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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallrohrs
mit über
seiner Länge
unterschiedlichen Wanddicken gemäß den Merkmalen im
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Im
Bereich der Verarbeitung von Metallrohren, insbesondere der Verarbeitung
von Stahlrohren, besteht ein Bedarf an solchen Metallrohren, die
Längenabschnitte
mit unterschiedlichen Wanddicken aufweisen. In diesem Zusammenhang
zählt es
zum Stand der Technik, Metallrohre aus Blechen einzuformen, die
entweder durch Walzen erzeugte Längenbereiche
mit unterschiedlichen Dicken aufweisen oder aus miteinander verschweißten Blechabschnitten
unterschiedlicher Dicke bestehen. Derartige speziell gewalzte oder
geschweißte
Bleche werden auch Tailored Blanks genannt.
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Bei
der Herstellung von Metallrohren aus Tailored Blanks ist es aber
nachteilig, dass die Metallrohre sich in kontinuierlichen Verfahren
nicht problemlos einformen lassen. Diskontinuierliche Blecheinformverfahren
sind aufgrund der vergleichsweise langen Taktzeiten und der dadurch
bedingten geringen Ausbrin gung pro Zeiteinheit wirtschaftlich nicht interessant.
Außerdem
müssen
die Werkzeuge zur Einformung der Metallrohre an die Dickengeometrien der
Tailored Blanks angepasst sein mit der Folge, dass bei jeder Änderung
der Dickengeometrie neue Einformwerkzeuge bereitgestellt werden
müssen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
eines Metallrohrs mit über
seine Länge
unterschiedlichen Wanddicken bereit zu stellen, das ohne großen Aufwand
wirtschaftlich durchführbar
ist.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Entsprechend
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird jetzt ein geschweißtes
oder nahtlos gezogenes Metallrohr mit über seiner Länge gleicher
Ausgangswanddicke in den Längenbereichen
lokal erwärmt,
die im Vergleich zu der Ausgangswanddicke in ihrer Wanddicke verändert werden
sollen. Hierbei ist eine Temperatur erforderlich, welche die Festigkeit des
Materials des Metallrohrs so weit herabsetzt, dass ein plastisches
Fließen
eintritt, wenn das Metallrohr einer bestimmten axialen Zugkraft
unterworfen wird. Dadurch nimmt die Wanddicke in den erwärmten Längenbereichen
mit einem durch den Temperaturgradienten über der Rohrlänge in seiner
Länge einstellbaren Übergangsbereich
ab. Die lokale Erwärmung
kann vor dem Aufbringen der Zugkraft und/oder auch während des
Verformungsprozesses erfolgen. Die notwendige Temperaturerhöhung kann von
radial außen
oder von innen durchgeführt
werden.
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Der
besondere Vorteil der Erfindung liegt vor allem in der Tatsache,
dass aus relativ preiswerten konventionellen Metallrohren sogenannte
Tailored Tubes mit weitgehend frei wählbarer Wanddickengeometrie
hergestellt werden können.
Da für
andere Wanddickengeometrien nur die Prozessregelung angepasst werden
muss, sind zudem nahezu beliebig viele Variationen auch bei kleinsten
Chargen ohne relevante Erhöhung
des Herstellungsaufwands möglich.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche. Das
Einbringen der erforderlichen lokalen Wärmemenge kann durch Wärmetransport,
wie z.B. Konvektion, Konduktion oder Temperatur strahlung bzw. durch
Wärmeerzeugung,
elektrischen Widerstand oder elektromagnetische Strahlung erfolgen.
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Um
beim Aufbringen der axialen Zugkraft ein Einfallen des Metallrohrs
zu verhindern, kann in dem Metallrohr ein Stützdorn vorgesehen sein. Bevorzugt wird
jedoch zugleich mit dem Aufbringen der axialen Zugkraft ein Stützdorn im
Metallrohr axial verlagert. Dieser Stützdorn ist dann kürzer als
das Metallrohr. Wird bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
die Erwärmung
mit Hilfe einer umfangsseitig des Metallrohrs angeordneten Induktionsspule
durchgeführt,
ist es sinnvoll, den Stützdorn
geregelt mit der Induktionsspule mitzuführen. Hierbei kann dann insbesondere über die
Verlagerungsgeschwindigkeit der Induktionsspule und die Höhe der axialen
Zugkraft oder über
den geregelten Axialweg der längenveränderbaren
Bereiche des Metallrohrs die Abnahme der Wanddicke gezielt beeinflusst
werden.
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Erfolgt
nach einer Wanddickenveränderung eine
Kühlung
der erwärmten
Längenbereiche,
beispielsweise durch eine Wasserkühlung, die einer Induktionsspule
nachgeführt
wird, können
die erwärmten
Längenbereiche
des Metallrohrs auch gehärtet werden.
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In
einer weiteren Variante zur Veränderung der
Wanddicke eines Metallrohrs ist vorgesehen, dass z.B. eine im Metallrohr
axial längs
geführte
Induktionsspule zum Erwärmen
der in der Wanddicke zu verändernden
Längenbereiche
benutzt wird. Das Metallrohr wird in ein insbesondere zweiteiliges Werkzeug
gelegt. Durch das Aufbringen eines Innendrucks, z.B. eines gasförmigen Hochdrucks,
wird das nach außen
abgedichtete Metallrohr gegen die Innenwände des Werkzeugs gepresst
und auf diese Weise das Einfallen des Metallrohrs verhindert.
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Bei
der Variante mit Innendruckbeaufschlagung kann der gesamte Prozess
optional unter Schutzgas durchgeführt werden, um bei Stahlrohren deren
Verzunderung zu vermeiden.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 im
schematischen vertikalen Längsschnitt
eine Vorrichtung zur Wanddickenveränderung eines Metallrohrs;
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2 ebenfalls
im verikalen Längsschnitt eine
weitere Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Veränderung
der Wanddicke eines Metallrohrs und
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3 einen
vertikalen Querschnitt durch die Darstellung der 2 entlang
der Linie III-III in Richtung der Pfeile IIIa gesehen.
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In
der 1 ist mit 1 eine Vorrichtung zur Reduzierung
der Ausgangswanddicke AWD eines Metallrohrs 2 bezeichnet.
Die Vorrichtung 1 umfasst zwei Klemmeinheiten 3, 4,
in denen die Enden 5, 6 des Metallrohrs 2 mit über seine
gesamte Länge
L gleicher Ausgangswanddicke AWD eingespannt werden können.
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Ferner
umfasst die Vorrichtung 1 eine das Metallrohr 2 umgebende
Induktionsspule 7, die gemäß dem Pfeil Pf in Längsrichtung
des Metallrohrs 2 verlagert werden kann.
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Des
Weiteren kann der Vorrichtung 1 eine das Metallrohr 2 ebenfalls
umgebende Wasserkühlung 8 zugeordnet
sein. Die Wasserkühlung 8 kann entsprechend
dem Pfeil Pf auch in Längsrichtung
des Metallrohrs 2 bewegt werden.
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Im
Metallrohr 2 ist ein Stützdorn 9 axial
verlagerbar angeordnet. Er greift mit einer stangenartigen Verlängerung 10 durch
die Klemmeinheit 4. Die Verlängerung 10 kann einer
axialen Kraft F ausgesetzt werden. Der Außendurchmesser AD des Stützdorns 9 entspricht
im Wesentlichen dem Innendurchmesser ID des Metallrohrs 2 derart,
dass eine Axialverlagerung des Stützdorns 9 ohne wesentlichen Reibungswiderstand
gewährleistet
ist.
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Zur
Reduzierung der Ausgangswanddicke AWD in vorgegebenen Längenbereichen
LB des Metallrohrs 2 werden diese Längenbereiche LB zunächst mit
Hilfe der Induktionsspule 7 auf eine Temperatur gebracht,
die ein plastisches Fließen
des Rohrmaterials erlaubt. Wird dann über eine Klemmeinheit 3 bzw. 4 oder
werden über
beide Klemmeinheiten 3, 4 axiale Zugkräfte F1 auf
das Metallrohr 2 aufgebracht, nehmen die Wanddicken WD in
den erwärmten
Längenbereichen
LB ab. Die Größe der Wanddicke
WD kann über
die axiale Geschwindigkeit der Induktionsspule 7 und/oder
die axiale Zugkraft F1 bzw. axialen Zugkräfte F1 und/oder einen geregelten
Axialweg S einer Klemmeinheit 3 bzw. 4 oder beider
Klemmeinheiten 3, 4 gezielt beeinflusst werden.
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Der
Stützdorn 9 im
Metallrohr 2 verhindert ein Einfallen des Metallrohrs 2 unter
axialer Zugkraft F1. Er kann beispielsweise zusammen mit der Induktionsspule 7 geregelt
mitgeführt
werden.
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Die
Wasserkühlung 8 wird
dann eingesetzt, wenn eine Härtung
der erwärmten
und in der Ausgangswanddicke AWD reduzierten Längenbereiche LB gewünscht wird.
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Die
in den 2 und 3 veranschaulichte Vorrichtung 1a zur
Herstellung eines Metallrohrs 2 mit über seine Länge L unterschiedlichen Wanddicken
AWD, WD umfasst ein zweiteiliges Werkzeug 11. Die Innengeometrien
der beiden Werkzeugteile 12, 13 sind an die Außengeometrie
des bereichsweise in der Ausgangswanddicke AWD zu verändernden Metallrohrs 2 angepasst.
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Die
beiden Enden 5, 6 des Metallrohrs 2 können wie
bei der Vorrichtung 1 der 1 in zwei Klemmeinheiten 3, 4 eingespannt
werden. Die Klemmeinheiten 3, 4 sind einzeln oder
gemeinsam axial verlagerbar.
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In
dem Metallrohr 2 ist eine Induktionsspule 14 axial
verlagerbar. Ihre mechanischen und elektrischen Zuleitungen 15 sind
durch die Klemmeinheit 4 nach außen geführt.
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Außerdem kann
in dem Metallrohr 2 mit Hilfe insbesondere von Gas ein
bestimmter Innendruck P aufgebracht werden. Zu diesem Zweck sind
die Enden 5, 6 des Metallrohrs 2 in den
Klemmeinheiten 3, 4 gasdicht absperrbar.
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Nach
dem Einlegen des Metallrohrs 2 in das Werkzeug 11 und
Schließen
der Werkzeugteile 12, 13 werden die Enden 5, 6 in
den Klemmeinheiten 3, 4 ver spannt. Zur Reduzierung
der Ausgangswanddicke AWD in den vorgesehenen Längenbereichen LB des Metallrohrs 2 wird
die Induktionsspule 14 in diese Längenbereiche LB verbracht und
diese werden so erwärmt,
dass ein plastisches Fließen
des Rohrmaterials ermöglicht
wird. Nach dem Erwärmen
kann eine Klemmeinheit 3 bzw. 4 oder es können beide Klemmeinheiten 3, 4 axial
verlagert werden. Dadurch wird eine Zugkraft F1 auf das Metallrohr 2 aufgebracht,
die das Metallrohr 2 in den erwärmten Längenbereichen LB streckt und
dadurch hier die gewünschte
Wanddicke WD erzeugt.
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Damit
ein Einfallen des Metallrohrs 2 in den erwärmten Längenbereichen
LB verhindert wird, kann der Innendruck P aufgebracht werden, der
das Metallrohr 2 an die Innengeometrie der Werkzeugteile 12, 13 presst.
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Wird
ein Stahlrohr als Metallrohr 2 verformt, kann der gesamte
Prozess unter Schutzgas erfolgen, um eine Verzunderung des Stahlrohrs
zu verhindern.
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Die
gewünschte
Wanddicke WD wird wie bei der Vorrichtung 1 und dem Verfahren
der 1 über die
axiale Geschwindigkeit der Induktionsspule 14 und/oder
die axiale Zugkraft F1 und/oder den Axialweg S der Klemmeinheit 3 bzw. 4 oder
beider Klemmeinheiten 3, 4 geregelt.
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- 1
- Vorrichtung,
- 1a
- Vorrichtung
- 2
- Metallrohr
- 3
- Klemmeinheit
- 4
- Klemmeinheit
- 5
- Ende
v. 2
- 6
- Ende
v. 2
- 7
- Induktionsspule
- 8
- Wasserkühlung
- 9
- Stützdorn
- 10
- Verlängerung
v. 9
- 11
- Werkzeug
- 12
- Werkzeugteil
- 13
- Werkzeugteil
- 14
- Induktionsspule
- 15
- Zuleitungen
v. 14
- AD
- Außendurchmesser
v. 9
- AWD
- Ausgangswanddicke
v. 2
- F
- Zugkraft
- F1
- Zugkraft
- ID
- Innendurchmesser
v. 2
- L
- Länge v. 2
- LB
- Längenbereich
v. 2
- P
- Innendruck
in 2
- Pf
- Pfeil
- S
- Axialweg
v. 3, 4
- S1
- Geschwindigkeit
v. 14