DE671535C

DE671535C - Im Brenngas enthaltenes fluechtiges Flussmittel zum Gasschweissen oder Hartloeten

Info

Publication number: DE671535C
Application number: DEL91541D
Authority: DE
Inventors: Arthur Roemer Lytle; Thomas Hunt Vaughn
Original assignee: Linde Air Products Co
Current assignee: Linde Air Products Co
Priority date: 1935-12-24
Filing date: 1936-11-29
Publication date: 1939-02-09
Also published as: SE94124C1

Description

Bur. kü.

8Ϊ&/2.1939

AUSGEGEBEN AM
9. FEBRUAR 1939

REICHSPATENTAMT ■■

PATENTSCHRIFT

KLASSE 49h GRUPPE 36o₂

L 91541 I j 49 h

Arthur Roemer Lytle und Thomas Hunt Vaughn in Niagara Falls, New York, V. St. A.,

sind als Erfinder benannt worden.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 29. November 1936 ab
Tag der Bekanntmachung über die Erteilung des Patents: 26. Januar 1939

ist in Anspruch genommen

DieErfindung betrifft das Schmelzschweißen oder Hartlöten mittels gasförmiger Brennstoffe und eines flüchtigen Fluß- oder Schweißmittels, welches in den Schweißgasstrom eingeführt wird, etwa indem man das Gas durch das Mittel hindurchführt oder mit ihm in Berührung bringt, wobei das flüchtige Schweißmittel der Flamme, eine kräftige und leicht regelbare Flußmittelwirkung erteilt. Die Schweißmittel gemäß der Erfindung sind flüchtige Verbindungen oder Mischungen, welche im wesentlichen Alkylborate enthalten, wobei die Flußmittelwirkung der Flamme grundsätzlich von dem Boroxyd abgeleitet wird, welches durch Zersetzung von im Schweißgas enthaltenen flüchtigen Borverbindungen gebildet wird.

Es ist bekannt, daß, wenn man ein Schweißbrenngas, wie z. B. Acetylen, durch eine Miso schung hindurchperlen "läßt, welche Äthylalkohol in Berührung mit überschüssigem Boroxyd (B₂ O₃) enthält, das durch chemische Reaktion gebildete Äthylborat vom Acetylen aufgenommen wird und der Schweißflamme eine ausgesprochene Flußmittelwirkung verleiht. Dieses Verfahren wurde mit einigem Erfolg beim Schweißen von Nickel und der unter der geschützten Bezeichnung »Monelmetall« bekannten Kupfernickellegierung benutzt.

Ein solches Verfahren, bei welchem also der SchweißflammeFlußmittelwirkungen verliehen werden, bietet jedoch manche Nachteile, deren Überwindung Zweck vorliegender Erfindung

tCHHBO

= (C₂ H₅) 3 B O₃ + H₃ B O₃], durch welche das Äthylborat in der obengenannten Mischung gebildet wird, verwandelt nur die Hälfte des Boroxyds in Äthylborat und die andere Hälfte -"^; in Borsäure. Letztere ist in der Reaktionsmischung unlöslich und bildet einen voluminösen Niederschlag, der bei Erzielung einei beträchtlichen Konzentration an Äthylborat in der Flüssigkeit bald einen dicken Schlamm bildet, durch welchen es unmöglich ist, das Gas hindurchzuführen. Dies hat zur Folge, daß aus rein praktischen Gründen die zulässige Konzentration an Äthylborat in einer solchen Flußmittelmischung gering ist. Überdies ist die Reaktionsgeschwindigkeit so nied-

rig, daß die Nachbildung des aus der Mischung fortgeführten Äthylborats äußerst langsam erfolgt. Ferner ist der im Gleichgewicht mit einer Mischung aus Äthylalkohol und Äthylborat in kleinen Konzentrationen befindliche Dampf viel reicher an Borat als an Alkohol. Zufolge dieser verschiedenen Einflüsse ergab sich, daß, wenn das Schweißgas durch irgendeine brauchbare Reaktionsmischung derart geführt wurde, daß eine hinreichende Aufnahme von Äthylborat stattfand, um der Schweißflamme eine geeignete Flußmittelwirkung zu erteilen, sich die Konzentration des Borats sowohl in der Reaktionsmischung als auch im Schweißgas rasch verringerte, bis unter Umständen so viel Alkohol in die Flamme fortgeführt wurde, daß sich deren Temperatur empfindlich erniedrigte, während die Flußmittelwirkung der Flamme praktisch aufhörte. Aus all diesen Gründen sind die bisher bekannten flüchtigen Schweißmittel im allgemeinen unbefriedigend, um den Schweißflammen eine Flußmittelwirkung zu erteilen. Andererseits ist die Anwendung flüchtiger Schweißmittel grundsätzlich äußerst vorteilhaft bei manchen Gasschweißverfahren, und die Flußmittel wirkung des Boroxyds, welches aus flüchtigen Borverbindungen gebildet wurde, weist manche erwünschten Eigenschaften auf, beispielsweise die Erzeugung einer sauberen Schweiße, weiche frei von den durch die meist festen oder flüssigen Schweißmittel zurückgelassenen Inkrustationen ist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf flüchtige Schweißmittel neuer Zusammensetzung, welche von den oben beschriebenen Nachteilen frei sind und manche Vorteile bieten, wie aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.

■ Es wurde gefunden, daß gewisse reine Alkylborate als flüchtige Flußmittel mit beträchtlichem Erfolg benutzt werden können. Diese Alkylverbindungen stellen Trialkylverbindungen der Borsäure dar. Es wurde ferner gefunden, daß Mischungen von niedrigmolekularen Alkylboraten und Alkoholen konstant siedende oder sogenannte azeotropische Mischungen von hoher Flüchtigkeit bilden und daß diese Mischungen als dampfförmige Flußmittel vortrefflich geeignet sind.

Schließlich wurde gefunden, daß die Alkylborate oder -mischungen gemäß der Erfindung für manche Zwecke vorteilhaft mit anderen flüchtigen Flußmitteln vermischt werden können, beispielsweise mit flüchtigen Silicaten, wie Tetramethylsilicat. Derartige Verbindungen zersetzen sich in der Schweißflamme unter Bildung von Oxyden (wie z. B. SiO₂), welche die Flußmittelwirkung des Boroxyds verbessern und andere Vorteile bieten.

Gemäß der Erfindung werden vorzugsweise Methylborat, Äthylborat, Propylborat und Isopropylborat einzeln oder in Mischung verwendet. Das Methylborat hat einen Kochpunkt von etwa 68° und das Äthylborat von etwa I2o°. Die höhermolekularen Alkylborate müssen, damit sie eine hinreichende Verdampfung bei ihrer Anwendung aufweisen, gewöhnlich erwärmt werden.

Die wesentlichen azeotropischen Mischungen, auf weiche sich die Erfindung bezieht, sind in den beiliegenden Zeichnungen angedeutet.

Fig. ι stellt in Kurvenform die Beziehung zwischen Kochpunkt und Zusammensetzung von Mischungen aus Alkoholen und den betreffenden Alkylboraten dar. Die mit A bezeichnete volle Linie bezieht sich auf Mischungen von Methylalkohol und Methylborat. Die mit B bezeichnete gestrichelte Linie veranschaulicht Mischungen von Äthylalkohol und Äthylborat. Die mit C bezeichnete strichpunktierte Linie bezieht sich auf Mischungen von Isopropylalkohol und Isopropylborat.

Fig. 2 zeigt ähnliche Kurven für andere »°° Mischungen, und zwar bezieht sich die mit D bezeichnete, voll ausgezogene Kurve auf Mischungen von Methylalkohol und Isopropylborat und die mit E bezeichnete gestrichtelte Kurve auf Mischungen von Methylalkohol und Methylsilicat.

Die Werte der genannten Kurven sind in der nachstehenden Zusammenstellung aufgeführt.

Zahlentafel A

Mischung	Flußmittel	Kochpunkt ⁰C'	68 -I 53,5 120 76,5 140 — 140 57.5 120 ' —·	Azeotropische Mischung	Flußmittel 7«
Alkohol	(CH₃O3)₃B (C₂H₃ O₃)₃B (C₃H₇ O₃) ₃ B (C₃H₇ O₃)₃B (CH₃OJ₁Si	Alkohol I Flußmittel j »^nf	Alkohol	72 33 32
Methylalkohol.. Äthylalkohol... Isopropylalkohol Methylalkohol.. Methylalkohol..	64 78 8r 64 64	28 67 68

Bei der Herstellung der azeotropischen Alkylboratmischungen gemäß der Erfindung sind reine Verbindungen und insbesondere trockene Verbindungen aus verschiedenen Gründen erwünscht. Wenn nämlich entweder die Flußmittelverbindung oder das Schweißgas Wasser enthält, dann wird ein Teil des Flußmittels durch Hydrolyse unter Bildung von Borsäure zersetzt, welche sich niederzu- - schlagen sucht und in den engen Gasleitungen und Kanälen des Brenners anhäuft und eine Verstopfung sowie Korrosion verursacht. In ähnlicher Weise bewirkt irgendwelche Hydrolyse der Borate eine Erschöpf ung der ursprüngliehen Mischung an dieser Komponente, falls diese Mischung eine azeotropische Zusammensetzung aufweist. Im Falle des Methylborats und Methylalkohols wurde es beispielsweise für vorteilhaft gefunden, eine Mischung zu verwenden, welche etwa 800/0 Methylborat enthält. Es wurde gefunden, daß die Flußmittel gemäß der Erfindung mit äußerst brauchbaren Ergebnissen beim Schweißen oder Hartlöten ζ. Β. λ'οη Kupfer, Messing, Bronze, niedrig-

gekohltem Stahl und chromreichen Eisenlegierungen, wie beispielsweise rostfreiem Eisen und rostfreiem Stahl, bei deren Schweißung gewöhnlich feste oder flüssige Schweißmittel benutzt werden, verwendbar sind. Diese üblichen Schweißmittel hinterlassen auf dem Metall Niederschläge oder Krusten, die vor den darauffolgenden Bearbeitungen, wie Plattieren oder Verzinnen, entfernt werden müssen, wobei die Inkrustationen in manchen Fällen nur äußerst schwierig beseitigt werden können. Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß beim Gasschweißen oder Hartlöten von Metallen die Schweißmittel gemäß der Erfindung außergewöhnlich gesunde und saubere Schweißnähte erzeugen, welche keinerlei Vorbehandlung für das darauffolgende Plattieren oder Verzinnen erfordern.

Die in der nachstehenden Zahlentafel mitgeteilten Daten zeigen die Erfolge, welche mit Bronzeschweißen bei Stahlabschnitten unter Verwendung der Flußmittel gemäß der Erfindung erzielt wurden, im Vergleich zu anderen Flußmitteln.

Zahlentafel B

	Flußmittel	Mittlere Zugfestigkeit	Prozentischer Anteil	Biegedehnung
Versuch		lig/mm^a	der Abschnitte mit einer Zugfestigkeit	¹¹M
	A	37>¹⁰	unter 39,20 kg/mm²	20
I	B	37.So	63	35
2	C	41.30	27	—
3	D	33.9°	22	20
4	E	28,00	"SO	—.
5	F	40,60	100	35
6	G	41.30	• 35	—
7		32

Die Abschnitte bestanden aus hochwertigem Kesselblech und hatten eine Zugfestigkeit von etwa 43,40 kg/mm², und der Schweißstab besaß eine typische Bronzezusammensetzung.
Die benutzten Flußmittel waren:
A ein handelsübliches Flußmittel (Paste), welches Borsäure und Borax enthielt und direkt auf die Schweiße aufgebracht wurde,

B eine verdünnte Reaktionsmischumg aus Methylalkohol und Borsäure mit etwa 7,2 °/o Boratgehalt, welche in den Schweißgasstrom verdampft wurde,

C wie B, jedoch mit einem Gehalt von etwa 20°/o Methylborat,

D eine rohe Reaktionsmischung aus Methylalkohol und Boroxyd mit einem Gehalt von etwa 76 % Methylborat and 6 °/₀ Borsäure, welche in den Schweißgasstrom verdampft wurde,

E wie D, jedoch zwecks Entfernung etwa vorhandener für die Schweißung schädlicher Borsäure vor Benutzung mit aktiver Kohle behandelt,

F reine Mischung von 80O/0 Methylborat und 20 % Methylalkohol, hergestellt durch Vermischen der beiden reinen Verbindungen no und in den Schweißgasstrom verdampft,

G reines Isopropylborat, in den Schweißgasstrom verdampft.

Die reine 8o°/₀ Methylboratmischung F in Versuch 6 ist ein besonders brauchbares Flußmittel, da es hervorragende Schweißergebnisse mit ausnehmend hohem Dampfdruck und geringer Alkoholkonzentration vereinigt und aus vergleichsweise billigen Rohstoffen hergestellt werden kann. Es wird bemerkt, daß diese bevorzugte Mischung nicht genau dem azeotropischen Gemisch entspricht,

sondern an Stelle von 73 °/o Borat ungefähr 80 % enthält. Diese Mischung hat den Vorteil, daß sie auf das Schweißgas eine Trocknungswirkung ausübt, falls letzteres Spuren von Feuchtigkeit enthält, wobei das überschüssige Borat in der Flüssigkeit unter Bildung von Borsäure und Methylalkohol hydrolysiert. Gleichzeitig hat der- aus der Mischung fortgeführte Dampf im wesentlichen die azeotropische Zusammensetzung, und die Annäherung an reines Methylborat beim Durchleiten des Schweißgases durch die Mischung findet nur sehr langsam, wenn überhaupt statt. Aus der Kurve ist ferner ersichtlich, daß, wenn als Ausgangsmischung eine solche verwendet wird; die an Borat reicher ist als die azeotropische Mischung, der entwickelte Dampf weiterhin die azeotropische Zusammensetzung "aufweist und der Dampfdruck der Flüssigkeit konstant bleibt, bis die Konzentration des Borats in der Flüssigkeit etwa 80 °/o erreicht. Es ist klar, daß das azeotropische Gemisch durch geeigneten Zusatz von Alkohol wiederhergestellt werden kann, um eine unzulässige Ab- 7» nähme des Dampfdruckes bei Annäherung an die reine Boratmischung zu vermeiden.

Bei anderen Versuchsreihen wurde mit Erfolg das 8o°/₀ige Methylboratflußmittel zum Hartlöten mit Stäben der folgenden Zusammensetzung benutzt:

Zahlentafel C

Metall

Cu

Zn

Sn

Andere Metalle

Messing

Tobinbronze....

Bleibronze

Lagerbronze

Everdur

Phosphorbronze
Kupfer

60/70 60

77 80

9·6,5 95 iöo 30 3

Pb 12% Pb 12%

Mn 1%, Si 2,5%

90

Während die Boratflußmittel gemäß der Erfindung für eine große Zahl Verwendungszwecke zufriedenstellend sind, wurde gefunden, daß die weitere Beimischung einer flüchtigen Silicatverbindung, z. B.. des Methylsilicats, in manchen Fällen vorteilhaft ist. Beim Schweißen von Stahl erhöht eine solche Mischung die Flüssigkeit der Schweiße und erleichtert den Schweißvorgang. Ferner wird durch die Verwendung eines flüchtigen Silicats die Korrosionsbeständigkeit von Schweißen bei rostfreiem Stahl erhöht und die Verflüchtigung von Zink beim Hartlöten von Metallen mittels Stäben, die beträchtliche Prozentsätze an Zink enhalten, verhindert.

Bei einer Reihe von Versuchen wurden Abschnitte aus rostfreiem Stahl unter Verwendung verschiedener Flußmittelmischungen verschweißt, durch welche ein Teil des Schweißgases hindurchgeleitet worden war, und Vergleichsschweißen mit einer typischen Flußmittelpaste für rostfreien Stahl durchgeführt. Die geschweißten Abschnitte wurden dann einer normalen Korrosionsprüfung in kochender Salpetersäure unterworfen und der vergleichbare Korrosionswiderstand der Schweißen in der Reihenfolge abnehmender Widerstände festgestellt.

Zahlentafel D

Flußmittel

A
B
C
D

Zusammensetzung

ReinesMethylboratmit 6°/₀Methylsilicat - -12% -

- 9°/o

- 3%

on 0"

Normale Schweißpaste (Borosilicatglas)

Alle mit flüchtigen Flußmitteln hergestellten Schweißen zeigten eine bemerkenswerte Überlegenheit hinsichtlich Korrosionswiderstaiul gegenüber den mit Flußmittel F hergestellten. Die Versuchsergebnisse zeigten ferner, daß mehr als 3 % Methylsilicat in der Mischung bevorzugt wird und'daß 20 % zu hoch sind.

Bei einer anderen Versuchsreihe wurden Stahlabschnitte von hoher Festigkeit mit Bronzeschweißstäben zweier verschiedener Zusammensetzungen verschweißt (verlötet), wobei ein Teil des Schweißgases durch die aufgezählten Mischungen von Athylborat und Methylsilicat hindurchgeleitet wurde. Die Ergebnisse sind folgende:

Zahlentafel E

Versuch Nr.	Flußmittel	Schweißstab	Zugfestigkeit kg/mm²	Dehnung %	Bemerkungen
5 I	A	I	35,oo	35	dichter Rauch
2	A	2	40,60	35	schwacher Rauch
- 3	B	I	34.30	31	dichter Rauch
10 4	B	2	35,70	25	schwacher Rauch
5	C	I	—	—	dichter Rauch
6	C	2	4!,3O	28	wenig Rauch
7	D	I	35,70	35	wenig Rauch
•5 · ⁸	D	2	40,60	31	sehr wenig Rauch

Die benutzten Flußmittel waren folgende: A reines Äthylborat,
B Äthylborat + 4°/₀ Methylsilicat,
C Äthylborat + 9 °/o Methylsilicat,

D Äthylborat + 20% Methylsilicat.
Die verwendeten Schweißstäbe hatten die angenäherte Zusammensetzung:

Xr. ι Kupfer 59% bis 62⁰J₀, Zinn 0,5°/₀ bis 1,0 %> Rest Zink.

Nr. 2 Kupfer 56 °/₀ bis S9°/₀, Zinn 0,75 °/₀ bis ΐ,ΐο °/o, Silicium 0,02% bis i,o °/o, Eisen o,7S °/o bis 1,25 ⁰Z₀, Rest Zink.

Die Zusammensetzung des Schweißstabes Nr. 2 war dazu bestimmt, eine Zinkverflüchtigung zu verhindern.

Aus diesen und anderen Versuchen geht klar hervor, daß die Einverleibung von bis zu etwa 20 % Methylsilicat zusammen mit dem flüchtigen Borat eine ausgesprochene Verhinderung der Zinkrauchbildung bewirkt, welche beim Hartlöten oder Schweißen nachteilig in Erscheinung tritt, wenn zinkhaltige Schweißstäbe verwendet werden.

Mit dem Ausdruck azeotropische Mischung wird nicht nur ein wahres azeotropisches Gemisch bezeichnet, welches vermutlich eine ganz bestimmte prozentische Zusammensetzung aufweist, sondern auch eine Mischung, aus weleher ein azeotropisches Gemisch beim Kochen abdestilliert. Eine solche Mischung ist notwendigerweise eine konstant siedende Mischung, solange das Destillat die azeotropische Zusammensetzung aufweist. So liefern gemaß Kurve A in Fig. 1 Mischungen zwischen etwa 25 und 90 % Borat das 72%ige azeotropische Gemisch als Destillat, und alle diese Mischungen sieden bei derselben Temperatur. Es ist klar, daß eine 70 °/o Methylborat enthaltende Mischung das azeotropische Gemisch als Destillat ergeben wird und solange bei konstanter Temperatur siedet, bis die Flüssigkeit eine Zusammensetzung von etwa 25 °/₀

Borat erreicht hat, worauf der erzeugte Dampf eine rasche Abnahme des Boratgehaltes erfährt und der Siedepunkt steigt. Eine solche Mischung ist im Sinne der Erfindung brauchbar, obgleich aus den oben beschriebenen Gründen Mischungen, welche etwas mehr Borat enthalten, als der wahren azeotropischen Zusammensetzung entspricht, als Ausgangsmischungen bevorzugt werden.

Claims

Patentansprüche: g5

1. Im Brenngas enthaltenes flüchtiges Flußmittel zum Gasschweißen oder Hartlöten von Metallen und Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß es als wesentlichen Bestandteil ein flüchtiges reines Trialkylborat, vorzugsweise entweder Trimethyl-, Triäthyl-, Tripropyl- oder Triisopropylborat, einzeln oder in Mischungen enthält.

2. Flußmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Trialkylborat in Form einer vorzugsweise azeotropischen Mischung mit dem entsprechenden Alkohol besteht.

3. Flußmittel nach Anspruch'1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es auch ein flüchtiges Tetraalkylsilicat, vorzugsweise Methylsilicat, enthält.

4. Flußmittel nach Anspruch 2, bestehend aus einem azeotropischen Gemisch eines Trialkylborats und eines aliphatischen Alkohols, wobei die Alkylgruppe vorzugsweise eine Methyl-, Äthyl-, Propyl- oder Isopropylgruppe ist.

5. Flußmittel nach Anspruch 3 zum Gas- uo schweißen, bestehend aus einem flüchtigen Tetraalkylsilicat und einer vorzugsweise azeotropischen Mischung eines Alkylborats und des entsprechenden Alkohols, wobei die Alkylgruppe vorzugsweise eine Methyl-, Äthyl-, Propyl- oder Isopropylgruppe ist.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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