DE10021809C1 - Fügeverbindung eines Rohres in einem Flansch - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fügeverbindung eines Rohres in einem Flansch eines Bauteils, wobei das Rohr in eine Durchführung des Bauteils eingesteckt ist und eine Außenwandung des Rohrs zumindest teilweise an einer Innenwandung des Flansches anliegt und wobei ein Ende des Flansches mit einer umlaufenden Schweißnaht an der Außenwandung festgelegt ist. Erfindungsgemäß ist der Flansch zumindest im Bereich der Schweißnaht zur Rohraußenwandung radial beabstandet angeordnet, so daß dadurch ein Hohlraum ist, der durch einen Zusatzwerkstoff nahezu vollständig ausgefüllt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fügeverbindung eines Rohres in einem Flansch gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 35 40 231 C2 ist eine Anordnung bekannt, bei der ein Rohr in einem Gehäuse befestigt ist. Ein Außenmantel weist eine Öffnung auf, an der ein Flansch angeformt ist. In den Flansch ist konzentrisch ein Gaseintrittsrohr eingebracht, dessen Außenwandung ringförmig an der Innenwandung des Flansches anliegt. Wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, erfolgt die Festlegung des Gaseintrittsrohrs am Flansch über eine an der Abschlußkante des Flansches umlaufende Kehlschweißnaht. Bei der Fertigung derartiger Konstruktionen wird der Flansch an das Rohr mittels einer Spannvorrichtung angepreßt, so daß der toleranzbedingte Spalt zwischen Abschlußkante und zu verschweißendem Rohr geschlossen wird. Nach dem Schweißen ergibt sich eine ungünstig hohe Kerbzahl in der Schweißnaht, die insbesondere bei hoher Schwingungsbelastung auf die Bauteilanordnung brechen kann.

Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Fügeverbindung eines Rohrs in einem Flansch zu gestalten, bei der selbst bei dynamischer Belastung unter Beibehaltung der bekannten Fertigungstechnik die Kerbzahl in der Schweißnaht verringert und so eine höhere Haltbarkeit der Fügeverbindung erzielt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 ist ein radialer Hohlraum zwischen dem zu verschweißenden Ende des Flansches und dem entsprechenden Bereich des Rohres vorgesehen, damit die Kerbung zwischen Flansch und Rohr so gering wie möglich gehalten wird, wobei die bei der Fertigung auf den Flansch aufgebrachten Zuhaltekräfte den Hohlraum nicht überdecken. Der so entstandene Spalt wird mit dem Zusatzwerkstoff eines entsprechenden Schweißverfahrens, wie beispielsweise dem MAG-Schweißen, geschlossen, um die notwendige Festlegung zu erreichen. Durch den radialen Hohlraum wird eine abgerundete Form zwischen Flansch, Schweißnaht und Rohr erreicht, die die Kerbung in der Schweißnaht reduziert und insbesondere bei im Betriebszustand auf die Fügeverbindung wirkenden Kräften eine längere Lebensdauer bewirkt. In der Praxis hat sich ein Spalt bewährt, der in etwa der 1- bis 3-fachen Blechdicke des Flansches entspricht. Die vergrößerte Toleranz zwischen dem Außendurchmesser des Rohres und dem Innendurchmesser des Flansches unterstützt zudem ein einfacheres Einstecken des Rohres in den Flansch.

Um den Hohlraum zwischen Rohr und Flansch im Bereich der Schweißnaht auch während des Anschweißvorgangs zu erhalten, sind Abstandsmittel gemäß Anspruch 2 vorgesehen, die axial versetzt zur Schweißnaht angeordnet sind. Damit nicht der Bereich der Schweißnaht mit den radial wirkenden Zuhaltekräften beaufschlagt wird, sind die Abstandsmittel vorzugsweise dort angeordnet, wo auch die Zuhaltekräfte wirken. In Abhängigkeit der konstruktiven Möglichkeiten der Bauteile sind die Abstandsmittel sowohl an dem Rohr als auch an dem Flansch anbringbar.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach Anspruch 3 besteht darin, daß ein dem Flansch zugeordnetes Abstandsmittel eine umlaufend in den Flansch eingeformte Sicke ist. Die Sicke kann beispielsweise u-förmig an der Innenwandung des Flansches ausgebildet sein, so daß die Tiefe der Sicke der Höhe des gewünschten Hohlraums zwischen Rohr und Flansch entspricht. Die Sicke ist in ihrer Form vorzugsweise der Form des Spannwerkzeugs angepaßt und liegt ringförmig auf dem Rohr auf.

Alternativ gemäß Anspruch 4 kann der innerhalb des Flansches angeordnete Rohrbereich kegelstumpfförmig aufgeweitet sein, um den Hohlraum zwischen Flansch und Rohr herzustellen. Durch die kegelstumpfförmige Aufweitung des Rohrs wird ebenfalls eine ringförmige Auflagefläche des Flansches auf dem Rohr erreicht.

Bei bereits gefertigten Bauteilen, bei denen nachträglich kein Abstandsmittel mehr anbringbar ist, kann der Hohlraum nach Anspruch 5 durch eine auf das Rohr aufschiebbare Hülse realisiert werden, die in beliebigen axialen Abstand zur Schweißnaht angeordnet werden kann. Hülsen aus Drahtgeflecht beispielsweise können in einfacher Art auf das Rohr geschoben werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind im folgenden anhand der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigen:

Fig. 1 Eine aus dem Stand der Technik bekannte Fügeverbindung zwischen einem Rohr und einem Flansch,

Fig. 2 Detail A gemäß Fig. 1,

Fig. 3 Detail A analog Fig. 1 in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit reduzierter Kerbwirkung durch eingeprägte Sicke,

Fig. 4 Detail A analog Fig. 1 in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit reduzierter Kerbwirkung durch aufgeweitetes Rohr,

Fig. 5 Detail A analog Fig. 1 in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit reduzierter Kerbwirkung durch Hülse sowie

Fig. 6 eine Ausgestaltung der Erfindung bei einer mehrschnittigen Fügeverbindung.

In Fig. 1 ist eine Rohr-Flansch-Verbindung nach dem Stand der Technik dargestellt, bei der ein Rohr 1, beispielsweise ein Abgasrohr, konzentrisch in einem Bauteil 2, beispielsweise einem Abgastopf, mittels Schweißnaht 3 befestigt ist. Das Bauteil 2 weist dazu eine Öffnung 4 auf, die als Flansch 5 ausgebildet ist. Der vordere Bereich 6 des Flansches 5 liegt mit seiner Innenwandung 7 an der Außenwandung 8 des Rohres 1 an. Durch die umlaufende Schweißnaht 3 wird das Rohr 1 in dem Flansch 5 als nicht lösbar Verbindung festgelegt. Während der Fertigung dieser Fügeverbindung wirken mittels einer nicht näher dargestellten Spannvorrichtung Zuhaltekräfte F auf den Flansch 5. Dadurch wird der Flansch 5 so auf das Rohr 1 gepreßt, daß der toleranzbedingte Spalt zwischen Rohr 1 und Flansch 5 geschlossen wird. Nach Wegfall der Zuhaltekräfte F entspannt sich der Flansch 5, so daß unter ungünstigen Bedingungen bereits im nicht schwingungsbelasteten Zustand des Bauteils 2 Kerbspannungen in der Schweißnaht 3 auftreten können.

Fig. 2 verdeutlicht den Kraftfluß innerhalb des Flansches 5 und des Rohres 1 im Bereich der Schweißnaht 3. Sobald die Rohr- Flansch-Verbindung im Betriebszustand dynamischen Schwingungsbelastungen gemäß Pfeil M unterliegt, können Zugkräfte im Flansch 5 in Pfeilrichtung B wirken, die sich bis in die Schweißnaht 3 fortsetzen. Die spitzwinklige Anordnung zwischen Flansch 5 und Rohr 1 im Bereich der Schweißnaht 3 bewirkt eine Krafteinleitung gemäß dem Pfeil C und somit eine scharfe Kerbe 9 in der Schweißnaht 3, die zum Bruch der Schweißnaht führen kann.

Mit der in Fig. 3 dargestellten Rohr-Flansch-Verbindung kann eine derartig scharfe Kerbung effektiv vermieden werden. Die Anordnung von Rohr 1 in einem Bauteil 2 entspricht der in Fig. 1 dargestellten Anordnung. Im Gegensatz dazu weist der an dem Bauteil angeformte Flansch 5' eine umlaufende Sicke 10 auf, die während der Herstellung des Bauteils 2 beispielsweise mit eingeprägt werden kann. Die Sicke 10 ist im wesentlichen u- förmig gestaltet, so daß die Innenkontur 7' des Flansches 5' nur im Bereich der Sicke 10 ringförmig auf der Außenkontur 8 des Rohres 1 aufliegt. Der vordere Bereich 6' des Flansches 5' liegt somit nicht auf dem Rohr 1 auf, sondern ist durch einen radialen Hohlraum 11 mit einer Höhe h von der Außenkontur 8 des Rohrs 1 beabstandet. Der radiale Hohlraum 11 wird zur Festlegung der Rohr-Flansch-Verbindung mit einem Zusatzwerkstoff des entsprechenden Schweißverfahrens, wie beispielsweise das MAG-Schweißen, mit der Schweißnaht 3' geschlossen.

Durch den radialen Hohlraum 11 läßt sich das Rohr 1 besonders einfach in die Öffnung 4' des Flansches 5' einfädeln und hindurchschieben. Zusätzlich wird das Rohr 1 durch die Innenkontur 7' im Bereich der Sicke 10 in der Öffnung 4' zentriert. Danach wird mit einer nicht näher dargestellten Spanneinrichtung der Flansch 5' im Bereich der Sicke 10 mit einer Zuhaltekraft F' an das Rohr 1 gepreßt. Da die Sicke 10 mit ihrer Kontur an die Form des Spannwerkzeugs in etwa angepaßt ist, wird der vordere Bereich 6' nicht mit an das Rohr 1 gepreßt. Dementsprechend bleibt der radiale Hohlraum 11 erhalten, der dann durch den abschmelzenden Schweißdraht des Schweißverfahrens geschlossen wird. Nach Wegfall der Zuhaltekraft F' kann sich der Flansch 5' im Einspannbereich entspannen, ohne daß in der Schweißnaht eine erhöhte Kerbspannung erzeugt wird.

Bei dynamischer Schwingungsbelastung auf die Rohr-Flansch- Verbindung wirkt der bereits in Fig. 2 erläuterten Kraftvektor B und setzt sich ebenfalls bis in die Schweißnaht 3' fort. Durch die den radialen Hohlraum 11 überdeckenden Schweißnaht 3' ist die Anordnung zwischen vorderem Bereich 6' des Flansches 5' und dem Rohr 1 nicht mehr spitzwinklig, sondern hat eher eine abgerundete Form, so daß ein Kraftfluß unterstützt wird, der in etwa dem Pfeil C' entspricht.

Aus Fig. 4 geht eine weitere Ausführungsform für eine Rohr- Flansch-Verbindung mit reduzierter Kerbwirkung hervor. Dabei wird der radiale Hohlraum 11 durch eine kegelstumpfförmige Aufweitung des Rohrs 1" in seinem im Flansch 5" angeordneten Bereich 12 erzeugt. Die Wirkungsweise des radialen Hohlraums 11 auf die Kerbung in der Schweißnaht 3" ist analog zu der in Fig. 3 erläuterten Wirkungsweise. Auch hier wird ein Kraftfluß C" unterstützt, sobald die mit Pfeil B dargestellte Belastungskraft auftritt. Anwendung kann diese Ausführungsform insbesondere dann finden, wenn zwar das Rohr 1 vom Bauteil 2 aus in die Öffnung 4" eingebracht werden kann, die Bauraumverhältnisse ein Schweißen von innen jedoch nicht zulassen.

Bei konstruktiv nachträglich nicht mehr veränderbaren Bauteilen ist eine Lösung gemäß Fig. 5 möglich. Dazu wird als Abstandsmittel zwischen Flansch 5 und Rohr 1 eine Hülse aus Drahtgeflecht 13 eingesetzt. Diese kann in einfacher Art vor dem Fügeprozeß auf das Rohr 1 geschoben werden. Bei der Materialwahl für die Hülse ist zu berücksichtigen, daß die Hülse nur wenig komprimierbar sein sollte, damit der radiale Hohlraum 11 zwischen Rohr 1 und Flansch 5 auch bei wirkender Zuhaltekraft F bestehen bleibt, so daß die Kerbspannung ebenfalls reduziert ist.

In Fig. 6 ist eine Möglichkeit aufgezeigt, wie auch bei einer mehrschnittigen Schweißung die Kerbung in der Schweißnaht reduziert und somit deren Haltbarkeit erhöht werden kann. Dazu wird zwischen den zu verschweißenden Flanschen 14 und 15 zusätzlich ein radialer Hohlraum 16 mit einer Höhe H durch eine im Flansch 15 eingeprägte Sicke 17 erzeugt. Ein radialer Hohlraum 18 mit seiner Höhe h zwischen dem Flansch 14 und dem Rohr 1 wird ebenfalls durch eine Sicke 19 im Flansch 14 gebildet. Die Abstände 16 und 18 zwischen Rohr 1, Flansch 14 und Flansch 15 können in einem einzigen Arbeitsschritt durch eine Schweißnaht 20 geschlossen werden. Die Reduzierung der Kerbwirkung in der Schweißnaht 20 durch die Verbesserung des Kraftflusses gemäß den mit D bezeichneten Pfeilen erfolgt analog zu den bereits in Fig. 3 bis 5 beschriebenen Wirkungsweisen.

In Ausgestaltung der Erfindung ist es selbstverständlich möglich, die Ausführungsformen miteinander zu kombinieren, um einen radialen Hohlraum (11, 16, 18) für eine Rohr-Flansch- Verbindung zu erzeugen. Gleichsam sind andere konstruktive Abstandsmittel zur Erzeugung des radialen Hohlraumes einsetzbar, wie beispielsweise eine auf dem Rohr angeordnete umlaufende Außensicke.

Claims (5)

1. Fügeverbindung eines Rohres in einem Flansch eines Bauteils, wobei das Rohr in eine Durchführung des Bauteils eingesteckt und eine Außenwandung des Rohrs zumindest teilweise an einer Innenwandung des Flansches anliegt und wobei ein Ende des Flansches mit einer umlaufenden Schweißnaht an der Außenwandung festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (5, 5', 5", 14, 15) zumindest im Bereich der Schweißnaht (6, 6', 6", 6''') zur Rohraußenwandung (8) radial beabstandet angeordnet und dadurch ein Hohlraum (11, 16, 18) gebildet ist, der durch einen Zusatzwerkstoff nahezu vollständig ausgefüllt ist.

2. Fügeverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (11, 16, 18) zwischen Flansch (5, 5', 5", 14, 15) und Rohr (1, 1") durch ein dem Flansch (5', 14, 15) und/oder dem Rohr (1, 1") zugeordneten Abstandsmittel gebildet ist, das in einem axialen Abstand zur Schweißnaht (3', 3", 3''', 20) angeordnet ist.

3. Fügeverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Flansch (5', 14, 15) zugeordnete Abstandsmittel als eine umlaufende Sicke (10, 17, 19) ausgebildet ist, die auf dem Rohr (1) ringförmig aufliegt.

4. Fügeverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Rohr (1") zugeordnete Abstandsmittel als ein kegelstumpfförmig aufgeweiteter Bereich (12) ausgebildet ist, der sich in den Flansch (5") hinein erstreckt.

5. Fügeverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Rohr (1) zugeordnete Abstandsmittel als eine auf dem Rohr (1) angeordnete Hülse (13) ausgebildet ist.