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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Abgasanlagen-Einheit gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 1.
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Zur Abgasanlage eines Verbrennungsmotors in Kraftfahrzeugen gehören verschiedene Abgasanlagen-Einheiten, bei denen zwei oder mehr Rohrbauteile miteinander gekoppelt sind, beispielsweise ein Abgaskrümmer oder Abgassammler mit einem Abgasturbolader. Solche Komponenten einer Abgasanlagen, welche zwei miteinander zu verbindenden Rohrabschnitte aufweisen, werden im Rahmen der Erfindung als Rohrbauteile angesehen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verbindung zweier Rohrbauteile innerhalb einer Abgasanlagen-Einheit bei deren Herstellung.
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Generell ist eine dauerhafte und fluiddichte Verbindung zwischen gasführenden Rohrbauteilen einer Abgasanlagen-Einheit angestrebt. Üblicherweise werden die Rohrbauteile mittels einer stoffschlüssigen Verbindung gefügt, insbesondere einer Schweißverbindung. Hierbei kann es jedoch insbesondere bei Bauteilen mit stark unterschiedlichen Materialdicken ebenso wie durch die hohe eingebrachte Streckenenergie beim Fügeprozess, insbesondere beim MAG-Schweißen (Metall-Aktivgas-Schweißen) oder beim MIG-Schweißen (Metall-Inertgas-Schweißen), zu Schäden in der Wärmeeinflusszone oder innerhalb der Schweißnaht kommen. Ursächlich hierfür sind in erster Linie die verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten sowie die stark unterschiedliche Wärmeleitung der Fügepartner.
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Durch die
DE 10 2011 117 137 A1 bzw. die
EP 2 587 108 A2 zählt ein Verfahren und eine Anordnung zum Anschließen eines flexiblen Leitungselements aus Metall zum Stand der Technik. Bei dem flexiblen Leitungselement handelt es sich um einen Ringwellschlauch, der als Entkopplungselement auf ein medienführendes, starres Bauteil mit einem Rohrstutzen gesetzt wird. Der Rohrstutzen des starren Bauteils verjüngt sich zum flexiblen Leitungselement hin. Der Außendurchmesser des Rohrstutzens ist zumindest zum Teil größer als die lichte Weite eines Anschlussendes des flexiblen Leitungselements. Das flexible Leitungselement wird mit seinem Anschlussende auf dem Rohrstutzen verpresst. Hierbei wird das Verpressen oder Einformen des Anschlussendes des flexiblen Leitungselements durch Magnetumformen vorgenommen.
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Die Verbindung von Rohrabschnitten, insbesondere zum Herstellen eines flexiblen Leitungselements für Abgasleitungen, durch eine magnetische Aufweitung oder ein magnetisches Zusammenpressen von Rohrabschnitten offenbart auch die
DE 42 02 808 A1 .
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Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Abgasanlagen-Einheit aufzuzeigen, welches eine hohe Dauerhaltbarkeit der Fügeverbindung zwischen verbundenen Rohrbauteilen bei hoher Prozessstabilität und geringer Störanfälligkeit gewährleistet.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem Verfahren gemäß Anspruch 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 10.
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Die Abgasanlagen-Einheit weist einen ersten Rohrbauteil und einen zweiten Rohrbauteil auf. Zur Verbindung der beiden Rohrbauteile bei der Herstellung der Abgasanlagen-Komponente werden ein Rohrabschnitt des ersten Rohrbauteils und ein Rohrabschnitt des zweiten Rohrbauteils in einem Verbindungsabschnitt überlappend miteinander gefügt. Hierzu wird der Rohrabschnitt des ersten Rohrbauteils thermisch aufgeweitet und in diesem thermischen aufgeweiteten Zustand auf den Rohrabschnitt des zweiten Rohrbauteils geführt und positioniert. Anschließend werden die Rohrabschnitte im Verbindungsabschnitt miteinander stoffschlüssig gefügt.
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Die erfindungsgemäße Verbindung zwischen Rohrbauteilen kann auf beiden Seiten bzw. Enden eines Rohrbauteils als auch nur an einem Ende eines Rohrbauteils erfolgen. Das bedeutet, dass ein erstes Rohrbauteil an seinen beiden Endabschnitten mit einem zweiten Rohrbauteil in erfindungsgemäßer Weise gekoppelt sein kann oder aber auch nur an einem endseitigen Rohrabschnitt.
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Insbesondere erfolgt die thermische Aufweitung des Rohrabschnitts des ersten Rohrbauteils induktiv. Hierbei wird ein Induktor, vorzugsweise in Form einer Kupferspule, über den Aufweitbereich im Rohrabschnitt des ersten Rohrbauteils geführt. Durch den dann einsetzenden Stromfluss wird der Rohrabschnitt anschließend induktiv erwärmt.
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Bei der thermischen Erwärmung wird der Temperaturbereich so gewählt, dass Toleranzunterschiede zwischen den Fügepartner, also dem Rohrabschnitt des ersten Rohrbauteils und dem Rohrabschnitt des zweiten Rohrbauteils, kompensiert werden.
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Im Rahmen der Erfindung wird der Rohrabschnitt des ersten Rohrbauteils zum thermischen Aufweiten auf eine Temperatur TA zwischen 500 °C und 1.200 °C erwärmt.
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Vor dem stoffschlüssigen Fügen der Rohrabschnitte im Verbindungsabschnitt entsteht ein Schrumpfpressverband. Wie bereits erwähnt, wird der erste Rohrbauteil mit dem Rohrabschnitt im erwärmten und thermisch aufgeweiteten Zustand auf den Rohrabschnitt des zweiten Rohrbauteils positioniert. Bei der Berührung der Fügepartner, also der beiden Rohrabschnitte, tritt durch den metallischen Kontakt die Abkühlung ein bzw. die Abkühlung wird beschleunigt und der Fügespalt innerhalb kürzester Zeit geschlossen. Es entsteht ein Schrumpfpressverbund im Verbindungsbereich. Anschließend werden die Rohrabschnitte im Verbindungsabschnitt miteinander stoffschlüssig verbunden. Besonders vorteilhaft erfolgt die stoffschlüssige Verbindung mittels Laserschweißung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von Abgasanlagen-Einheiten mit deutlicher erhöhter Bauteilfestigkeit bei hoher Prozessstabilität. Insbesondere werden nachteilige Beeinflussungen in der Wärmeeinflusszone und der Fügung, also insbesondere innerhalb der Schweißnaht, vermieden. Die Rissneigung in der Wärmeeinflusszone und der Fügeverbindung ist deutlich reduziert.
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Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei der Herstellung von Abgasanlagen-Einheiten, bei denen das erste Rohrbauteil und das zweite Rohrbauteil aus voneinander verschiedenen metallischen Werkstoffen und/oder aus voneinander verschieden legierten metallischen Werkstoffen bestehen. So kann das erste Rohrbauteil aus Stahlblech und das zweite Rohrbauteil aus Stahlguss bestehen. Besonders bei Rohrbauteilen mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren als vorteilhaft.
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Zum Verbinden des ersten Rohrbauteils und des zweiten Rohrbauteils werden diese zusammengeführt, d. h. der Rohrabschnitt des ersten Rohrbauteils wird auf dem Rohrabschnitt des zweiten Rohrbauteils positioniert. Hierbei ergibt sich ein Fügespalt zwischen dem Rohrbauteilen. Der Fügespalt ist wesentlich beeinflusst durch die Fertigungstoleranzen der Einzelteile. Bei der Herstellung der Verbindung werden die Einzelteiltoleranzen berücksichtigt. Der Temperaturbereich bei der thermischen Aufweitung wird so gewählt, dass die Toleranzunterschiede der Fügepartner kompensiert werden. Hinzu kommt noch die notwendige Positionstoleranz für das Aufschieben des ersten Rohrbauteils auf das zweite Rohrbauteil. In der Praxis wird der Fügespalt insbesondere kleiner gleich 0,20 mm bemessen. Besonders vorteilhaft wird ein Fügespalt angesehen, der kleiner gleich 0,14 mm ist. Vorzugsweise ist der Fügespalt kleiner gleich 0,10 mm bemessen.
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung bezieht sich auf die fügetechnische Verbindung von dünnwandigen Entkopplungselementen bzw. Dehnungsausgleichern aus Stahl an dickwandige Gussbauteile mittels Laserschweißen.
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Das erste Rohrbauteil ist zumindest mittelbarer Bestandteil eines Dehnungsausgleichers. Der Dehnungsausgleicher ist ein für die Kompensation von thermischen Ausdehnungen innerhalb der Abgasanlagen-Einheit notwendiges Entkopplungselement. Ein Dehnungsausgleicher wird fachterminologisch daher auch als Entkopplungselement bezeichnet. Üblicherweise wird ein solcher Dehnungsausgleicher in Form eines Ausgleichsrohres oder Metallbalgs ausgeführt.
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Bei einem ersten Rohrbauteil in Form eines Dehnungsausgleichers erfolgt insbesondere beidseitig des ersten Rohrbauteils eine Fügeverbindung mit jeweils einem zweiten Rohrbauteil gemäß der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorgehensweise.
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Bei dem zweiten Rohrbauteil kann es sich insbesondere um einen Rohrstutzen eines Abgaskrümmers handeln.
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Weiterhin kann es sich bei dem zweiten Rohrbauteil um einen Rohrstutzen eines Abgasturboladers handeln, insbesondere um den Einlassstutzen oder den Auslassstutzen.
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Das erste Rohrbauteil ist gegenüber dem zweiten Rohrbauteil dünnwandiger. Regelmäßig hat das erste Rohrbauteil eine Wanddicke von kleiner gleich 1,0 mm. Das zweite Rohrbauteil ist demgegenüber dickwandiger mit einer Wandstärke von größer gleich 3,0 mm. Das zweite Rohrbauteil besteht in der Regel aus einem Stahlguss. Das erste Rohrbauteil besteht aus einem Stahlblech bzw. Stahlrohr.
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Ein vorteilhafter Aspekt der Erfindung sieht vor, dass gemeinsam mit dem ersten Rohrbauteil und dem zweiten Rohrbauteil eine weitere Komponente gefügt wird.
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Insbesondere kann es sich bei der weiteren Komponente um eine Stahlmanschette, einen Winkelring oder einen Flammschutzring handeln.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 in perspektivischer Darstellungsweise einen Abgaskrümmer mit angeschlossenem Turbinengehäuse eines Abgasturboladers;
- 2 die Darstellung der 1 in einer Seitenansicht, teilweise in geschnittener Darstellungsweise;
- 3 den Ausschnitt A der 2 in vergrößerter Darstellungsweise;
- 4a bis 4d die Herstellung einer Abgasanlagen-Komponente in vier Montagesituationen und
- 5a bis 5d wiederum den Herstellungsvorgang einer Abgasanlagen-Komponente unter Verwendung einer alternativen Heizeinrichtung.
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Die 1 und 2 zeigen eine Abgasanlagen-Einheit 1. Die Abgasanlagen-Einheit 1 umfasst erste Rohrbauteile in Form von Dehnungsausgleichern 2, 3 sowie zweite Rohrbauteile in Form eines linken Abgaskrümmers 4, eines rechten Abgaskrümmers 5 sowie dem Turbinengehäuse 6 eines Abgasturboladers. Der linke Abgaskrümmer 4 ist mit dem Turbinengehäuse 6 über den Dehnungsausgleicher 2 und der rechte Abgaskrümmer 5 ist mit dem Turbinengehäuse 6 über den Dehnungsausgleicher 3 verbunden.
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Die Abgaskrümmer 4, 5 bestehen aus Stahlguss. Auch das Turbinengehäuse 6 des Abgasturboladers besteht aus Stahlguss. Die Dehnungsausgleicher 2, 3 bestehen aus einem Stahlrohr bzw. Stahlblech.
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Der Dehnungsausgleicher 2, 3 ist auf einem Teil seiner Länge als Faltenbalg gestaltet. Der Dehnungsausgleicher 2, 3 bildet ein für die Kompensation von thermischen Ausdehnungen notwendiges Entkopplungselement. Jeweils endseitig weist der Dehnungsausgleicher 2, 3 einen stutzenförmigen Rohrabschnitt 7, 8 auf.
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Die Verbindung der Rohrbauteile 2, 4 und 6 untereinander ist näher zu erkennen in der 3.
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Der Abgaskrümmer 4 besitzt auslassseitig einen Rohrstutzen 9 mit einem Rohrabschnitt 10, auf welchen der Rohrabschnitt 7 des Dehnungsausgleichers 2 aufgeschoben ist. Eine weitere Komponente in Form eines Winkelrings 11 umgreift mit einem Stutzenabschnitt 12 den Rohrabschnitt 7 des Dehnungsausgleichers 2 sowie den Rohrabschnitt 10 des Rohrstutzens 9. Ein umlaufender Kranzabschnitt 13 des Winkelrings 11 ist vom Stutzenabschnitt 12 rechtwinklig nach außen gerichtet.
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Der Dehnungsausgleicher 2 überlappt mit seinem abgaskrümmerseitigen Rohrabschnitt 7 den Rohrabschnitt 10 des Abgaskrümmers 4. In dem überlappenden Verbindungsabschnitt 14 sind der Dehnungsausgleicher 2 und der Rohrstutzen 9 des Abgaskrümmers 4 einschließlich des Winkelrings 11 durch eine Laserschweißung stoffschlüssig miteinander gefügt. Die Fügung F ist im Verbindungsabschnitt 14 durch die Strichlinie technisch schematisiert dargestellt.
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Das Turbinengehäuse 6 weist einen einlassseitigen Rohrstutzen 15 mit einem Rohrabschnitt 16 auf. Der Dehnungsausgleicher 2 ist mit seinem Rohrabschnitt 8 auf dem Rohrabschnitt 15 des Turbinengehäuses 6 unter Eingliederung eines weiteren Bauteils, nämlich eines Flammschutzrings 17, positioniert. Außen wird die Anordnung von einem Winkelring 18 umschlossen.
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Auch mit dem einlassseitigen Rohrstutzen 15 des Turbinengehäuses 6 ist der Dehnungsausgleicher 2 unter Einschluss des Flammschutzrings 17 und des Winkelrings 18 mittels einer Laserschweißung im Verbindungsabschnitt 19 stoffschlüssig gefügt. Wie zuvor ist auch hier die Fügung F schematisch durch eine Strichlinie angedeutet.
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Für die Herstellung der Verbindung zwischen dem Dehnungsausgleicher 2 und dem Abgaskrümmer 4 einerseits und dem Turbinengehäuse 6 andererseits wird jeweils der abgaskrümmerseitige Rohrabschnitt 7 bzw. der turbinengehäuseseitige Rohrabschnitt 8 des Dehnungsausgleichers 2 thermisch aufgeweitet. Dies erfolgt induktiv unter Einsatz eines Induktors 20. Hierbei wird der Rohrabschnitt 7 bzw. 8 des Dehnungsausgleichers 2 auf eine Temperatur zwischen 500 °C und 1.200 °C erwärmt. Im erwärmten und thermisch aufgeweiteten Zustand wird dann der jeweilige Rohrabschnitt 7 bzw. 8 des Dehnungsausgleichers 2 auf den korrespondierenden Rohrabschnitt 10 des Abgaskrümmers 4 bzw. dem korrespondierenden Rohrabschnitt 16 des Turbinengehäuses 6 aufgeschoben. Bei der Berührung der beiden Rohrbauteile 2 und 4 bzw. 2 und 6 wird durch den einsetzenden metallischen Kontakt die Abkühlung beschleunigt und der Fügespalt innerhalb weniger Sekunden geschlossen. Anschließend erfolgt die stoffschlüssige Verbindung mittels Laserschweißung.
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Anhand der 4a bis 4d und 5a bis 5d ist der Fügevorgang nochmals verdeutlicht.
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Der Dehnungsausgleicher 2 ist jeweils bereits auf dem endseitigen Rohrstutzen 15 des Turbinengehäuses 6 gefügt. Dies ist in der erfindungsgemäß vorgesehenen Weise erfolgt. Der turbinengehäuseseitige Rohrabschnitt 8 des Dehnungsausgleichers 2 ist induktiv erwärmt und thermisch aufgeweitet auf dem Rohrabschnitt 16 des Einlassstutzens 15 des Turbinengehäuses 6 positioniert und stoffschlüssig mittels Laserschweißung gefügt worden.
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Zur Verbindung des Dehnungsausgleichers 2 mit dem Abgaskrümmer 4 wird der abgaskrümmerseitige Rohrabschnitt 7 des Dehnungsausgleichers 2 induktiv erwärmt (4a und 4b sowie 5a und 5b). Die Darstellungen der 4 und 5 unterscheiden sich durch die eingesetzte Heizeinrichtung. Bei der Heizeinrichtung wie in den 4a bis 4c erkennbar handelt es sich um einen schwenkbaren Induktor 20. Bei der Heizeinrichtung gemäß der 5a bis 5c handelt es sich um einen Induktor 20 in Form einer Kupferspule.
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Zum Erwärmen des abgaskrümmerseitigen Rohrabschnitts 7 des Dehnungsausgleichers 2 wird der Induktor 20 eingeschwenkt und über dem Rohrabschnitt 7 positioniert. Anschließend wird der Rohrabschnitt 7 erwärmt. Der Temperaturbereich wird so gewählt, dass Toleranzunterschiede der Fügepartner kompensiert werden. Hinzu kommt noch die notwendige Positionstoleranz für das Aufschieben des Rohrabschnitts 7 auf den Rohrabschnitt 10 des Abgaskrümmers 4.
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Nachdem die Zieltemperatur erreicht ist, wird der Induktor 20 aus dem Fügebereich geschwenkt und der Rohrstutzen 9 des Abgaskrümmers 4 mit dem Rohrabschnitt 10 in den Rohrabschnitt 7 des Dehnungsausgleichers 2 geschoben. Der Rohrabschnitt 7 des Dehnungsausgleichers 2 und der Rohrabschnitt 10 des Abgaskrümmers 4 überlappen einander im Verbindungsabschnitt 14 und gelangen hier in Kontakt. Durch den metallischen Kontakt der Bauteile 2 und 4 tritt die Abkühlung ein bzw. wird die Abkühlung beschleunigt. Hierdurch wird der Fügespalt innerhalb kürzester Zeit geschlossen. Es entsteht ein Schrumpfpressverband im Verbindungsabschnitt 14. Anschließend erfolgt die Laserschweißung zum stoffschlüssigen Fügen von Abgaskrümmer 4 und Dehnungsausgleicher 2.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Abgasanlagen-Einheit
- 2 -
- Dehnungsausgleicher
- 3 -
- Dehnungsausgleicher
- 4 -
- linker Abgaskrümmer
- 5 -
- rechter Abgaskrümmer
- 6 -
- Turbinengehäuse
- 7 -
- Rohrabschnitt v. 2, 3
- 8 -
- Rohrabschnitt v. 2, 3
- 9 -
- Rohrstutzen
- 10 -
- Rohrabschnitt v. 4
- 11 -
- Winkelring
- 12 -
- Stutzenabschnitt
- 13 -
- Kranzabschnitt
- 14 -
- Verbindungsabschnitt
- 15 -
- Rohrstutzen
- 16 -
- Rohrabschnitt v. 6
- 17 -
- Flammschutzring
- 18 -
- Winkelring
- 19 -
- Verbindungsabschnitt
- 20 -
- Induktor
- F -
- Fügung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011117137 A1 [0004]
- EP 2587108 A2 [0004]
- DE 4202808 A1 [0005]
