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Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit mindestens zwei miteinander verschweißten Teilen.
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Schweißnähte müssen bei vielen Anlagen oder Vorrichtungen hohen statischen und/oder dynamischen Belastungen standhalten. Dies trifft z. B. auf Hydraulikzylinder von Betonpumpen zu, insbesondere Hydraulikzylinder, die mit einem hohen Druck (zum Teil über 350 bar) beaufschlagt werden. Die Schweißnaht zwischen dem Zylinderboden und dem Zylinderrohr des Hydraulikzylinders ist dabei in vielen Fällen hohen statischen und/oder dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt. Es ist bekannt, dass die Schweißnaht dabei meist besonders stark im Bereich ihrer Schweißnahtwurzel beansprucht wird. Die Schweißnahtwurzel stellt eine Schwachstelle dar, die z. B. durch die Geometrie der Schweißnaht (Kerbwirkung) bedingt sein kann. Ein Bindefehler oder ein sich mit der Zeit ausbildender Riss in der Schweißnahtwurzel kann zum Versagen der gesamten Schweißnaht führen. Zum Teil wird durch mechanische Nachbearbeitung versucht, die Schweißnaht belastbarer zu machen, insbesondere durch Entfernen von überstehenden Abschnitten der Schweißnahtwurzel, wodurch die geometrische Kerbe beseitigt wird. Jedoch ist eine solche Nachbearbeitung nicht in allen Fällen möglich, z. B. aufgrund der Anordnung der Schweißnaht. Außerdem bedeutet die Nachbearbeitung zusätzlichen Aufwand und Kosten. Eine Alternative hierzu ist, die Schweißnaht für stärkere Belastungen auszulegen als die tatsächlich auftretenden Belastungen. Eine stärkere Schweißnaht erfordert meist aber auch größere Materialstärken der zu verbindenden Bauteile, zumindest im Bereich der Schweißnaht. Dies bedeutet einen höheren (Material-)Aufwand, einen höheren Energieverbrauch, höhere Kosten und ein höheres Gewicht der Bauteile.
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Die
DE 1 900 951 A zeigt eine Schweißverbindung zwischen einem Zylinderkopf und einer Zylinderwand eines Hydraulikzylinders, bei der sich die Schweißnaht in einer tiefen Umfangsnut mit divergierenden Seitenwänden und einem bogenförmigen Boden befindet, wobei die Umfangsnut in das Vollmaterial des Zylinderkopfes eingebracht ist. Jeweils eine der Seitenwände wird durch den Zylinderkopf und die Zylinderwand gebildet. Die Umfangsnut reicht dabei weiter nach innen als die zylindrische Oberfläche des Zylinderkopfes, an der der Zylinderkopf und die Zylinderwand aneinander zur Anlage kommen. Hierdurch kann die Schweißwurzel bei Belastung des Hydraulikzylinders auch auf Druck beansprucht werden, was zu einer Scherspannung innerhalb der Schweißnaht führt. Dies bewirkt eine geringere Spannungsbelastung pro Flächeneinheit. Die Schweißnaht wird in drei oder mehr Verfahrensschritten in die Umfangsnut eingebracht, wobei die Schweißnaht nach und nach vom Boden der Umfangsnut her aufgebaut wird.
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Die
JP 2006 065 561 A offenbart eine Stumpfnaht zwischen Rohrenden zweier Rohre. Das erste Rohr weist einen inneren Endabschnitt und eine daran anschließende Schrägkante auf. Das zweite Rohr weist einen äußeren Endabschnitt und eine daran anschließende Schrägkante auf. Die Schweißnaht ist zwischen den Schrägkanten und dem inneren Endabschnitt angeordnet.
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Die
DE 10 2010 034 388 A1 offenbart ein Verfahren zum Strahlschweißen von mindestens zwei Bauteilen, wobei das erste Bauteil eine Zentrierlippe aufweist und zwischen der Zentrierlippe und dem zweiten Bauteil ein Abstandelement angeordnet ist. Dies bewirkt eine Verminderung des Spannungsrissrisikos.
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Die
JP 2010-242 856 A zeigt ein Gestängerohr, das mit seinem Endabschnitt mit einem Fixierzylinder an einem Kolben angeschweißt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist, ein geschweißtes Bauteil bereitzustellen, das eine gute Festigkeit aufweist, insbesondere bei dynamischer Belastung. Gleichzeitig soll die Herstellung möglichst einfach und kostengünstig sein.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Bauteil ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch, d. h. symmetrisch um eine Mittenlängsachse ausgebildet und weist eine im Wesentlichen zylindrische Wandung auf, besteht aus mindestens zwei miteinander verschweißten Teilen und weist mindestens eine einen ersten Teil mit einem zweiten Teil verbindende Schweißnaht auf, die eine vorgegebene Tiefe und eine Schweißnahtwurzel hat.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass an dem ersten Teil und/oder an dem zweiten Teil in einem an die Schweißnaht angrenzenden Bereich der zylindrischen Wandung ein verschmälerter Steg ausgebildet ist, wobei die Wandstärke des ersten bzw. zweiten Teils im Bereich des verschmälerten Stegs kleiner ist als die Tiefe der Schweißnaht. Hierdurch kann der Kraftfluss in der Schweißnaht an einer möglicherweise vorliegenden Schwachstelle im Bereich der Schweißnahtwurzel vorbeigeführt werden. Die Schweißnahtwurzel kann entlastet werden. Die Beanspruchung in der Schweißnahtwurzel wird reduziert. Dabei kann die Standzeit eines erfindungsgemäß ausgestalteten Hydraulikzylinders bzw. der Schweißverbindung erhöht werden, schätzungsweise um mindestens 100%. Eine statische und/oder dynamische Belastung, insbesondere aufgrund wechselnder Drücke oder hoher Druckspitzen eines Hydraulikfluids, kann auf materialschonende Weise aufgenommen werden. Auch kann eine kostengünstige Herstellung erfolgen, insbesondere mit weniger Material oder kostengünstigem Material.
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Unter einem Bauteil ist im Sinne der Erfindung jedes Bauteil zu verstehen, das hohen statischen und/oder dynamischen Belastungen standhalten muss, wobei die Belastungen zumindest teilweise durch die Schweißverbindung übertragen werden.
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Unter Schweißnahtwurzel (oder kurz: Wurzel) ist im Sinne der Erfindung der Bereich der Schweißnaht zu verstehen, in dem die Schweißnaht bzw. eine Nut, in der die Schweißnaht vorgesehen wird, spitz zuläuft. Die Schweißnahtwurzel stellt üblicherweise den Bodenbereich der Schweißnaht dar. Im Bereich der Wurzel liegt am wenigsten Schweißmaterial zwischen den zu verbindenden Bauteilen vor.
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Unter einem verschmälerten Steg ist im Sinne der Erfindung eine Materialverjüngung, Einschnürung oder dergleichen zu verstehen, die durch einen Abschnitt reduzierter Wandstärke der zylindrischen Wandung gegenüber der Wandstärke in angrenzenden Abschnitten der Wandung gebildet ist.
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Unter dem an die Schweißnaht angrenzenden Bereich wird im Sinne der Erfindung derjenige die zylindrische Wandung bildende Bereich des betreffenden Teils verstanden, über den der Kraftfluss in die Schweißnaht eingeleitet wird. Dieser Bereich kann sich z. B. innerhalb eines Abstands von der Schweißnaht befinden, der maximal dem 10-fachen, bevorzugt maximal dem 5-fachen, besonders bevorzugt maximal dem 3-fachen der maximalen Breite der Schweißnaht entspricht.
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Die Erfindung eignet sich, wie bereits erwähnt, besonders für Schweißverbindungen bei Hydraulikzylindern. Dabei ist der erste Teil ein Zylinderrohr eines Hydraulikzylinders, und der zweite Teil ein Zylinderboden des Hydraulikzylinders. Ebenso kann der erste Teil eine Hubkolbenstange eines Hydraulikzylinders sein, und der zweite Teil ein Stangenkopf des Hydraulikzylinders. In diesen Fällen weist der erste bzw. zweite Teil im Bereich des verschmälerten Stegs einen Innendurchmesser auf, der größer ist als der Innendurchmesser des ersten bzw. zweiten Teils außerhalb des verschmälerten Stegs. Bevorzugt weist der verschmälerte Steg eine Innenmantelfläche auf, die zumindest teilweise weiter außen angeordnet ist als die Wurzel der Schweißnaht. Die Wurzel ist dadurch weiter innen angeordnet als die Innenmantelfläche des verschmälerten Stegs. Hierdurch kann die angestrebte Entlastung der Wurzel auf effektive Weise erfolgen. Der verschmälerte Steg ist an dem zweiten Teil vorgesehen, d. h. am Zylinderboden bzw. am Stangenkopf. Mit anderen Worten ist der verschmälerte Steg vom ersten Teil aus gesehen jenseits der Schweißverbindung angeordnet.
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Bevorzugt ist die Schweißverbindung als eine einzelne umlaufende Schweißnaht ausgebildet. Hierdurch kann eine gute Festigkeit und eine symmetrische Belastung erzielt werden.
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Bevorzugt beträgt die Wandstärke des ersten bzw. zweiten Teils im Bereich des verschmälerten Stegs ca. 75–95% der Schweißnahttiefe,
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der verschmälerte Steg durch eine gefräste Ausnehmung oder durch einen Freistich gebildet. Eine gefräste Ausnehmung oder ein Freistich liefert den Vorteil einer einfachen und kostengünstigen und auch spannungsarmen Ausgestaltung des Stegs.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der erste oder zweite Teil einen die Schweißnaht überlappenden Fortsatz (eine sogenannte Schweißbadsicherung) auf, wobei der Fortsatz die Schweißnaht bevorzugt innen an der Schweißnahtwurzel überlappt. Die Schweißbadsicherung hat einerseits die Funktion, die Schweißnaht gegenüber dem Innenraum des Zylinders abzuschotten, damit kein Schweißgut beim Schweißvorgang in den Zylinder eindringen kann, andererseits hat der Fortsatz bei der Montage vor dem Schweißvorgang eine zentrierende Wirkung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Bauteil zwei verschmälerte Stege angrenzend an die Schweißnaht auf, wobei an jedem der beiden Teile jeweils ein verschmälerter Steg vorgesehen ist. Hierdurch kann das gezielte Vorbeiführen des Kraftflusses an der Wurzel auf noch effektivere Weise erfolgen.
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Anhand der Zeichnungen werden im Folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
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Es zeigen:
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1: in einer geschnittenen Seitenansicht eine schematische Darstellung eines Hydraulikzylinders, der im Bereich eines Zylinderbodens bzw. im Bereich eines Stangenkopfes eine Schweißnaht aufweist;
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2a: in einer Detailansicht gemäß dem in 1 angedeuteten Detail A eine schematische Darstellung einer Schweißnaht gemäß dem Stand der Technik;
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2b: in einer weiteren Detailansicht gemäß dem in 1 angedeuteten Detail A eine schematische Darstellung einer bearbeiteten Schweißnaht gemäß dem Stand der Technik;
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3: in einer Detailansicht gemäß dem in 1 angedeuteten Detail A eine schematische Darstellung einer Schweißnaht gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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4: in einer Detailansicht gemäß dem in 1 angedeuteten Detail A eine schematische Darstellung einer Schweißnaht gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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5: in einer Detailansicht gemäß dem in 1 angedeuteten Detail A eine schematische Darstellung einer Schweißnaht gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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6: in einer Detailansicht gemäß dem in 1 angedeuteten Detail A eine schematische Darstellung einer Schweißnaht gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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7: in einer Detailansicht gemäß dem in 1 angedeuteten Detail A eine schematische Darstellung einer Schweißnaht gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In der 1 ist ein Hydraulikzylinder 1 gezeigt, der ein Zylinderrohr 2 und eine darin angeordnete Hubkolbenstange 4 aufweist. Das Zylinderrohr 2 ist mittels einer Schweißnaht 10' mit einem Zylinderboden 3 verbunden, und die Hubkolbenstange 4 ist mittels einer Schweißnaht 10' mit einem Stangenkopf 5 verbunden. Der Hydraulikzylinder 1 erstreckt sich entlang einer Mittenlängsachse M.
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In der 2a ist das in 1 angedeutete Detail A gezeigt. Die 2a zeigt die Anordnung und den Aufbau der Schweißnaht 10' gemäß dem Stand der Technik. Das Zylinderrohr 2 weist eine Wandstärke t auf, und die Schweißnaht 10' ist an einer Stirnseite des Zylinderrohrs 2 vorgesehen und über die gesamte Tiefe bzw. Wandstärke t des Zylinderrohrs 2 ausgebildet. Die Schweißnaht 10' weist eine Schweißnahtwurzel 11' auf, die in einem Bereich angeordnet ist, in dem der Zylinderboden 3 an das Zylinderrohr 2 angrenzt.
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In der 2b ist eine Variante der Schweißverbindung gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Die Schweißnaht 10' ist etwas beabstandet vom Zylinderboden 3, d. h. im Bereich der Wandung des Hydraulikzylinders 1 angeordnet. Vor einem Nachbearbeitungsschritt ist die Schweißnahtwurzel 11' im Bereich der Innenmantelfläche 12a des Zylinderrohrs 2 angeordnet. Die Innenmantelfläche 12a, 12b des Zylinderrohrs 2 ist nach dem Verschweißen durch Materialabtrag bearbeitet worden, so dass die Wandstärke t des Zylinderrohrs 2 nach der Bearbeitung kleiner ist. Die Schweißnahtwurzel 11' ist in diesem Fall nach der Bearbeitung weniger spitz. Sie wird durch die Bearbeitung abgeflacht, so dass weniger Spannungsspitzen entstehen.
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Die nachfolgenden Ausführungen zur Schweißverbindung bzw. Schnittstelle zwischen Zylinderrohr 2 und Zylinderboden 3 (entsprechend Detail A) gelten gleichermaßen für eine Schweißverbindung bzw. Schnittstelle zwischen der Hubkolbenstange 4 und dem Stangenkopf 5 (entsprechend dem Bereich des in 1 angedeuteten Details B).
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In der 3 ist die Schweißnaht 10 mit Schweißwurzel 11 gezeigt, die zwischen dem Zylinderrohr 2 (erster Teil) und dem Zylinderboden 3 (zweiter Teil) angeordnet ist. Der erste Teil 2 weist einen Innendurchmesser D und eine Wandstärke t auf, und der zweite Teil 3 weist einen Zylinderabschnitt 3a, 5a auf der einen Innendurchmesser D1 und eine Wandstärke t1 aufweist. Dabei gelten erfindungsgemäß die folgenden Größenverhältnisse: D1 > D und t1 < t. Der Zylinderabschnitt 3a, 5a, der einen Teil der zylindrischen Wandung des Hydraulikzylinders 1 bildet, ist abschnittsweise als verschmälerter Steg 7 ausgeführt, der eine Wandstärke aufweist, die kleiner ist als die Stärke ts der Schweißverbindung 10, d. h. kleiner als die Tiefe ts der Schweißnaht 10. Der verschmälerte Steg 7 kann auch als Ausnehmung oder Freistich bezeichnet werden, die bzw. der zum Beispiel mittels Fräsen oder Drehen eingebracht wird. An dem Zylinderabschnitt 3a, 5a ist ferner ein die Schweißnahtwurzel 11 überlappender Fortsatz 3.1, 5.1 vorgesehen. Der Freistich 7 weist eine Seitenwand 7.1 auf, die in den Fortsatz 3.1, 5.1 übergeht. Die Seitenwand 7.1 ist dabei zumindest annähernd parallel zu der Seitenwand der Nut für die Schweißnaht 10 ausgebildet.
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Indem die Wandstärke t1 kleiner als die Wandstärke t und die Stärke ts der Schweißnaht 10 gewählt wird, kann erfindungsgemäß der Kraftfluss über die Schweißnahtwurzel 11 reduziert werden. Dabei ist von Bedeutung, dass der verschmälerte Steg 7 an der zylindrischen Wandung ausgebildet ist, d. h. nicht an der links in 3 dargestellten Bodenwandung des Zylinders, die senkrecht zur zylindrischen Wandung verläuft. Somit verläuft die Längserstreckung des Stegs 7 im Wesentlichen parallel zum Kraftfluss.
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In der 4 ist eine Variante gezeigt, bei der die Wandstärke t1 in etwa gleich der Stärke ts der Schweißnaht 10 bzw. der Wandstärke t ist. An dem Zylinderabschnitt 3a, 5a ist kein verschmälerter Steg ausgebildet, dieser liegt vielmehr an dem ersten Teil 2, 4 vor, speziell in Form einer bogenförmigen Ausnehmung 7. Die Ausnehmung bzw. der verschmälerte Steg 7 weist an der tiefsten Stelle einen Innendurchmesser D2 und eine Wandstärke t2 auf und hat einen bogenförmigen Querschnitt. Es gelten die folgenden Größenverhältnisse: D2 > D und t2 < t. Auch bei dieser Variante wird der Kraftfluss über die Schweißnahtwurzel 11 reduziert. Wie auch bei dem Ausführungsbeispiel der 3 wird der Kraftfluss auf einer Seite der Schweißnaht 10 mittels des verschmälerten Stegs 7 eingeengt.
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In der 5 ist eine Variante gezeigt, bei welcher ein die Schweißnahtwurzel 11 überlappender Fortsatz nicht vorgesehen ist. Die Schweißnahtwurzel 11 liegt hierbei jedoch frei exponiert. Dabei gelten die folgenden Größenverhältnisse: D1 > D und t1 < t.
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Ebenso ist in der 6 eine Variante gezeigt, bei welcher in Abwandlung des Ausführungsbeispiels der 4 ein die Schweißnahtwurzel 11 überlappender Fortsatz nicht vorgesehen ist. Dabei gelten die folgenden Größenverhältnisse: D2 > D und t2 < t.
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In der 7 ist eine Variante gezeigt, bei welcher auf beiden Seiten der Schweißnaht 10 ein verschmälerter Steg 7 in Verbindung mit einem Fortsatz 3.1, 5.1 vorgesehen ist. Dabei ist der Kraftfluss mit K angedeutet, der durch beide verschmälerte Stege 7 eingeengt ist und zumindest annähernd parallel zu der Außen- bzw. Innenmantelfläche des ersten Teils 2, 4 bzw. zweiten Teils 3, 5 verläuft. Es gelten die folgenden Größenverhältnisse: D1 > D und D2 > D und t1 < t und t2 < t.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hydraulikzylinder
- 2
- erster Teil, insbesondere Zylinderrohr bzw. Zylinderwandung
- 2a
- Zylinderinnenwandung vor einer Oberflächenbearbeitung
- 2b
- Zylinderinnenwandung nach einer Oberflächenbearbeitung
- 3
- zweiter Teil, insbesondere Zylinderboden
- 3.1
- überlappender Fortsatz
- 3a
- Zylinderabschnitt
- 4
- erster Teil, insbesondere Hubkolbenstange
- 5
- zweiter Teil, insbesondere Stangenkopf
- 5.1
- überlappender Fortsatz
- 5a
- Zylinderabschnitt
- 7
- Ausnehmung bzw. Festkörpergelenk bzw. verschmälerter Steg bzw. Freistich
- 7a
- Innenmantelfläche der Ausnehmung
- 7.1
- Seitenwand der Ausnehmung
- 10'
- Schweißnaht gemäß dem Stand der Technik
- 11'
- Schweißnahtwurzel gemäß dem Stand der Technik
- 10
- Schweißnaht
- 11
- Schweißnahtwurzel
- 12a
- Innenmantelfläche vor einer Bearbeitung
- 12b
- Innenmantelfläche nach der Bearbeitung
- D
- Innenabmessung, insbesondere Innendurchmesser des ersten Teils
- D1
- Innenabmessung, insbesondere Innendurchmesser des zweiten Teils im Bereich des verschmälerten Stegs
- D2
- Innenabmessung, insbesondere Innendurchmesser des ersten Teils im Bereich des verschmälerten Stegs
- t
- Wandstärke des ersten Teils, z. B. einer Zylinderwandung oder einer Hubkolbenstange
- t1
- Stärke des zweiten Teils im Bereich des verschmälerten Stegs
- t2
- Stärke des ersten Teils im Bereich des verschmälerten Stegs
- ts
- Tiefe der Schweißnaht
- K
- Kraftfluss durch Schweißnaht
- M
- Mittenlängsachse des Hydraulikzylinders
