DE813839C

DE813839C - Method for connecting two metal rods

Info

Publication number: DE813839C
Application number: DEP24356A
Authority: DE
Inventors: Raymond H Hobrock
Original assignee: Bundy Tubing Co
Current assignee: Bundy Tubing Co
Priority date: 1941-10-31
Filing date: 1948-12-11
Publication date: 1951-09-17

Description

Verfahren zum Verbinden zweier Metallgegenstände Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Metallgegenstände, die entweder getrennte Körper oder Teile ein und desselben Körpers sind. Bei dem Verfahren findet eine Zwischenschicht aus Kupfer als Lötwerkstoff Verwendung, und der eine Gegenstand besteht aus Nickel oder einer Kupfer-Nickel-Legierung, während der andere metallische Gegenstand eine Schmelztemperatur aufweist, die über dem Schmelzpunkt des Lötwerkstoffes liegt.Method of joining two metal objects The invention relates to a method of joining two metal objects that are either separate bodies or are parts of the same body. There is an intermediate layer in the process Made of copper as a soldering material, and one object is made of nickel or a copper-nickel alloy, while the other metallic object is a Has melting temperature which is above the melting point of the soldering material.

Für dieses Verfahren ist zu beachten, daB Nickel und Kupfer sich sehr schnell miteinander legieren, weshalb es schwierig ist, eine Verbindung mittels des Lötwerkstoffes Kupfer herzustellen, namentlich, cla die für das neue Verfahren zu verwendende Kupfermenge mit Rücksicht auf die Menge des Kupfers in der Kupfer-Nickel-Legierung gering ist. Wenn die Verbindung der metallenen Gegenstände beispielsweise in ein--m Ofen durchgeführt wird, mit einer Erhitzungsdauer von i bis z Minuten, um die Metalle auf den Schmelzpunkt des Kupfers zu bringen, so zeigt es sich, daß das Kupfer von dem Nickel aufgenommen wird mit dem Ergebnis, daß keine Verbindung zwischen den Metallgegenständen zustande kommt.For this procedure it should be noted that nickel and copper are very close to each other alloy together quickly, which is why it is difficult to establish a connection by means of of the soldering material to produce copper, namely, cla the for the new process Amount of copper to be used with regard to the amount of copper in the copper-nickel alloy is low. If the connection of the metal objects, for example, in one - m Furnace is carried out with a heating time of i to z minutes to remove the metals to bring it to the melting point of copper, it turns out that the copper of the nickel is added with the result that no connection between the Metal objects comes about.

Nach dem neuen Verfahren werden die aufeinandergelegten und zu verbindenden Gegenstände erhitzt, bis eine Temperatur erreicht ist, die durchwe- zwischen den Schm:lzpunkten des Überzugkupfers und der Kupfer-Nickel-Legierung liegt, wobei die Höchsttemperatur größer ist als die Erstarrungspunkterhöhung der- während der Erhitzung im geschmolzenen Zustande erhaltenen Legierung, die zwischen den Verbindungsflächen der Gegenstände aus dem Nickel der Kupfer-Nickel-Legierung und dem Kupfer des Überzuges durch Legieren entsteht, worauf die Temperaturerhöhung unterbrochen wird, um die legierten Metalle mit dem Kupferüberzug und den Metallkörpern zu verfestigen.According to the new process, the objects placed on top of one another and to be connected are heated until a temperature is reached that lies between the melting points of the coating copper and the copper-nickel alloy, the maximum temperature being greater than the increase in the solidification point during the Heating of the alloy obtained in the molten state, which is formed by alloying between the connecting surfaces of the objects made of the nickel of the copper-nickel alloy and the copper of the coating, whereupon the increase in temperature is interrupted in order to solidify the alloyed metals with the copper coating and the metal bodies.

Mit der Bestimmung, daß die Temperaturzunahme höher sein soll als der Erstarrungspunkt, soll gesagt sein, daß das durchschnittliche Maß der Steigung der Temperatur größer wird als das durchschnittliche Maß der Erhöhung des Erstarrungspunktes der Kupfer-Nickel-Legierung, die durch das Lösen des Nickels im Kupfer gebildet wird. Infolgedessen wird nach der Erfindung die Temperatur mit großer Schnelligkeit durch den Temperaturbereich unterhalb des Schmelzpunktes des Kupfers gebracht, um eine vollständige Diffusion des Kupfers und'des Nickels im festen Zustand zu verhindern. Es ist deshalb zweckmäßig, daß die Gegenstände durch Erzeugung von Hitze in den Metallen selbst erhitzt werden; trotzdem sind Ofenkonstruktionen brauchbar, z. B. Stahirohröfen, durch die eine schnelle Temperatursteigerung erreicht werden kann, um eine schnelle Wärmeübeitraguag auf die Metallgegenstände zu erzielen.With the determination that the temperature increase should be higher than the freezing point should be said to be the average measure of the slope the temperature becomes greater than the average degree of increase in the freezing point the copper-nickel alloy, which is formed by the dissolving of the nickel in the copper will. As a result, according to the invention, the temperature becomes very rapid brought by the temperature range below the melting point of copper to to prevent complete diffusion of the copper and nickel in the solid state. It is therefore appropriate that the objects by generating heat in the Metals themselves are heated; nevertheless furnace constructions are useful, e.g. B. Steel tube furnaces, through which a rapid increase in temperature can be achieved, in order to achieve a quick heat transfer on the metal objects.

Die Zeichnung veranschaulicht das Verfahren beispielsweise.For example, the drawing illustrates the procedure.

Fig. i ist eine schaubildliche Darstellung einer Einrichtung zur Ausübung des neuen Verfahrens mit einem elektrischen' Induktionsofen.Figure i is a diagrammatic representation of an apparatus for exercising of the new process with an electric 'induction furnace.

Fig.2 ist eine gleiche Darstellung mit einem elektrischen Widerstandsofen.Fig. 2 is a similar illustration with an electric resistance furnace.

Fig. 3 und 4 sind Querschnitte durch Rohre, die nach dem neuen Verfahren hergestellt werden können.Figs. 3 and 4 are cross-sections through tubes made according to the new method can be produced.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Einzelheiten.Figures 5 and 6 show details.

Das in Fig. 3 dargestellte Rohr ist aus einem einfachen Bande durch Wickeln um 72o° hergestellt, wodurch eine äußere Windung 2 und eine innere Windung 3 entsteht. Die Kanten des Bandmaterials sind abgeschrägt und stoßen gegen eine Einziehung 4 des Bandes, die die Verbindung zwischen der äußeren und inneren Windung 3, 2 bildet. Diese Einziehung 4 ist ein allmählicher Übergang zwischen der< 'einander zugekehrten abgeschrägien Kanten des Bandmaterials. Diese allgemeine Form des Rohres und das Verfahren zu seiner Herstellung ist bekannt. In Fig.4 ist ein Rohr dargestellt, das aus zwei Streifen Bandmaterial gewickelt ist.. Ein Streifen bildet das Innenrohr 5, das durch . eine Naht 6 zusammengehalten ist. Der andere Streifen mit einer Verbindungsnaht 8 bildet das äußere Rohr 7.The tube shown in Fig. 3 is made of a simple band through Wrap made by 72o °, creating an outer turn 2 and an inner turn 3 is created. The edges of the tape material are beveled and butt against a Retraction 4 of the tape, which is the connection between the outer and inner turn 3, 2 forms. This retraction 4 is a gradual transition between the <'each other facing beveled edges of the strip material. This general shape of the pipe and the method for its preparation is known. In Fig. 4 a pipe is shown, which is wound from two strips of tape material. One strip forms the inner tube 5 that through. a seam 6 is held together. The other strip with a joining seam 8 forms the outer tube 7.

Gemäß Fig. i wird das Bandmaterial nach dem Abwickeln von einer Vorratsrolle io durch ein Rohrwalzwerk i i geschickt, in dem der Bandstreifen in eine Rohrform von einfacher Wandstärke gebracht wird. Selbstverständlich kann das Walzwerk i.i auch so ausgebildet sein, daß in ihm ein Rohr mit doppelten Wänden gemäß Fig.4 erzeugt werden kann. Das das Walzwerk verlassende Rohr tritt gemäß Fig. i nach seiner Formung in eine Heizvorrichtung ein, die eine Hochfrequenz-Induktionsspule 12 aufweist. Im Innern dieser Spule ist eine Quarzröhre 13 eingesetzt, durch die das zu erhitzende Rohr hindurchgeführt wird. Danach gelangt das Rohr in eine Kühlkammer 14. Gegebenenfalls kann in der Röhre 13 und in der Kammer 14 ein reduzierend wirkendes oder ein inertes Gas vorgesehen sein, das durch die Einlaßstutzen 15 und 16 in die Quarzröhre 13 und in die Kühlkammer 14 eingeführt werden kann.According to Fig. I, the strip material is after unwinding from a supply roll io sent through a pipe rolling mill i i, in which the strip of strip is converted into a pipe shape is brought from simple wall thickness. Of course, the rolling mill can i.i also be designed so that a pipe with double walls is generated in it as shown in FIG can be. The tube leaving the rolling mill occurs after it has been formed, as shown in FIG into a heater having a high frequency induction coil 12. Inside this coil, a quartz tube 13 is used, through which the to be heated Pipe is passed through. The tube then passes into a cooling chamber 14, if necessary In the tube 13 and in the chamber 14, a reducing effect or an inert one can be used Gas can be provided, which through the inlet ports 15 and 16 in the quartz tube 13 and can be introduced into the cooling chamber 14.

In Fig.2 sind am Anfang nur die Endrollen eines Walzwerks 20 gezeigt, aus dem das geformte Rohr in eine Kammer 21 gelangt, in der das Rohr von zwei Paar Elektrodenrollen 22, 24 und 23, 25 getragen wird. Der zu diesen Rollen führende elektrische Strom ist so angeschlossen, daß das Rohr zwischen den Rollenpaaren 22, 23 durch Widerstandsheizung erhitzt wird. Danach tritt das Rohr in eine Kühlkammer 26, in der eine nicht oxydierende oder reduzierend wirkende Atmosphäre aufrechterhalten werden kann, indem man ein entsprechendes Gas durch die EinlaB-stutzen 27, 28 in die Kammern 21, 26 einleitet.In FIG. 2, only the end rollers of a rolling mill 20 are shown at the beginning, from which the shaped tube passes into a chamber 21 in which the tube is carried by two pairs of electrode rollers 22, 24 and 23, 25. The electrical current leading to these rollers is connected in such a way that the tube between the roller pairs 22, 23 is heated by resistance heating. The tube then enters a cooling chamber 26 in which a non-oxidizing or reducing atmosphere can be maintained by introducing a corresponding gas through the inlet nozzles 27, 28 into the chambers 21, 26.

Die in den Fig. 3 und 4 je im Querschnitt gezeigten Rohre sind nur Beispiele für das neue Verfahren. Das einheitliche Band des Rohres nach Fig. 3 kann aus einer Kupfer-Nickel-Legierung bestehen. Bei dem doppelten Rohr nach Fig.4 kann je nach seiner besonderen Verwendung das innere Rohr 5 aus einer Kupfer-Nickel-Legierung und das äußere Rohr 7 aus einem billigeren Eisenmetall, oder auch umgekehrt, bestehen.The tubes shown in each of FIGS. 3 and 4 in cross section are only Examples of the new process. The unitary band of the tube of Fig. 3 can consist of a copper-nickel alloy. With the double tube according to Figure 4 can depending on its particular use, the inner tube 5 made of a copper-nickel alloy and the outer tube 7 made of a cheaper ferrous metal, or vice versa.

In Fig. 5 ist ein Bimetall-Bandmaterial im Schnitt gezeigt, das aus den Metallschichten 30, 31 besteht und das aus den Berührungsflächen 32 zusammenplattiert ist. Das Bandmaterial nach Fig. 6 ist ein mit seinen benachbarten Längskanten 35 vereinigtes Bimetallband 33 und 34. Das Bandmaterial 30, 31, 32, Fig. 5, kann in einer Vorrichtung nach Fig. i oder auch in einem anderen Ofen erzeugt sein. Genau wie beim Rohr kann ein Teil des Bandmaterials nach Fig.5 oder Fig.6 aus einer Kupfer-Nickel-Legierung, z. B. aus Monelmetall, und der andere Teil aus einem Eisenmetall oder 'einem anderen Metall einschließlich einer Kupfer-Nickel-Legierpng von verschiedener Zusammensetzung bestehen.In Fig. 5, a bimetal strip material is shown in section, which from the metal layers 30, 31 and that of the contact surfaces 32 are plated together is. The strip material according to FIG. 6 is one with its adjacent longitudinal edges 35 united bimetal belt 33 and 34. The belt material 30, 31, 32, Fig. 5, can be used in a device according to Fig. i or in another furnace. Exactly As with the pipe, part of the strip material according to Fig. 5 or Fig. 6 can be made of a copper-nickel alloy, z. B. of Monel metal, and the other part of a ferrous metal or 'another Metal including a copper-nickel alloy of various compositions exist.

Beim Durchgang durch die Hochfrequenzheizung nach Fig. i wird das Rohr über den Kupferschmelzpunkt mit so großer Geschwindigkeit erhitzt, daß eine wesentliche Diffusion des Kupfers und Nickels im festen Zustande nicht eintritt.When going through the high-frequency heating according to FIG Tube heated above the copper melting point at such a rapid rate that a substantial diffusion of copper and nickel in the solid state does not occur.

Beispielsweise wurde ein Monelbandstreifen von 0,368 mm Dicke zu einem doppelwandigen Rohr gewickelt, das eine Wandstärke von 0,376 mm hatte. Das -Kupfer-Nickel-Band wurde beiderseits mit so viel Kupfer elektrolytisch überzogen, daß das aufgebrachte Kupfer auf o,1858 qm der Oberfläche 4,25 bis 14,179 wog. Dadurch wurde ein Rohr erhalten, das auf der Außenfläche, auf der Innenfläche, auf den Flächen zwischen den Windungen und in der zu bildenden Naht eine Kupfer-. schicht aufweist. Dieses vorgeformte Rohr wurde mit einer Geschwindigkeit von 6,o96 m in der Minute vorwärts bewegt. Die Induktionsspule hatte eine Länge von 2o cm. Die Temperatur des Rohres wurde schnell gesteigert und erreichte oder überschritt den Kupferschmelzpunkt bei x. Dieser Punkt x befindet sich etwa 5 cm vom Anfang der Induktionsspule. Daraus folgt, daß die in Frage kommende Temperatur in der Heizvorrichtung in einer halben Sekunde erreicht und auf die Dauer von zwei Sekunden aufrechterhalten wurde. Denn dies ist die Zeit, die nötig ist, um das Rohr durch den Induktionsofen zu führen.For example, a strip of Monel tape 0.368 mm thick was wound into a double-walled tube that had a wall thickness of 0.376 mm. The copper-nickel tape was electrolytically coated on both sides with so much copper that the applied copper weighed 4.25 to 14.179 on 0.1858 square meters of the surface. This gave a tube that had a copper on the outer surface, on the inner surface, on the surfaces between the turns and in the seam to be formed. having layer. This preformed tube was moved forward at a speed of 6.096 meters per minute. The induction coil was 20 cm long. The temperature of the tube increased rapidly and reached or exceeded the copper melting point at x. This point x is about 5 cm from the start of the induction coil. It follows that the temperature in question in the heater was reached in half a second and maintained for a period of two seconds. Because this is the time it takes to lead the pipe through the induction furnace.

Beim Monelmetall liegt die Temperatur, bei der es weich und breiig wird, ungefähr bei 13i5° C, während der Kupferschmelzpunkt bei 108.I° C liegt. Deshalb ist es wesentlich, das Rohr nicht einer Temperatur auszusetzen, die höher liegt als der Schmelzpunkt des Monelmetalls, andererseits muß die Temperatur wesentlich über dem Schmelzpunkt des Kupfers liegen. Vorzugsweise soll das Rohr schnell auf eine Temperatur erhitzt werden, die sicher unter 1315° C, beispielsweise bei 130o° C, liegt. Trotzdem ist festgestellt 'worden, daß ein brauchbares Rohr auch bei Temperaturen in der Nähe von 1225° C hergestellt werden konnte. Die Temperatur wird vom Kupferschmelzpunkt bis zur Höchsttemperatur gesteigert, die im Durchschnitt größer ist als die Erhöhung des Erstarrungspunktes der Kupfer-Nickel-Legierung, wenn Kupfer und Nickel in Lösung gehen. Deshalb muß eine beträchtlich höhere Temperatur als die Kupferschmelztemperatur angewendet werden, und trotzdem darf die Schmelztemperatur der Kupfer-Nickel-Legierung, aus der das Rohr gefertigt ist, nicht überschritten werden.With Monel metal, the temperature is at which it is soft and mushy is around 13i5 ° C, while the copper melting point is 108.I ° C. That's why it is essential not to expose the pipe to a temperature which is higher than the melting point of the monel metal, on the other hand, the temperature must be significant are above the melting point of copper. Preferably the pipe should open quickly a temperature that is safely below 1315 ° C, for example at 130o ° C, lies. Nevertheless, it has been found that a useful pipe even at temperatures could be produced in the vicinity of 1225 ° C. The temperature is from the copper melting point increased to the maximum temperature, which on average is greater than the increase the solidification point of the copper-nickel alloy when copper and nickel are in solution walk. Therefore, the temperature must be considerably higher than the copper melting temperature can be used, and nevertheless the melting temperature of the copper-nickel alloy, from which the pipe is made, must not be exceeded.

Die in Fig.4 gezeigte Form eines Rohres erfordert dieselbe schnelle Erhitzung und dieselben Temperaturbedingungen, denn das Kupfer und das Nickel der inneren oder äußeren Rohrwand diffundieren ineinander. Bei diesem Rohr kann entweder der Eisenmetallstreifen oder der Kupfer-Nickel-Bandstreifen, oder beide, mit Kupfer überzogen sein. Es ist am zweckmäßigsten, den Eisenmetallstreifen mit Kupfer zu überziehen, da der Überzug von Kupfer das Eisenmetall gegen Witterungseinflüsse, beim Transport und beim Verkauf schützt, und da der Kupferüberzug auf dem Eisen gut haftet. Die gleichen Gründe treffen auch auf das in den Fig. 5 und 6 gezeigte Material zu.The shape of a tube shown in Figure 4 requires the same rapid Heating and the same temperature conditions, because the copper and the nickel of the inner or outer pipe wall diffuse into one another. With this pipe you can either the ferrous metal strip or the copper-nickel tape strip, or both, with copper be covered. It is most convenient to cover the ferrous metal strip with copper coating, since the coating of copper protects the ferrous metal against the effects of the weather, protects during transport and sale, and because the copper coating on the iron adheres well. The same reasons also apply to that shown in Figs Material too.

Die ganz aus Nickelkupfer bestehenden Rohre finden vielseitige Verwendung da, wo korrosionssichere Rohre verlangt werden, z. B. in der chemischen und milchwirtschaftlichen Industrie, für Kühlvorrichtungen von Getränken, für Radioantennen, besonders für selbstbewegliche Fahrzeuge und Boote sowie für Wärmeaustauscher der verschiedensten Art. Das auf eine kleine Größe gebrachte Rohr kann man an den verschiedensten Stellen, für Meßzwecke, z. B. in Thermostaten oder anderen wärmeempfindlichen Vorrichtungen und als sogenannte Kapillarröhrchen für Kühlmechanismen verwenden.The tubes, made entirely of nickel copper, have a wide range of uses where corrosion-resistant pipes are required, e.g. B. in the chemical and dairy industries Industry, for coolers of beverages, for radio antennas, especially for automotive vehicles and boats as well as for heat exchangers of the most diverse Art. The pipe, which has been brought to a small size, can be found in various places, for measuring purposes, e.g. B. in thermostats or other heat sensitive devices and use them as so-called capillary tubes for cooling mechanisms.

Bei der Herstellung des zusammengesetzten Rohres nach Fig. 4 fließt das Kupfer in die Stoßverbindung 6 und vereinigt die Stahlzwiscfienflächen, wenn das innere Rohr aus Stahl ist, und legiert sich mit den Kupfer-Nickel-Zwischenflächen, wenn der innere Streifen aus einer Kupfer-Nickel-Legierung ist. Auch die Zwischenflächen zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr werden wirkungsvoll miteinander vereinigt, und die Naht 8 ist auch gesichert, wenn das Außenrohr aus Stahl oder einer Kupfer-Nickel-Legierung besteht.In the manufacture of the assembled tube according to FIG. 4 flows the copper into the butt joint 6 and unites the steel intermediate surfaces, if the inner tube is made of steel and is alloyed with the copper-nickel interfaces, when the inner strip is made of a copper-nickel alloy. Also the intermediate surfaces between the inner and outer tube are effectively united with one another, and the seam 8 is also secured if the outer tube is made of steel or a copper-nickel alloy consists.

Bei diesem Rohr ist es vorteilhaft, wenn das Kupfer so in das Nickel des Bandstreifens hineindiffundiert, daß die resultierende Zusammensetzung des Metalls an den Verbindungsflächen annähernd dieselbe Zusammensetzung hat wie im ursprünglichen Bandstreifen.With this pipe it is advantageous if the copper is so in the nickel of the tape strip diffuses into that the resulting composition of the metal has approximately the same composition at the connecting surfaces as in the original Tape strips.

Das zusammengesetzte Rohr kann dort verwendet werden, wo die Korrosionsfestigkeit sowohl an der Innen- als auch an der Außenfläche keine ausschlaggebende Rolle spielt. Dieses zusammengesetzte Rohr kann auch sehr stark durch Ziehen verkleinert werden, und es ist für die oben angegebenen Zwecke brauchbar, wenn das korrosionsfeste Metall entweder nur innen oder nur außen wichtig ist.The assembled pipe can be used where the corrosion resistance neither on the inside nor on the outside surface plays a decisive role. This composite pipe can also be reduced very much by pulling it, and it is useful for the above purposes when the corrosion-resistant metal is important either only inside or only outside.

Wo eine verkupferte Kupfer-Nickel-Legierung die Außenseite bildet, kann die äußere Oberfläche einen gefleckten oder rauhen Eindruck aber mit einem weißlichen Schimmer des Bandmaterials haben. Das fertige Rohr nach Fig.4 weist den ununterbrochenen Kupferüberzug auf der Stahloberfläche auf, ganz gleich, 'ob diese Oberfläche außen oder innen liegt.Where a copper-plated copper-nickel alloy forms the outside, The outer surface can have a speckled or rough impression but with one have a whitish sheen of the tape material. The finished tube according to Figure 4 has the uninterrupted copper plating on the steel surface, regardless of whether this Surface is outside or inside.

Alles, was über Rohre gesagt wurde, gilt in äquivalenter Weise für andere Körper oder Gegenstände mit einer in gleicher Weise gebildeten Verbindung oder für Streifen und Stücke aus Bimetallen oder aus mehrfachen Lagen von Metallen.Everything that has been said about pipes applies equivalently to other bodies or objects with a connection formed in the same way or for strips and pieces of bimetallic or multiple layers of metals.

Claims

PATENT CLAIMS: i. A method for connecting two metal objects in which an intermediate layer of copper is used as the soldering material, at least one object being made of nickel or a copper-nickel alloy and the other having a melting temperature which is above the melting point of the soldering material, characterized in that, that the objects placed one on top of the other are heated until a temperature is reached which is consistently between the melting points of the plating copper and the copper-nickel alloy, the maximum temperature being greater than the increase in the solidification point of the alloy obtained during the heating in the molten state between the Connection surfaces of the objects from the nickel of the copper-nickel alloy and the copper of the coating are created by alloying, whereupon the increase in temperature is interrupted in order to solidify the alloyed metals with the copper coating and the metal bodies.

2. Method according to claim i, characterized in that the heating up to the melting point of the copper is carried out so quickly that a disadvantageous diffusion of copper and solid nickel does not take place., 3.

Method according to claim i and 2, characterized in that the heating is supplied by an electrical Induction current is generated in the bodies themselves. q ..

Method according to claim i and 2, characterized in that the heating is carried out by an electrical resistance heater is achieved.

5. The method according to claim 1, characterized in that the copper-nickel alloy of one of the metal bodies has approximately 700/0 nickel and 3o% copper and that the heating is carried out in the temperature range from approximately 1225 ° to 1300 ° C.