DE2823003C2

DE2823003C2 - Verfahren zum Weichlöten von Rohren aus nichtrostendem Stahl

Info

Publication number: DE2823003C2
Application number: DE19782823003
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1978-05-26
Filing date: 1978-05-26
Publication date: 1983-11-24
Also published as: DE2823003A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Weichlöten von Rohren oder Röhren aus nichtrostendem Stahl. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, zufriedenstellende und insbesondere porenfreie Weichlötungen zu erzielen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird nämlich das Auftreten von Poren oder Lunkern im Bereich der Lötung verhindert und gleichfalls dafür gesorgt, daß kein Weichlot aus dem Bereich der Lötstelle in das Innere der miteinander zu verlötenden Rohre ausfließt. Das betrifft das Verlöten von Rohren aus nichtrostendem Stahl mit Hilfe von Weichloten, die einen unterhalb von 450⁰C liegenden Schmelzpunkt besitzen.

Das Weichlöten ist wegen des niedrigen Schmelzpunktes des Lotes von weniger als 450⁰C einfach auszuführen, zumal derartige Weichlote mühelos verfügbar sind. Aus diesem Grunde ist das Weichlöten weitverbreitet zum Verbinden von Kupferrohren untereinander oder von Kupferrohren mit Kupferanschlußteilen bei der Herstellung von Leitungen für Flüssigkeiten oder Gase.

Das Weichlöten von rostfreien Stahlrohren untereinander oder von rostfreien Stahlrohren mit einem Anschlußstück aus einem nichtrostenden Stahl wird jedoch weder in Japan, noch in den Vereinigten Staaten von Amerika, noch in Europa ausgeführt, obwohl nunmehr ein Verfahren zum Weichlöten eines Rohres aus nichtrostendem Stahl und eines aus Kupfer bestehenden Anschlußstückes weit verbreitet ist.

Ein Grund dafür, daß Rohre und Rohranschlüsse aus nichtrostendem Stahl nicht durch Weichlöten miteinander verbunden werden, wird im folgenden erläutert. Wie in Fig. 1 dargestellt, erfolgt das Verlöten zweier rohrförmiger Teiler aus nichtrostendem Stahl im allgemeinen derart, daß der Anschlußabschnitt eines äußeren Rohres 2, wobei es sich auch um ein rohrförmiges Anschlußstück handeln kann, auf das Ende des inneren Rohres 1 geschoben wird. Dabei wird die Anordnung so getroffen, daß ein Flußmittel in einem Spalt enthalten ist, der zwischen dem inneren Rohr 1 und dem äußeren Rohr 2 ausgebildet ist. Mit Hilfe eines Gasbrenners oder einer Lötlampe wird der Abschnitt von der Außenstirnfläche des inneren Rohres 1 bis zur inneren Stirnfläche des äußeren Rohres 2 gleichmäßig erwärmt, mit der Wirkung, daß die Oberfläche der

miteinander zu verlötenden Rohrabschnitte aktiviert

und vom Weichlot benetzbar werden. Außerdem wird die Schmelztemperatur des Weichlotes überschritten.

Das Weichlot wird in den Spalt zwischen dem äußeren Rohr 2 und dem inneren Rohr 1 vom Ende des äußeren Rohres 2 derart eingebracht, daß der ganze Lötspalt zwischen dem äußeren Rohr 2 und dem inneren Rohr 1 mitdem Weichlot gefüllt wird.

Sodann wird das Weichlot durch Kühlung mittels

ίο Wasser oder Luft zum Erstarren gebracht Im Gegensatz zu Kupfer besitzt jedoch nichtrostender Stahl eine geringe Wärmeleitfähigkeit.

Das hat zur Folge, daß das geschmolzene Weichlot aus dem Bereich des Anschlags 3 austritt, worunter der Bereich zu verstehen ist, in welchem die Innenfläche des äußeren Rohres 2 an der Außenfläche des inneren Rohres 1 anliegt. Dadurch, daß das noch schmelzflüssige Weichlot aus dem genannten Bereich teilweise herausläuft, können Poren oder Lunker in einem Teil des eingebrachten Lotes entstehen, wobei die ausgelaufenen Lotmengen an den Innenflächen der Rohre 2 oder 1 anhaften.

Wegen der angestrebten gleichmäßigen Erwärmung des gesamten Lötstellenbereichs wird unvermeidlich

2ϊ auch ein Teil des Anschlagbereichs mit erwärmt. Die geringe Wärmeabfuhr von nichtrostendein Stahl im Vergleich zu Kupfer hat zur Folge, daß das schmelzflüssige Weichlot mangels rechtzeitiger Entartung aus dem Anschlußbereich 3 herausläuft und im Inneren der Rohre 1 und 2 verbleibt.

Daß das Weichlot in der beschriebenen Weise aus dem Anschlagbereich 3 herausfließt, kann von dem mit den Lötarbeiten befaßten Arbeiter nicht erkannt werden, da die miteinander weichverlöteten Rohre oder Rohranschlußteile undurchsichtig sind. Selbst wenn das Weichlot lediglich in einer zum Füllen des Lötspaltes erforderlichen Menge zugegeben wird, um das vorstehend erläuterte Austreten von Weichlot zu verhindern, so werden dennoch Lunker oder Poren in der Lötung als Folge des Weichlot-Austretens entstehen. Sind diese Lunker oder Poren groß oder in Längsrichtung der Rohre ausgebildet, so wird die Luftdichtigkeit der hergestellten Rohrverbindung erheblich beeinträchtigt. Außerdem hat dieses Austreten von Weichlot aus dem Anschlagbereich 3 den nachteiligen Effekt, daß die ausgetretenen Weichlotmengen an den Rohrinnenwandungen erstarren, wodurch nicht nur die Rohrquerschnitte verringert werden, sondern auch der Rohrleitungs-Reibungskoeffizient in bezug auf ein durch die Rohre strömendes Medium vergrößert wird. Der unnütze Verbrauch von Weichlot ist natürlich bereits als solcher nachteilig. Als Ergebnis intensiver Untersuchungen mit dem Ziel, eine bisher für nichtausführbar gehaltene Weichlotverbindung zwischen Rohren aus nichtrostendem Stahl zu schaffen, die luftdicht und zuverlässig ist, wurde festgestellt, daß das Ausfließen von Weichlot aus dem Anschlagbereich aus den folgenden Gründen erfolgt:

1. Ist die Wärmeleitfähigkeit oder spezifische Wärme des Werkstoffs, aus welchem die beiden Rohre bestehen, niedriger bzw. größer und ist die Wärmekapazität des Werkstoffs und des Weichlotes groß, so begünstigt dieses das Austreten von Weichlot aus dem Anschlagabschnitt, weil das

eingebrachte Weichlot schlecht abkühlen und erstarren kann.
2. Ist das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche des

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³⁰

in dem Spalt zwischen den Rohren und im Anschlagbereich enthaltenen Weichlotes groß, so ist die Abkühlungsgeschwindigkeit des Weichlotes im Anschlagbereich proportional herabgesetzt Das hat zur Folge, daß das Weichlot noch leichter aus dem Anschlagbereich austritt

3. Wird nicht verhindert, daß das Weichlot sich mit der Außenfläche des inneren Rohres und/oder der Innenfläche des äußeren Rohres unter Ausbildung einer höiierschmelzenden Weichlotverbindung umsetzt oder läuft die Umsetzung in kürzerer Zeit unter Ausbildung einer höherschmelzenden Verbindung ab, so ist das Austreten des Weichlotes aus dem Anschlagbereich behindert

4. 1st der Zwischenraum zwischen der Stirnfläche des '⁵ inneren Rohres und dem Anschlußabschnitt des äußeren Rohres eng und lang, so ist die Haltekraft des geschmolzenen Weichlotes unter der Wirkung von Kapillarkräften erhöht. Dadurch wird sichergestellt, daß das Weichlot nicht leicht aus dem ^N Anschlagbereich austreten kann.

Als Ergebnis wurde gefunden, daß das Austreten des Weichlotes aus dem Anschlagbereich zurückzuführen ist auf unzureichende Kapillarkräfte und auf unzureichende Kühlung und Erstarrung des Weichlotes.

Aus den vorstehenden Gründen ist es wegen der unzureichenden Luftdichtigkeit der Lötverbindung bisher nicht möglich gewesen, aus nichtrostendem Stahl bestehende Rohre, wobei inneres Rohr und äußeres Rohr in einem Radialabsland von 0,05 bis 0,5 mm, vorzugsweise von etwa 0,1 bis 0,3 mm angeordnet sind, durch Weichlöten miteinander zu verbinden. Das äußere Rohr hat zur Aufnahme des inneren Rohres ein erweitertes Ende, wie in F i g. 1 dargestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges Verfahren zum Weichlöten von Rohren aus nichtrostendem Stahl zu schaffen, bei welchem kein Austreten von geschmolzenem Weichlot aus dem Anschlagbereich auftritt und bei welchem die Abkühlungs- und Erstarrungsbedingungen für das schmelzflüssige Weichlot im Bereich des Lötspaltes bzw. des Anschlagbereichs so verbessert sind, daß luftdichte Lötverbindungen erzielt werden können.

Diese Aufgabe löst die Erfindung in der im Anspruch 1 angegebenen Weise. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die genannte Ausbildung des Anschlagbereichs ist ein Austreten des Weichlotes aus diesem Bereich zu verhindern, so daß eine luftdichte Lötverbindung erzielt werden kann. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Alisführungsbeispielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt

Fig. 1 wie bereits erwähnt, eine das herkömmliche Verfahren zum Weichlöten erläuternde Darstellung, teilweise im Schnitt, wobei das innere Rohr im äußeren Rohr aufgenommen dargestellt ist,

Fig. 2, 3 und 4 jeweils eine teilweise geschnittene Seitenansicht von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren miteinander weichverlöteten Rohren, und

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht von miteinander verbundenen Rohres in einer mit F i g. 1 vergleichbaren Darstellung des Standes der Technik,

Die F i g. 2, 3 und 4 zeigen jeweils eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht von erfindungsgemäß miteinander verlöteten Rohren, während F i g. 5 zwei auf herkömmliche Weise gemäß F i g. 1 angeordnete und dann miteinander verlötete Rohre zeigt.

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^b0 In den Zeichnungen ist mit 1 ein aus einem nichtrostenden Stahl bestehendes inneres Rohr bezeichnet, während 2 ein äußeres Rohr bezeichnet, in welchem der Anschlußabschnitt des inneren Rohres 1 aufgenommen ist. Das äußere Rohr 2 kann ein Rohr oder ein rohrförmiges Anschlußstück aus nichtrostendem Stahl, wie ein Krümmer oder ein T-Stück sein. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen in einem Abschnitt des äußeren Rohres 2 ausgebildeten Anschlagbereich, wobei in diesem Bereich die Stirnfläche des inneren Rohres 1 in Anlage an dem äußeren Rohr 2 ist Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist die Dicke des Anschlagbereiches 3 größer als die Dicke des Anschlußabschnitts des äußeren Rohres 2. Mit 4 ist ein Weichlot bezeichnet

Beim Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst das innere Rohr 1 derart in das äußere Rohr 2 eingefügt, daß die Stirnfläche des inneren Rohres an dem Anschlagbereich 3 anliege Sodann wird ein Flußmittel in den Lötspalt zwischen dem äußeren Rohr

2 und dem inneren Rohr 1 eingebracht. Danach wird der Umfang des im äußeren Rohr 2 ausgebildeten Anschlußabschnitts gleichförmig auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt und das Weichlot 4 in den Lötspalt eingebracht. Das Weichlot 4 schmilzt unter der Einwirkung des erwärmten äußeren Rohres 2. Das schmelzflüssige Weichlot 4 dringt in den Lötspalt ein und fließt in Richtung auf den Anschlagbereich 3. Das auf diesem Wege den Anschlagbereich 3 erreichende schmelzflüssige Weichlot 4 besitzt die Neigung, aus dem Anschlagbereich 3 auszutreten und in das Innere der beiden Rohre 1 und 2 einzutreten. Da jedoch der Anschlagbereich 3 dicker ist als der Anschlußabschnitt des äußeren Rohres 2, wird derjenige Anteil des Weichlotes 4, der aus dem Anschlagbereich 3 austreten könnte, rasch bis zu seiner Erstarrung abgekühlt. In einem Werkstoff mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie nichtrostendem Stahl, ist nämlich die Temperatur der inneren Umfangsseite niedriger als diejenige der Außenumfangsseite. Das hat zur Folge, daß ein Austreten schmelzflüssigen Weichlots 4 verhindert wird.

Die Abkühlungsbedingungen für das Weichlot 4 sind umso besser, je größer die Parallelität der ineinander gesteckten Rohrabschnitte ist und je enger der Raum zwischen dem inneren Rohr 1 und dem Anschlagbereich

3 des äußeren Rohres 2 ist. Unter diesen Bedingungen sind auch die im Lötspalt wirksamen Kapillarkräfte am vorteilhaftesten in Richtung auf eine optimale Verteilung des Weichlotes im Lötspalt. Wird andererseits der Abschlagbereich des äußeren Rohres 2 dadurch hergestellt, daß ein Teil der Innenfläche des dickwandigen Rohres aus nichtrostendem Stahl ausgefräst oder ausgedreht wird, so kann der Anschlagbereich konisch ausgebildet sein, wie in F i g. 3 dargestellt, wobei sich die konische Gestalt des Anschlagbereichs aus dem Verschleiß des Bearbeitungswerkzeugs ergeben kann. Gemäß F i g. 4 kann der Anschlußabschnitt des äußeren Rohres 2 durch Weiten des entsprechenden Endes eines Rohres aus nichtrostendem Stahl und durch anschließendes Ausfräsen oder Ausdrehen eines Teils der Wandstärke hergestellt werden. Aber sowohl die in Fig.4 dargestellte Ausführungsform als auch die Ausführungsformen, bei welchen das äußere Rohr 2 einen Anschlagbereich 3 gemäß F i g. 2 und 3 aufweist, sind in vergleichbarer Weise wirksam, um das Austreten von geschmolzenem Weichlot 4 aus dem Anschlagbereich 3 zu verhindern, weshalb alle genannten

Ausführungsformen cine zuverlässige Luftdichtigkeit der Lötverbindung gewährleisten. In dieser Hinsicht ist zwischen den genannten Ausführungsformen kein nennenswerter Unterschied festzustellen.

Anhand der nachfolgenden Beispiele wird die Erfindung noch näher erläutert.

Beispiel 1

Ein aus einem nichtrostenden Stahl entsprechend Werkstoff-Nr. 1.4301 bestehendes inneres Rohr mit einem Innendurchmesser von 20 mm und einem Außendurchmesser von 22 mm wird in ein aus demselben Stahl bestehendes äußeres Rohr mit einem Innendurchmesser von 20 mm und einem Außendurchmesser von 24 mm eingeführt, wobei das äußere Rohr einen Anschlagbereich mit einer Dicke von 2 mm und einen Anschlußabschnitt mit einer Dicke von 0,8 mm aufweist. Anschlagbereich und Anschlußabschnitt sind durch Ausdrehen oder Ausfräsen des Rohrinneren entsprechend der in Fig. 3 dargestellten Gestalt ausgebildet. In den Lötspalt zwischen äußerem und innerem Rohr wurde eine Lötpaste eingebracht, die aus einer Mischung von Flußmittel und Lotpulver bestand. Dabei bestand das Flußmittel im wesentlichen aus Phosphorsäure und Monoammoniumphosphat, das Lotpulver aus 60% Zinn und 40% Blei. Der Umfang des Anschlußabschnitts des äußeren Rohres wurde gleichmäßig mit Hilfe eines ölbrenners erwärmt. Anschließend wurde ein drahtförmiges Lot mit 2 mm Durchmesser, bestehend aus 50% Zinn und 50% Blei im halbgeschmolzenen Zustand kontinuierlich in den Lötspalt eingebracht, woraus sich die Weichlötung ergab. Der derart warmgelötete Abschnitt wurde einer hydraulischen Beanspruchung mit ca. 17,5 bar entsprechend den japanischen Prüfrichtlinien für Wasserrohre unterworfen. Es zeigten sich keine Wasserleckagen. Die Untersuchung eines aus dem warmgelöteten Bereich herausgeschnittenen Probekörpers zeigte, daß das Weichlot nicht in das Rohrinnere ausgeflossen war.

Beispiel 2

Ein aus einem nichtrostenden Stahl entsprechend Werkstoff-Nr. 1.4016 hergestelltes inneres Rohr mit einem Innendurchmesser von 20 mm und einem Außendurchmesser von 22 mm wurde in ein aus dem gleichen Werkstoff hergestelltes äußeres Rohr mit einem Innendurchmesser von 20 mm und einem Außendurchmesser von 23 mm eingebracht, wobei das äußere Rohr einen Abschiußabschniü mii i mm Dick« und einen Anschlagbereich mit 1,5 mm Dicke aufwies. Der Anschlußabschnitt und der Anschlagbereich hatten die in F i g. 4 dargestellte Gestalt, wobei das Ende des äußeren Rohres auf bekannte Weise geweitet und bearbeitet worden war. Es wurde das bereits in Beispiel 1 verwendete Flußmittel in den Lötspalt gefüllt, und der Umfang des Anschlußabschnitts des äußeren Rohres wurde mit Hilfe eines Gasbrenners gleichmäßig erwärmt. Anschließend wurde ein Lotdraht mit der in Beispiel 1 genannten Zusammensetzung und einem Durchmesser von 2 mm kontinuierlich in den Lötspalt eingeführt, was zu der Weichlötung führte. Der derart weichgelötete Abschnitt wurde der gleichen hydraulischen Prüfungsbelastung wie in Beispiel 1 unterworfen. Die Prüfung erbrachte eine vollständige Wasserdichtigkeit der Rohrverbindung. Die Untersuchung eines aus dem weichgelöteten Abschnitt herausgeschnittenen Probekörpers zeigte, daß das Weichlot nicht in das Rohrinnerc ausgeflossen war.

Vergleichsversuch

^r> Ein aus einem nichtrostenden Stahl entsprechend Werkstoff-Nr. 1.4301 bestehendes inneres Rohr mit einem Innendurchmesser von 20 mm und einem Außendurchmesser von 22 tnm wurde in ein aus dem gleichen Werkstoff bestehendes äußeres Rohr mit to einem Innendurchmesser von 20 mm und einem Außendurchmesser von 22 mm eingebracht, wobei das äußere Rohr einen Anschlußabschnitt mit der in F i g. 5 dargestellten Gestalt besaß. Zu diesem Zweck war das Aufnahmeende des äußeren Rohres auf einen Innendurchmesser von 22,4 mm und einen Außendurchmesser von 24,4 mm geweitet worden.

Das Weichlöten wurde gemäß Beispiel 1 ausgeführt. Der derart verlötete Abschnitt wurde der gleichen hydraulischen Prüfbelastung wie in Beispiel 1 unterworfen. Es zeigte sich kein Auftreten von Wasserundichtigkeiten. Die Überprüfung einer aus dem verlöteten Abschnitt herausgeschnittenen Probe erbrachte jedoch, daß eine Vielzahl von Poren oder Lunkern im Bereich des Lötspaltes vorhanden war, wie in Fi g. 5 dargestellt. Außerdem war eine beträchtliche Menge des Weichlotes aus dem Anschlagbereich in das Innere der miteinander verbundenen Rohre geflossen, was zu einer merklichen Verringerung des durchströmbaren Rohrquerschnitts führte. Somit war diese Rohrverbindung nicht für die praktische Verwendung in einer Wasserleitung geeignet.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nicht nur möglich, die Ausbildung von Poren oder Lunkern in nennenswertem Ausmaß zu unterdrücken, sondern auch das Weichlot daran zu hindern, aus dem Anschlagbereich auszufließen. Dieses wird lediglich dadurch erreicht, daß die Dicke des Anschlagbereichs des äußeren Rohres vergrößert wird, damit die Kühleinwirkung des Anschlagbereichs auf das in dem Spalt zwischen den beiden Rohren im Bereich des Endes des inneren Rohres vorliegende Weichlot erhöht wird. Da das erfindungsgemäße Verfahren die Verwendung von vorteilhaft festen und hochbeanspruchbaren Rohren aus nichtrostendem Stahl ermöglicht, können nun Rohrleitungen mit günstigem Eigengewicht und doch guten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden. Da außerdem das Innenrohr und das Außenrohr aus nichtrostendem Stahl bestehen können, kann die Rohranordnung zuverlässig und dauerhaft luftdicht gehalten werden.

Rohrverbindungen bzw. Rohranordnungen, einerseits mit erfindungsgemäß hergestellten Lötverbindungen, und andererseits mit herkömmlichen Lotstellen gemäß F i g. 5 wurden hydraulischen Belastungsprüfungen mit ca. 17,5 bar unterzogen, um die jeweiligen Luftdichtigkeiten zu prüfen. Außerdem wurden Probenkörper aus den jeweils warmverlöteten Abschnitten herausgeschnitten und im Hinblick auf das Ausfließen von Weichlot von der Lötstelle in das Rohrinnere hinein untersucht. Die in der folgenden Tafel zusammengestellten Versuchsergebnisse belegen den mit Hilfe der Erfindung erzielbaren technischen Fortschritt In der Tafel gibt der Nenner jeweils die Anzahl von ausgeführten Untersuchungen an, während der Zähler die Minimum- sowie Maximalzahlen von Versuchen angibt, bei welchen Wasserundichtigkeiten auftraten bzw. das Austreten von Weichlot in die Rohre festgestellt wurde.

Eigenschaften Gestallung der Lötstelle

Fig. 5 Erfindungsgemäß

Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4

Luftdichtigkeit des Anschlußbereiches 1-10/500 0-1/500 0-3/500 0-5/500 Ausfluß von Weichlot 42/50 0/50 0/50 1/50

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Weichlöten von ineinander gesteckten Rohren aus nichtrostendem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke eines im äußeren Rohr ausgebildeten Anschlagbereichs für die Endfläche des inneren Rohres größer dimensioniert wird als der Anschlußabschnitt des äußeren Rohres.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlagbereich kegelförmig gestaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußabschnitt des äußeren Rohres durch Aufweiten hergestellt wird, indem das Rohrende verpreßt oder gestaucht und anschließend ein Teil der Innenfläche des Rohrendes ausgedreht wird.