DE69500282T2

DE69500282T2 - Verfahren-Vorrichtung zum Löten eines porösen metallischen Körpers auf einem metallischen Werkstück, und dafür hergestellter Filter

Info

Publication number: DE69500282T2
Application number: DE69500282T
Authority: DE
Inventors: Gerard Piolain; Jean Claude Schultz
Original assignee: Compagnie Generale des Matieres Nucleaires SA
Current assignee: Orano Demantelement SAS
Priority date: 1994-06-27
Filing date: 1995-06-23
Publication date: 1997-11-13
Anticipated expiration: 2015-06-24
Also published as: FR2721544B1; DE69500282D1; EP0689894B1; EP0689894A1; FR2721544A1; ATE152653T1

Description

Das Verfahren betrifft generell ein Verfahren, das ermöglicht, einen porösen metallischen Körper auf ein Metallteil zu löten. Außerdem betrifft die Erfindung einen Metalifilter, der periodisch in einem korrosiven Bad, z.B. einem warmen Salpetersäurebad, gereinigt werden soll.
Die Erfindung ist insbesondere geeignet zur Herstellung von Filtern zum Abfangen strahlender Aerosole in der Nuklearindustrie. Sie kann jedoch auch auf zahlreichen anderen Gebieten zum Einsatz kommen, immer dann, wenn man den Rand eines porösen metallischen Körpers wie z.B. eines metallischen Filzes, eines gesinterten Blocks etc. auf einem massiven Metallteil befestigen will.
In der Nuklearindustrie und vor allem in Wiederaufbereitungsanlagen radioaktiver Abfälle ist es manchmal nötig, stark mit Aerosolen kleinster Abmessungen (kleiner als 1µm) kontaminierte Luft zu filtern. Zu diesem Zweck muß man über Filter mit hoher Effizienz verfügen, die eine hohe Strahlenbelastung aushalten.
Um diese Forderung zu erfüllen, benutzt man gegenwärtig Filter, deren Filtermedium durch Glasfaserpapier gebildet wird. Jedoch sind diese Filter nicht dekontaminierbar. Wenn sie verstopft sind, bilden sie zusätzliche Abfälle, deren Volumen zu dem der Aerosole hinzukommen, die sie abgefangen haben.
In dem Dokument FR-A-2 549 093 wird ein Reinigungsverfahren für poröse metallische Filter aus nichtoxidierbarem Stahl vorgeschlagen. Dieses Verfahren schließt insbesondere eine Spülung dieser Filter mit Hilfe einer wäßrigen Lösung auf Salpetersäurebasis ein. Jedoch geht dieses Dokument nicht auf das Problem der Korrosionsfestigkeit der Filter ein, wenn das filtrierende Element auf dichte Weise an Metallansatzstücken aus z.B. nichtoxidierbarem Stahl befestigt werden muß.
Außerdem zeigt das Dokument EP-A-0 307 909, daß man in der Kernindustrie gesinterte gefaltete Filter aus nichtoxidierbarem Stahl benutzt.
Das Dokument US-A-5098454 beschreibt einen Filter, der einen porösen Körper umfaßt, der durch Schweißen bzw. Löten auf einem Metallteil befestigt ist.
Um die Nuklearabfälle reduzieren zu können, erscheint es wünschenswert, über Filter zu verfügen, die man reinigen kann, insbesondere durch Eintauchen in warme Salpetersäure, wobei die abfließende Dekontaminationsflüssigkeit behandelt und wiederverwendet wird.
Jedoch kann diese Bemühung konterkarriert werden durch das Fehlen einer Einrichtung, um einen porösen metallischen Körper dicht auf einem massiven Metallteil zu befestigen, so daß die mechanische Verbindung gesichert ist und die Korrosion aushält, die erzeugt wird durch die Dekontamination des Filters in einer warmen bzw. heißen Salpetersäurelösung, wobei diese Befestigungseinrichtung, insbesondere im Falle eines Einsatzes im Nuklearmilieu, starke Strahlungen aushalten muß.
Generell hat die Erfingung ein Verfahren zum Gegenstand, das ermöglicht, einen porösen metallischen Körper auf einem Metallteil zu befestigen und dabei die Dichtheit und die mechanische Festigkeit der Verbindung sicherzustellen, auch in einem stark korrosiven Medium wie einer warmen bzw. heißen Salpetersäurelösung.
Erfindungskonform erzielt man dieses Resultat mittels eines Befestigungsverfahrens eines porösen metallischen Körpers auf einem Metallteil, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:
- Vorbereitung von sich gegenüberstehenden Oberflächen des porösen metallischen Körpers und des Metallteils, um das Spiel zwischen diesen Flächen auf einen Wert von höchstens gleich 0,5mm zu begrenzen, wenn sie in Kontakt sind;
- Luftoxidierung des porösen metallischen Körpers durch Erwärmung dieses letzteren; und
- Befestigung des porösen metallischen Körpers durch Lötung, nach Kontaktherstellung zwischen den genannten Oberflächen.
Indem man das Spiel zwischen dem porösen metallischen Körper und dem Metallteil auf einen Höchstwert von ungefähr 0,5mm begrenzt und indem man den porösen metallischen Körper vor dem Löten oxidiert, stellt man eine dichte mechanische Verbindung zwischen dem porösen metallischen Körper und dem Metallteil her.
Im Gegensatz dazu haben Lötversuche mit einem unkontrollierten Spiel und ohne Oxidation des Metallkörpers zu einer unbefriedigenden Verbindung geführt, sowohl mechanisch als auch bezüglich der Dichtheit. Diese Mängel lassen sich insbesondere dadurch erklären, daß das Lot durch Kapillarwirkung in dem porösen metallischen Körper aufsteigt, und durch die Tatsache, daß das geschmolzene Lot mit dem porösen metallischen Körper chemisch reagiert, was sich durch die lokale Bildung von Löchern in diesem letzteren ausdrückt.
Wenn man außerdem wünscht, daß die derart hergestellte Verbindung auch der Korrosion widersteht, z.B. beim Eintauchen der Teile in warme Salpetersäure, benutzt man für die Lötung ein Hochtemperaturlot auf Nickelbasis.
Um zwischen den Oberflächen das gewünschte Mindestspiel zu erhalten, bereitet man die Oberfläche des porösen metallischen Körpers vorteilhafterweise vor, indem man den Rand dieses Körpers mittels Draht-Elektroerosion schneidet.
Der poröse metallische Körper kann insbesondere durch einen metallischen Filz oder durch einen gesinterten Metallblock gebildet werden.
Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren in dem Fall angewandt, wo der poröse metallischen Körper akkordeonartig gefaltet und in sich selbst geschlossen ist, einem beliebigen Querschnitt entsprechend (rund, rechteckig oder anders), um ein filtrierendes Element zu bilden, dessen Enden entsprechend der oben genannten Löttechnik an Metallansatzstücken befestigt werden, die die genannten Teile bilden.
Die Erfindung hat folglich auch einen Filter nach Anspruch 6 zum Gegenstand.
Nun wird beispielhaft und nicht einschränkend eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Figur 1 ist eine Längsschnittansicht, die schematisch einen Filter darstellt, bei dem das filtrierende Element durch das erfindungsgemäße Verfahren auf Ansatzstücken befestigt wird;
- die Figur 2 ist eine Schnittansicht entsprechend der Linie II-II der Figur 1; und
- die Figur 3 ist eine Querschnittansicht des Filtrierelements im vergrößerten Maßstab.
Das erfindungsgemäße Befestigungsverfahren wird nun anhand eines Beispiel erklärt, das die Anwendung dieses Verfahrens bei der Herstellung eines Luftfilters zum Abfangen strahlender Aerosole kleiner Abmessung (kleiner als 1µm) betrifft. Es kann jedoch, wie schon erwähnt, auf jedem anderen Gebiet angewendet werden, immer dann, wenn ein poröser Metallkörper auf einem massiven Metallteil befestigt werden muß.
Die Figuren 1 und 2 stellen schematisch den in dem beschriebenen Beispiel vorgeschlagenen Filter vor. In diesen Figuren bezeichnet die Bezugsziffer 10 das eigentliche Filtrierelement. Dieses Filtrierelement 10 bildet einen porösen metallischen Körper, akkordeonartig gefaltet und in sich selbst geschlossen entsprechend einem Querschnitt, der in diesem Fall rund ist (Figur 2). Jedes der Enden des Filtrierelements 10 ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dicht an einem metallischen Ansatzstück 11, 12 befestigt.
Zwei Gitter 13, 14 befinden sich ebenfalls zwischen den Ansatzstücken 11, 12, beiderseits des Filtrierelements 10, zu dessen mechanischem Schutz.
Wie in Figur 1 strichpunktiert dargestellt, ist ein Steg 15, der einen Handhabungsring 16 trägt, auf dem Ansatzstück 11 mittels einer axiale Zugstange 17 festgemacht, deren entgegengesetztes Ende in das Ansatzstück 12 geschraubt ist. In diesem Fall ist das Ansatzstück 12 eine geschlossene Scheibe, während das Ansatzstück 11 eine Scheibe ist, die in ihrer Mitte einen Durchlaß für die zu filternde Luft aufweist. Nach dem Durchqueren des Filtrierelements 10 tritt die Luft radial aus dem Filter aus. Es ist also eine sehr gute Dichtheit zwischen dem Filtrierelement 10 und den Ansatzstücken 11 und 12 erforderlich.
Jedes der Ansatzstücke 11 und 12 ist z.B. aus nichtoxidierbarem Stahl und umfaßt eine ebene Fläche 11a, 12a, auf der die entsprechende Endfläche 10a, 10b des Filtrierelements 10 durch Lötung befestigt ist.
Vor der Befestigung und entsprechend einer bekannten Technik verleiht man dem Filtrierelement 10 die gewünschte Form. Dazu geht man von einem porösen Metallkörper mit rechteckiger Form aus, den man akkordeonartig faltet und sich entsprechend dem gewünschten Querschnitt in sich selbst schließen läßt. Festzustellen ist, daß diese Form beliebig sein kann und die in Figur 2 gewählte runde Form beispielartig und keinesfalls einschränkend ist. Das Schließen des Filtrierelements erfolgt durch eine Randmit-Rand-Verlötung nach einer klassischen Technik.
Wenn diese Vorbereitungsphase beendet ist, kann das erfindungsgemäße Befestigungsverfahren angewendet werden.
Eine erste Phase dieses Verfahren besteht darin, die sich gegenüberstehenden Oberflächen der zu verbindenden Teile vorzubereiten, so daß das Spiel j zwischen diesen Oberflächen (Figur 3) höchstens ungefähr 0,5mm beträgt, wenn diese in Kontakt sind.
Da die Ansatzstücke 11 und 12 massive Teile sind, gewährleistet eine Bearbeitung der Oberflächen 11a und 12a durch klassische Bearbeitungsverfahren eine vorzügliche Planheit dieser Oberflächen.
Hingegen ist eine gute Planheit der Endoberflächen 10a und 10b des Filtrierelements 10 schwieriger herzustellen in Anbetracht des porösen Charakters des Materials, das diesen Filter bildet. Eine zufriedenstellende Technik zum Erzielen dieses Resultats ist das Vorbereiten der Oberflächen 10a und 10b des Filtrierelements durch Draht-Elektroerosion.
Wenn dieses Schneiden beendet ist, besteht ein zweiter Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, das Filtrierelement einer thermischen Oxidationsbehandlung in Luft zu unterziehen. Dazu wird das Filtrierelement 10 in einem Ofen folgendermaßen behandelt: Temperturanstieg bis auf ungefähr 500ºC, Halten dieser Temperatur während ungefähr lomin, dann langsames Abkühlen.
Diese Oxidation des Filtrierelements 10 vor dem Löten steht im Gegensatz zu der auf diesem Gebiet üblichen Praxis, die umgekehrt einen Schutz der gelöteten Teile gegenüber Oxidation vorsieht. Jedoch hat man überraschenderweise festgestellt, daß diese vorausgehende Oxidation ermöglicht, eine dichte Lötung herzustellen, die über eine kurze Distanz (einige mm) längs des Filtrierelements 10 ansteigt. Außerdem verhindert diese vorausgehende Oxidation, daß das poröse Material, welches das Filtrierelement bildet, angegriffen wird und verhindert so die Bildung von Löchern und den Verlust der Dichtheit.
Es sei daran erinnert, daß die gute Qualität der Dichtheit jedoch von dem Spiel abhängt, das zwischen den Oberflächen 10a und 10b des Filtrierelements und den Oberflächen 11a und 12a der Ansatzstücke 11 und 12 besteht. Noch genauer: die Dichtheit und die mechanische Festigkeit sind nur gewährleistet, wenn das Spiel ungefähr 0,5mm nicht überschreitet.
Wenn diese Vorbereitungsschritte beendet sind, kann das Filtrierelement 10 durch Lötung auf den Ansatzstücken 12 und 14 befestigt werden, ohne daß die Gefahr eines Mangels an Dichtheit oder mechanischer Festigkeit besteht.
Um diese Befestigung durch Löten auszuführen, werden die Oberflächen 11a, 12a der Ansatzstücke 11 und 12 in Kontakt gebracht mit den entsprechenden Oberflächen 10a, 10b des Filtrierelements 10 und die Lötung erfolgt nach den üblichen Techniken, mit Temperaturkontrolle.
Um die Korrosionsfestigkeit des so hergestellten Filters zu garantieren, benutzt man als Lot ein Hochtemperaturlot auf Nickelbasis, z.B. das Lot "Nicrobraz 50" der Firma Wall Colmonoy.
Dank der Korrosionsfestigkeit des derart hergestellten Filters wird es möglich, diesen wiederzuverwenden nach seiner Reinigung durch Eintauchen in eine warme Salpetersäurelösung (z.B. ungefähr 75ºC) während einer Dauer, die zur vollständigen Reinigung des Filtrierelements ausreicht (z.B. ungefähr 48h).
Nach einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung, wie detailliert aber nur beispielartig dargestellt in Figur 3, kann das Filtrierelement 10 insbesondere durch die Übereinanderschichtung von drei Lagen nichtoxidierbaren Stahlfilzes gebildet werden.
Noch genauer umfaßt das Filtrierelement 10 eine mittlere Schicht 18, gebildet durch einen nichtoxidierbaren Stahlfilz, bestehend aus sehr feinen Stahldrähten, deren Durchmesser bei der vorgesehenen Anwendung z.B. enthalten ist zwischen 2µm und 6µm. Diese mittlere Schicht 18, deren Dicke z.B. 220µm beträgt, bildet den eigentlichen Filter.
die mittlere Schicht 18 des Filtrierelements 10 befindet sich zwischen zwei Oberflächenschichten 19, alle beide gebildet durch einen nichtoxidierbaren Stahlfilz, bestehend aus Drähten mit größerem Durchmesser, z.B. größer oder gleich ungefähr 10µm. Die Dicke jeder Oberflächenschicht 19 kann insbesondere ungefähr 80µm betragen. Diese Oberflächenschichten 19 haben hauptsächlich die Funktion, die mechanische Festigkeit der mittleren Schicht 18 sicherzustellen, wenn das Filtrierelement 10 akkordeonartig gefaltet wird. Man versteht, daß die Verwendung einer aus einem anderen Material hergestellten mittleren Schicht 18 es möglicht macht, die Oberflächenschichten 19 wegzulassen.
Wie ebenfalls in Figur 3 dargestellt, ist das derart gebildete Filtrierelement 10 eingeklemmt zwischen zwei Schutzgitter 20. Jedes dieser Gitter ist insbesondere hergestellt aus nichtoxidierbaren Stahldrähten in Form eines Gewebes mit quadratischen Maschen. Beispielsweise kann der benutzte Draht einen Durchmesser von ungefähr 0,14mm haben, und die Maschengröße kann 0,52mm betragen.
Wie in Figur 3 im vergrößerten Maßstab dargestellt, ist die erfindungsgemäße Verbindung zwischen dem Filtrierelement 10 und dem metallischen Ansatzstück 11 oder 12 vollkommen dicht, da der durch die Kapillarwirkung bedingte Anstieg des Lot 22 längs des Filtrierelements 10 dank der vorausgehenden Oxidierung des Filtrierelements auf einige Millimeter begrenzt ist, und auch aufgrund der Tatsache, daß die Endoberflächen 10a und 10b des Filtrierelements 10 hinreichend genau geschnitten sind, so daß das Spiel j zwischen diesen Flächen und den Flächen 11a, 12a der Metallansatzstücke höchstens 0,5mm beträgt.
Schließlich, und wie schon präzisiert, verhindert die vorbereitende Oxidierung des Filtrierelements 10, daß das Metall, welches dieses Filtrierelement bildet, durch das Lot 22 angegriffen wird, so daß die Bildung von Löchern vermieden wird.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Befestigungsverfahren, das soeben für den Sonderfall der Herstellung eines für die Nuklearindustrie bestimmten Filters beschrieben wurde, auf zahlreichen anderen Gebieten angewandt werden, sobald sich das Problem der dichten Befestigung eines porösen metallischen Körpers auf einem im allgemeinen massiven Metallteil stellt.

Claims

1. Verfahren zur Befestigung eines metallischen Körpers (10) an einem Metallteil (11, 12), dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

- Vorbereitung von sich gegenüberstehenden Oberflächen (10a,10b; 11a,12a) des porösen metallischen Körpers (10) und des Metallteils (11,12), um das Spiel (j) zwischen diesen Flächen auf einen Wert von höchstens gleich 0,5mm zu begrenzen, wenn sie in Kontakt sind;

- Oxididation an Luft des porösen metallischen Körpers (10) durch Erwärmung dieses letzteren; und

- Befestigung des porösen metallischen Körpers (11,12) durch Lötung, nach Kontaktherstellung zwischen den genannten Oberflächen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbereitung der Oberfläche (10a,10b) des porösen metallischen Körpers (10) durch Abtragen bez. Schneiden mittels Elektroerosion mit Draht erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das Löten ausführt mit Hilfe einer Hochtemperaturlötung (22) auf Nickelbasis.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse metallische Körper (10) einen Metallfils (18) enthält.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse metallische Körper (10) akkordeonartig gefaltet und in sich selbst geschlossen ist, um ein Filtrierelement zu bilden, dessen Enden man durch Lötung an den die genannten Teile bildenden metallischen Ansatzstücken (11,12) befestigt.

6. Filter, einen das filtrierende Element bildenden porösen metallischen Körper (10) umfassend, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem metallische Ansatzstücke (11,12) umfaßt, die durch das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche auf dichte Weise an den Enden des porösen metallischen Körpers (10) befestigt sind.