Ontwikkeling en verbreiding van een geavanceerde verbindingstechniek: hoogtemperatuursolderen

Transcriptie

1 Ontwikkeling en verbreiding van een geavanceerde verbindingstechniek: hoogtemperatuursolderen Het Metaalinstituut haakte in op de ontwikkeling van een nieuwe soldeertechniek, bracht bedrijven en instellingen bij elkaar en droeg er zo aan bij dat deze techniek in Nederland op een internationaal concurrerend niveau kon komen. Hoogtemperatuursolderen: een inleiding Zowel het zachtsolderen (bij lage temperatuur en meestal met een soldeer op tinbasis) als het hardsolderen (bij hogere temperatuur uitgevoerd met een soldeer op o.a. koper- of zilverbasis) berust op bevochtiging, capillaire spleetvulling en vervolgens hechting van het soldeer op de te verbinden oppervlakken. Bij beide procedés wordt gebruikgemaakt van een vloeimiddel. Het te verbinden materiaal wordt niet, zoals bij smeltlassen, opgemengd met het toevoegmateriaal. Zich ontwikkelende technieken voor het solderen op hoge temperatuur in een beheerste atmosfeer, werden internationaal al snel samengevat onder de noemer high temperature brazing of hochtemperaturlöten, die in Nederland de wat ongelukkige vertaling hoogtemperatuursolderen kreeg. Bij deze techniek, in feite een variant op het hardsolderen maar dan zonder vloeimiddel, worden onderscheiden: solderen in een actief gasatmosfeer (bijv. waterstof), in een inert gas atmosfeer (bijv. argon) of in vacuüm. Bij het MI is voornamelijk onderzoek uitgevoerd in vacuüm en wel met een vacuümoven en met een hoogfrequent inductief verhitte vacuümsoldeerinstallatie (figuur 1). Figuur 1 Bij het MI gebruikte soldeerapparatuur: links die voor solderen in (hoog) vacuüm, rechts een hoogfrequent inductief verhitte vacuümsoldeerinstallatie Directe aanleiding voor de start van dit werkgebied vormden de problemen die optraden bij het solderen van een testsectie voor het 50 MW circuit in Hengelo waar materialen en componenten voor de snelle-kweekreactor in Kalkar (D) werden beproefd. Het solderen (en zo nodig hersolderen) leidde tot brosse, lekke verbindingen. Gebruikt werden soldeersoorten op nikkelbasis, bij soldeertemperaturen tussen 900 en 1200 C. 1

2 2 Figuur 2 Metallografische doorsnede van een soldeerverbinding met ongewenste intermetallische fasen. Van de aangegeven plaatsen zijn boven de foto het soort verbinding en de (hoge!) microhardheid Vickers weergegeven. Waargenomen werd dat deze soldeersoorten als ongewenst verschijnsel het moedermateriaal plaatselijk oplosten en bij stolling brosse verbindingen gaven doordat in het soldeer zogenoemde intermetallische fasen met hoge microhardheid ontstonden (figuur 2). Kennis noch ervaring met deze soldeersoorten was op dat moment, we schrijven ca. 1970, aanwezig bij het MI. Om meer kennis op te doen werd een vrij speurwerk programma gestart, tevens met als achterliggende gedachte de te ontwikkelen kennis toe te passen bij het vervaardigen van bijvoorbeeld stoomgeneratoren in de vorm van een chroommolybdeen-stalen pijp/pijpplaat warmtewisselaar. Solderen van deze CrMo-stalen pijpen in een dito pijpplaat zou een alternatief voor lassen kunnen zijn. Ook de uit molybdeen te vervaardigen elektromagnetische pompen met niet-draaiende delen voor het koelcircuit van de met vloeibaar natrium gekoelde Kalkar-reactor leken een mogelijke toepassing. Teneinde meer draagvlak te creëren voor het onderzoekwerk werd de steun verkregen van de toenmalige TNO Commissie van Bijstand, waarvan de leden tevens deel uitmaakten van de Speurwerkcommissie van het Nederlands Instituut voor Lastechniek (NIL). Daardoor kon via één van de technische commissies van het NIL de metaalverwerkende industrie worden benaderd. E.e.a. leidde tot deelname in de Technische Commissie (TC) I Autogene Lastechnieken van het NIL waaronder het hardsolderen viel. Zo ontstond de NIL subcie TC I-A Hoogtemperatuursolderen. 25 jaar onderzoek en ontwikkeling samen met de industrie Met en voor diverse werkgroepen van TC I-A Hoogtemperatuursolderen is ruim 25 jaar onderzoekwerk verricht door het MI. Aanvankelijk met een bescheiden budget van enige tienduizenden guldens per jaar, bijeengebracht door de leden van deze subcie en verdubbeld met een MI-bijdrage. Alras bleek de interesse van de deelnemende bedrijven echter verder te gaan dan het onderzoek aan soldeersoorten op nikkelbasis. Met steun van EZ konden vervolgens ook andere projecten worden opgezet. Veel support voor de subsidieaanvragen, verzorgd door het NIL, werd

3 daarbij ondervonden van de Vereniging FME/CWM. De in deze projecten deelnemende bedrijven waren o.a. loonsoldeerbedrijven zoals Vacuüm Soldeer Centrum en Hardingscentrum LHP Hauzer, grote industriële bedrijven als Philips, Shell, AKZO Nobel, Holec Hazemeijer, Thomassen Int. en Elbar, instituten en instellingen zoals Staal Centrum Nederland, RCN (het latere ECN), Estec, NLR, FOM en Neratoom. Ook toeleveranciers als HoekLoos, Elephant en Drijfhout en zelfs Duitse bedrijven als Calor Emag, een producent van o.a. keramiek vacuümschakelaars, en Ipsen, een fabrikant van vacuümovens, traden tot de TC I-A toe 1. De onderzoeksprojecten betroffen o.a. fundamentele aspecten van het vacuümsolderen, zoals bevochtiging, capillairwerking, hechting, mechanismen voor oxideverwijdering, capillaire spleetafmetingen en oppervlakteruwheid en reiniging. De optimale ovencyclus, de wijze van doseren van soldeer en de karakterisering van soldeermaterialen vormden andere punten van studie. Aan de gemaakte soldeerverbindingen werd veel onderzoek gedaan. Zo werden aan de hand van niet-destructief onderzoek de mogelijkheden van radiografie, neutrografie en ultrasoon onderzoek nagegaan en werd mechanisch onderzoek naar sterkte, hardheid en ductiliteit uitgevoerd. Corrosieonderzoek van gesoldeerde verbindingen had vooral betrekking op het mogelijk optreden van galvanische corrosie, waarvoor een testmethode werd ontwikkeld. Gaandeweg werden in de gezamenlijke projecten ook moeilijk te bevochtigen materialen betrokken als gietijzer, superlegeringen, aluminium, titaan en keramiek, evenals een variant op het capillair hoogtemperatuursolderen, namelijk het zogenoemde wide gap solderen. Bij deze techniek worden soldeerspleten van nietcapillaire afmeting toegepast, bijvoorbeeld als reparatiemethode voor scheuren in turbineschoepen. Figuur 3 Voorbeelden van compact construeren: links de verhitterkop van een heetgasmotor ( Stirling -motor) voor energieopwekking, vervaardigd uit hoogwaardige materialen. De verschillende onderdelen zijn in twee stappen (bij hoge en lagere temperatuur) in vacuüm gesoldeerd met twee typen nikkelbasissoldeer. Rechts: Stirlingmotor, toegepast in een recent ontwikkelde cv-ketel (toelichting in de tekst). (Foto s: Philips Johan de Witt resp. Remeha) 1 Veel van de genoemde bedrijven zijn in de loop der tijd van naam veranderd door samengaan met andere of overname door vaak internationale ondernemingen. 3

4 De mogelijkheden van het hoogtemperatuursolderen zijn niet gering. De verhitterkop van de Stirlingmotor in figuur 3 telt in een beperkte ruimte een groot aantal gecompliceerde soldeerverbindingen: een voorbeeld van compact construeren. Een recente, vergelijkbare toepassing van deze techniek betreft de nieuwe HRe cv-ww ketel evita van Remeha die eveneens is vervaardigd via hoogtemperatuursolderen. Met behulp van de Stirlingmotor (rechts in figuur 3), kan deze ketel naast warm water genereren voor cv en warmwatervoorziening ook elektriciteit opwekken en terugleveren. Figuur 4 toont producten die aan hoge eisen van maatnauwkeurigheid moeten voldoen en die vrij van oxiden uit de soldeeroven komen. Ze kunnen zonder verdere nabewerking worden gebruikt. Hoogtemperatuursolderen leent zich vaak ook voor anderszins moeilijk te verbinden materialen. Zo kan gietijzer door het soldeer bevochtigd worden indien de in gietijzer aanwezige koolstof van het oppervlak verwijderd is. Een zogenoemde superlegering die aluminium en titaan bevat wordt soldeerbaar als vooraf een z.g. Figuur 4 Balgen, pompen meetsecties van een opstelling voor plasmafysisch onderzoek, zoals ze uit de vacuümoven komen. Hoogtemperatuursolderen heeft de voorkeur boven lassen vanwege de vereiste grote maatnauwkeurigheid. Ook worden zo met minder bewerkingen producten verkregen die geschikt zijn voor toepassing in ultra-hoog vacuüm. Voordelen: lekdichte verbindingen met een fraai uiterlijk, die vrij zijn van oxidatie. (Foto: Hardingscentrum Hauzer) 4

5 Fluor Carbon Cleaning behandeling wordt toegepast ter verwijdering van de aluminium- en titaanoxiden uit het oppervlak. Solderen van aluminium is mogelijk als behalve een behandeling om oxide te verwijderen een vacuümsoldeer met enige procenten magnesium (als getter ) wordt gebruikt. Titaan, tenslotte, is in vacuüm goed soldeerbaar mits het oppervlak is ontdaan van vet en vuil en voorts de vacuümoven een hoge mate van lekdichtheid heeft. Elementen als waterstof, zuurstof, stikstof en koolstof (HONC) zijn taboe, want hydride-, oxide-, nitride- of carbidevorming kan het titaan in hardheid doen toenemen en doen verbrossen. Bij het solderen van keramiek-metaalverbindingen is vooral de voorbereiding (reiniging en aanbrengen van een metalliseringslaag c.q. actief titaan houdend soldeer) van groot belang en voorts het feit dat de vacuümoven een hoge mate van lekdichtheid moet hebben. Kennisverspreiding De in de TC I-A verworven kennis en ervaring werd iedere drie jaar op voorlichtingsdagen gepresenteerd in de vorm van lezingen en verzameld in een referatenbundel. Ook werden eind jaren zeventig enkele landelijke voorlichtingsacties georganiseerd (op middagen of avonden uitgevoerd) waarvoor folders, brochures, mappen met case studies e.d. werden samengesteld. Medewerkers van enkele honderden bedrijven hebben zich via deze acties georiënteerd op de mogelijkheden van het hoogtemperatuursolderen voor hun bedrijf. Ook werden zowel bij het MI als bij bedrijven cursussen op het gebied van hoogtemperatuursolderen gegeven. De opgedane kennis en ervaring werd ook internationaal gepresenteerd op seminars en congressen van het International Institute of Welding (IIW) en nationale lasinstituten als het Belgische BIL, de Duitse DVS en de Britse BABS. 25 jaar kennis en ervaring verzamelen heeft ook geleid tot het opstellen van het Voorlichtingsblad Hoogtemperatuursolderen van de FME, die de ontwikkeling van deze kleine maar hoogwaardige techniek steeds heeft toegejuicht (zie ook de FME website). Rond 1995 beëindigde EZ de subsidieverlening en had het NIL geen financiële middelen meer voor de organisatorische en administratieve werkzaamheden die het voor de TC I-A verrichtte. Het MI moest daardoor besluiten het werkgebied af te bouwen. Projecten bij het Metaalinstituut Los van de TC I-A projecten werd bij het MI eind jaren zeventig en begin jaren tachtig van de vorige eeuw ook in opdracht van de Projectgroep Kernenergie (PGK) veel onderzoekwerk uitgevoerd. Dat betrof de mogelijkheden van het vacuümsolderen van de chroommolybdeen-staalsoorten voor de tussenwarmtewisselaar / stoomgenerator in het koelcircuit van de eerder genoemde in aanbouw zijnde snelle-kweekreactor in Kalkar (figuur 5). Dit project kreeg een abrupt einde toen de deelstaat Nord-Rhein Westfalen op grond van de gegroeide maatschappelijke weerstand tegen kernenergie geen vergunning verleende voor het operationeel maken van de snelle-kweekreactor en de regering van de Bondsrepubliek daar, uiteindelijk, mee instemde. Nederland, waar zich blijkens een Brede Maatschappelijke Discussie (geleid door jhr.mr. De Brauw) een vergelijkbare ontwikkeling had voorgedaan, moest het Duitse besluit wel volgen. Pijp/pijpplaat-lassen levert regelmatig problemen op in de vorm van verbindingen met kans op lekkage, corrosie etc. Dat speelde ook bij het 50 MW-circuit van TNO in Hengelo. In het kader van een lasproject van de Projectgroep Kernenergie (PGK) 5

6 Figuur 5 Stoomgenerator/tussenwarmtewisselaar, bestaande uit een 18 meter lange pijpenbundel, vervaardigd door middel van solderen onder waterstof, voor onderzoek in het 50 MW circuit van TNO in Hengelo. (Foto s: Vacuüm Soldeer Centrum) zijn daarom o.a. een gecompliceerde doorlastang en een speciale lastoorts ontwikkeld, beide opgebouwd uit onderdelen die alleen door hoogtemperatuursolderen met elkaar konden worden verbonden (figuur 6). Met behulp van de tang kon tijdens het lassen worden vastgesteld of er sprake was van voldoende doorlassing en kon de lasstroom tijdens het lassen worden geregeld en aangepast. Figuur 6 Bij het MI ontwikkelde doorlastang voor het op gecontroleerde wijze maken van pijp/pijpplaatverbindingen. De uit drie segmenten bestaande bek (rechts) bevat een ring met lichtgevoelige sensoren, die rond de in te lassen pijp wordt geklemd (toelichting in de tekst). Metaal-keramiekverbindingen In de periode werd het vacuümsolderen van oxidisch en niet-oxidisch keramiek voor keramiek-metaalverbindingen onderzocht. Dit soort verbindingen is van belang voor de fabricage van o.a. elektrisch geïsoleerde doorvoeren en onderdelen bedoeld voor automotoren. Dit onderzoek werd gefinancierd door het Innovatief Onderzoek Project (IOP) Technische Keramiek. Een aantal in de TC I-A participerende bedrijven nam, ook financieel, deel aan dit onderzoekprogramma. Om het keramiek soldeerbaar te maken werd het voorzien van een metalliseringslaag of van een z.g. actief titaan houdend soldeer; het metalen deel werd op deze laag 6

7 Figuur 7 Een middenspannings-vacuümschakelaar voor het afschakelen van kortsluitstromen tot A bij 24 kv (links) ziet er eenvoudig uit, maar is dat allesbehalve (rechts). Dit soort schakelaars telt diverse keramiek-metaalverbindingen. (Foto s: Holec Hazemeijer) geplaatst waarna het geheel in vacuüm werd gesoldeerd (figuur 7 en 8). De gemaakte verbindingen werden getest op eigenschappen als lekdichtheid en sterkte en bleken van uitstekende kwaliteit. Resultaten en producten in deze sfeer werden o.a. getoond op de beurs Technische Keramiek in het MECC in Maastricht. Figuur 8 Gerrit Kaagman bij de voorbereiding van keramiek-metaalverbindingen 7

8 Figuur 9 De schepenzaag waarmee als eerste de onderzeeër Koersk is doorgezaagd Figuur 10 De doorgezaagde Koersk Schepenzaag Door de MI-medewerkers werd soldeertechniek op een hoog niveau bedreven. Toen de firma Smit-Tak het MI dan ook vroeg mee te denken over een zaag waarmee schepen konden worden doorgezaagd, kwam ook solderen in beeld. Hoogtemperatuursolderen werd het niet, maar toch: de zaag werd een kabel met stalen bussen, waarop via hardsolderen scherpe hardmetalen bussen waren bevestigd. De schepenzaag is voor het eerst gebruikt bij de berging van de Russische kernonderzeeër Koersk (figuur 9 en 10). Slotopmerking De onderzoeksactiviteiten van de subcie TC I-A worden, zij het op beperkter schaal, tot op de dag van vandaag voortgezet binnen de soldeerwerkgroep van de Bond voor Materialenkennis. De kring van bedrijven die het hoogtemperatuursolderen toepassen voor hun producten of dat in opdracht uitvoeren voor derden is gegroeid en het Voorlichtingsblad Hoogtemperatuursolderen van de FME is een standaard voor de industrie geworden. De techniek heeft in de Nederlandse industrie zijn plaats gevonden. Tekst: Henk van der Sluis 8