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Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern durch Blähen geschichteter
Metallteile Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Hohlkörpern,
beispielsweise von Wärmeaustauschern od. dgl., durch Blähen geschichteter Metallteile
in einer Aussparungen oder Hohlräume aufweisenden zweiteiligen Matrize. Bei einem
solchen Verfahren werden äußere Metallschichten unter der Wirkung eines eingeführten
Druckmittels der vorgegebenen Innenform des Gesenks entsprechend verformt.
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Es sind Verfahren bekannt, bei denen zunächst Bleche längs bestimmter
gegenseitiger Berührungsflächen verschweißt und nach dem Verschweißen durch Aufblähen
der von den Schweißnähten begrenzten Zwischenteile innerhalb einer Matrize verformt
werden. Hierbei muß erhebliche Sorgfalt aufgewendet werden., um zu erreichen, @daß
die Konturen der beim Schwieißen frei bleibenden Zwischenteile mit den entsprechenden
Begrenzungen der Aussparungen in den Matrizenteilen übereinstimmen. Gemäß einem
weiteren bekannten Verfahren, das ohne Matrizen arbeitet, wird nach einem bestimmten,
den gewünschten Zwischenräumen entsprechenden Muster eine Innenschicht zwischen
zwei zu verbindende bzw. zu verschweißende Bleche aufgetragen, um an den Stellen,
wo die Innenschicht sich befindet, ein Verschweißen der Metallflächen zu verhindern,
damit beim späteren Einführen des Druckmittels an diesen Stellen -ein Auseinanderdrücken
der beiden Bleche möglich ist. Mit diesem Verfahren läßt sich keine genlau vorgegebene
Gestalt der Formkörper erzielen, da deren Außenform nicht vorgegeben ist und weiter
die Aufblähung der einzelnen Zwischenteile von der genauen Auftragung der Innenschicht
und auch von den örtlichen Bedingungen hinsichtlich Druck, Temperatur und Blechstärke
abhängt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß in,
den geschachteten Metallteilen mindestens eine Innenschicht mit niedrigerem Schmelzpunkt
als die Außenschichten vorgesehen wird, die vor dem Einleiten des Druckmittels auf
etwa Schmelztemperatur gebracht und nach dem Blähen wieder abgekühlt wird, um an
den keine Hohlräume aufweisen-,den Stellen eine Lötverbindung der Außenschichten,
gegebenenfalls mit diesen eine Legierung zu bilden. Die Erfindung ermöglicht es
also, die bisher erforderlichen beiden Verfahrensschritte des Schweißens und des
nachfolgenden Aufblähens durch den einen Verfahrensschritt des Aufblähens zu ersetzen,
da die Innenschicht automanisch an den durch die Matrizenform vorgegebenen Stellen
eine Verbindung der Metalle beiderseits der Innenschicht herstellt. Es liegt auf
.der Hand, daß hierbei außerdem optimale Genauigkeit der Gestalt der Formkörper
ohne zusätzlichen Aufwand an Arbeit oder Hilfsmitteln erreichbar ist. Zweckmäßig
kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wenigstens eine der Matrizen in an sich
bekannter Weise auf eine geeignete Temperatur vorgewärmt werden, was vorzugsweise
vor dem Einspannen geschieht. Auch kann es von Vorteil sein, ein heißes Druckmittel
einzuführen, wie dies bei anderen Verfahren schon angewendet wurde, -da hierdurch
die gewünschte Temperatur der Innenschicht besser erreicht oder eingehalten werden
kann.
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Als Ausgangsmaterialien können erfindungsgemäß vorteilhaft geschichtete
Metallteile dienen, deren Außenschichten im wesentlichen aus Aluminium mit einer
zinkhaltigen Innenschicht oder einer solchen aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung
bestehen.
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Schwierigkeiten, die sich aus der Oxydation oder der Bildung von anderen
Verunreinigungen an den Oberflächen der in dem, erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten
Metallbleche ergeben könnten, werden zweckmäßig dadurch überwunden, daß ein Verbundblech
hergestellt wird, das als einziges Blech während des Preßvorganges verwendet wird.
Ein bekannte Verfahren zur Herstellung eines solchen Bleches mit den gewünschten
Eigenschaften besteht darin, in einem Walzvorgang zwei gleiche Alumiiniumstärken
mit einer Zwiischenlage aus Zink zu verbinden. Vor dem
Walzen sollen
die äußeren Aluminiumbleche entfettet und mit einer Drahtbürste behandelt werden.
Das mittlere Blech aus Zink soll vor dem Entfetten und Behandeln mit der Drahtbürste
geätzt werden.
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Der Stapel wird nach dem Zusammenschichten so gewalzt, daß an :den
A:lumin;ium-Zink-Berührungsflächen eine Bindung entsteht. Die Temperatur, bei der
die Bleche -',-walzt werden, bestimmt weitgehend die Natur der an den Aluminium-Zink-Berührungsflächen
Hergestellten Bindung. Werden zwei Aluminiumtafeln mit einer Dicke von jeweils 0,3175
cm mit einer Zinktafel von 0,0635 cm Dicke bei einer Temperatur von etwa 371° C
gewalzt, so wird an den Fugen der Berührungsflächen eine Legierungsbindung erhalten.
Selbst wenn die Walztemperatur weit unter 371' C liegt, kann ein gewisses
Maß an Legierung an den Berührungsflächen stattfinden, obgleich die bewirkte Bindung
meistens mechanischer Natur ,ist. Natürlich bildet sich selbst während eines Kaltwalzvorganges
durch Diffusion der Metalle eine dünne Legierungsschicht an den Berührungsflächen.
Die Zwischenschicht aus Zink kann ganz dünn sein.
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Schichtungen, die während des Walz- oder Preßvorgangesgute Ergebnisse
liefern, wurden dadurch hergestellt, daß Aluminiumbleche einer Dicke von jeweils
0,635 cm mit einer inneren Zinkschicht einer Dicke von 0,0127 cm bei Raumtemperatur
von etwa 21° C gewalzt wurden. Ein solches gewalztes Metallblech kann unmittelbar
in dem Blähverfahren nach der Erfindung verwendet werden.. Ein gewalztes Blech mit
einer Enddicke von 0,152 cm führt zu guten Ergebnissen.
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Das. Erhitzen der geschichteten Metallteile kann vorgenommen werden,
bevor der Stapel in das Gesenk tl)racht wird oder aber während sich das Meta,11
in dem Gesen.k befindet, und zwar vor dem Blähen. Zu diesem Zweck können erhitzte
Ge:senke verwendet werden. Wird das Metall durch das Gesenk erhitzt, so wird es
vorzugsweise vor dem Einführen des Druckmittels in d:°n Stapel eine kurze Zeit in
den Gesenken gelassen. Die Gesenke können elektrisch, durch heiße Salze, durch Gas
oder irgendein anderes Verfahren erhitzt werden, das die erforderliche Temperatur
getvährleistet. Bei einem Verbundblech aus gewalztem Aluminium -Zink -Aluminium,
das in auf etwa -154,45°C erhitzte Gesenke eingelegt wird, erreicht ein 0,152 cm
dickes Blech eine Temperatur von etwa -126_,7° C in viel kürzerer Zeit, als schon
erforderlich ist, um die Gesenke zu schließen und zwischen den Aluminiumblechen.
eine Öffnung für ein Werkzeug oder einen Nippel für einen Druckmittelanschluß herzustellen.
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Die Bleche neigen dazu, an den Gesenken zu kleben. Um dies zu verhindern,
werden die Gesenke oder die äußeren Flächen des zu pressenden Bleches vor dem Einsetzen
des Bleches zwischen den Gesenkbacken mit einem das Kleben verhindernden Material
behandelt. Verschiedne Graphitverbindungen (beispielsweise die unter dem Namen Oildag
und Aquadag bekannten) können hierfür verwendet werden. Auch Kalk- oder Talkv erbindungen
sind verwendbar. Solche Verbindungen können entweder auf die Gesenke oder die Oberflächen
des mit den Gesenken in Berührung kommenden Metalls aufgebracht werden. Bei industriellen
Verfahren wird die das Kleben verhindernde Verbindung vorzugsweise auf den Metallstapel
aufgetragen, um ein zeitsparendes Arbeiten der Gesenke zu gewährleisten.
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Zum Einführen des Druckmittels, vorzugsweise eines Gases unter Druck,
kann zweckmäßig ein Rohr oder Werkzeug in die geschmolzene Innenschicht zwischen
den äußeren Blechen so gedrückt werden, daß der Austritt für das Gas am vorderen
Rand es Werkzeuges in einem Bereich liegt, in dem durch die innere Gestaltung der
Gesenke eine Ausdehnung der äußeren Metallbleche möglich ist. Gute Ergebnisse wurden
mit einem sputen- oder nadelartig geformten Werkzeug erzielt. Der Hauptkörper des
Werkzeuges hat zweckmäßig zylindrische Form. Die Form der Gesenke sollte bei dieser
Druckmittelzufuhr so gewählt sein, daß die Ges.enkbacken ein Ausdehnen der äußeren
Bleche nur so weit erlauben, daß das Werkzeug eingeführt werden kann. Wenn das Werkzeug
fest in seine Lage gedrückt worden ist, ist es gegenüber dein Druckmittel abgedichtet.
Das Werkzeug oder der Nippel ragt so über die Ränder der Bleche hinaus und steht
mit dem Bereich in Verbindung, in dem die Hohlräume zwischen den Blechen geformt
werden sollen. Werden keine zusammenhängenden Hohlräumv, geformt, so ist für jeden
einzelnen Bereich eine besondere Druckmittelzufuhrerforderlich. Nach dem Aufblähen
der Metallteile kann das Werkzeug ohne weiteres entfernt werden.
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Bei einem Aluminium-Zink-Aluminium-Stapel wird zweckmäßig ein Gasdruck
von etwa 20 bis 50 at eingeleitet, wodurch die Aluminiumbleche so gedehnt werden,
daß sie die Form der inneren Gestaltung der Gesenke annehmen. Als Gas kann vorteilhaft
Stickstoff verwendet werden. Der innere Gasdruck preßt die Gesenkbacken weder auseinander
noch entweicht Gas aus den Gesenken durch die Zinkzwischenschicht, da dies durch
den während des Preßvorganges auf die Gesenke ausgeübten Haltedruck verhindert ist.
Ein geeigneter Haltedruck beträgt dabei etwa 100 at.
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Der Preßdruck kann abgestellt und das Werkzeug entfernt werden, jedoch
muß das Werkzeug, solange es noch heiß ist, sehr sorgfältig behandelt werden, da
es leicht zu verbiegen oder zu deformieren ist.
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Die häufigste Fehlerquelle für alle Teile, die aus einem mit Zink
gebundenen Aluminiumblech durch Aufblähen hergestellt sind, ist die Spannungskorrosion,
die durch die Wirkung des heißen Zinks verursacht wird. Wird ein Aluminiium-Zink-Aluminium-Stapel
auf etwa 425° C erhitzt, so hat an den Berührungsflächen zwischen Zink und Aluminium
bereits die Bildung einer Zink-Aluminium-Legierung begonnen. Unter dem Gasdruck
wird das Aluminiumblech gestreckt, um sich der inneren Form der Gesenke anzupassen,
und eine neue Aluminiumfläche wird der Wirkung des heißen Zinks ausgesetzt, so daß
sich sofort weitere Zink-Aluminium-Logierung bildet. Da sich das Aluminium hauptsächlich
an den Rändern der gebildeten Wölbungen streckt, sind diese Bereiche der Spannungskorrosion
am meisten ausgesetzt. Bei Aluminium-Zink-Aluminium-Stapeln ist die Gefahr der Spannungskorrosion
gering, wenn das Werkstück nicht länger als 1/2 Minute auf einer hohen Temperatur
gehalten wird. Wird das Werkstück jedoch länger als 1 oder 2 Minuten auf überhöhter
Temperatur gehalten, so kann leicht Spannungskorrosion auftreten.
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Endgültige Rohranschlüsse können in die Hohlräume eingesetzt werden,
die nach Herausnehmen der Nippel oder Werkzeuge zurückbleiben, indem solche Rohre
an den äußeren Blechen verlötet werden und dort, wo es erforderlich ist, ein Füllmaterial
verwendet wird. Wird in einem ein sauberes Aluminiumrohr verwendet, so bindet das
an den Eintritts- und Austrittsöffnungen an der Trennlinie verbleibende Zink das
Rohr unter Hitze an den Blechen.
Bei einem Aluminium-Zink-Alumnnium-Teil
wird ein Teil der Zwischenschicht aus Zink während des Formvorganges heraus,gepreßt,
wobei die Menge des ausgepreßten Materials von der Anfangsdicke der Zinkschicht
und von dem Haltedruck abhängt. Wird ein Stapel verwendet, indem eine anfänglich
0,0635 cm dicke Zinkschicht mit Aluminiumschichten von jeweils 0,3175 cm Dicke verbunden
und bei dem durch Walzen die Gesamtdicke des Stapels auf 0,152 cm verringert wurde,
so werden etwa 75 % des Zinks während des Form- oder Preßvorganges aus!gepreßt.
Werden jedoch Stapel verwendet, deren Zwischenschichten aus Zink vor dem Walzen
eine Dicke von etwa 0,0127 cm besitzen und die auf eine Gesamtstapeldicke von 0,152
cm ausgewalzt werden, so wird nur sehr wenig Zink ausgepreßt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist im folgenden an Hand der Zeichnungen
kurz erläutert, und zwar zeigt Fig.l einen Querschnitt durch übereinandergeschichtete
Bleche in einer Matrize vor dem Einführen eines Druckmittels, Fig.2 einen Querschnitt
durch Bleche und Matrize an der Stelle, wo ein Nippel für die Druckmittelzufuhr
eingesetzt ist, Fig.3 einen der Fig. 1 entsprechenden Querschnitt nach dem Aufblähen
und Fig. 4 eine perspektivische Ansicht ,eines nach dein erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Metallhohlkörpers.
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Fig.1 zeigt einen Metallblechstapel5 aus Alumin.iumaußenschichten
6 und 7 und einer Zinkinnenschicht 8, der zwischen Gesenkteilen 9 und 10 gehalten
wird, wovon wenigstens einer Aussparungen 11, 12 in Form von Windungen oder anderem
Verlauf hat. Nachdem der Blechstapel 5 ungefähr auf den Schmelzpunkt der inneren
Schicht 8 erhitzt worden ist, kann gemäß Fig. 2 ein Nippel oder Werkzeug 13 als
Anschluß an eine Druckgasleitung in die erweichte oder flüssige innere Schicht 8
eingeführt werden. Die Gesenkteile sind bei 15 so ausgebildet, daß ein Werkzeug
13 mit zylindrischem Körper zwischen die äußeren Bleche 6 und 7 so weit hineingetrieben
werden kann, daß die Austrittsöffnung 14 an einer Stelle liegt, wo die innere Gestaltung
der Gesenke eine Ausdehnung der äußeren Bleche, wie bei 16, gestattet. Gezeigt ist
ein spatenartiges Werkzeug 13, das so weit in die innere Schicht 8 des Blechstapels
5 eingeführt ist, daß seine Mündung 14 im Bereich der Aussparung 16 der Matrize
liegt. Unter dem Gasdruck formen sich -die äußeren Schichten 6 und 7, wie Fig. 3
zeigt, nach der inneren Form der Gesenke 9 und 10. Während des Formvorganges, der
sich für einen zinkgebundenen Aluminiumblechstapel bei etwa 425° C vollzieht, wird
die innere Schicht 8 in den Bereichen 11 und 12 aufgerissen, wo die Gesenke 9 und
10 die Ausdehnung der äußeren Schicht 6 gestatten; an allen anderen Stellen wird
jedoch eine Legierung zwischen dem Metall der inneren Schicht 8 und den Metallen
der äußeren Schichten 6, 7 gebildet, wie bei 17, wodurch die äußeren Bleche 6 und
7 fest verbunden werden.
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Fig. 4 zeigt als Beispiel eines erfindungsgemäß hergestellten hohlen
Metallteils einen Verdampfer, so wie er unmittelbar nach der Freigabe aus dem Preßgesenk
erscheint. Werkzeugöffnungen wurden bei 18 und 19 vorgesehen, wobei wenigstens eine
zum Anschluß des Druckmittels, z. B. Stickstoffs, dient, während die andere einen
Stöpsel aufnehmen kann. Die Eintrittsröhren 18,19 werden belassen und mit einer
Zu- und Ableitung für Kühlmittel des Verdampfers bzw. durch Löten verbunden. Längs
der äußeren Begrenzungskanten des Verdampfers sind Zinkperlen 20 gezeigt, die zwischen
den heißen Aluminiumblechen unter Einwirkung des Haltedruckes auf die Gesenke herausquellen.
Das in Fig.4 gezeigte Teil kann abgegratet, veredelt und - falls erforderlich -
geformt werden, um die Gestalt des fertigen Verdampfers zu bekommen.
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In Metallblechstapeln, die außen Aluminiumbleche haben, können außer
Zink auch andere Legierungen und Metalle als Zwischenmaterial verwendet werden,
z. B. Magnesium-Aluminium-Legierungen, die bei .450° C schmelzen.
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Natürlich können viele Druckmittel zum Aufblähen benutzt werden. Um
der Gefahr unerwünscbter Verbindungen zwischen dem Druckmittel und dem Zwischenmaterial
des Metallstapels zu begegnen, sollte das Druckmittel entsprechend gewählt werden.
Falls die Hohlräume des begrenzenden Ges.enkes groß sind, kann es zweckmäßig sein,
das Druckmittel erhitzt anstatt bei Raumtemperatur zu verwenden, damit der Metallstapel
nicht über Gebühr auskühlt.
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Außerdem sollten zweckmäßig kleine Gänge in den Gesenken angebracht
werden, um eine Verbindung zwischen den Windungen der Gesenke und der Atmosphäre
zu gestatten. Damit verhütet man Lufteinschlüsse in diesen Windungen, während das
Pressen vor sich geht, und .das Zusammenfallen der gepreßten Teile nach Abschalten
des inneren Preßdruckes.