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Die Erfindung richtet sich auf eine direkte gasdichte Verbindung zwischen einem Flansch-Bauteil bestehend aus Titan oder einer Titan-Legierungen und einem Rohrleitungsteil bestehend aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierungen zur Verwendung in einem Vakuumsystem sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Lösbare Flanschverbindungen, welche im hohen Maße gasdicht sind, benötigen metallische Dichtungen. Aluminium hat keine genügend hohe Härte und Standfestigkeit, um direkt mit metallischen Dichtungen verwendet werden zu können. Eine direkte Verbindung Edelstahl-Aluminium ist nach derzeitigem Stand der Technik nicht möglich. Alternativ wird hier eine Verbindung Titan-Aluminium vorgeschlagen.
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Stand der Technik:
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Ein direktes Fügen von Titan mit anderen metallischen Werkstoffen bereitet große Schwierigkeiten. Schmelzschweißverfahren schmelzen die Grenzflächen der Fügepartner auf und bilden intermetallische Phasen, die zwar die Zugfestigkeit der Verbindung erhöhen, aber spröde sind, die Bruchgefahr an der Übergangsstelle erhöhen, eine Vakuum dichte Verbindung in aller Regel verhindern und beim Abreißen das weichere Material zerstören. Über geeignete Zwischenlagen ist zwar eine Verbindung möglich, dieses Verfahren ist allerdings aufwändig und teuer. So wird zur Verbindung Titan-Stahl Vanadium eingesetzt, zur Verbindung Titan-Aluminium Silber. Beim Laserschweißverfahren im Überlappstoß entstehen an der Grenzfläche Aluminium-Titan ebenfalls intermetallische Phasen.
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US5836623 beschreibt eine gasdichte Verbindung zwischen zwei unterschiedlichen metallischen Werkstoffen (auch Aluminium mit Titan) zur Verwendung in Ultra-Hoch-Vakuum-Systemen. Die Fügepartner werden mittels Sprengschweißverfahren gefügt, bei dem unter Einsatz von Sprengstoffen die Fügepartner mit berschallgeschwindigkeit aufeinander gepresst werden. Außerdem wird noch eine Dichtung als Barriere eingesetzt, die die Bildung intermetallischer Phasen verhindert. Diese Art der Verbindung ist mit hohem Aufwand verbunden und dementsprechend teuer. Eine Verwendung in Massenproduktion ist daher nicht möglich.
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In
WO 2010097221 A1 wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Aluminiumlegierung und Titanlegierung mittels Reibschweiß-Verfahren beschrieben. Dabei ist gewährleistet, dass dieser Warmumformprozess unterhalb der Schmelztemperatur der metallischen Werkstoffe bzw. der Legierungen metallischer Werkstoffe abläuft. Beim Schweißen erfolgt eine intensive, lokal begrenzte plastische Verformung, die verbindungsbildend wirkt, wobei im Gegensatz zu Schmelzschweißverfahren die Verbindung der beiden miteinander zu fügenden Bauteile bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes von Metalllegierungen erfolgt, so dass nachteilige Gefügeveränderungen (intermetallische Phasen) beim Erstarren der Schmelze vermieden werden können. Diese beschriebene Schweißverbindung muss allerdings nicht zwingend gasdicht sein.
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Den aus dem Stand der Technik bekannten gasdichten Verbindungen und deren Herstellungsverfahren ist gemeinsam, dass sie energie- und zeitaufwändig, teuer und damit für die Serienproduktion nicht geeignet sind.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine direkte gasdichte Verbindung zwischen Titan und Aluminium zu ermöglichen, die einfacher, schneller und damit kostengünstiger herzustellen ist als bisher eingesetzte Verfahren.
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Die Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Verbindungselement und durch das in Anspruch 7 beschriebene Verfahren zu seiner Herstellung gelöst.
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Erfindungsgemäß wird mittels einer Schweißverbindung eine gasdichte Verbindung (Leckraten < 10-9 mbar/l/s He) zwischen einem Flansch-Bauteil aus Titan oder einer Titan-Legierung und einem Rohrleitungsteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zur Verwendung in einem Vakuumsystem hergestellt. Solche Flansch-Bauteile sind insbesondere auch mit metallischen Dichtungen verwendbar. Weiterhin sind solche Flansch-Bauteile temperaturstabil in einem Temperaturbereich von –200°C bis +250°C. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann der Flansch auch als massives Bauteil, z. B. als Platte, ausgebildet sein. Ein Rohrleitungsteil ist im Rahmen dieser Erfindung ein an der Fügestellung rotationssymmetrisches Bauteil mit Öffnungen an den entgegengesetzten Enden. Ein Ende kann erfindungsgemäß auch massiv ausgebildet sein. Bisher eingesetzte Verfahren zu ihrer Verbindung sind entweder zu aufwändig und damit teuer oder gewährleisten keine gasdichte Verbindung.
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Insbesondere kann erfindungsgemäß das Rohrleitungsteil aus einer Aluminium-Legierung mit einem stöchiometrischen Aluminium-Gehalt von mehr als 50% bestehen. Rohre aus diesem Material lassen sich einfach und kostengünstig herstellen. Aluminium-Legierungen weisen ein geringes spezifisches Gewicht auf und lassen sich leicht handhaben. Die Ausgasungsrate unter Vakuum-Bedingungen ist außerdem so gering, dass das Vakuum wenig „verunreinigt” wird. Weiterhin ist die Länge des einstückig hergestellten Rohrleitungsteils mindestens 60 mm, bevorzugt 80 mm besonders bevorzugt 100 mm. Dies hat den Vorteil, dass bereits bei der Herstellung des Flanschbauteils mit einem Titan-Flansch und einem Aluminium-Rohrleitungsbauteil ein Rohleitungsbauteil verwendet werden kann, das bereits die nötige Länge aufweist. Dies führt zu günstigeren Herstellkosten, weil auf zusätzliche Arbeitsschritte, wie das Anschweißen von Rohrverlängerungen sowie auf zusätzliches Material für die Schweißnaht verzichtet werden kann. Dies ist insbesondere bei Aluminium oder Aluminium-Legierungen als Rohrmaterial der Fall, da das Verschweißen von Aluminium oder Aluminium-Legierungen aufwändiger als das Verschweißen von z. B. Stahl ist und mit herkömmlichen Verfahren nur mit Schweißzusätzen möglich ist, was zu Verengungen führen kann. Auch stellt jede Schweißnaht ein zusätzliches Risiko für die Leckbildung dar.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann das Flanschbauteil mithilfe eines Überwurfrings an weiteren Elementen des Ultra-Hoch-Vakuum-Systems befestigt werden, der dann mit den weiteren Elementen verschraubbar ist.
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Erfindungsgemäß besteht das Flansch-Bauteil aus einer Titan-Legierung mit einem stöchiometrischen Titan-Gehalt von mehr als 50%. Titan und Titan-Legierungen besitzen eine hohe Festigkeit und erreichen bei geringer Dichte Zugfestigkeiten von bis zu 1000 N/mm2 und darüber (Elastizitäts-Modul Titan 105 kN/mm2). Außerdem bildet Titan an Luft eine äußerst beständige oxidische Schutzschicht aus. Es ist daher besonders für Anwendungen geeignet, bei denen es auf hohe Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, praktisch nicht vorhandener Magentisierbarkeit und geringes Gewicht ankommt. Die in einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der Erfindung verwendeten Titan-Legierungen haben einen Zugfestigkeit von von > 500 N/mm2 bei Raumtemperatur, bevorzugt > 650 N/mm2 und besonders bevorzugt > 800 N/mm2.
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Die Leckraten der gasdichten Schweißverbindung sind erfindungsgemäß kleiner 10-7 mbar l/s, bevorzugt kleiner als 10-8 mbar l/s und besonders bevorzugt kleiner als 10-9 mbar l/s.
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Die Schweißverbindung ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass an der Grenzfläche keine intermetallischen Phasen entstehen. Sie besitzen eine andere Gitterstruktur als die konstituierenden Metalle und weisen im Allgemeinen eine höhere Festigkeit und Härte auf, sind aber auch spröder.
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Die Verbindung Flansch-Bauteil mit dem Rohrleitungsteil ist erfindungsgemäß so ausgeführt, dass eine Stirnfläche des Rohrleitungsteils mit der Grundfläche des Flansch-Bauteils verschweißt ist. Je nach dem verwendeten Schweißverfahren können auch andere Geometrien der Fügepartner möglich sein. Beim Reibschweißverfahren muss ein Fügepartner an der Fügestelle rotationssymmetrisch sein. Andere Verfahren ermöglichen das Fügen von Partnern beliebiger Geometrie.
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Die Wandstärken des Rohrleitungsteils sollten zu dessen Gewichtsreduzierung und zur Erzielung eines großen Innendurchmessers möglichst gering sein. Erfindungsgemäß beträgt die Wandstärke besonders bevorzugt maximal 2 mm. Verbindungen, die z. B. mittels Sprengschweißverfahren hergestellt werden, weisen höhere Wandstärken auf. Die typischen Rohrinnenmaße von Edelstahlkomponenten werden damit auch bei Aluminiumkomponenten erreicht.
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Vakuum-Systeme, insbesondere Ultra-Hoch-Vakuum-Systeme, werden zur Ausgasung ausgeheizt. Die Grenzfläche der Verbindung zwischen Flansch-Bauteil und Rohrleitungsteil ist erfindungsgemäß so ausgeführt, dass die Verbindung bis zu einer Temperatur Von bis zu 250°C stabil und gasdicht bleibt.
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Die Grenzfläche zwischen Rohrleitungsteil und Flansch weist erfindungsgemäß eine so hohe mechanische Festigkeit auf, dass die Verbindung auch unter mechanischer Belastung nicht bricht.
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In einer optionalen Ausführungsform der Erfindung ist die Verbindung zwischen Flansch und Rohrleitungsbauteil stoffschlüssig ausgebildet. Stoffschlüssige Verbindungen von Aluminium und Aluminium-Legierungen mit Titan und Titan-Legierungen sind aus der Literatur bekannt. Diese Verbindungen sind allerdings nicht zwingend gasdicht. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen, das eine gasdichte Verbindung zwischen einem Flansch-Bauteil und einem Rohrleitungsteil zur Verwendung in einem Vakuum-Rohrleitungssystem herstellt. Das Rohrleitungsteil besteht erfindungsgemäß aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung mit einem stöchiometrischen Aluminium-Gehalt von mindestens 50%, der Flansch erfindungsgemäß aus Titan oder einer Titan-Legierung mit einem stöchiometrischen Titan-Gehalt von ebenfalls mindestens 50%. Das Rohrleitungsteil kann erfindungsgemäß auch ein massives Ende aufweisen. Beide Bauteile werden mittels eines Schweißverfahrens gasdicht miteinander verbunden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Flanschbauteils um fasst die Schritte des Bereitstellens eines Rohrleitungsbauteils aus einer Aluminium-Legierung mit einem Aluminium-Gehalt von mindestens 50% Gew.% oder aus Aluminium, wobei das Rohrleitungsbauteil eine Länge von Mindestens 60 mm, bevorzugt 80 mm und besonders bevorzugt 100 mm aufweist, des Bereitstellens eines Flansches aus Titan oder Titan-Legierung mit einem Titan-Gehalt von mindestens 50 Gew.%, wobei das Material des Flansches eine höhere Härte aufweist als das Material des Rohrleitungsbauteils, und des Herstellens einer gasdichten Verbindung zwischen Flansch und Rohrleitungsbauteil. Nach dem bisherigen Stand der Technik der bekannten Herstellungsverfahren sind die Abmessungen für Bauteile der genannten Art sehr limitiert. Dies führt dazu, dass im Nachgang zur Herstellung der Verdingung zwischen Flansch und Rohrleitungsbauteil an das Rohrleitungsbauteil Verlängerungen angeschweißt werden müssen. Das erhöht die Kosten und den Materialaufwand. Weiterhin stellt jede zusätzliche Schweißnaht auch ein zusätzliches Risiko für die Leckbildung dar und verengt zudem den Innendurchmesser des Rohres, da mit einen Schweißzusatz gearbeitet werden muss. Zur Herstellung einer gasdichten Verbindung wird in einer Weiterbildung der Erfindung eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt.
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Der Herstellungsprozess der gasdichten Verbindung zwischen Rohrleitungsteil und Flansch ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass sich während des Prozesses keine intermetallischen Phasen an der Grenzfläche Rohrleitungsteil-Flansch bilden. Diese weisen im Allgemeinen eine höhere Zugfestigkeit auf als die sie konstituierenden Metalle, sind aber auch so spröde, dass die Bruchgefahr an der Übergangsstelle erhöht wird, eine vakuumdichte Verbindung verhindert wird und beim Abreißen der Verbindung das weichere Bauteil (hier das Rohrleitungsteil aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung) zerstört werden kann.
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Um die Bildung der intermetallischen Phasen an der Grenzfläche zwischen Rohrleitungsteil und Flansch zu vermeiden, ist der Herstellungsprozess erfindungsgemäß entsprechend ausgestaltet. Die Bearbeitungstemperatur während des Prozesses zur Herstellung einer gasdichten Verbindung zwischen einem Flansch-Bauteil und einem weiteren Bauteil eines Rohrleitungssystems bleibt dabei sowohl unter der Schmelztemperatur des Materials des Rohrleitungsteils als auch unter der Schmelztemperatur des Materials des Flansches.
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Erfindungsgemäß kann die Verbindung Rohrleitungsteil-Flansch mittels Reibschweißen, Diffusionsschweißen, Ultraschall-Schweißen oder einem anderen Pressschweißverfahren hergestellt werden. Dabei bleiben die Schweißpartner im festen Zustand und werden nur plastisch verformt. Es entstehen bei richtig eingestellten Parametern (z. B. Druck, Dauer des Verfahrens) keine intermetallischen Phasen. Beim Reibschweißverfahren muss einer der Fügepartner eine rotationssymmetrische Gestalt aufweisen. Beim Ultraschall-Schweißen wird eine so hochfrequente Schwingung horizontal zu den Fügepartnern eingeleitet, dass die Fügepartner ineinander verzahnen und verhaken. Das Diffusionsschweißen erfordert typischerweise neben hohem Druck auch eine Erhitzung der Fügepartner bis knapp unter die Solidustemperatur. Bei entsprechend guter Qualität der Fügeflächen ist dieser Prozess auch unter Raumtemperatur möglich.
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Das Laserschweißverfahren im Überlappstoß ist erfindungsgemäß ebenfalls geeignet, eine gasdichte Verbindung zwischen Titan- und Aluminiumlegierungen zu erzielen. Titan wird dabei auf Aluminiumlegierungen geschweißt. Der Laserstrahl erhitzt das Titan und schmilzt durch Wärmeleitung den Fügepartner aus Aluminium. Dabei entsteht jedoch an der Grenzfläche zwischen Titan- und Aluminiumlegierungen eine dünne Schicht intermetallischer Titan-Aluminium-Verbindungen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in der – beispielhaft – ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt:
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1 Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Verbindung eines Flansches mit Durchgangsbohrung mit einem Aluminium Rohransatz
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2 Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Verbindung eines Blindflansches mit einem Aluminium-Rohr
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3 Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Verbindung eines Flansches mit Durchgangsbohrung mit einem Aluminiumteil mit massivem Ende (auf der rechten Seite)
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4 Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Verbindung eines Flansches mit Durchgansbohrung in der Ausführung als drehbarer Flansch mit einem Aluminium Rohr
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Vier Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachstehenden Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Die – zeigen jeweils einen Längsschnitt durch die Verbindungsstelle Rohr (bestehend aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung) und Flansch (bestehend aus Titan oder einer Titan-Legierung).
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In 1 ist eine typische Rohr-Flansch-Verbindung 1 einer Kammer für Ultra-Hoch-Vakuum-Anwendungen dargestellt. Der Flansch 11 besteht typischerweise aus Titan Grade 2 oder Grade 5 (Zugfestigkeit bis 900 N/mm2). Auch andere Titanqualitäten wie Grade 3, 4, 7, 11 können eingesetzt werden. Der Flansch weißt Bohrungen 61 zur Verschraubung des Flansch-Bauteils 1 mit einem anderen Teil eines des Ultra-Hoch-Vakuum-Systems auf. Weiterhin ist an der Verbindungsseite des Flansches 11 eine Aussparung 41 zur Aufnahme einer Metalldichtung, wobei in der Vertiefung 41 eine Schneidkante 31 vorgesehen ist (vgl. ISO/TS 3669-2). Das Rohr 21 besteht aus einer Aluminium-Legierung. Zur Verwendung können alle bekannten schweißbaren Aluminium-Legierungen kommen, typischerweise Legierungen der Gruppen 5000 und 6000, die mit Mg bzw. Mg und Si legiert sind.
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Erfindungsgemäß kann das Rohr 21 vorteilhafterweise während des Herstellungsprozesses eine beliebige Länge aufweisen, die maximale Länge wird nur durch den vorhandenen Platz begrenzt. Die Länge des Rohres kann daher so gewählt werden, dass beim weiteren Verarbeiten keine Verlängerung des Rohres notwendig wird und somit zusätzliche Schweißstellen und -arbeiten vermieden werden. Typischerweise hängt die Rohrlänge von der Größe des Flansches ab und liegt zwischen 50 und 300 mm. Bei dieser Ausführungsform liegt die Länge bei 60 mm. Die Form des Aluminium-Bauteils ist frei wählbar, lediglich im Bereich der Verbindung zum Titan-Bauteil ist eine rotationssymmetrische Form erforderlich. Anstatt eines Rohres kann also vorteilhafterweise auch ein T-Stück, Kreuzstück oder ein Bogen verschweißt werden. Der Übergang zwischen dem Titan-Bauteil und dem Aluminium-Bauteil ist glatt und weist insbesondere auf der Innenseite, aber ebenso auf der Außenseite keinen Spalt oder Absatz auf. Ein Einsatz dieser Konfiguration ist damit auch im Lebensmittel-Bereich und in der Pharmazie möglich.
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Eine alternative vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist in dargestellt. Der Flansch 12 (bestehend aus Titan oder einer Titan-Legierung) weist keine Bohrung auf, sondern ist als geschlossener Blindflansch ausgebildet und mit dem Rohrteil 22 (bestehend aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung) verschweißt. Das Rohrteil weist hier eine Länge von 80 mm auf. Diese Variante wird typischerweise verwendet, wenn in des Flansch-Bauteil eine Blende o. ä. eingearbeitet werden soll.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeigt . Des Flansch-Bauteil 1 (besteherid aus Titan oder einer Titan-Legierung) ist anstatt eines Rohres mit einem massiven Körper 2, z. B. einer Stange (bestehend aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung) verschweißt. Das Aluminium-Bauteil weist nur an der Verbindungsstelle zum Flansch-Bauteil einen rotationssymmetrischen Querschnitt auf und kann beliebig geformt sein, z. B. als Vierkant-, Sechskant- oder asymmetrisches Bauteil. Das Aluminium-Bauteil kann daher vorteilhafterweise leicht an andere asymmetrische Teile angepasst und mit ihnen verbunden werden, typischerweise an ovale Rohrprofile, die in Bauteilen von Teilchenbeschleunigern eingesetzt werden. Möglich sind auch seitlich Abgänge und Winkelstücke. Die Länge des Aluminium-Bauteils ist in diesem Ausführungsbeispiel 65 mm.
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zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung. Des mit dem 100 mm langen Aluminium-Bauteil 2 verschweißte Titan-Bauteil 1 weist keine Verbindungsbohrungen auf (wie in Beispielen 1–3 existent). Die Montage erfolgt durch die Durchgangs- und/oder Gewindelöcher eines Überwurfrings 3, der zusätzlich durch ein seitlich angebrachtes Gewinde fixiert werden kann. Mittels dieser Anordnung ist das Flansch-Bauteil drehbar, die Verbindungsbohrungen können beliebig orientiert sein. Außerdem wird weniger Material für des Titan-Bauteil benötigt, die Herstellungskosten sind somit verringert. Der Überwurfring kann aus einem beliebigen Material gefertigt sein, weil er keinen direkten Kontakt zum Vakuum oder Medium hat. Der Überwurfring muss lediglich die notwendige Festigkeit besitzen. Vorteilhaft ist die Fertigung aus nicht magnetischem Material, typischerweise aus einer Aluminium-Legierung. Die Drehbarkeit des Flansches gegenüber dem Rohrleitungsteil entsteht durch einen separaten Außenring (54), der nicht stoffschlüssig mit den Teilen 14 und 24 verbunden ist Der Überwurfring kann geteilt sein und damit nachträglich montiert oder gewechselt werden. Ebenfalls kann er eine konische Form aufweisen, um die Verwendung von Spannketten zu ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flansch-Bauteil mit Flansch mit Rohransatz
- 2
- Flansch-Bauteil mit Blindflansch und Rohransatz
- 3
- Flansch-Bauteil mit Flansch und Verschlussteil
- 4
- Flansch-Bauteil mit Flansch, Rohransatz und Überwurfring
- 11, 12, 13, 14
- Flansch
- 21, 22, 23, 24
- Rohransatz
- 31, 32, 33, 34
- Schneidkante
- 41, 42, 43 44
- Aussparung für Metalldichtung
- 51, 52, 53, 54
- Überwurfring
- 61, 62, 63, 64
- Bohrung für Schraubverbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5836623 [0004]
- WO 2010097221 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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