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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines geschweißten
Rohres nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, ein geschweißtes Rohr
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 12 sowie einen Wärmeübertrager
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 17.
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Geschweißte
Rohre haben insbesondere gegenüber gezogenen oder extrudierten
Rohren Kostenvorteile. Die Herstellung von geschweißten
Rohren erfolgt durch Umformung eines Bandmaterials zu einem Rohrquerschnitt
und anschließende Verschweißung der Bandkanten.
Dadurch entsteht eine Schweißnaht, welche sowohl nach außen
als auch nach innen über die Idealkontur des Rohres z.
B. einen Kreis-, Oval- oder Ellipsenquerschnitt übersteht. Der
Schweißnahtüberstand auf der Außenseite
des Rohres lässt sich relativ leicht entfernen, z. B. durch Abhobeln.
Probleme treten dagegen auf, wenn ein Schweißwurzelüberstand
oder ein Schweißaustrieb auf der Innenseite des Rohres
entfernt werden soll. Dies ist insbesondere bei einer späteren
mechanischen Aufweitung der Rohre, z. B. zur Verbindung mit Rippen
und/oder Rohrböden eines Wärmeübertragers
notwendig.
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Um
dieses Problem zu lösen, wurde in der
DE 44 46 563 A1 der Anmelderin
vorgeschlagen, die Bandkanten, welche mittels einer Schweißnaht
miteinander verbunden werden, derart in ihrer Wandstärke
zur reduzieren, dass sich auf der Innenseite des Rohres im Bereich
der Schweißwurzel eine Ausnehmung ergibt, welche den Überstand
der Schweißwurzel aufnimmt. Die in ihrer Wandstärke
reduzierten Bandkanten sind für den Schweißvorgang
nicht uneingeschränkt vorteilhaft, da z. B. beim Walzen Spannungen
in das Band eingebracht werden, die zu Welligkeiten in den Bandkanten
führen können, so dass diese für den
Schweißvorgang nicht optimal gefügt werden können.
Darüber hinaus kann durch das Walzen der Bandkanten eine
Veränderung der Breite des Bandmaterials hervorgerufen
werden, so dass ein zusätzlicher Beschneidungsvorgang notwendig wird.
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Durch
die
EP 1 433 547 A1 wurde
ein geschweißtes Rohr mit einem ovalen bzw. elliptischen Querschnitt
bekannt, bei welchem sich nach dem Schweißvorgang auf der
Innen- und der Außenseite des Rohres Schweißraupen
ergeben, die über die Außen- und Innenkontur des
Rohres hinausstehen. Um bei einer mechanischen Aufweitung eines
solchen Rohres die oben erwähnten Probleme zu vermeiden,
wird ein Aufweitwerkzeug mit einer Ausnehmung im Bereich der Schweißraupen
vorgeschlagen. Dadurch soll eine gleichmäßige
Aufweitung ohne lokale Überbeanspruchung im Bereich der
Schweißraupe möglich sein. Derartige Ausnehmungen
im Aufweitwerkzeug sind aufwändig und insbesondere bei
kleineren Rohrdurchmessern problematisch.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs
genannten Art zur Herstellung eines geschweißten Rohres
bereitzustellen, wodurch das Schweißen der Rohre ein späteres
Aufweiten nicht behindert. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung,
ein geschweißtes Rohr zu schaffen, welches den Aufweitprozess
nicht behindert und wirtschaftlich herstellbar ist. Schließlich
ist es auch Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager
zu schaffen, welcher wirtschaftlich herstellbar ist, insbesondere
einen Wärmeübertrager mit einem mechanisch gefügten System.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird zunächst durch die Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß werden
die Bandkanten des Bandmaterials vor dem Verschweißen abgesetzt.
Vorzugsweise geschieht dies durch einen Umformprozess im Bereich
der Bandkanten, bevor das ebene Band zu einem Rohr umgeformt wird.
Dadurch werden die Bandkanten und damit die zwischen ihnen zu legende
Schweißnaht nach außen versetzt, sodass sich auf
der Innenseite des Rohres eine Ausnehmung ergibt. Dadurch, dass
die Bandkanten dieselbe Wandstärke wie das Bandmaterial
aufweisen, ergibt sich auf der Außenseite des Rohres eine
parallel zur Schweißnaht verlaufende Ausprägung,
d. h. ein Materialüberstand gegenüber der eigentlichen
Rohrkontur. Vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren ist, dass die Bandkanten – im Vergleich zum Stand
der Technik – nicht reduziert werden, sondern ihre volle
Wandstärke behalten. Dadurch ergibt sich eine höhere
Maßhaltigkeit, insbesondere beim Schweißprozess.
Die Ausnehmung auf der Innenseite ist derart bemessen, dass sie
in der Regel den Überstand der Schweißnahtwurzel
und einen etwaigen Schweißaustrieb aufnehmen kann. Damit
ergibt sich der Vorteil, dass eine Aufweitung mit herkömmlichen
Werkzeugen (Aufweitdornen entsprechend dem Rohrquerschnitt) ohne
Beeinträchtigung durch die Schweißnaht zufriedenstellend
durchgeführt werden können. Eine Vertiefung oder
Ausnehmung am Aufweitwerkzeug ist nicht erforderlich. Sollte ein
Bereich der Schweißwurzel oder eines Schweißaustriebes
weiter als die Ausnehmung tief ist, in das Rohr hineinragen, so
ist es nach einer bevorzugten Ausführungsform möglich,
das überstehende bzw. in den Rohrquerschnitt hineinragende
Material durch den Aufweitstempel in die Ausnehmung zu verdrängen, so
dass sich eine annähernd glatte Innenoberfläche ergibt,
ohne dass der Aufweitprozess nennenswert beeinträchtigt
wird.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Absetzen
der Bandkanten durch Rollieren, d. h. durch eine spanlose Umformung,
so lange das Bandmaterial noch als Flachband vorliegt, also noch
nicht in einen Rohrquerschnitt umgeformt ist. Ein derartiger Absetzvorgang
ist wirtschaftlich und kostengünstig durchführbar,
wobei sich keine nennenswerte Veränderung der Bandbreite
ergibt. Die Bandkanten werden somit quer zur Ebene des Bandmaterials
parallel zu sich selbst versetzt, und zwar auf eine Tiefe, welche
kleiner als die Materialstärke ist. Vorteilhaft kann die
Umformung bzw. das Absetzen in einer oder zwei Stufen durch Rollieren
erfolgen.
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Nach
einer bevorzugten Verfahrensfolge wird das Bandmaterial nach dem
Absetzen der Bandkanten zu einem Rohrquerschnitt geformt, so dass die
abgesetzten Bandkanten stumpf aufeinander stoßen und vorzugsweise
mittels einer Stumpfnaht verschweißt werden können.
Der dadurch auf der Außenseite des Rohres entstehende Materialüberstand,
bedingt durch eine Ausprägung aufgrund der abgesetzten
Bandkanten und die Schweißnaht, wird nach erfolgter Verschweißung
abgetragen, und zwar vorzugsweise durch Schaben oder Fräsen,
also einen spangebenden Vorgang. Damit wird der Vorteil erreicht,
dass das Rohr anschließend außen glatt ist, d.
h. eine durchgehende Rohrkontur aufweist, welche bei einer späteren
Aufweitung gegenüber Rippen oder einem Rohrboden eine gleichmäßige
Anlage und Pressung gewährleistet. Dadurch kann ein guter Wärmeübergang
und ein fester und gegebenenfalls fluiddichter Sitz erzielt werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Rohr mit den Merkmalen
des Patentanspruches 12 gelöst. Das geschweißte
Rohr kann einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen (so
genanntes Rundrohr) oder auch einen ovalen oder elliptischen Querschnitt
haben.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Absetzung
der Bandkanten gegenüber der Bandebene ein Tiefenmaß t
auf, welche im Bereich von 30 bis 80% der Materialstärke
des Bandmaterials liegt. Durch diese Bemessung der Absetzung wird
sichergestellt, dass bei einer vollständigen Materialabtragung
auf der Außenseite des Rohres des Materialüberstandes
in jedem Falle 70 bis 20% der Materialstärke im Bereich
der Schweißnaht für die Bandkanten stehen bleiben.
Zweckmäßigerweise wird man jedoch bei einer maximalen
Absetzung von 80% der Materialstärke auf der Außenseite
nicht das gesamte überstehende Material abtragen, sondern
eine leichte Erhebung zu Gunsten einer hinreichenden Wandstärke
stehen lassen. Eine solche Erhebung, die einen flachen Wulst auf
der Außenseite bildet, weist vorzugsweise eine Höhe
von bis zu 30% der Wandstärke auf.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Innenoberfläche
des Rohres mit einer korrosionshemmenden Beschichtung, vorzugsweise einer
Schutzplattierung versehen sein, welche durch die erfindungsgemäße
Schweißnahtausbildung in Verbindung mit der Absetzung der
Bandkanten weitestgehend erhalten bleibt. Somit ergibt sich für
das Rohr ein guter Korrosionsschutz auf der Innenseite.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auch durch einen Wärmeübertrager
mit den Merkmalen des Patentanspruches 17 gelöst, wobei
der Wärmeübertrager Rohre gemäß den
vorstehenden Ansprüchen aufweist. Die erfindungsgemäßen
Rohre ermöglichen somit einen mechanisch gefügten
Wärmeübertrager, bei welchem die Rohre gegenüber
Rippen und auch Rohrböden aufgeweitet werden können,
sodass ein leistungsfähiges Rohr-Rippen-System gegeben
ist, welches wirtschaftlich herstellbar ist. Wie eingangs erwähnt,
besitzen geschweißte Rohre Kostenvorteile gegenüber
gezogenen (nahtlosen) Rohren.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es
zeigen
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1 einen
ersten Verfahrensschritt zum Absetzen einer Bandkante eines Bandmaterials,
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2 einen
zweiten Verfahrensschritt zum Absetzen der Bandkante gemäß 1,
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3a das
Bandmaterial als Flachband im Ausgangszustand,
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3b das
Flachband mit abgesetzten Bandkanten,
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3c das
zu einem Rohrquerschnitt umgeformte und, insbesondere verschweißte,
Bandmaterial,
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4a die
verschweißten Bandkanten mit Materialüberstand,
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4b die
verschweißten Bandkanten nach Entfernung des Materialüberstandes,
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5a eine
weiteres Ausführungsbeispiel für verschweißte
Bandkanten mit Materialüberstand,
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5b die
verschweißten Bandkanten gemäß 5a nach
Entfernung des Materialüberstandes und
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6 die
einzelnen Verfahrensstufen a bis f zur Herstellung eines Rohrquerschnittes
aus einem Flachband.
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1 zeigt
ein als Flachband ausgebildetes Bandmaterial 1 mit einer
Bandkante 2, welche sich in einem zweiteiligen Rollienwerkzeug,
einer oberen Rolle 3a und einer unteren Rolle 3b befindet.
Das Bandmaterial 1 ist auf seiner Oberseite mit einer Schutzplattierung 4 versehen,
welche eine korrosionshemmende Wirkung ausübt. In dem Rollienwerkzeug 3a, 3b wird
ein äußerer Abschnitt 2a von der Länge
a gegenüber dem Flachband 1 abgewinkelt (in der
Zeichnung nach oben). Dies ist der erste Verfahrensschritt zum Absetzen
der Bandkante 2 gegenüber dem Flachband 1.
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2 zeigt
den zweiten Verfahrensschritt zum Absetzen der Bandkante 2.
Das Flachband 1 durchläuft hier ein weiteres Rollenwerkzeug,
bestehend aus Oberrolle 5a und Unterrolle 5b.
Durch dieses Rollierwerkzeug wird eine Abwinklung der Bandkante 2 auf
eine Länge b erreicht. Der äußere Band kantenabschnitt 2a ist über
ein abgewinkeltes Verbindungsstück 2b mit dem
Flachband 1 verbunden. Der äußere Abschnitt 2a ist
somit parallel zur Ebene 1a des Flachbandes 1 um
das Maß t (in der Zeichnung) nach unten versetzt, wobei
mit s die Materialstärke des Flachbandes 1 einschließlich
Schutzplattierung 4 bezeichnet ist. Der Umformvorgang des
Absetzens der Bandkanten ist damit abgeschlossen.
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Nach
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind folgende Bemessungen
für die Bandkantenabsetzung in Relation zur Materialstärke
s vorgesehen: Das Maß a für den Abschnitt 2a (vgl. 1) liegt
vorzugsweise im Bereich zwischen s und 10 s. Das Maß b
(vgl. 2) liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1,5
s bis 20 s. Das Maß der Absetzung t liegt im Bereich von
0,3 s bis 0,8 s. Die Absetzung t ist somit vorzugsweise kleiner
als die Materialstärke s.
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3a zeigt
das Bandmaterial 1 als Flachband in seiner Ausgangslage.
Ein solches Flachband 1, vorzugsweise ein Aluminiumblech
wird als Halbzeug von einem nicht dargestellten Coil (Wickel) abgewickelt
und einer nicht dargestellten Rohrumformmaschine zugeführt.
Das Flachband weist im Ausgangszustand eine Breite x0 und – wie
oben erwähnt – eine Materialstärke s
auf.
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3b zeigt
das Flachband 1 nach den nächsten Verfahrensschritten
gemäß 1 und 2, d. h.
nach dem Absetzen der beiden Bandkanten 2, 7,
wobei die Bandkante 7 spiegelbildlich zur Bandkante 2 abgesetzt
ist. Die in 1 und 2 angegebenen
Maße a, b, t sind in 3b auf
die Bandkante 2 übertragen. Das Bandmaterial 1 mit
abgesetzten Bandkanten 2, 7 weist eine Breite
xf auf, die im Wesentlichen der Breite x0 des Flachbandes 1 entspricht.
Der Rolliervorgang zum Absetzen der Bandkanten wurde oben als zweistufiges
Verfahren beschrieben; möglich ist jedoch auch eine Umformung
in einem Verfahrensschritt.
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3c zeigt
das zu einem Rohrquerschnitt 8 (unvollständig
dargestellt) umgeformte Bandmaterial 1, welches im Bereich
seiner Bandkanten 2, 7 verschweißt ist.
Eine Schweißnaht 9 zwischen den Bandkanten 2, 7 weist
einen äußeren Schweißnahtüberstand 9a und
einen inneren Schweißnahtüberstand 9b auf.
Aufgrund der Absetzung der Bandkanten 2, 7 ergibt
sich ein Materialüberstand 10 gegenüber
der gestrichelt dargestellten Kreiskontur 8' des Rohrquerschnittes 8.
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4a zeigt
in vergrößerter Darstellung den Bereich der miteinander
verschweißten Bandkanten 2, 7 aus 3c.
Der Materialüberstand 10 und der Schweißnahtüberstand 9a sind
gestrichelt dargestellt – dieser Bereich wird – wie 4b zeigt – abgetragen,
z. B. durch Schaben oder Fräsen, sodass sich eine glatte
Oberfläche 11 ergibt, welche dem jeweiligen Rohrquerschnitt
entspricht. Der innere Schweißnahtüberstand 9b,
auch Schweißaustrieb genannt, wird von einer Ausnehmung 12,
welche aufgrund der abgesetzten Bandkanten 2, 7 gebildet
wird, aufgenommen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Schweißaustrieb 9b in seiner radialen
Erstreckung gleich oder geringer als die Tiefe der Ausnehmung 12.
Insofern kommt ein später in das Rohr für das
Aufweiten einzuführendes Aufweitwerkzeug nicht mit dem
Schweißaustrieb 9b in Kontakt. Somit wird der
Aufweitprozess durch die Schweißnaht nicht beeinträchtigt.
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5a zeigt
ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel für eine
Schweißnaht 16 zwischen abgesetzten Bandkanten 13, 14,
welche ebenfalls auf der Innenseite des Rohrquerschnittes eine Ausnehmung 15 bilden.
Die Schweißnaht 16 weist einen äußeren
Schweißaustrieb 16a und einen inneren Schweißaustrieb 16b auf.
Der abzutragende Materialüberstand 17 ist schraffiert
dargestellt, d. h. nach der Abtragung des Materialüberstandes 17 verbleibt eine
um den Betrag x erhabene Fläche (eine Wulst) im Bereich
der Schweißnaht 16. Die erhabene Fläche ist
in 5b mit der Bezugsziffer 18 gekennzeichnet. Der
innere Schweißaustrieb 16b in 5a ragt
um einen Betrag y in den Rohrquerschnitt hinein, würde also
mit einem Aufweitwerkzeug kollidieren. Die Ausnehmung 15 ist
in ihrer Größe derart bemessen, dass das Volumen
des Schweißaustriebes 16b beim Aufweiten durch
das Aufweitwerkzeug radial nach außen in die Ausnehmung 15 verdrängt
wird. Durch diesen Verdrängungsprozess entstehen keine
zusätzlichen Spannungen, die den Aufweitprozess beeinträchtigen
würden. Die Wandstärke des Bandmaterials bzw.
der Bankanten 13, 14 ist mit s angegeben. Nach
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Wert y,
mit dem der Schweißaustrieb 16b in den Rohrinnenquerschnitt
hineinragt, im Bereich zwischen 0 und 0,5 s liegen. Der Wert für
die Höhe x, mit der die erhabene Fläche 18 gegenüber
der Rohrkontur vorsteht, liegt im Bereich von 0 bis 0,3 s.
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6 zeigt
in schematischer Darstellung einzelne Verfahrensstufen a) bis f)
zur Herstellung eines kreisförmigen Rohrquerschnittes,
eines so genannten Rundrohres: a) zeigt das Flach- oder Glattband 1 als
Ausgangsstufe des Verfahrens zur Herstellung eines geschweißten
Rohres. b) zeigt das Glattband 1 mit abgesetzten Bandkanten 2, 7.
c), d) zeigen weitere Umformschritte des Glattbandes 1 zur Erzielung
eines Kreisquerschnittes. e) zeigt das Rohr 8 nach der
Verschweißung mit Materialüberstand. f) zeigt
einen glatten Rohrquerschnitt 8, bei welchem der Materialüberstand
auf der Außenseite abgetragen ist. In dem dargestellten
Verfahrensablauf folgt Stufe b) auf a), welches eine bevorzugte
Lösung ist. Möglich ist allerdings auch, den Umformvorgang
des Absetzens der Bandkanten später oder gleichzeitig mit
einem anderen Umformschritt, jedoch spätestens vor dem
Schweißvorgang vorzunehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4446563
A1 [0003]
- - EP 1433547 A1 [0004]