außenschuß 1 angedrückt und danach werden die Längskanten 11 des Blechzuschnitts 9 durch eine Längsnaht 13 zusammengeschweißt. Es werden vakuumdichte, als Kehlnähte 6 ausgeführte Rundnähte hergestellt, über die Leitung 17 wird die Baugruppe oder Montageeinheit mit einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) verbunden und die Luft wird aus dem Spalt 12 zwischen den Schüssen 1 und 2 ausgepumpt. Danach wird die Leitung 17 durch Schweißen hermetisch abgeschlossen und von der Vakuumpumpe getrennt. Schließlich wird die Montageeinheit in einem Ofen auf die Löttemperatur erwärmt und nach Beendigung des Lötens die Montageeinheit abgekühlt, so daß ein zylinderförmiges Bimetallerzeugnis hergestellt ist.

Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt A in Fig. 3 und zwar einen Teil des Spalts 12 mit dem Stahldrahtgewebe 14. Wie dargestellt, beträgt die Größe des Spalts 12 nach dem Andrücken und dem Zusammenschweißen der Kanten 11 des Blechzuschnitts 9 zwei Durchmesser des Stahldrahts des Stahldrahtgewebes 14. In der Zeichnung ist deutlich die Maschenstruktur des Gewebes 14 zu sehen. Jede Masche hat eine etwa zwei Durchmesser des Stahldrahts des Stahldrahtgewebes 14 entsprechende Breite l.

Beispiel 2

Der Blechzuschnitt 9 aus einem nichtrostenden Stahl mit einer Dicke von 5 mm, einer Breite von 1570 mm und einer Länge von etwa 4416 mm wurde mit einer Überlappung a bis zu einem Außendurchmesser d von etwa 1350 mm eingerollt (die Länge der Überlappungszone a beträgt etwa 84 mm). Das Gewebe 14 aus Stahldraht mit einem Durchmesser von 0,36 mm und mit Maschen mit 1 = 0,6 mm wurde an die Außenwand des Blechzuschnitts 9 durch elektrisches Punktschweißen angeheftet. Nachdem im Ringraum 15 ein Lot an der Mangan-Nickel-Basis mit 60 Gew.-% Mangan und 40 Gew.-% Nickel untergebracht worden war, wurde der eingerollte Blechzuschnitts 9 des Innenschusses 2 in den Außenschuß 1 mit einem Innendurchmesser von 1400 mm, einer Höhe von 1600 mm sowie einer Wandstärke von 220 mm eingesetzt und den Innenschuß mit Hilfe von Schraubzwingen an den Außenschuß 1 angedrückt.

Die Längskanten 11 des Blechzuschnitts 9 des Innenschusses 2 wurden durch halbautomatisches Stumpfschweißen im Schutzgas mittels eines Zusatzschweißdrahtes für das Schweißen von austenitischen Stählen zusammengeschweißt, wobei die vakuumdichten Kehlnähte 6 auf die gleiche Art und Weise, jedoch unter Anwendung eines Zusatzschweißdrahtes für das Schweißen von ungleichartigen Werkstoffen ausgeführt wurden. Die Kehlnähte 6 übergreifen dabei den Innenschuß 2 über dessen gesamte Stärke (die Länge des Schenkels 7 betrug 5 mm) und am Außenschuß 1 betrug die Länge des Schenkels 8 der Schweißnaht 6 12 mm. Vor der Erwärmung für das Löten wurde der Spalt 12 durch Auspumpen der Luft evakuiert, danach die Leitung 17 durch Schweißen hermetisch abgeschlossen und von der Vakuumpumpe getrennt. Die hergestellte Montageeinheit wurde dann in einem Wärmebehandlungsofen ohne Schutzgas auf eine Löttemperatur von 1020 +20°C erwärmt, bei dieser Temperatur innerhalb von 0,5 h gehalten und zusammen mit dem Ofen abgekühlt.

Die Güte der Lötverbindung wurde durch Ultraschallprüfung und mechanische Versuche geprüft. Die mit Hilfe eines Prüfkopfes mit einer Auflösung von 3 mm² durchgeführte Ultraschallprüfung ergab eine 100%ige homogene Geschlossenheit der Verbindung. Bei der Durchführung der Biegeversuche weisen die nach außen und nach innen gerichteten Plattierschichten der Versuchsstücke bei einem Biegewinkel von 180° keine Abschichtungen und Anrisse der Lötnaht auf. Die Ablösungs- und Scherversuche an Plattierschichten von 16 Versuchsstücken ergaben folgende Ergebnisse:

worin
τ, σ jeweils Scher- und Trennfestigkeitswerte bedeuten.

In der Zerstörungszone der Versuchsstücke waren Abrisse des Grundwerkstoffs zu verzeichnen. Im Vergleich zum Beispiel 1 wurde eine noch höhere stabilere Verbindungsfestigkeit zwischen Außenschuß 1 und Innenschuß 2 erzielt. Dieser positive Effekt wurde durch das im Spalt 12 untergebrachte Gewebe 14, das eine zusätzliche große Kristallisationsfläche darstellt, erzielt, was durch die Aufteilung des kristallisierenden Lotvolumens in eine Vielzahl von durch die Maschen des Gewebes 14 bedingte Mikrovolumina bewirkt wird. Die Kristallisation geht unter diesen Bedingungen praktisch ohne Schrumpfung des Lots vor sich. Bei der Durchführung des im letzteren Beispiel beschriebenen Verfahrens wurden außerdem billigere - nach der Komponentenzusammensetzung - und einfache - nach der Herstellungstechnologie - Lote verwendet. Es ist nicht zu bezweifeln, daß die Herstellung eines Lots durch Schmelzen einer Legierung erforderlicher Zusammensetzung und Vergießen in Gießformen bedeutend einfacher ist, als die Herstellung einer Folie. Die Herstellung einer Folie erfordert viele Arbeitsgänge, einschließlich Walzen und Wärmebehandlung zur Beseitigung der Oberflächenverfestigung. Außerdem gibt es schwerverformbare Legierungen, die zu Folien praktisch nicht verarbeitet werden können. Die Anwendung der vorliegenden, im Beispiel 2 beschriebenen Erfindung ermöglicht jedoch den Einsatz derartiger Lote, wodurch das Sortiment der anzuwendenden Lote wesentlich erweitert wird.

Der Durchführung des im Beispiel 2 beschriebenen Verfahrens ging eine Reihe von Versuchen an Modellen voraus, an denen das Loten unter Verwendung von zwischen Schüssen aus einem Kohlenstoffstahl und einem nichtrostenden Stahl angebrachten Geweben 14 verschiedener Typengrößen erfolgte.

Die Größen von minimal zulässigen nichtkapillaren Spalten für die gleichen Werkstoffe und die verwendeten Lote wurden ebenfalls auf Versuchswegen erhalten und sind neben den Angaben über die Ergebnisse des experimentell durchgeführten Lötens in der Tabelle 2 angeführt.

Tabelle 2

Die in der Tabelle 2 angeführten Angaben zeugen davon, daß für die Herstellung der unter den gegebenen Bedingungen maximal möglichen Festigkeit einer Lötverbindung die Typengrößen des Gewebes 14 mit Rücksicht auf die Einhaltung der Größe eines minimal zulässigen nichtkapillaren Spalts gewählt werden müssen, oder die Typengrößen des Gewebes 14 diese Größe bis zu den Grenzen übersteigen müssen, die eine minimal notwendige Festigkeit der Verbindung gewährleisten. Es muß darauf hingewiesen werden, daß eine Vergrößerung der Breite und des Volumens des Spalts 12 zu einer ungerechtfertigten Erhöhung des Lotverbrauchs führt. In der Tabelle 2 sind die optimal günstigsten Durchmesser des Stahldrahts des Gewebes 14 für verschiedene Lotzusammensetzungen angeführt.

So ist bei der Verwendung von Kupfer als Lot der Durchmesser des Stahldrahts in einem Bereich von 0,25 bis 1,0 mm zu wählen.

Bei der Verwendung einer Legierung mit einem 60%igen Mangan- und 40%igen Nickelgehalt als Lot liegt der Durchmesser des Stahldrahts in einem Bereich von 0,36 bis 1,2 mm.

Bei der Verwendung einer Legierung mit einem 75%igen Mangan-, 15%igen Nickel und 10%igen Kupfergehalt als Lot ist der Durchmesser des Stahldrahts in einem Bereich von 0,32 bis 1,0 mm zu wählen. Bei diesen Durchmessern des Stahldrahts werden die besten Festigkeitswerte der Lötverbindung gewährleistet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß eine hohe und stabile Festigkeit der Lötverbindung erzielt wird, wobei die Notwendigkeit in der Verwendung von Loten in Form einer Folie entfällt.

Daraus ergibt sich die Möglichkeit, schwer verformbare Lote zu verwenden und folglich das Sortiment der anzuwendenden Lote zu erweitern.

Durch das Unterbringen des Stahldrahtgewebes 14 im Spalt 12 kann die Größe dieses Spaltes entsprechend den Anforderungen in bezug auf die Einhaltung eines minimal zulässigen nichtkapillaren Spaltes aufrechterhalten werden. Dadurch wird einerseits ein Durchdringen des geschmolzenen Lots über die gesamte Höhe des Spaltes 12 gewährleistet und andererseits ein übermäßiger Lotverbrauch vermieden.

Die erfindungsgemäße Erfindung gestattet es, die Zuverlässigkeit des Verfahrens zum selbsttätigen Löten im Vakuum zu erhöhen, den technologischen Prozeß der Montage des Außen- und des Innenschusses und deren Erwärmung für das Löten durch ein dichtes Einbauen des Innenschusses in den Außenschuß unter Ausschließen einer gegenseitigen Bewegung der Schüsse relativ zueinander beim Löten zu vereinfachen. Das Verfahren gestattet es, die Güte der Lötverbindung dadurch zu verbessern, daß beim Einbauen keine Hohlräume im Spalt zwischen den Schüssen gebildet werden und es auf die Evakuierung während des Lötens verzichtet werden kann.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen eines Bimetall-Hohlkörpers durch Verlöten eines Außenschusses (1) und eines Innenschusses (2) mittels eines in den zwischenliegenden Spaltraum (12) eingebrachten Lots (3), bei dem die Enden des Außenschusses und des Innenschusses durch vakuumdichte Rundnähte (6) miteinander verbunden werden, die Luft aus dem Spaltraum evakuiert und die Baugruppe zum Verlöten erwärmt und anschließend abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Innenschuß (2) durch Einrollen eines Blechzuschnitts (9) mit einer Überlappung (a) seiner Ränder (10) vorgeformt,
• - der eingerollte Blechzuschnitt (9) im Inneren des Außenschusses (1) zentriert,
• - der eingerollte Blechzuschnitt (9) zum Andrücken seiner Außenwand an die Innenwand des Außenschusses (1) und stumpfen Aneinanderliegen seiner Längskanten (11) aufgeweitet,
• - die Längskanten (11) durch eine Längsnaht (13) miteinander verschweißt werden und
• - die vakuumdichten Rundnähte als Kehlnähte (6) zwischen der Stirnfläche (5) des Innenschusses (2) und der axial über den Innenschuß hinaus verlängerten Innenwand des Außenschusses (1) ausgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kehlnähte (6) so ausgeführt werden, daß

• - die Länge des radialen Schenkels (7) mindestens der Wandstärke des Innenschusses (2) und
• - die Länge des axialen Schenkels (8) mindestens zwei Wandstärken des Innenschusses (2) entspricht.

3. Verfahren zum Herstellen eines Bimetall-Hohlkörpers durch Verlöten eines Außenschusses (1) aus einem Kohlenstoffstahl und eines Innenschusses (2) aus Edelstahl, bei dem die Enden des Außenschusses und des Innenschusses durch vakuumdichte Rundnähte miteinander verbunden werden, die Luft aus dem Spaltraum evakuiert, die Baugruppe senkrecht angeordnet wird und zum Verlöten erwärmt sowie anschließend abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot (3) in einem Ringraum (15) im oberen Abschnitt des Außenschusses (1) in der Höhe der Stirnfläche (5) des Innenschusses (2) angebracht wird und im Spaltraum (12) zwischen dem Außenschuß (1) und dem Innenschuß (2) vor dem Schweißen Einlagen (14) z. B. aus Stahldraht mit einem Durchmesser von mindestens 0,25 mm eingesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung von Kupfer als Lot der Durchmesser des Stahldrahtes eines Stahldrahtgewebes (14) von 0,25 bis 1,0 mm gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung einer Legierung aus 60% Mangan und 40% Nickel als Lot der Durchmesser des Stahldrahtes eines Stahldrahtgewebes (14) von 0,36 mm bis 1,2 mm gewählt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung einer Legierung aus 75% Mangan, 15% Nickel und 10% Kupfer als Lot der Durchmesser des Stahldrahtes eines Stahldrahtgewebes (14) von 0,32 mm bis 1,0 mm gewählt wird.