DE102013019608A1

DE102013019608A1 - Messelement

Info

Publication number: DE102013019608A1
Application number: DE102013019608.6A
Authority: DE
Inventors: Bernd Vetter; Heinz Heller
Original assignee: Armaturenbau GmbH
Current assignee: ARMANO MESSTECHNIK GMBH, DE
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2033-11-26
Also published as: DE102013019608B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messelement 1, umfassend einen Grundkörper und eine Messfeder 6, welche eine gekrümmte Form aufweist und als Hohlkörper ausgebildet ist, wobei die Messfeder 6 eine erste Stirnfläche 7 und eine zweite Stirnfläche 7 und der Grundkörper einen Fluidkanal 4, 5 zur Führung eines Fluids in die Messfeder 6 aufweist. Um die Herstellung des Messelementes 1 zu vereinfachen und die Arbeitszeiten zu verkürzen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die erste Stirnfläche 7 der Messfeder 6 und eine den Fluidkanal 4, 5 umgebende Oberfläche 10 des Grundkörpers Berührungskontakt aufweisen und die erste Stirnfläche 7 mit der Oberfläche 10 des Grundkörpers mittels zumindest eines Lasers und eines Schweißdrahtes direkt verschweißt ist. Die zweite Stirnfläche der Messfeder ist in gleicher Weise mit einem Verschlusselement direkt verschweißt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messelement, umfassend einen Grundkörper und eine Messfeder, welche eine gekrümmte Form aufweist und als Hohlkörper ausgebildet ist, wobei die Messfeder eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche und der Grundkörper einen Fluidkanal zur Führung eines Fluids in die Messfeder aufweist.
Derartige Messelemente sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden zur Messung des Druckes eines Fluids, also eines Gases oder einer Flüssigkeit, verwendet. Der Grundkörper weist dabei eine längliche Erstreckung auf und ist in einem Durchbruch eines zumeist zylindrischen Gehäuses angeordnet, wobei die Messfeder innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und der Grundkörper mit dem Gehäuse verschweißt ist. Die Messfeder ist mit dem Grundkörper derart verschweißt, dass der in dem Grundkörper ausgebildete Kanal zur Führung eines Fluids in die Messfeder mündet. Das dem Grundkörper abgewandte Ende der Messfeder ist verschlossen und mit einer Messmechanik verbunden, welche einen Zeigerausschlag oder die Anzeige eines Zahlenwertes bewirkt. Der Verschluss des von dem Grundkörper abgewandten Endes der Messfeder erfolgt durch Verschweißung der Messfeder mit einem Verschlusselement, beispielsweise in Form einer Endstückkappe, oder einfach dadurch, dass die Messfeder endseitig zugedrückt und der verbleibende Spalt zugeschweißt wird. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Verschweißung der Messfeder mit dem Grundkörper und dem Verschlusselement mittels Gasschmelzschweißen, Lichtbogenschweißen oder Schutzgasschweißen durchzuführen. Bei diesem Verfahren ist jedoch der großflächige Wärmeeintrag in die Messfeder und den Grundkörper nachteilig, da dieser Wärmeeintrag zu Materialveränderungen der Messfeder und des Grundkörpers im Bereich der Wärmeeinflusszone, beispielsweise zu einer Materialversprödung führen kann. Dies beeinträchtigt nachteilig die Messgenauigkeit und zudem die Lebensdauer des Messelementes. Darüber hinaus muss der Grundkörper mit einer Einfräsung versehen werden, um die Kontaktfläche zwischen dem Grundkörper und der Messfeder zu vergrößern und so eine beständige und widerstandsfähige Befestigung der Messfeder an dem Grundkörper zu bewirken. Das Versehen des Grundkörpers mit einer Einfräsung ist ein zusätzlicher Verfahrensschritt, der die Herstellungskosten eines gattungsgemäßen Messelementes erhöht. Weiterhin muss die Messfeder zur Herstellung einer gleichmäßigen Schweißnaht entweder einen kreisrunden Querschnitt aufweisen oder die Endabschnitte müssen durch Aufdornen zu einer kreisrunden Querschnittsform geformt werden. Da die Messfedern zumeist keine kreisrunde Querschnittsform aufweisen, stellt das Aufdornen ebenfalls einen Verfahrensschritt dar, der die Herstellungskosten eines gattungsgemäßen Messelementes erhöht.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die genannten Nachteile durch Anwendung eines Laserschweißverfahrens zu beseitigen. Dabei wird ein Endabschnitt einer Messfeder zunächst mit einem Zwischenstück mittels eines Lasers verschweißt und anschließend das Zwischenstück mit dem Grundkörper verschweißt, sodass die Messfeder über das Zwischenstück an dem Grundkörper befestigt ist.
So ist aus der DE 103 13 986 B4 bekannt, den Endabschnitt einer Messfeder mit einem Verbindungselements mittels eines Lasers zu verschweißen, wobei der Wärmeeintrag des Lasers auf die der Messfeder abgewandten Oberfläche des Verbindungselementes erfolgt. Dadurch wird eine Aufschmelzung des Materials des Verbindungselementes über seine gesamte Dicke bewirkt, sodass eine Verschweißung der Messfeder mit dem Verbindungselement auf der dem Laser abgewandten Seite des Verbindungselementes erfolgt. Anschließend erfolgt eine Verschweißung des Verbindungselementes mit dem Grundkörper, wobei der Wärmeeintrag des Lasers sowohl in den Grundkörper als auch in das Verbindungselement erfolgt. Mithilfe der Lehre dieser Druckschrift können Messfedern mit einer sehr geringen Wandstärke an einem Grundkörper befestigt werden.
Aus der DE 10 2010 037 633 A1 ist ebenfalls ein gattungsgemäßes Druckmessgerät bekannt, bei dem die Messfeder mit dem Grundkörper mittels eines Lasers verschweißt ist. Jedoch wird hierbei der Grundkörper zunächst mit zwei plättchenförmigen Anschlagkörpern verschweißt, wobei die Anschlagkörper so mit dem Grundkörper verschweißt werden, dass zwischen ihnen eine Ausnehmung ausgebildet ist. In die Ausnehmung wird ein Endabschnitt einer Messfeder gesteckt und sodann dieser Endabschnitt mit den Anschlagkörpern mittels eines Lasers verschweißt. Auch gemäß dieser Lehre wird die Messfeder nicht direkt mit dem Grundkörper verschweißt.
Die Verwendung von Zwischenstücken gemäß den beiden genannten Druckschriften weist den Nachteil auf, dass eine zusätzliche Verschweißung der Zwischenstücke mit dem Grundkörper erfolgen muss, wobei dieser Verfahrensschritt die Herstellungskosten eines gattungsgemäßen Messelementes erhöht. Darüber hinaus stellt jede Schweißnaht eine mögliche Undichtigkeitsquelle dar, sodass in diesen wie in anderen technischen Gebieten grundsätzlich angestrebt ist, eine Vorrichtung mit so wenig Schweißnähten wie möglich herzustellen.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Messelement anzugeben, dass nur aus zur Druckmessung nötigen Teilen besteht und darüber hinaus geringe Herstellungskosten, eine verbesserte Messgenauigkeit und eine gesteigerte Lebensdauer aufweist.
Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, dass die erste Stirnfläche der Messfeder und eine den Fluidkanal umgebende Oberfläche des Grundkörpers Berührungskontakt aufweisen und die erste Stirnfläche direkt mit der Oberfläche des Grundkörpers mittels zumindest eines gepulsten Lasers und eines Schweißdrahtes verschweißt ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird die erste Stirnfläche der Messfeder an einer vorzugsweise ebenen, die Mündung des Fluidkanals zur Führung eines Fluids umgebenden Oberfläche des Grundkörpers angeordnet und sodann direkt mit dieser verschweißt. Der besondere Vorteil des Messelementes ist, dass die Verschweißung der Messfeder mit dem Grundkörper ohne Zwischenstücke erfolgt und dass keine Ausnehmung in den Grundkörper gefräst werden muss. Dadurch sind die Herstellungskosten des Messelementes gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Messelementen niedriger. Die Schweißnaht zwischen der ersten Stirnfläche der Messfeder und der Oberfläche des Grundkörpers genügt dabei den Anforderungen an mechanischer Festigkeit und Beständigkeit, was gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lehren einen überraschenden Effekt darstellt. Weiterhin ist der Wärmeeintrag bei der Verschweißung auf den die erste Stirnfläche umgebenen Bereich der Messfeder und die Oberfläche des Grundkörpers beschränkt, sodass die Wärmeeinflusszone im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren sehr viel kleiner ist, was zu einer verbesserten Messgenauigkeit führt und wodurch nachteilige Materialbeeinträchtigungen durch die Verschweißung vermieden werden. Ein wesentlicher Vorteil der Laserverschweißung ist, dass die Schweißzone unmittelbar nach Fertigstellung der Schweißnaht mit den Händen angefasst werden kann. Bei der Erzeugung der Schweißnaht zwischen Messfeder und Grundkörper ist die Geometrie der Begrenzungslinie zwischen der ersten Stirnfläche der Messfeder und der Oberfläche des Grundkörpers durchaus problematisch, weswegen die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren von Zwischenstücken gebrach machen, welche einerseits mit dem Grundkörper und andererseits mit der Messfeder verschweißt werden. Dabei sind demnach mehrere Schweißnähte für eine Befestigung der Messfeder an dem Grundkörper erforderlich.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Verschweißung zwischen Messfeder und Grundkörper dadurch erfolgt, dass ein Endabschnitt eines Schweißdrahtes auf der Begrenzungslinie zwischen der ersten Stirnfläche der Messfeder und der Oberfläche des Grundkörpers angeordnet und mittels eines gepulsten Lasers angeheftet wird, wobei die Anheftung durch lokale Aufschmelzung des Schweißdrahtmaterials an der Position des Laserfokus durch einen Laserpuls erfolgt, und der Endabschnitt des Schweißdrahtes sodann zusammen mit dem Fokus des Lasers entlang der Begrenzungslinie gezogen wird. Die dabei ausgebildete Schweißnaht ist über ihre gesamte Länge und insbesondere in gekrümmt verlaufenden Abschnitten der Begrenzungslinie sehr gleichmäßig. Der Schweißdraht wird bei dieser Vorgehensweise nur für einige Millisekunden aufgeschmolzen und erstarrt danach wieder, wobei er in der Erstarrungsphase eine zähflüssige Fließeigenschaft aufweist.
Die Messfeder des erfindungsgemäßen Messelementes kann eine Wandstärke von 0,05 mm bis 1 mm aufweisen. Eine geringe Wandstärke der Messfeder ist grundsätzlich erwünscht, da sich dann auch sehr kleine Druckänderungen auf die Verformung der Messfeder auswirken und somit messbar sind.
In besonderer Ausgestaltung bestehen die Messfeder und/oder der Grundkörper vollständig oder abschnittsweise aus Edelstahl, einer Kupferlegierung, wie beispielsweise Messing, einer Nickellegierung oder einem Kunststoff. Eine Verschweißung einer Messfeder und eines Grundkörpers die aus Messing bestehen ist dann möglich, wenn die Verschweißung in einer Schutzgasatmosphäre stattfindet, deren Druck größer ist als der Dampfdruck des Zinnanteils von Messing. Diese Maßnahme ist nötig, da der Zinnanteil sonst bei einer Temperatur von 870°C, welche bei der Laserverschweißung erreicht wird, ausdampfen würde. Dabei ist es beispielsweise möglich, dass die zu verschweißenden Teile in einer Kammer mit Schutzgasatmosphäre angeordnet sind und ein Laser durch ein Fenster in die Kammer dringt. Bei dem Fenster kann es sich um eine Glasscheibe handeln. Im Gegensatz zu herkömmlichen Schweißverfahren ist die Wärmeeinflusszone bei der Laserverschweißung sehr gering, sodass der Wärmeeintrag des Lasers auf einen sehr kleinen Bereich beschränkt ist. Weiterhin können mittels eines Lasers auch Messfedern und Grundkörper miteinander verschweißt werden, welche aus einem Kunststoff bestehen. In bevorzugter Ausgestaltung bestehen jedoch sowohl die Messfeder als auch der Grundkörper aus Edelstrahl, da sich Messelemente aus Edelstahl aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit bereits bewährt haben. Geeignete Kunststoffe weisen den Vorteil auf, dass sie dem Einfluss von Säuren und Basen ohne Materialermüdung ausgesetzt werden können.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messfeder und der Grundkörper aus einem Edelstahl bestehen, welcher einen δ-Ferrit-Anteil von 0% bis 2% aufweist. δ-Ferrit-Anteile beeinträchtigen die Festigkeit einer Schweißnaht zwischen zwei Körpern aus Edelstahl, wobei eine mechanisch besonders widerstandsfähige und dauerhafte Schweißnaht zwischen der Messfeder und dem Grundkörper ausgebildet ist, wenn diese aus einem Edelstahl bestehen, welcher einen δ-Ferrit-Anteil von ungefähr 1% aufweist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Messfeder eine ovale oder längliche Querschnittsform aufweist, wobei mit einer länglichen Querschnittsform eine Querschnittsform gemeint ist, die in einer ersten Richtung eine größere Erstreckung aufweist als in einer zu der ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung. Gemäß der Erfindung ist insbesondere kein Aufdornen der Endabschnitte der Messfeder erforderlich, sodass diese über ihre gesamte Länge die gleiche Querschnittsform beibehalten.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist auf der zweiten Stirnfläche der Messfeder ein Verschlusselement angeordnet, wobei die zweite Stirnfläche mit dem Verschlusselement mittels zumindest eines gepulsten Lasers und eines Schweißdrahtes in der geschilderten Weise direkt verschweißt ist, und wobei die zweite Stirnfläche und eine, vorzugsweise ebene, Oberfläche des Verschlusselementes Berührungskontakt aufweisen. Auch bei dieser Verschweißung ist der Wärmeeintrag auf den die zweite Stirnfläche umgebenden Bereich der Messfeder und die Oberfläche des Verschlusselementes beschränkt. Die Verschweißung des Verschlusselementes mit der zweiten Stirnfläche der Messfeder weist die gleichen Vorteile auf wie die Verschweißung der ersten Stirnfläche der Messfeder mit dem Grundkörper, da keine Aufdornung des dem Verschlusselement zugewandten Endabschnittes der Messfeder erforderlich ist, das Verschlusselement keine Einfräsung aufweisen muss und darüber hinaus die Wärmeeinflusszone bei der Verschweißung sehr klein ist. Die Schweißnaht zwischen der Messfeder und dem Verschlusselement weist eine ausreichende Festigkeit und Beständigkeit auf, trotz dass die zweite Stirnfläche der Messfeder unmittelbar mit einer Oberfläche des Verschlusselementes verschweißt ist. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messelementes führt zu einer deutlichen Verbesserung der Messgenauigkeit im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten gattungsgemäßen Messelementen. Der Messbereich des erfindungsgemäßen Messelementes erstreckt sich von 0,5 Bar bis 60 Bar.
Weiterhin weist das Messelement eine gute Berstdruckeigenschaft auf. Ein auf 10 Bar ausgelegtes erfindungsgemäßes Messelement weist einen Berstdruck von 400 Bar auf und ein auf einen Druck von 25 Bar ausgelegtes erfindungsgemäßes Messelement weist einen Berstdruck von 660 Bar auf. Weiterhin kann die Position des dem Grundkörper abgewandten Endabschnittes der Messfeder exakt festgelegt werden, da kein signifikanter Verzug der Messfeder bei der Abkühlung nach Beendigung des Schweißvorganges auftritt. Dieser vorteilhafte Effekt ergibt sich daraus, dass die Wärmeeinflusszone bei der Erzeugung einer Schweißnaht mittels eines gepulsten Lasers und eines Schweißdrahtes in der geschilderten Weise sehr klein ist.
Ein weiterer Vorteil des Messelementes ist die reduzierte Herstellungsdauer. So nimmt die Verschweißung der Messfeder mit dem Grundkörper ebenso wie die Verschweißung der Messfeder mit dem Verschlusselement eine deutlich verringerte Zeit in Anspruch. Bei herkömmlichen Schweißverfahren beträgt der Gesamtzeitaufwand mehr als drei Minuten. Die Anordnung eines Zwischenstückes zwischen der Messfeder und dem Grundkörper gemäß dem Stand der Technik und der anschließenden Verschweißung der Messfeder mit dem Zwischenstück und des Zwischenstückes mit dem Grundkörper hat zur Folge, dass die Messfeder mit dem Grundkörper durch zwei Schweißnähte verbunden ist, wodurch der Zeitaufwand zur Herstellung eines solchen Messelementes im Vergleich zu dem erfindungsgemäßen Messelement deutlich erhöht ist.
Weiterhin kann das Verschlusselement eine Endstücklasche zur Verbindung der Messfeder mit einer Messmechanik aufweisen. In dieser Ausgestaltung ist an das Verschlusselement eine Endstücklasche angeformt oder angeschweißt. In der Endstücklasche kann eine Öse ausgebildet sein, mit deren Hilfe die Messfeder mit einer Messmechanik verbunden werden kann.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Messelementes, wobei die erste Stirnfläche der Messfeder und eine, vorzugsweise ebene, einen Fluidkanal umgebende Oberfläche des Grundkörpers Berührungskontakt aufweisen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stirnfläche mit dem Grundkörper mittels zumindest eines gepulsten Lasers und eines Schweißdrahtes verschweißt wird, wobei ein Endabschnitt des Schweißdrahtes auf der Begrenzungslinie zwischen der ersten Stirnfläche und der Oberfläche angeordnet wird, der Fokus des Lasers auf dem Endabschnitt angeordnet wird, der Endabschnitt mittels eines Laserpulses auf der Begrenzungslinie angeheftet wird, der Endabschnitt zusammen mit dem Fokus entlang der Begrenzungslinie wenigstens einmal vollständig um die Messfeder herum gezogen wird und der Schweißdraht mittels eines Laserpulses oder mechanisch abgetrennt wird. Gemäß diesem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Messelementes wird ein Schweißdraht aus einem Standardschweißmaterial, wie beispielsweise GS 4576, verwendet, dessen Endabschnitt in dem Fokus des Lasers angeordnet wird. Der Wärmeeintrag des Lasers führt zu einer Aufschmelzung des Materials der Messfeder in dem die erste Stirnfläche umgebenden Bereich, des Materials der Grundkörperoberfläche und des Materials des Schweißdrahtes. Der Fokus des Lasers wird dann entlang der Begrenzungslinie zwischen der ersten Stirnfläche und dem Grundkörper wenigstens einmal vollständig um die Messfeder herum bewegt, sodass eine geschlossene und gleichmäßige Schweißnaht ausgebildet wird. Bei diesem Vorgang wird der Endabschnitt des Schweißdrahtes im Fokus des Lasers nur für einige Millisekunden aufgeschmolzen und erstarrt dann wieder, wobei er in der Erstarrungsphase eine zähflüssige Fließeigenschaft aufweist. Dieses Merkmal ist deswegen von besonderer Relevanz, da dieses ermöglicht, den Endabschnitt des Schweißdrahtes entlang der Begrenzungslinie zu ziehen, wobei ein feingesteuerter Schweißdrahtnachschub erfolgt. Der Schweißdrahtnachschub muss insbesondere auf gekrümmten Abschnitten der Begrenzungslinie verringert werden, um eine gleichmäßige Schweißnaht zu erzeugen. „Ziehen” des Endabschnittes bedeutet hier, dass der zähflüssige, aufgeschmolzene Bereich des Endabschnittes von dem Rest des Endabschnittes nicht getrennt wird und die zähflüssige Masse durch Bewegung der zu verschweißenden Bauteile oder durch Bewegung des Endabschnittes entlang der Begrenzungslinie geführt wird. Ebenso kann die zweite Stirnfläche mit dem Verschlusselement mittels zumindest eines gepulsten Lasers und eines Schweißdrahtes verschweißt werden. Dabei weisen die zweite Stirnfläche und eine, vorzugsweise ebene, Oberfläche des Verschlusselementes Berührungskontakt auf. Die zweite Stirnfläche wird mit der Oberfläche des Verschlusselementes mittels zumindest eines Lasers und eines Schweißdrahtes verschweißt, wobei ein Endabschnitt des Schweißdrahtes auf der Begrenzungslinie zwischen der zweiten Stirnfläche und der Oberfläche angeordnet wird, der Fokus des Lasers auf dem Endabschnitt angeordnet wird, der Endabschnitt mittels eines Laserpulses auf der Begrenzungslinie angeheftet wird, der Endabschnitt zusammen mit dem Fokus entlang der Begrenzungslinie wenigstens einmal vollständig um die Messfeder herum gezogen wird und der Schweißdraht mittels eines Laserpulses oder mechanisch abgetrennt wird. Mittels dieses Verfahrens zur Erzeugung der Schweißnähte zwischen der Messfeder und dem Grundkörper und der Messfeder und dem Verschlusselement kann die Befestigung der Messfeder an dem Grundkörper und dem Verschlusselement besonders schnell und insbesondere automatisiert erfolgen, da jeweils nur eine umlaufende Schweißnaht ausgebildet wird. Bei dem Schweißdraht handelt es sich bevorzugt um einen GS4576-Schweißdraht.
Es kann vorgesehen sein, dass der Fokus des Lasers zusammen mit dem Endabschnitt des Schweißdrahtes bewegt wird oder dass die Messfeder zusammen mit dem Grundkörper oder dem Verschlusselement bewegt wird. Eine Auswahl der einen oder der anderen Möglichkeit kann je nach dem damit verbundenen apparativen Aufwand getroffen werden. Vorzugsweise werden jedoch sowohl die Messfeder als auch der Grundkörper oder das Verschlusselement von einer Haltevorrichtung aufgenommen, die translatorische Bewegungen in drei zueinander senkrechten Richtungen ausführen kann und darüber hinaus über mehrere Rotationsachsen verfügt. Alternativ kann der Laser über mehrere Rotations- und Translationsachsen verfügen oder mit einem entsprechenden Spiegelsystem zusammenwirken, um eine Verschweißung vorzunehmen.
Die Wahl der Schweißdrahtdicke und des Fokusdurchmessers kann so erfolgen, dass der Wärmeeintrag in die Messfeder auf einem Bereich beschränkt ist, der in Erstreckungsrichtung der Messfeder eine Länge von 0,5 mm bis 2 mm aufweist. Prinzipiell ist eine möglichst kleine Wärmeeinflusszone gewünscht, da es in dieser zu einer Materialbeeinträchtigung kommen kann, und da sich die Messfeder je mehr verzieht, desto größer die Wärmeeinflusszone ist. Andererseits kann die Wärmeeinflusszone zur Ausbildung einer ausreichend stabilen Schweißnaht nicht beliebig klein sein. Jedenfalls ist die Wärmeeinflusszone bei Erzeugung der Schweißnaht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kleiner als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, da bei diesen jeweils zwei Schweißnähte hintereinander in Erstreckungsrichtung der Messfeder zur Befestigung dieser und dem Grundkörper oder dem Verschlusselement erforderlich sind, nämlich eine zwischen Zwischenstück und Grundkörper bzw. Verschlusselement und eine zwischen Zwischenstück und Messfeder.
Weiterhin kann der Schweißdraht einen oder mehrere Schweißzusatzstoffe beinhalten, welche die Eigenschaften der Schweißnaht vorteilhaft beeinflussen. Mögliche Schweißzusatzstoffe sind unter anderem Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Chrom Molybdän, Nickel, Niob und Selen.
In bevorzugter Ausgestaltung erfolgt die Verschweißung zwischen dem Grundkörper und der Messfeder und zwischen der Messfeder und dem Verschlusselement unter einer Schutzgasatmosphäre oder in einem Vakuum mit einem Druck von 300 mBar absolut oder weniger. Durch die Durchführung der Verschweißung unter einer Schutzgasatmosphäre oder in einem Vakuum mit einem Druck von 300 mBar oder weniger, wird das aufgeschmolzene Material vor Oxidation geschützt, wodurch eine Schweißnaht höherer Güte erzeugt wird. Ein Vakuum ermöglicht zudem einen höheren Wärmeeintrag durch den Laser in das Material der zu verschweißenden Elemente, da der Laserstrahl umso weniger gestreut wird, je geringer der Druck des Vakuums ist. Die Verschweißung in einer Schutzatmosphäre kann einfach dadurch erfolgen, dass der den Fokus des Lasers umgebende Bereich mit einem Schutzgas gespült wird, welches über eine Düse zugeführt wird. Als Schutzgas kommen Edelgase oder andere inerte Gase infrage.
Der Laser ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgängig gepulst, wodurch der Wärmeeintrag an einer bestimmten Stelle nicht nur durch die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fokus des Lasers und den zu verschweißenden Elementen, sondern auch durch die Pulsfrequenz gesteuert werden kann. Insbesondere kann der Endabschnitt des Schweißdrahtes mittels eines Laserpulses an die Begrenzungslinie zwischen den jeweiligen Bauteilen angeheftet werden und nach Fertigstellung einer Schweißnaht mittels eines Laserpulses größerer Intensität von der Schweißnaht abgetrennt werden. Der Einsatz eines gepulsten Lasers bewirkt, dass der Schweißdraht und die zu verschweißenden Bauteile im Fokus des Lasers nur für sehr kurze Zeit (wenige Millisekunden) aufgeschmolzen werden und das Material in der Schweißzone – dem Fokus des Lasers – rasch erstarrt. Dadurch kann der Schweißdraht entlang der Begrenzungslinie der zu verschweißenden Bauteile gezogen werden, wodurch die Bauteile zum einen mit einem sehr geringen Wärmeeintrag miteinander verschweißt werden und zum anderen eine gleichmäßige Schweißnaht auch dann ausgebildet werden kann, wenn die Begrenzungslinie zwischen den Bauteilen stark gekrümmt verlaufende Abschnitte oder komplexe Geometrien aufweist.
Die erfindungsgemäße Verschweißung erfolgt vorteilhaft mittels einer Steuervorrichtung automatisiert.
Die Erfindung betrifft ferner ein Rohrfedermanometer, umfassend ein Gehäuse, ein Anzeigeelement und ein Messelement, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Messelement ein erfindungsgemäßes Messelement mit den oben angegebenen Ausgestaltungen ist. Ein solches Rohrfedermanometer weist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Rohrfedermanometern zum einen deutlich geringere Herstellungskosten und zum anderen deutlich gesenkte Herstellungszeiten auf. Bei dem Anzeigeelement des Rohrfedermanometers kann es sich um ein Ziffernblatt mit Messzeiger oder eine Digitalanzeige handeln.
Die Messfeder besteht bevorzugt aus einem Edelstahl mit einem Eisenanteil von ca. 69,0%, einem Chromanteil von ca. 17,0%, einem Nickelanteil von ca. 11,0%, einem Molybdänanteil von ca. 2,0%, einem Mangananteil von ca. 0,6%, einem Siliziumanteil von ca. 0,4%, einem Stickstoffanteil von ca. 0,04%, einem Kohlenstoffanteil von ca. 0,02%, einem Phosphoranteil von ca. 0,02% und einem Schwefelanteil von ca. 0,003%.
Alternativ kann die Messfeder aus einer Nickellegierung mit einem Nickelanteil von ca. 53,0%, einem Eisenanteil von ca. 20,0%, einem Chromanteil von ca. 17,0%, einem akkumulierten Niob-Tantal-Anteil von ca. 5,3%, einem Molybdänanteil von ca. 3,0%, einem Titananteil von ca. 0,9%, einem Aluminiumanteil von ca. 0,5%, einem Kohlenstoffanteil von ca. 0,06%, einem Siliziumanteil von ca. 0,05%, einem Cobaltanteil von ca. 0,04%, einem Mangananteil von ca. 0,01%, einem Phosphoranteil von ca. 0,003%, einem Boranteil von ca. 0,002% und einem Schwefelanteil von ca. 0,0005%, bestehen. Alternativ kann die Messfeder aus einer Nickellegierung mit einem Nickelanteil von ca. 64,0%, einem Kupferanteil von ca. 33,0%, einem Eisenanteil von ca. 2,0%, einem Mangananteil von ca. 1,0%, einem Siliziumanteil von ca. 0,3%, einem Kohlenstoffanteil von ca. 0,1%, einem Cobaltanteil von ca. 0,07%, einem Titananteil von ca. 0,02%, einem Aluminiumanteil von ca. 0,01% und einem Schwefelanteil von ca. 0,003% bestehen.
Der Grundkörper besteht bevorzugt aus einem Edelstahl mit einem Eisenanteil von ca. 68,0%, einem Chromanteil von ca. 16,8%, einem Nickelanteil von ca. 10,1%, einem Molybdänanteil von ca. 2,1%, einem Mangananteil von ca. 1,5%, einen Siliziumanteil von ca. 0,5%, einem Cobaltanteil von ca. 0,4%, einem Kupferanteil von ca. 0,4%, einem Wolframanteil von ca. 0,1%, einem Vanadiumanteil von ca. 0,08%, einem Stickstoffanteil von ca. 0,05%, einem Phosphoranteil von ca. 0,03%, einem Schwefelanteil von ca. 0,03%, einem Kohlenstoffanteil von ca. 0,02%, einem Niobanteil von ca. 0,02%, einem Titananteil von ca. 0,007%, einem Zinnanteil von ca. 0,006%, einem Aluminiumanteil von ca. 0,004% und einem Boranteil von ca. 0,0005%. Diese Materialien haben sich bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Messelementes besonders bewährt. Natürlich können die Messfeder und/oder der Grundkörper und/oder das Verschlusselement auch aus einem anderen Edelstahl oder einer anderen Nickellegierung bestehen.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand der Figuren nochmals erläutert.
Es zeigt
1 drei Ansichten einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messelementes,
2 eine perspektivische Ansicht die Ausführungsform gemäß 1,
3 drei verschiedene Ansichten eines Verschlusselementes,
4 eine perspektivische Ansicht einer Messfeder eines erfindungsgemäßen Messelementes und
5 drei verschiedene Ansichten der Messfeder eines erfindungsgemäßen Messelementes.
1 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messelementes 1, welches einen zweiteilig ausgebildeten Grundkörper, eine Messfeder 6 und ein Verschlusselement 10 umfasst. Der Grundkörper dieser Ausführungsform weist einen Federträger 2 und ein Anschlussstück 3 auf, wobei in dem Federträger 2 ein abgewinkelter Fluidkanal 4 zur Führung eines Fluids in die Messfeder 6 und das Anschlussstück 3 einen Fluidkanal 5 zur Führung eines Fluids in den Fluidkanal 4 des Federträgers 2 aufweist. Die Messfeder 6 weist eine erste Stirnfläche 7 und eine zweite Stirnfläche 9 auf. Die Messfeder 6 ist an dem Federträger 2 des Grundkörpers derart angeordnet, dass ihre erste Stirnfläche 7 und eine ebene Oberfläche 8 des Grundkörpers Berührungskontakt aufweisen. In dieser Position ist die erste Stirnfläche 7 mit der ebenen Oberfläche 8 und eines Schweißdrahtes direkt mittels eines gepulsten Lasers verschweißt. Die zweite Stirnfläche 9 der Messfeder 6 ist mit einem Verschlusselement 10 in Form eines Plättchens verschweißt, wodurch die Messfeder 6 endseitig verschlossen ist. Die Verschweißung der zweiten Stirnfläche 9 mit dem Verschlusselement 10 erfolgt ebenso wie die Verschweißung der zweiten Stirnfläche 7 mit der ebenen Oberfläche 8 des Grundkörpers. Dies bedeutet, dass eine ebene Oberfläche 11 des Verschlusselementes 10 an der zweiten Stirnfläche 9 angeordnet wird, sodass die zweite Stirnfläche 9 und die ebene Oberfläche 11 Berührungskontakt aufweisen. Anschließend erfolgt die direkte Verschweißung mittels eines gepulsten Lasers und eines Schweißdrahtes. Durch eine Dichtigkeitsmessung mittels Helium konnte die zufriedenstellende Dichtigkeit der Schweißnaht bestätigt werden. Die Schweißnaht weißt eine Dichtigkeit von 10^–8 (mBar·l)/s auf, wobei eine Dichtigkeit von 10^–6 (mBar·l)/s noch als undicht anzusehen wäre.
An das Verschlusselement 10 ist eine Endstücklasche 12 angeschweißt, welche mit einer Messmechanik verbunden werden kann. Das Anschlussstück 3 des Grundkörpers weist einen Abschnitt 13 auf, an dessen Oberfläche ein Gewinde zur Festlegung des Messelementes an dem endgültigen Standort erfolgen kann. Die beiden Teilstücke 2, 3 des Grundkörpers können mittels Verschraubung oder Verschweißung aneinander befestigt sein. Eine Schweißnaht zwischen den beiden Teilstücken 2, 3 kann mittels eines herkömmlichen Schweißverfahrens erfolgen, da die größere Wärmeeinflusszone dieser Verfahren bei dem Grundkörper nicht kritisch ist. Jedoch muss die Schweißnaht die beiden Teilstücke 2, 3 fluiddicht aneinander befestigen. Die große Wärmeeinflusszone bei herkömmlichen Schweißverfahren ist bei der Verschweißung der Messfeder 6 mit dem Grundkörper oder mit dem Verschlusselement 10 kritisch, da sich die Messfeder 6 dabei verzieht, was die Messgeschwindigkeit negativ beeinflusst. Bei der Verbindung der beiden Teilstücke des Grundkörpers mittels herkömmlicher Schweißverfahren bleibt jedoch der Nachteil, der im Vergleich zu der erfindungsgemäßen Laserverschweißung hohen Herstellungsdauer der Schweißnaht. Aus diesem Grunde können die beiden Teilstücke 2, 3 auch mittels des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens miteinander verschweißt werden, wobei ein Endabschnitt eines Schweißdrahtes in dem Fokus eines Lasers angeordnet wird und der Fokus zusammen mit dem Endabschnitt des Schweißdrahtes entlang der Begrenzungslinie zwischen dem Federträger 2 und dem Anschlussstück 3 einmal vollständig um den Grundkörper herum bewegt wird, sodass eine geschlossene Schweißnaht ausgebildet wird. Da es sich bei dem Grundkörper um ein massives Objekt handelt und aus diesem Grunde ein größerer Wärmeeintrag unproblematisch ist, können die beiden Teilstücke 2, 3 auch mittels eines Lasers ohne Verwendung eines Schweißdrahtes miteinander verschweißt werden.
Die zweiteilige Ausbildung des Grundkörpers weist den Vorteil auf, dass der Verbund aus Federträger 2, Messfeder 6 und Verschlusselement 10 in großer Stückzahl ohne das Vorliegen konkreter Montageaufträge hergestellt werden kann, sodass bei Vorliegen eines konkreten Montageauftrages lediglich das Anschlussstück 3 mit einem geeigneten Gewinde aus einem Lager entnommen werden und an dem Federträger 2 befestigt werden muss. Dadurch kann eine Auftragsabwicklung deutlich schneller erfolgen. In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messelernentes 1 ist der Grundkörper einstückig ausgebildet.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Messelementes 1 zusammen mit einem zylindrischen Gehäuse 14, in welchem gattungsgemäße Messelemente üblicherweise eingebaut werden. Der Grundkörper ist zweiteilig ausgebildet und besteht aus einem Federträger 2 und einem Anschlussstück 3, wobei in dem Grundkörper ein Fluidkanal 4, 5 zur Führung eines Fluids in die Messfeder 6 ausgebildet ist. In dieser perspektivischen Darstellung ist der Fluidkanal 5 in dem Anschlussstück 3 zur Führung eines Fluids in den in dem Federträger 2 ausgebildeten Fluidkanal 4 nicht unmittelbar ersichtlich. Die Messfeder 6 ist mit einer ebenen Oberfläche 8 des Grundkörpers verschweißt. Anderenends ist die Messfeder 6 mit einem Verschlusselement 10 verschlossen, an welches eine Endstücklasche 12 angeschweißt ist. Das Anschlussstück 3 des Grundkörpers weist einen Abschnitt 13 auf, an dessen Außenfläche ein Gewinde ausgebildet sein kann. Das Gehäuse 14 hat eine zylindrische Form und weist einen Durchbruch 15, in welchem das Messelement 1 angeordnet wird, und eine Öffnung 16 auf, welche mit einem Anzeigeelement verschlossen wird, auf. Bei dem Anzeigeelement kann es sich um ein Ziffernblatt mit Messzeiger oder eine Digitalanzeige handeln.
3 zeigt drei verschiedene Ansichten eines Verschlusselementes 10. Das Verschlusselement 10 weist die Form eines schmalen Plättchens mit einem umgebogenen Endabschnitt 20 auf. Der Endabschnitt 20 ist seinerseits ebenfalls endseitig umgebogen, sodass sich ein Befestigungsabschnitt 21 ergibt, der sich im Wesentlichen rechtwinklig bezüglich des Verschlusselementes 10 erstreckt. An den Befestigungsabschnitt 21 ist eine Endstücklasche 12 geschweißt. Die Endstücklasche 12 weist eine Öse 22 auf, mit deren Hilfe die Endstücklasche 12 mit einer Messmechanik verbunden werden kann. Die Befestigung der Endstücklasche 12 an dem Befestigungsabschnitt 21 des Verschlusselementes 10 erfolgt dabei in einem separaten Arbeitsschritt, wobei die Position der Endstücklasche bezüglich der Messmechanik sehr genau festgelegt werden kann. Durch diese Maßnahme wird eine hohe Messgenauigkeit erreicht.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Messfeder 6 eines erfindungsgemäßen Messelementes. Die Messfeder 6 weist eine erste Stirnfläche 7 und eine zweite Stirnfläche 9 auf. Die Messfeder 6 weist ferner einen länglichen Querschnitt auf, der über die gesamte Länge der Messfeder 6 gleich ist. Die erste Stirnfläche 7 wird in der geschilderten Weise mit dem Grundkörper verschweißt und die zweite Stirnfläche 9 wird ebenfalls in der geschilderten Weise mit einem Verschlusselement 10 verschweißt. Bei diesen Verschweißungen bleibt die Geometrie der Messfeder 6, insbesondere ihres Querschnittes, in der Nähe der ersten Stirnfläche 7 und der zweiten Stirnfläche 9 unbeeinträchtigt und darüber hinaus beschränkt sich der Wärmeeintrag bei den Verschweißungen auf die Bereiche in unmittelbarer Nähe der ersten Stirnfläche 7 und der zweiten Stirnfläche 9. Dadurch wird eine hohe Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Messelementes erreicht.
5 zeigt drei verschiedene Ansichten der Messfeder 6 eines erfindungsgemäßen Messelementes. Die Messfeder 6 weist eine erste Stirnfläche 7 und eine zweite Stirnfläche 9 auf. Der Querschnitt der Messfeder 6 ist länglich, das heißt er weist in eine erste Richtung eine größere Erstreckung auf als in eine zu der ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung. Der Querschnitt der Messfeder 6 ist insbesondere über ihre gesamte Länge gleich und dessen Form wird bei der Verschweißung der Messfeder 6 mit einem Grundkörper einerseits und einem Verschlusselement 10 andererseits nicht beeinträchtigt.
Bezugszeichenliste

1: Messelement
2: Federträger
3: Anschlussstück
4: Fluidkanal
5: Fluidkanal
6: Messfeder
7: erste Stirnfläche
8: Oberfläche
9: zweite Stirnfläche
10: Verschlusselement
11: Oberfläche
12: Endstücklasche
13: Abschnitt
14: Gehäuse
15: Durchbruch
16: Öffnung
20: Endabschnitt
21: Befestigungsabschnitt
22: Öse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10313986 B4 [0004]
DE 102010037633 A1 [0005]

Claims

Messelement (1), umfassend einen Grundkörper und eine Messfeder (6), welche eine gekrümmte Form aufweist und als Hohlkörper ausgebildet ist, wobei die Messfeder (6) eine erste Stirnfläche (7) und eine zweite Stirnfläche (9) und der Grundkörper einen Fluidkanal (4, 5) zur Führung eines Fluids in die Messfeder (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stirnfläche (7) der Messfeder (6) und eine den Fluidkanal (4, 5) umgebende Oberfläche (8) des Grundkörpers Berührungskontakt aufweisen und die erste Stirnfläche (7) direkt mit der Oberfläche (8) des Grundkörpers mittels zumindest eines gepulsten Lasers und eines Schweißdrahtes verschweißt ist.
Messelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfeder (6) eine Wandstärke von 0,05 bis 1 mm aufweist.
Messelement (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfeder (6) und/oder der Grundkörper vollständig oder abschnittsweise aus Edelstahl, einer Nickellegierung, einer Kupferlegierung oder einem Kunststoff bestehen.
Messelement (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfeder (6) und der Grundkörper aus einem Edelstahl bestehen, welcher einen δ-Ferrit-Anteil von weniger als 2% aufweist.
Messelement (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfeder (6) über ihre gesamte Länge die gleiche Querschnittsform aufweist, wobei die Querschnittsform oval oder länglich ausgebildet ist.
Messelement (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zweiten Stirnfläche (9) ein Verschlusselement (10) angeordnet ist, wobei die zweite Stirnfläche (9) und eine Oberfläche (11) des Verschlusselementes (10) Berührungskontakt aufweisen und die zweite Stirnfläche (9) direkt mit der Oberfläche (11) des Verschlusselementes (10) mittels zumindest eines gepulsten Lasers und eines Schweißdrahtes verschweißt ist.
Messelement (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (10) eine Endstücklasche angeformt oder angeschweißt ist, welche mit einer Messmechanik verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Messelementes (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stirnfläche der Messfeder (6) und eine den Fluidkanal (4, 5) umgebende Oberfläche (8) des Grundkörpers in Berührungskontakt gebracht werden und die erste Stirnfläche (7) mit der ebenen Oberfläche (8) des Grundkörpers mittels zumindest eines gepulsten Lasers und eines Schweißdrahtes verschweißt wird, wobei – ein Endabschnitt des Schweißdrahtes auf der Begrenzungslinie zwischen der ersten Stirnfläche (7) und der Oberfläche (8) angeordnet wird, – der Fokus des Lasers auf dem Endabschnitt angeordnet wird, – der Endabschnitt mittels eines Laserpulses auf der Begrenzungslinie angeheftet wird, – der Endabschnitt zusammen mit dem Fokus entlang der Begrenzungslinie wenigstens einmal vollständig um die Messfeder (6) herum gezogen wird und – der Schweißdraht mittels eines Laserpulses oder mechanisch abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stirnfläche (9) und eine Oberfläche (11) des Verschlusselementes (10) in Berührungskontakt gebracht werden und die zweite Stirnfläche (9) mit der Oberfläche (11) des Verschlusselementes (10) mittels zumindest eines gepulsten Lasers und eines Schweißdrahtes verschweißt wird, wobei – ein Endabschnitt des Schweißdrahtes auf der Begrenzungslinie zwischen der zweiten Stirnfläche (9) und der Oberfläche (11) angeordnet wird, – der Fokus des Lasers auf dem Endabschnitt angeordnet wird, – der Endabschnitt mittels eines Laserpulses auf der Begrenzungslinie angeheftet wird, – der Endabschnitt zusammen mit dem Fokus entlang der Begrenzungslinie wenigstens einmal vollständig um die Messfeder (6) herum gezogen wird und, – der Schweißdraht mittels eines Laserpulses oder mechanisch abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag in die Messfeder (6) auf einen Bereich beschränkt ist, der in Erstreckungsrichtung der Messfeder (6) eine Länge von 0,5 mm bis 2 mm aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißdraht wenigstens einen der Schweißzusatzstoffe aus der Gruppe von Schweißzusatzstoffen, bestehend aus Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Chrom, Molybdän, Nickel, Niob und Selen, beinhaltet.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschweißung unter einer Schutzgasatmosphäre oder in einem Vakuum mit einem Druck von 300 mBar oder weniger erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschweißung mittels einer Steuervorrichtung automatisiert erfolgt.
Rohrfedermanometer, umfassend ein Gehäuse (14), ein Anzeigeelement und ein Messelement (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist.
Rohrfedermanometer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Anzeigeelement ein Ziffernblatt mit Messzeiger oder eine Digitalanzeige ist.