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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Herstellen eines Werkstoffverbunds aus einem äußeren Körper mit einer Bohrung und wenigstens einem in die Bohrung eingesetzten und von dem äußeren Körper umschlossenen inneren Körper, wobei eine Mantelfläche des bzw. jedes inneren Körpers an einer komplementären Innenfläche der Bohrung anliegt, wobei die Innenfläche der Bohrung von einem ersten Material und die Mantelfläche des inneren Körpers von einem zweiten Material gebildet wird, wobei die Innenfläche und die Mantelfläche zu verbindende Oberflächenbereiche des Werkstoffverbunds darstellen, wobei die den wenigstens einen inneren Körper aufnehmende Bohrung des äußeren Körpers ein mit einem Fixierstopfen verschlossenes offenes Ende oder zwei jeweils mit einem Fixierstopfen verschlossene offene Enden aufweist, wobei der wenigstens eine innere Körper ein Expansionskörper ist oder wenigstens einen Expansionskörper umschließt, wobei der bzw. jeder Expansionskörper einen Expansionshohlraum mit einem vorgegebenen Anfangsvolumen derart umschließt, dass bei der Expansion des Expansionshohlraums bzw. der Expansionshohlräume die zu verbindenden Oberflächenbereiche gegeneinander gepresst werden, wobei jeweils eine vorgegebene Stoffmenge wenigstens eines Stoffes, der zumindest bei einer Zieltemperatur gasförmig ist oder beim Erwärmen vor dem Erreichen der Zieltemperatur zumindest einen gasförmigen Stoff in einem vorgegebenen Mengenanteil bildet, in dem bzw. jedem Expansionshohlraum hermetisch eingeschlossen ist, wobei die vorgegebene Stoffmenge so gewählt ist, dass bei Erreichen der Zieltemperatur in dem jeweiligen Expansionshohlraum ein vorgegebener Druck erreicht wird, der eine Expansion des Expansionskörpers und Deformation des inneren Körpers bewirkt, die zum Schließen vorhandener Spalte und zum Herstellen einer festen stoffschlüssigen Verbindung zwischen den zu verbindenden Oberflächenbereichen ausreicht.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines räumlichen Werkstoffverbunds aus einem äußeren Körper und wenigstens einem inneren Körper, wobei der äußere Körper eine Bohrung zur Aufnahme des wenigstens einen inneren Körpers und der wenigstens eine innere Körper eine zu einer Innenfläche der Bohrung komplementäre Mantelfläche aufweist, wobei die Innenfläche des äußeren Körpers von einem ersten Material und die Mantelfläche des wenigstens einen inneren Körpers von einem zweiten Material gebildet ist, wobei die Innenfläche und die Mantelfläche zu verbindende Oberflächenbereiche des Werkstoffverbunds darstellen, wobei der wenigstens eine innere Körper ein Expansionskörper ist oder einen Expansionskörper oder mehrere in axialer Richtung hintereinander angeordnete, aneinander anliegende Expansionskörper umschließt, wobei der bzw. jeder Expansionskörper einen Expansionshohlraum mit jeweils einem vorgegebenen Anfangsvolumen umschließt, wobei jeweils eine vorgegebene Stoffmenge wenigstens eines Stoffes, der beim Erwärmen zumindest bei Erreichen einer Zieltemperatur gasförmig ist oder vor dem Erreichen der Zieltemperatur zumindest einen gasförmigen Stoff in einem vorgegebenen Mengenanteil bildet, in dem Expansionshohlraum hermetisch eingeschlossen ist, wobei die vorgegebene Stoffmenge so gewählt ist, dass in dem Expansionshohlraum bei Erreichen der Zieltemperatur ein vorgegebener Druck erreicht wird, wobei (a) der wenigstens eine innere Körper so in die Bohrung eingesetzt wird, dass er von dem äußeren Körper umschlossen wird und die Mantelfläche des bzw. jedes inneren Körpers an der komplementären Innenfläche der Bohrung anliegt, (b) das offene Ende einer einseitig offenen Bohrung durch Einbringen eines Fixierstopfens verschlossen wird bzw. die beiden offenen Enden einer durchgehenden Bohrung durch Einbringen jeweils eines Fixierstopfens verschlossen werden, und (c) dieser noch lose Verbund des äußeren und des wenigstens einen inneren Körpers erwärmt und auf die Zieltemperatur gebracht wird, wodurch aufgrund der Expansion des bzw. jedes Expansionshohlraums und des bzw. jedes Expansionskörpers die zu verbindenden Oberflächenbereiche gegeneinander gepresst werden, wobei der bei der Zieltemperatur erreichte Druck ausreicht, um mittels einer Deformation des wenigstens einen inneren Körpers zwischen den zu verbindenden Oberflächenbereichen vorhandene Spalte zu schließen und eine feste stoffschlüssige Verbindung herzustellen.
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Eine Anordnung und ein Verfahren der eingangs genannten Art sind aus der
DE 10 2013 105 762 A1 und der
EP 2 866 968 B1 bekannt. Bei einer dort beschriebenen Ausführungsform wird eine Innenfläche einer Bohrung eines Grundkörpers aus Stahl mit einer Schicht aus Kupfer plattiert. Zu diesem Zweck wird eine Hülse aus Kupfer in die Bohrung des Grundkörpers eingeschoben. In die Bohrung der Kupferhülse wiederum wird ein Expansionskörper eingeschoben, der aus einer einseitig offenen zylindrischen Hülse und einem Verschlussstopfen besteht. Nach dem Einbringen einer vorgegebenen Stoffmenge in den Hohlraum im Inneren des Expansionskörpers (Expansionshohlraum) wird dieser durch den Verschlussstopfen verschlossen, wobei die Verbindungsstelle gasdicht verschweißt wird. Nach dem Einschieben der Kupferhülse und des Expansionskörpers werden die beiden offenen Enden der Bohrung durch zwei Fixierstopfen verschlossen. Die Fixierstopfen werden ebenfalls gasdicht eingeschweißt. Dieser Verbund wird bis auf die Zieltemperatur erwärmt und dann auf dieser Temperatur gehalten, wobei in dem Expansionshohlraum ein Druck entsteht, der zu Spannungen in dem Verbund führt, die die Warmkriechgrenzen bei der Zieltemperatur überschreiten. Zunächst drückt sich der Expansionskörper nach außen an die Kupferhülse an, wobei die Spalte zwischen den Körpern geschlossen werden. Anschließend wird die Kupferhülse nach außen an die Wandung der Bohrung des Stahl-Grundkörpers angepresst. Nach dem Schließen der Spalte wirken die von dem Druck in dem Expansionshohlraum erzeugten Spannungen direkt auf die zu verbindenden Oberflächen zwischen der Kupferhülse und dem Stahl-Grundkörper ein. Wird dieser Druck ausreichend lange aufrechterhalten, so wird eine fest-diffusive Verbindung zwischen Kupfer und Stahl hergestellt. Während der Haltezeit und auch noch während einer nachfolgenden Abkühlphase wird weiterhin ein so hoher Druck aufrechterhalten, dass die durch den Expansionskörper erzeugten Spannungen die jeweiligen Warmkriechgrenzen des Expansionskörpers und der Kupferhülse übersteigen. Dies sichert bei den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und Kupfer und somit unterschiedlich starker Kontraktionen eine Nachspeisung des Kupfers und verhindert ein Ablösen der Plattierung vom Grundkörper. In einem letzten Arbeitsschritt können die Fixierstopfen entfernt und die gewünschte Dicke der Plattierung durch ein Aufbohren erzielt werden.
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In der Praxis haben sich allerdings Fälle gezeigt, bei denen keine fest-diffusive Verbindung zwischen Kupfer und Stahl hergestellt werden konnte, weil in den zu schließenden Spalten zwischen Kupferhülse und Stahl-Grundkörper vorhandene Restluftmengen eine Oxidation bewirkten, was eine Verbindung der Oberflächen erschwerte oder sogar verhinderte. Außerdem traten mit zunehmender Stirnfläche des Expansionskörpers einschließlich der Stirnfläche der umgebenden Hülse Fälle auf, bei denen die auf die Fixierstopfen einwirkenden Kräfte zu einem Bruch der Schweißnähte und einem Herausdrücken der Fixierstopfen führte.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese Ausfälle zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist eine Anordnung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung an dem offenen Ende bzw. an beiden offenen Enden jeweils in dem Bohrungsabschnitt, in dem der Fixierstopfen eingesetzt ist, ein Innengewinde aufweist und dass der bzw. die Fixierstopfen ein entsprechendes Außengewinde aufweist bzw. aufweisen, wobei das bzw. die Gewinde so ausgestaltet ist bzw. sind, dass nach dem Einschrauben des Fixierstopfens bzw. der Fixierstopfen zwischen Profiltälern des einen Gewindes und Profilspitzen des anderen Gewindes ein dünner Kanal verbleibt, der die Spalte zwischen dem wenigstens einen Expansionskörper, dem wenigstens einen inneren Körper und dem äußeren Körper mit der Umgebung der Anordnung verbindet.
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Die erfindungsgemäße Weiterbildung der aus der
DE 10 2013 105 762 A1 oder der
EP 2 866 968 B1 bekannten Anordnung berücksichtigt den Umstand, dass die Gesamtanordnung in einer evakuierten Kammer auf die Zieltemperatur erwärmt wird, und basiert auf der Erkenntnis, dass einerseits ein nicht-dichtendes Gewinde die ggf. noch mit unerwünschten Stoffen gefüllten Spalte mit der evakuierten Umgebung verbindet, so dass diese Stoffe abgesaugt werden (d.h., die Spalte werden ebenfalls evakuiert), und andererseits das Gewinde ein Festhalten des Fixierstopfens an dem offenen Ende bzw. der Fixierstopfen an den offenen Enden der Bohrung auch bei hohen Innendrücken gewährleistet.
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Der bzw. jeder innere Körper kann selbst als Expansionskörper ausgebildet sein, d. h. einen Expansionshohlraum enthalten. Der innere Körper oder jeder der mehreren inneren Körper kann alternativ einen Hohlraum enthalten, der einen oder mehrere Expansionskörper aufnehmen kann. Der oder jeder innere Körper, dessen Mantelfläche an der Innenfläche der Bohrung anliegt, kann auch einen oder mehrere weitere Körper in seinem Inneren aufnehmen, von denen einer oder mehrere wiederum einen oder mehrere Expansionskörper enthält bzw. enthalten.
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Die Bohrung in dem äußeren Körper kann von unterschiedlicher Gestalt sein, beispielsweise sich konisch verjüngen oder zylindrisch sein oder einen rechteckigen oder elliptischen Querschnitt haben. Bei einer Ausführungsform weist der bzw. jeder innere Körper eine zylindrische, insbesondere kreiszylindrische Mantelfläche und der äußere Körper eine Bohrung mit einer komplementären zylindrischen Innenfläche auf. Bei dieser Ausführungsform kann der bzw. jeder an der Innenfläche der Bohrung anliegende innere Körper als zylindrische Hülse ausgebildet sein, die einen zylindrischen Expansionskörper und auch weitere Körper in Form zylindrischer Hülsen enthalten kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das Innengewinde der Bohrung und das entsprechende Außengewinde des Fixierstopfens bzw. die entsprechenden Außengewinde der Fixierstopfen Feingewinde, welche eine geringe Steigung haben.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Anordnung zum Herstellen eines räumlichen Werkstoffverbunds ist dadurch gekennzeichnet, dass das Innengewinde der Bohrung und das entsprechende Außengewinde des Fixierstopfens bzw. die entsprechenden Außengewinde der Fixierstopfen jeweils über eine axiale Länge im Eingriff stehen, die mindestens ein Viertel des Durchmessers der Bohrung beträgt. Dies ermöglicht ein Festhalten des Fixierstopfens bei Innendrücken bis etwa 50 MPa.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das Innengewinde der Bohrung und das entsprechende Außengewinde des Fixierstopfens bzw. die entsprechenden Außengewinde der Fixierstopfen jeweils über eine axiale Länge im Eingriff stehen, die zumindest etwa dem Durchmesser der Bohrung entspricht. Dies gewährleistet eine höhere Sicherheit des Festhaltens des Fixierstopfens bei den aufgrund der Expansion des Expansionskörpers auftretenden Innendrücken.
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Vorzugsweise erstreckt sich das Außengewinde bzw. erstrecken sich die Außengewinde über die gesamte axiale Länge des Fixierstopfens bzw. der Fixierstopfen. Dies vereinfacht die Herstellung.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegt eine innere Stirnfläche des Fixierstopfens an einer Stirnfläche des Expansionskörpers oder einer Reihe mehrerer in axialer Richtung hintereinander angeordneter, aneinander anliegender Expansionskörper an bzw. liegen die beiden inneren Stirnflächen der beiden Fixierstopfen an beiden Stirnflächen des Expansionskörpers bzw. der Reihe von Expansionskörpern an. Die Stirnflächen der Fixierstopfen können zusätzlich auch an den Stirnflächen des den Expansionskörper jeweils umgebenden inneren Körpers anliegen. Bei einer alternativen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegt eine innere Stirnfläche des Fixierstopfens an einem Zwischenkörper und dieser an einer Stirnfläche des Expansionskörpers an bzw. liegen die beiden inneren Stirnflächen der beiden Fixierstopfen jeweils an einer Stirnfläche des Expansionskörpers oder an einem Zwischenkörper und dieser an der Stirnfläche des Expansionskörpers an. Unter einem Zwischenkörper soll hier auch ein mehrteiliger Körper verstanden werden, beispielsweise zwei oder mehrere axial hintereinander angeordnete, mit ihren Stirnflächen aneinanderliegende zylindrische Körper. Diese Ausführungsformen vermeiden eine Expansion des Expansionskörpers in axialer Richtung in zwischen den Stirnflächen verbleibende Spalte hinein. Vorzugsweise sind diese Ausführungsformen dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Stirnfläche des Fixierstopfens bzw. wenigstens eine äußere Stirnfläche der beiden Fixierstopfen ein Eingriffselement zum formschlüssigen Eingriff eines Schraubwerkzeugs aufweist. Beispielsweise weisen die Außenstirnflächen der Fixierstopfen eine Innensechskant-Ausnehmung zum Eingriff eines Steckschlüssels auf.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der zuletzt genannten Ausführungsformen, bei der die innere(n) Stirnfläche(n) des/der Fixierstopfen(s) direkt oder unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer Zwischenkörper an der/den Stirnfläche(n) des Expansionskörpers anliegen, ist der bzw. sind die Fixierstopfen derart eingeschraubt, dass der Expansionskörper axial eingeklemmt ist und unter einer vorgegebenen axialen Druckspannung steht. Berechnungen für zylindrische Behälter (unter Beachtung der Kesseldruckgleichung) und Untersuchungen haben gezeigt, dass der Druck auf die zylindrische Mantelfläche doppelt so hoch wie der Druck auf die Stirnflächen ist. Dies kann bedeuten, dass sich der Expansionskörper allein oder mit den ihn ggf. umgebenden Hülsen im Verlauf des Verfahrens bereits fest an die ihn umgebende Innenfläche der Bohrung anlegt und sich mit dieser teilweise oder bereits vollständig verbindet, bevor dies an den Stirnseiten geschieht. Dies kann eine leichte axiale Kontraktion des Expansionskörpers bewirken, wobei sich dessen Stirnseiten von den inneren Stirnseiten der Fixierstopfen entfernen könnten. Um dem entgegenzuwirken, ist bei der bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, beim Einbringen des Expansionskörpers und des inneren Körpers in die Bohrung des äußeren Körpers nicht nur die inneren Stirnflächen der Fixierstopfen an die Stirnflächen des Expansionskörpers anzulegen, sondern darüber hinaus gehend den Expansionskörper axial einzuklemmen, so dass er unter einer vorgegebenen axialen Druckspannung steht. Diese axiale Druckspannung wirkt dann der durch den Innendruck erzeugten axialen Zugspannung entgegen und verringert so die Gefahr einer Überbeanspruchung des Materials im Stirnseitenbereich. So wird der Expansionskörper an seiner konstruktionsbedingten Schwachstelle verstärkt.
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Eine bevorzugte Anordnung zum Herstellen eines räumlichen Werkstoffverbunds ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material ein erstes Metall, vorzugsweise Stahl, und das zweite Material ein zweites Metall mit einer geringeren Warmzugfestigkeit als das erste Metall, vorzugsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung, ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines räumlichen Werkstoffverbunds aus einem äußeren Körper und wenigstens einem inneren Körper, bei dem der äußere Körper eine Bohrung zur Aufnahme des wenigstens einen inneren Körpers und der wenigstens eine innere Körper eine zu einer Innenfläche der Bohrung komplementäre Mantelfläche aufweist, wobei die Innenfläche des äußeren Körpers von einem ersten Material und die Mantelfläche des wenigstens einen inneren Körpers von einem zweiten Material gebildet ist, wobei die Innenfläche und die Mantelfläche zu verbindende Oberflächenbereiche des Werkstoffverbunds darstellen, wobei der wenigstens eine innere Körper ein Expansionskörper ist oder einen Expansionskörper oder mehrere in axialer Richtung hintereinander angeordnete, aneinander anliegende Expansionskörper umschließt, wobei der bzw. jeder Expansionskörper einen Expansionshohlraum mit jeweils einem vorgegebenen Anfangsvolumen umschließt, wobei jeweils eine vorgegebene Stoffmenge wenigstens eines Stoffes, der beim Erwärmen zumindest bei Erreichen einer Zieltemperatur gasförmig ist oder vor dem Erreichen der Zieltemperatur zumindest einen gasförmigen Stoff in einem vorgegebenen Mengenanteil bildet, in dem Expansionshohlraum hermetisch eingeschlossen ist, wobei die vorgegebene Stoffmenge so gewählt ist, dass in dem Expansionshohlraum bei Erreichen der Zieltemperatur ein vorgegebener Druck erreicht wird, wobei die den wenigstens einen inneren Körper aufnehmende Bohrung des äußeren Körpers einseitig offen oder durchgehend ist und an dem offenen Ende bzw. an beiden offenen Enden ein Innengewinde jeweils in dem Bohrungsabschnitt, in den ein Fixierstopfen eingesetzt werden soll, aufweist, wobei der bzw. die Fixierstopfen ein entsprechendes Außengewinde aufweisen, wobei die Gewinde so ausgestaltet sind, dass nach dem Einschrauben des Fixierstopfens bzw. der Fixierstopfen zwischen Profiltälern des einen Gewindes und Profilspitzen des anderen Gewindes ein dünner Kanal verbleibt, der die Spalte zwischen dem wenigstens einen Expansionskörper, dem wenigstens einen inneren Körper und dem äußeren Körper mit der Umgebung der Anordnung verbindet, wird
- (a) der wenigstens eine innere Körper so in die Bohrung eingesetzt, dass er von dem äußeren Körper umschlossen wird und die Mantelfläche des wenigstens einen inneren Körpers an der komplementären Innenfläche der Bohrung anliegt,
- (b) das eine offene Ende einer einseitig offenen Bohrung durch Einschrauben eines Fixierstopfens verschlossen bzw. werden die beiden offenen Enden einer durchgehenden Bohrung jeweils durch Einschrauben eines Fixierstopfens verschlossen, wobei der bzw. die Fixierstopfen so weit eingeschraubt wird bzw. werden, dass dessen innere Stirnseite bzw. deren innere Stirnseiten direkt oder über wenigstens einen Zwischenkörper einen Druck auf die Stirnseite bzw. die Stirnseiten des Expansionskörpers bzw. der Expansionskörper ausüben, so dass der bzw. die Expansionskörper unter einer Druckspannung steht bzw. stehen, und
- (c) dieser noch lose Verbund des äußeren Körpers und des wenigstens einen inneren Körpers erwärmt und auf die Zieltemperatur gebracht, wodurch aufgrund der Expansion des wenigstens einen Expansionshohlraums und des wenigstens einen Expansionskörpers die zu verbindenden Oberflächenbereiche gegeneinander gepresst werden, wobei der bei der Zieltemperatur erreichte Druck ausreicht, um mittels einer Deformation des wenigstens einen inneren Körpers zwischen den zu verbindenden Oberflächenbereichen vorhandene Spalte zu schließen und eine feste stoffschlüssige Verbindung herzustellen.
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Aus den bereits oben erwähnten Berechnungen für zylindrische Behälter und Untersuchungen zeigte sich, dass sich der Expansionskörper allein oder mit den ihn ggf. umgebenden Hülsen im Verlauf des Schritts c) des Verfahrens bereits fest mit der ihn umgebenden Innenfläche der Bohrung verbinden kann, bevor dies an den Stirnseiten geschieht, wobei dies eine axiale Kontraktion des Expansionskörpers bewirken kann. Um dem entgegenzuwirken, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass im Schritt b) der bzw. die Fixierstopfen so weit eingeschraubt wird bzw. werden, dass dessen innere Stirnseite bzw. deren innere Stirnseiten direkt oder über wenigstens einen Zwischenkörper einen Druck auf die Stirnseite bzw. die Stirnseiten des Expansionskörpers ausüben, so dass der Expansionskörper zu Beginn des Schritts b) unter einer Druckspannung steht. Diese axiale Druckspannung wirkt dann der durch den Innendruck erzeugten axialen Zugspannung entgegen und verringert so die Gefahr einer Überbeanspruchung des Materials im Stirnseitenbereich.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieses Verfahrens zum Herstellen eines räumlichen Werkstoffverbunds wird im Schritt (b) der Fixierstopfen bzw. einer der beiden Fixierstopfen mit einem vorgegebenen Drehmoment eingeschraubt, so dass der bzw. die Expansionskörper unter einer vorgegebenen Druckspannung steht bzw. stehen. Dies erfolgt beispielsweise durch Einsatz eines Drehmomentschlüssels.
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Vorteilhafte und/oder bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung;
- 2 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt der Schnittansicht der 1; und
- 3 einen schematisch vergrößert dargestellten Ausschnitt der 2, die den zwischen den ineinandergreifenden Gewindeprofilen verbleibenden dünnen Kanal veranschaulicht.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Herstellen eines Werkstoffverbunds ist in den 1 bis 3 dargestellt, wobei 1 eine schematische Querschnittsansicht durch eine obere Hälfte der erfindungsgemäßen zylindrischen Anordnung zeigt, in 2 schematisch ein Ausschnitt der 1 vergrößert dargestellt ist und 3 wiederum eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts der 2 gezeigt ist.
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Die bevorzugte Ausführungsform bezieht sich auf eine Anordnung, bei der die Innenseite einer Bohrung eines Grundkörpers aus Stahl mit einer Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung plattiert werden soll. Der in
1 gezeigte äußere Körper oder Grundkörper
1, von dem nur die obere Hälfte geschnitten dargestellt ist, ist rotationssymmetrisch mit der Achse
7. Dem Fachmann ist klar, dass der äußere Körper
1 bei anderen Ausführungsbeispielen von beliebiger Gestalt sein kann und auch mehrere innen zu plattierende Bohrungen aufweisen kann. Bei dem in
1 dargestellten Beispiel weist der Grundkörper 1 eine Bohrung
11 auf, die bei dem gezeigten Beispiel durchgehend ist. In die Bohrung
11 ist ein innerer Körper
2 in Form einer kreiszylinderförmigen Hülse aus Kupfer oder einer Kupferlegierung eingesetzt. Die äußere zylindrische Mantelfläche dieser Hülse
2 liegt konform an der Innenfläche der Bohrung
11 an. Die Länge der Hülse
2 ist etwas geringer als die Länger der durchgehenden Bohrung
11, so dass an beiden Enden der Bohrung
11 ein Fixierstopfen
4 zum Verschließen der Bohrung eingesetzt werden kann. Der zylindrische Innenraum der Hülse
2 nimmt einen Expansionskörper
3 auf, wobei die zylindrische Mantelfläche des Expansionskörpers
3 an der Innenfläche der Bohrung innerhalb der Hülse
2 anliegt. Bei dem dargestellten Beispiel ist die axiale Länge des Expansionskörpers
3 gleich der axialen Länge der Hülse 2. Der Expansionskörper
3 besteht aus einer Hülse
31, die eine einseitig offene Bohrung aufweist, welche den Expansionshohlraum 33 bildet. Die Hülse ist mit dem Verschlussstopfen
32 verschlossen, wobei die Verbindung zwischen der Hülse
31 und dem Verschlussstopfen
32 vorzugsweise mit einer Schweißnaht abgedichtet ist. Wie es in den oben genannten Druckschriften
DE 10 2013 105 762 A1 und
EP 2 866 968 B1 beschrieben ist, wird vor dem hermetisch dichten Verschließen des Expansionskörpers
3 in dessen Expansionshohlraum
33 eine vorgegebene Menge eines Stoffes eingebracht, der zumindest bei einer Zieltemperatur gasförmig ist (das heißt, er kann bei einer geringeren Temperatur noch flüssig oder fest sein) oder der beim Erwärmen vor dem Erreichen der Zieltemperatur zumindest einen gasförmigen Stoff in einem vorgegebenen Mengenanteil bildet (zum Beispiel durch eine physikalische oder chemische Reaktion), wobei die Innenwandung des Expansionshohlraums
33 aus einem Material besteht, das den wenigstens einen gasförmigen Stoff nicht absorbieren und nicht mit diesem unter Änderung der Menge des gasförmigen Stoffes reagieren kann (so dass die in dem Expansionshohlraum enthaltene Stoffmenge sich nicht ändert). Die vorgegebene Stoffmenge ist dabei so gewählt, dass in den Expansionshohlraum
33 bei Erreichen der Zieltemperatur ein vorgegebener Druck erreicht wird. Der eingebrachte Stoff ist beispielsweise eine Kohlenwasserstoffverbindung und/oder Wasser. Die in die Anordnung gemäß
1 einzuschiebenden Expansionskörper
3 werden vorzugsweise vorgefertigt, das heißt, es werden Expansionskörper vorgegebener und genau bekannter Abmessungen bereitgestellt, die einen Expansionshohlraum
33 vorgegebenen Volumens und eine vorgegebene Menge eines Stoffes enthalten.
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Ein hermetisch verschlossener Expansionskörper 3 ist, wie in 1 dargestellt, in die Innenbohrung der Plattierwerkstoff-Hülse 2 (aus Kupfer) eingeschoben. Beim Zusammensetzen der in 1 schematisch dargestellten Anordnung wird beispielsweise wie folgt vorgegangen. Zunächst wird ein Ende der Bohrung 11, beispielsweise das in 1 links gezeigte Ende, mit einem Fixierstopfen 4 verschlossen, indem der Fixierstopfen 4 in die Bohrung 11 eingeschraubt wird. Zu diesem Zweck weist der Fixierstopfen 4 an seiner Mantelfläche ein Außengewinde 41 auf und weist die Bohrung an ihrer Innenfläche ein entsprechendes Innengewinde 12 auf. Dabei befindet sich das Innengewinde 12 nur in demjenigen Abschnitt der Bohrung 11, der von dem Fixierstopfen 4 ausgefüllt werden soll. Geringfügige Abweichungen sind möglich, wobei das Innengewinde 12 der Bohrung 11 beispielsweise in axialer Richtung kürzer sein kann als das Außengewinde 41 des Fixierstopfens 4 oder umgekehrt. Es ist aber in jedem Fall sichergestellt, dass sich das Innengewinde 12 der Bohrung 11 im Wesentlichen nicht über den Rand der Mantelfläche der Plattierwerkstoff-Hülse 2 hinaus erstreckt.
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Nachdem beispielsweise der auf der linken Seite der 1 dargestellte Fixierstopfen 4 in die Bohrung 11 eingeschraubt ist, wird ausgehend von dem anderen Ende der Bohrung (rechte Seite der 1) die Kombination aus Plattierwerkstoff-Hülse 2 und darin eingesetztem Expansionskörper 3 eingesteckt, bis deren inneres Ende an dem bereits eingeschraubten Fixierstopfen 4 anliegt. Anschließend wird das in 1 auf der rechten Seite dargestellte Ende der Bohrung 11 mit dem Fixierstopfen 4 verschlossen, indem der Fixierstopfen 4 mit seinem Außengewinde 41 in die Bohrung 11 mit dem Innengewinde 12 eingeschraubt wird. Auch auf dieser Seite entspricht die Länge des Innengewindes 12 in axialer Richtung vorzugsweise etwa der Länge des Außengewindes 41 des Stopfens 4. Vorzugsweise erstreckt sich das Außengewinde 41 über die gesamte axiale Länge des Fixierstopfens 4. Um das Einschrauben des Fixierstopfens 4 zu erleichtern, ist dessen äußere Stirnfläche mit einem Eingriffselement zum formschlüssigen Eingriff eines Schraubwerkzeugs versehen, vorzugsweise mit einem Innensechskant 43. Bei der schematischen Darstellung gemäß 1 ist der Innensechskant 43 nur bei dem auf der rechten Seite dargestellten Fixierstopfen 4 gezeichnet. Vorzugsweise weist auch der auf der linken Seite dargestellte Fixierstopfen 4 einen entsprechenden Innensechskant auf.
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Der in 1 auf der rechten Seite dargestellte Fixierstopfen 4 wird mittels des Schraubwerkzeugs, welches in den Innensechskant 43 eingreift, zunächst soweit eingeschraubt, bis dessen innere Stirnseite an der Stirnfläche des Expansionskörpers 3 anliegt. Anschließend wird der Fixierstopfen mittels des Schraubwerkzeugs mit einem vorgegebenen Drehmoment M angezogen, wobei das Drehmoment M in 2 durch den Pfeil 9 veranschaulicht ist. Das Anziehen mit einem vorgegebenen Drehmoment erfolgt beispielsweise mittels eines Drehmomentschlüssels.
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Die konstruktive Gestaltung der Plattierwerkstoff-Hülse 2, des Expansionskörpers 3 und des Fixierstopfens 4 ist so gewählt, dass die innere Stirnfläche des Fixierstopfens 4 auf die ihm zugewandte Stirnfläche des Expansionskörpers 3 einwirkt. Das vorgegebene Drehmoment M bestimmt somit, mit welcher Kraft die innere Stirnfläche des Fixierstopfens 4 auf die Stirnfläche des Expansionskörpers 3 drückt. Die Plattierwerkstoff-Hülse 2 ist gegebenenfalls derart verkürzt, dass der Fixierstopfen 4 diese nicht zusammenpresst. Das primäre Einwirken des Fixierstopfens 4 auf die Stirnfläche des Expansionskörpers 3 kann auch erreicht werden, indem die innere Stirnfläche des Fixierstopfens 4 im Bereich der Plattierwerkstoff-Hülse geringfügig zurückgesetzt ist.
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Das Einschrauben des zweiten Fixierstopfens 4 mit dem vorgegebenen Drehmoment M führt zu einer vorgegebenen Druckspannung innerhalb des Expansionskörpers 3. Der Expansionskörper 3 wird somit geringfügig zusammengepresst. Die Kompression des Expansionskörpers 3 hängt von dem Drehmoment M, der axialen Länge des Eingriffs des Außengewindes 41 in das Innengewinde 12 und von den im Gewindeeingriff aufeinander reibenden Werkstoffen ab. Diese Abhängigkeiten sind dem Fachmann bekannt. Der Fachmann wählt das Drehmoment M so, dass eine gewünschte Eigenspannung im Expansionskörper 3 bzw. eine gewünschte Kompression erzeugt wird.
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Wie insbesondere in 3 zu erkennen ist, sind das Außengewinde 41 und/oder das Innengewinde 12 derart ausgebildet, dass einerseits zwischen den Tälern des Außengewindes 41 und dem Innengewinde 12 dünne Kanäle 42 und andererseits zwischen den Tälern des Innengewindes 12 und den Spitzen des Außengewindes 41 dünne Kanäle 13 verbleiben. Diese verbleibenden Kanäle 42, 13 ermöglichen den Austritt der Luft aus dem von der Bohrung und dem Fixierstopfen 4 umschlossenen Raum. Dies ermöglicht einerseits das Einschrauben der Fixierstopfen 4 bei der Montage des Werkstoffverbunds; andererseits ermöglichen diese Kanäle 42, 13 das Entweichen von Restgasen beim Evakuieren des die Gesamtanordnung umgebenden Raums, so dass keine Luft und insbesondere keine oxidierenden Gase (Sauerstoff, Kohlendioxid) im Innenraum zwischen dem Plattierwerkstoff der Hülse und der Innenwandung der Bohrung 11 verbleiben, welche sich störend auf die Herstellung des gewünschten Verbunds auswirken können.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform mit einem Grundkörper 1 aus Stahl sind die zylindrischen Fixierstopfen 4 vorzugsweise aus Warmarbeitsstahl oder einem rostfreien Stahl hergestellt. Die Außengewinde 41 und Innengewinde 12 sind vorzugsweise Feingewinde, da diese eine kleine Steigung aufweisen. Die durch das Einschrauben mit einem vorgegebenen Drehmoment bewirkte vorgegebene Druckeigenspannung im Expansionskörper 3 wirkt der gemäß dem oben beschriebenen Mechanismus erzeugten Zugspannung innerhalb des Expansionskörpers bei dessen Erwärmung entgegen. Somit wird eine Materialüberbeanspruchung im gekapselten Stirnseitenbereich des Expansionskörpers vermieden.
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Die axiale Länge des Eingriffs zwischen dem Außengewinde 41, welches sich vorzugsweise über die gesamte axiale Länge des Fixierstopfens 4 erstreckt, und dem Innengewinde 12, welches vorzugsweise nur in demjenigen Bereich der Bohrung 11 vorgesehen ist, in den der Fixierstopfen eingeschraubt werden soll, ist dabei so zu wählen, dass es bei den zu erwartenden Drücken aufgrund der Expansion des Expansionskörpers 3 nicht zu einem Abscheren des Gewindes und einem Herausdrücken der Fixierstopfen 4 kommen kann. Berechnungen haben gezeigt, dass zu diesem Zweck diese Eingriffslänge der Gewinde in axialer Richtung mindestens ein Viertel des Durchmessers der Bohrung 11 betragen sollte. Berechnungen und Abschätzungen zur Erhöhung der Sicherheit ergaben, dass die axiale Eingriffslänge der Gewinde vorzugsweise mindestens gleich dem Durchmesser der Bohrung 11 sein sollte. Bei einer Bohrung von 25 mm Durchmesser sollte die Gewindelänge etwa 20 bis 25 mm betragen und bei einer Bohrung von 40 mm Durchmesser etwa 40 bis 50 mm.
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Bei den beschriebenen Feingewinden und den hier verwendeten Materialien (Stahl) ergibt sich ein Anzugsdrehmoment zwischen 50 und 500 Nm, bei einem Feingewinde von M24x2 etwa 100 bis 350 Nm und bei einem Gewinde M48x2 etwa 400 bis 1400 Nm.
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Nach dem Zusammensetzen der in
1 schematisch dargestellten Anordnung zum Herstellen des Werkstoffverbunds aus dem Stahl-Grundkörper
1 und dem Plattierwerkstoff der Hülse
2 wird die Kammer, in der der Verbund eingebracht ist, evakuiert und anschließend erwärmt und auf die Zieltemperatur gebracht, wodurch aufgrund der Expansion des Expansionshohlraums
33 und des Expansionskörpers
3 die zu verbindenden Oberflächen gegeneinander gepresst werden, wobei der bei der Zieltemperatur erreichte Druck ausreicht, um mittels einer Deformation der Plattierwerkstoff-Hülse
2 zwischen den zu verbindenden Oberflächenbereichen vorhandene Spalte
5 zu schließen und eine feste stoffschlüssige Verbindung herzustellen. Die Verfahrensführung, insbesondere die Erhöhung der Temperatur und das Halten der Temperatur für einen vorgegebenen Zeitraum sind in den oben genannten Druckschriften
DE 10 2013 105 7762 A1 oder
EP 2 866 968 B1 beschrieben, auf deren Inhalt hier Bezug genommen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013105762 A1 [0003, 0008, 0024]
- EP 2866968 B1 [0003, 0008, 0024, 0034]
- DE 1020131057762 A1 [0034]
