Quelle Nummer 265

Rubrik 28 : TECHNIK   Unterrubrik 28.01 : BUECHER

SCHWEISS- UND LOETVERFAHREN
W. LEHRHEUER/R.LISON
SCHWEISS- UND LOETVERFAHREN IN DER FERTIGUNG KERN-
TECHNISCHER VERSUCHSEINRICHTUNGEN
IN: KERNTECHNIK VEREINIGT MIT ATOMPRAXIS 4, APRIL
1971
VERLAG KARL THIEMIG KG, MUENCHEN 90, PILGERSHEIMER-
STR. 38, 1971, S. 157-


001  Schweißverfahren und Lötverfahren in der
002  Fertigung kerntechnischer Versuchseinrichtungen.
003  Einleitung. Zu den Aufgaben des Institutes des Verfassers
004  gehört die Fertigung von Versuchseinrichtungen für
005  Bestrahlungsexperimente. Solche Bestrahlungsexperimente (Fig.
006  1) bestehen im wesentlichen aus folgenden drei Hauptbaugruppen:
007  a) dem Reaktoreinschub, das ist jener Teil des Experimentes,
008  der die Bestrahlungsprobe enthält und in den Reaktor eingesetzt
009  wird; b) einem oder mehreren Kreisläufen, z. B. zur
010  Kühlung, Temperaturregelung oder Spülung; c) aus der
011  elektrischen Instrumentierung, die im wesentlichen aus der
012  Regelung für das gesamte Experiment und den erforderlichen
013  Sicherheitsschaltungen besteht. Fig. 1 zeigt als Beispiel eine
014  Bestrahlungsanordnung. Das Experiment hat neben der elektrischen
015  Instrumentierung einen Regelgaskreislauf, welcher über ein
016  Helium-Stickstoff-Gemisch oder Helium-Neon
017  -Gemisch die Temperatur des Bestrahlungseinsatzes dadurch
018  ändert, daß eine Gemischänderung eine Änderung der
019  Wärmeleitfähigkeit in einem Wäremübergangsspalt bewirkt. Der
020  sogenannte Spülkreislauf ist ein Heliumkreislauf, der der
021  Analyse der von der Brennstoffpartikel bzw. von Brennelement
022  während der Bestrahlung freigesetzten gasförmigen Spaltprodukte
023  dient. Fig. 2 und 3 zeigen aufgeschnittene Reaktoreinschübe.
024  Sie bestehen im wesentlichen aus ineinandergeschachtelten Rohren
025  und Kapseln der verschiedensten Werkstoffe bei einem
026  Außendurchmesser von meistens 30 bis 50 mm. Durch die einzelnen
027  Kapseln und Hüllen müssen Röhrchen und Meßfühler (z.B.
028  Thermoelemente) heliumdicht eingeführt und
029  durchgeführt werden. Die Fertigung dieser Reaktoreinschübe
030  stellt daher hohe Anforderungen an die Verbindungstechnik, d.h.
031  besonders an die Schweißtechnik und Löttechnik.
032  Um diese Fertigungsaufgaben erfüllen zu können, waren wir
033  gezwungen, die benötigten Einrichtungen anzuschaffen oder selbst
034  zu entwickeln. Da es sich bei der Fertigung dieser Einschübe um
035  eine Einzelfertigung bzw. um sehr kleine Serien mit ständig
036  wechselnden Dimensionen und Problemen handelt, mußten wir auf
037  eine möglichst universelle Verwendungsmöglichkeit und Ausrüstung
038  unserer Geräte besonderen Wert legen. Besonders typische
039  Probleme treten bei der Fertigung der inneren Bestrahlungskapseln
040  auf. Diese Kapseln enthalten im Inneren des Reaktoreinschubes
041  die Bestrahlungsprobe. Sie müssen auch unter den
042  Betriebsbedingungen im Reaktor, d. h. im allgemeinen unter
043  hohen Temperaturen, Reaktorstrahlung, Druckbelastung usw. auf
044  jeden Fall gasdicht bleiben. (Abb.) Hochtemperaturlöten im
045  Vakuum. Als Kapselmaterial wurden bisher Edelstahl,
046  Nickellegierungen und Niob verwendet. In die Kapseln führen
047  Edelstahlummantelte Thermoelemente sowie meistens auch
048  Tantalummantelte Thermoelemente und Rohre für die Gaszu
049  führung und Gas abführung. Diese Rohre mit kleinen
050  Außendurchmessern und Wandstärken (z. B. 2,2 (math.Op.) 0,
051  2) werden entweder mit dem Elektronenstrahl-
052  Schweißverfahren in die Kapseldeckel eingeschweißt oder aber wie
053  die Thermoelemente eingelötet. Da die Betriebstemperaturen
054  dieser Kapseln je nach Bestrahlungsvorhaben zwischen 600 und 1000^
055  C liegen, müssen Lote mit entsprechend hohen Schmelzpunkten
056  verwendet werden. Um die hohen Reinheitsanforderungen bei der
057  Herstellung der Reaktoreinschübe zu erfüllen, erfolgt die
058  Fertigung in einer sogenannten Reinraumwerkstatt. Schon aus den
059  Reinheitsanforderungen folgt, daß die Verwendung von
060  Flußmitteln nicht möglich ist. Die Lötungen werden daher in
061  Vakuumöfen flußmittelfrei ausgeführt. Als Lote mit ausreichend
062  hohem Schmelzpunkt und guter Vakuumeignung wurden Silber-
063  Kupfer-Palladium (SCP)-Lote und Nickel-Mangan
064  -Palladium-Lote mit Schmelzpunkten zwischen 800 und 1150^
065  C und vor allen Dingen Nickelbasislote mit Schmelzpunkten
066  zwischen 900 und 1200^ C eingesetzt. Nickelbasislote wurden in
067  den USA für die sogenannten Super-Legierungen entwickelt.
068  Es sind Lote, die Boride, Phosphide und Silizide enthalten.
069  Herstellerangaben zu diesen Loten beschränken sich meist auf die
070  Zusammensetzung und die Löttemperaturen oder Löt
071  temperaturbereiche. Über mechanische Eigenschaften der
072  Lötverbindungen sowie über ihre Anwendbarkeit für die
073  Verbindung unterschiedlicher Werkstoffe, wie sie bei uns
074  zwangsläufig gefordert werden, gibt es keine Angaben. Wir
075  können von diesen Loten nur borfreie einsetzen. Für uns kommen
076  somit von diesen Loten nur das siliziumhaltige Lot (Formel) und das
077  phosphorhaltige (Formel) zur Anwendung (Bezeichnungen der American
078  Welding Society, Zusammensetzung der Lote siehe Tabelle in[
079  1 ]). (Abb.) Fig. 4 zeigt eine Verbindung Edelstahl 1.
080  4541 - Edelstahl 1.4541 mit dem Lot (Formel). Dieses Lot
081  besteht im Gußzustand aus der spröden Phase (Formel) und einem Ni-
082  Cr-Mischkristall. Bei einer entsprechenden Wärmebehandlung
083  kann die spröde Phase abgebaut werden, und man erhält ein vom
084  Grundwerkstoff kaum zu unterscheidendes Gefüge, das nicht mehr
085  bei Löttemperatur aufzuschmelzen ist. Durch den sogenannten
086  Kirkendall-Effekt sind die Korngrenzen im Lötspalt stärker
087  ausgeprägt. Lötverbindungen von Edelstahl 1.4541 mit Niob
088  und Edelstahl 1.4541 mit Tantal zeigen Fig. 5 und 6.
089  Hier läuft die Diffusion der spröden Phase vom Lot zum
090  Grundwerkstoff Edelstahl. Eine Diffusion von Niob bzw.
091  Tantal in das Lot ist gleichfalls zu erkennen. Untersuchungen auf
092  der Mikrosonde bestätigten dies. Verbindungen dieser Art wurden
093  mit Erfolg beim Bau von Reaktoreinschüben eingesetzt. Zur
094  Durchführung dieser Lötaufgaben wurde zunächst ein
095  handelsüblicher Vakuum-Mittelfrequenz-Induktionsofen[
096  B 2 ]von 30 kW Leistung bei 10 kHz eingesetzt. Die
097  Beheizung der Werkstücke erfolgte indirekt über die induktive
098  Erwärmung eines Graphit-Suszeptors. Die Temperaturmessung
099  wird mit einem Thermoelement vorgenommen. Durch die thermische
100  Trägheit und die fehlende Möglichkeit einer Beobachtung des
101  Lötvorganges war dieser Ofen jedoch für die Ausführung von
102  Lötungen an sehr kleinen und dünnwandigen Teilen nicht sehr
103  geeignet. Wir bauten daher einen neuen Ofen, der wahlweise mit
104  dem Mittelfrequenz-Generator des ersten Ofens oder aber mit
105  einem Hochfrequenzgenerator für 355 kHz, 15 kW beheizt werden
106  kann. Die Verwendung von durchsichtigen Quarzrohren von 50 und
107  100 mm Durchmesser in der Lötzone gestattet eine visuelle
108  Beobachtung des Lötvorganges (Fig. 7). (Abb.) Der Ofen kann
109  für besonders lange Werkstücke nach oben durch ein Rohr oder eine
110  Trommel verlängert werden. Die Beheizung des Werkstückes
111  erfolgt direkt induktiv oder bei sehr kleinen Werkstückdurchmessern
112  indirekt über einen Graphit-Suszeptor. Einen weiteren Ofen
113  haben wir für Lötarbeiten an Werkstücken mit Außendurchmessern
114  über 100 mm gebaut. Bei diesem kreuzförmigen Ofen kann die
115  Hochfrequenz-Induktionsspule entweder vertikal oder horizontal
116  angesetzt werden und das Werkstück ebenfalls entweder horizontal
117  oder vertikal, wenn nötig mit entsprechenden Verlängerungsrohren,
118  in den Ofen eingesetzt werden. In Fig. 8 ist ein typisches
119  Beispiel für solche Lötungen an Bestrahlungskapseln abgebildet.
120  (Abb.) Bei der Lötung von Miniaturmantelthermoelementen mit
121  Außendurchmessern von 1 bis 2 mm und Mantelwandstärken von 0,
122  1 bis 0,2 mm sowie bei der Lötung von dünnwandigen Rohren
123  ist besonders darauf zu achten, daß der Lötspalt klein gehalten
124  wird, möglichst unter 0,03 mm. Auf diese Weise wird ein
125  gutes Fließen des Lotes in den Lötspalt und eine gute
126  Gefügeausbildung am ehesten erreicht. Auch die Lotmenge muß
127  genau dosiert werden, da überschüssiges Lot häufig mit dem
128  dünnwandigen Material reagiert und zur Verstörung der
129  Thermoelemente und Rohre führt. Zu wenig Lot dagegen führt zu
130  unvollständig gefüllten Lötspalten und damit zu der Gefahr von
131  Undichtigkeiten. Das Nachlöten einer undichten Lötstelle
132  führt fast immer zur Zerstörung der Werkstücke, die häufig den
133  beträchtlichen Wert von 10 000 bis 20 000 DM besitzen.
134  Elektronenstrahlschweißen. Gegenüber anderen
135  Schweißverfahren zeichnet sich das Elektronenstrahlschweißen
136  durch die hohe Energiedichte, die scharfe Bündelung des Strahles
137  und seine vielseitige Steuerbarkeit aus. Das für dieses
138  Verfahren notwendige Vakuum von etwa (Formel) Torr trägt wesentlich zu
139  den hohen Kosten bei und begrenzt den Einsatz auf Werkstoffe, bei
140  denen diese Kosten zu vertreten sind. Zu diesen Werkstoffen
141  gehören die bei der Fertigung von Versuchseinrichtungen
142  verwendeten hochschmelzenden Metalle Niob, Tantal, Zirkon und
143  ihre Legierungen. Diese Werkstoffe sind bei erhöhten
144  Temperaturen und besonders im flüssigen Zustand sehr
145  luftempfindlich, d. h., sie nehmen in diesem Zustand
146  Sauerstoff oder Stickstoff auf und verändern damit ihre
147  Eigenschaften nachteilig. Für diese Werkstoffe stellt das
148  Elektronenstrahlschweißen das zur Zeit beste Schweißverfahren
149  dar, da ein Vakuum von etwa (Formel) Torr nur 0,000003
150  Volumenprozent Sauerstoff und 0,00001 Volumenprozent
151  Stickstoff enthält, Werte, die im reinsten Schutzgas wesentlich
152  höher liegen. Für Schweißarbeiten an den erwähnten
153  Werkstoffen stehen zwei Elektronenstrahl-Schweißanlagen zur
154  Verfügung, eine Anlage neuester Ausführung[ B 3 ]. (Abb.)
155  Typisch für beide Maschinen ist eine möglichst universelle
156  Ausrüstung zur Durchführung von Einzelteilfertigungen der
157  verschiedensten Formen und Dimensionen. So sind beide
158  Maschinenkammern mit einem Kreuztisch ausgerüstet, der eine
159  universelle Drehvorrichtung aufnimmt. Diese gestattet mit
160  stufenloser Regelung Drehbewegungen um eine horizontale, vertikale
161  oder gegen die Horizontale beliebig geneigte Achse, wobei die
162  Spindelbohrung 70 mm beträgt. Zur Aufnahme besonders langer
163  Werkstücke in horizontaler Lage können an beiden Kammertüren
164  Verlängerungen angebracht werden. Für das Reaktorexperiment der
165  kalten Neutronenquelle wurde der sogenannte Moderatortopf aus (Formel)
166  elektronenstrahlgeschweißt. Dieser Moderatortopf (Fig. 9)
167  muß Helium-Druckgas dicht auch bei zahlreichen
168  Temperaturzyklen zwischen Flüssiggastemperatur und Raumtemperatur
169  bleiben. Die rißfreie und lunkerarme Schweißung konnte nach
170  zahlreichen Versuchen erfolgreich durchgeführt werden.
171  Diffusionsschweißen. Aus neutronenökonomischen und
172  thermodynamischen Gründen muß der untere, in der Spaltzone
173  befindliche Teil der Reaktoreinschübe meist aus Aluminium oder
174  (Formel) hergestellt werden, während der obere, die Abschirmung und
175  Rohrdurchführung sowie den Anschlußkopf enthaltende Teil im
176  allgemeinen aus Edelstahl gefertigt wird. Hieraus ergab sich die
177  Notwendigkeit, eine unter Reaktorbedingungen gute, dichte und
178  korrosionsbeständige Verbindung dieser beiden Werkstoffe zu
179  entwickeln. Diese Aufgabe gestaltet sich recht schwer, da
180  mechanische Verbindungen über eine metallische Dichtung nicht den
181  erwarteten Erfolg zeigten und eine metallische Verbindung durch
182  Löten oder Schweißen nur über Zwischenschichten oder
183  Zwischenstücke aus einem dritten Metall gelang. Diese Lösung
184  war jedoch aus Gründen der Korrosionsbeständigkeit unbefriedigend.
185  Das größte Problem war hierbei die Bildung äußerst spröder
186  Al-Fe-Phasen. Die Suche nach einer geeigneten Lösung
187  führte schließlich zur Herstellung von (Formel)-Edelstahl-
188  Übergangsstücken nach einem Diffusionsschweißverfahren.
189  Hierbei wird die Verbindung zwischen den Metallen durch eine
190  zeitlich genau bestimmte Einwirkung von Druck und Temperatur im
191  Vakuum erzeilt. Zunächst wurde zur Herstellung der
192  Übergangsstücke der Vakuum-Induktionsofen benutzt, in dem
193  eine Patrone aus Normalstahl aufgeheizt wird. Im Inneren dieser
194  Patrone befindet sich zwischen zwei Edelstahlsäulen das
195  Werkstück. Der Druck wird durch die unterschiedliche
196  Wärmedehnung der Normalstahl-Patronen und der
197  Edelstahlsäule erzielt. Nachdem mit dieser einfachen Einrichtung
198  ausgezeichnete Ergebnisse erzielt worden waren, wurde eine
199  spezielle Einrichtung zur Ausführung von Diffusionsschweißungen
200  entwickelt und gebaut. Diese Einrichtung gestattet die
201  unabhängige Regelung von Druck und Temperatur sowie durch die
202  relativ geringe thermische Trägheit auch eine gute Einhaltung der
203  vorgesehenen Zeit. Der Druck wird hydraulisch aufgebracht, die
204  Temperatur durch Hochfrequenz-Induktion erzielt. Druck und
205  Temperatur werden von einem Schreiber über der Zeit aufgetragen.
206  Zur Herstellung befriedigender Schweißungen ist ein Mindestdruck
207  von einigen (Formel) erforderlich. Der erforderliche Mindestdruck
208  richtet sich nach der Schweißtemperatur. Oberhalb eines gewissen
209  Druckes läßt sich durch eine Drucksteigerung keine Verbesserung
210  des Ergebnisses mehr erzielen. Vorversuche zur Ermittlung dieser
211  Werte werden an Stumpfverbindungen in der in Fig. 10 gezeigten
212  Vorrichtung durchgeführt. Von 3 gleichzeitig gefertigten Proben
213  wird ein metallografischer Schliff angefertigt, 2 Proben werden
214  zerrissen. Bei ausreichendem Druck müssen bei dieser
215  Werkstoffkombination Temperatur und Zeit so gewählt werden, daß
216  sich eine gleichmäßige, aber dünne Diffusionsschicht ausbildet.
217  Bei höheren Temperaturen ist die benötigte Zeit geringer. Die
218  Diffusionsgeschwindigkeit steigert sich nach einer
219  Exponentialfunktion der Temperatur. Der günstige
220  Temperaturbereich für diese Werkstoffkombination liegt zwischen
221  450 und 550^ C. In der Diffusionszone bildet sich eine spröde
222  Al-Fe-Schicht. Wird diese Schicht auf eine Dicke von 2
223  bis 5 *ym m begrenzt, so ergeben sich ausgezeichnete Festigkeits
224  werte und Duktilitätswerte. Die Festigkeitswerte der
225  Verbindung liegen über der Festigkeit des Aluminium-
226  Grundwerkstoffes. Innendruck-Berstversuche an solchen
227  Werkstücken erwiesen die einwandfreie Verbindung. Ein Schliff
228  (Fig. 11) von der Verbindungszone einer solchen
229  Diffusionsverbindung weist deutlich die Diffusionsschicht aus, die
230  bei einem Anwachsen auf eine Dicke von ca. 15 *ym m zu
231  unbrauchbaren Duktilitätswerten und Festigkeitswerten
232  führt. (Abb.) Daraus ergibt sich, daß solche Verbindungsstücke
233  nicht für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet sind, bei
234  denen ein Anwachsen der Diffusionsschichten befürchtet werden
235  müßte. Bei Verarbeitung und Einsatz sind daher Temperaturen
236  von ca. 400^ C nur für ca. 10 min statthaft; höhere
237  Temperaturen sind in jedem Falle zu vermeiden. Bedenkenlos
238  eingesetzt werden können solche Übergangsstücke im Bereich von
239  (math.Op.) 250 bis 150^ C. Sie sind Thermoschock-unempfindlich.
240  Eine neue Entwicklung für solche Übergangsstücke, für die die
241  Schutzrechte angemeldet sind, zeigt Fig. 12. Bei dieser
242  Ausführung wird die Bindefläche vergrößert, die Kräfte auf
243  die Bindefläche werden reduziert, und eine zusätzliche
244  formschlüssige Verbindung wird erzielt. Das kegelförmige
245  Aluminiumstück fließt bei diesem Verfahren unter Einwirkung von
246  Druck und Temperatur in die Zahnung des Edelstahl-
247  Gegenstückes. Die Diffusionsschweißversuche werden zur Zeit
248  auch auf andere Werkstoffkombinationen ausgedehnt.
249  Schutzgasschweißen. Vor allen Dingen zur Herstellung von
250  Inertgas-Bestrahlungskapseln aus Aluminium, Edelstahl und
251  anderen Werkstoffen werden WIG-Schweißungen in einer
252  Schutzgaskammer vorgenommen. Diese Schutzgaskammer gestattet in
253  Kombination mit einer geeigneten Stromquelle, einem
254  Vakuumpumpstand sowie einer Gasreinigungsanlage die Ausführung
255  von Schweißarbeiten in einer hochreinen Argonatmosphäre
256  oder Heliumatmosphäre. Zu diesem Zweck kann neben einer
257  Längsvorschub-Einrichtung eine stufenlos in beiden
258  Drehrichtungen regulierbare Dreheinrichtung entweder horizontal
259  oder vertikal angesetzt werden. Ein pneumatisches Hubgestell
260  gestattet die Einstellung unterschiedlicher Arbeitshöhen; durch
261  das Anflanschen von horizontalen und vertikalen Verlängerungen
262  können lange Werkstücke aufgenommen werden. Für das Einbringen
263  der Werkstücke kann eine Schleuse benutzt werden. Auch diese
264  Einrichtung ist mit dieser Ausrüstung den vielgestaltig
265  anfallenden Problemen gut angepaßt. Unsere Schweiß
266  einrichtungen und Löteinrichtungen werden den Anforderungen
267  entsprechend auch in Zukunft weiter ausgebaut und stehen auch
268  Industriefirmen im Rahmen der vorhandenen Kapazitäten und
269  technischen Möglichkeiten für Auftragsarbeiten und Beratungen in
270  Werkstofffragen und Verbindungsfragen zur Verfügung.
271  Hochtemperaturlöten von Reaktorbauteilen.
272  Einleitung. Das Löten gehört wie das Schweißen zu den
273  stoffschlüssigen Fügeverfahren. Es wird aber von den
274  Schweißingenieuren, Konstrukteuren und Fertigungsingenieuren im
275  Gegensatz zum Schweißen oft nur als ein Verfahren zum Verbinden
276  von Werkstücken bei niedrigen Temperaturen und für geringe
277  Festigkeitsanforderungen angesehen. Neben den bekannten Weich
278  lötverbindungen und Hartlötverbindungen mit möglichst
279  niedrig schmelzenden Loten gibt es aber auch Lötverbindungen, die
280  gleiche oder ähnliche Festigkeitseigenschaften wie die
281  Grundwerkstoffe besitzen. Hierfür sind dann entsprechende
282  Hochtemperaturlötverfahren einzusetzen, die im folgenden
283  beschrieben werden. Definition des Lötens. Die
284  Definition des Lötens enthält die DIN 8505: Löten ist ein
285  Verfahren zum Verbinden metallischer Werkstoffe mit Hilfe eines
286  geschmolzenen Zusatzmetalles (Lot) unter Anwendung von
287  Flußmitteln und/oder Schutzgasen. Die Schmelztemperatur des
288  Lotes liegt unterhalb derjenigen der zu verbindenden
289  Grundwerkstoffe; diese werden benetzt, ohne geschmolzen zu sein.
290  Lötverbindungen, die dieser Definition entsprechen, sind lösbar,
291  ohne das Werkstück zu zerstören. Dies trifft aber z.B.
292  bei vielen hochschmelzenden Nickelloten nicht mehr zu. Durch
293  eine starke Diffusion zwischen Lot und Grundwerkstoff bildet sich
294  eine meist höher schmelzende Legierung in der Lötzone, die nicht
295  lösbar ist, ohne den Grundwerkstoff zu zerstören. Auch können
296  bei flußmittelfreien Hochtemperaturlötverbindungen wesentlich
297  bessere Ergebnisse als bei den bekannten Hartlötverfahren erreicht
298  werden. Darüber hinaus erfordert das Ofenlöten ohne
299  Flußmitteleinsatz eine andere Löttechnologie. Aus diesem
300  Grunde sollte man die Einteilung der Lote nach DIN 8505,
301  Abschnitt 2.3 zweckmäßigerweise um eine dritte Gruppe
302  erweitern. Man unterscheidet bisher nur Weichlote mit
303  Arbeitstemperaturen bis 450^ C und Hartlote mit
304  Arbeitstemperaturen oberhalb 450^ C. Hinzuzufügen wären
305  Hochtemperaturlote mit Arbeitstemperaturen oberhalb 800^ C.

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