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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Rohren mit
Rohren oder Stangen mittels Aufschrumpfen und bzw. oder Aufdehnen unter zusätzlicher
Kräfteeinwirkung auf eines der beiden Werkstücke.
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Es ist bekannt, ein äußeres Teil, beispielsweise eine Manschette,
mit einem inneren Teil durch Aufschrumpfen zu verbinden. Beim Aufschrumpfen wird
das äußere Teil erhitzt und/oder das innere Teil gekühlt. Dann werden die beiden
Teile derart zusammengefügt, daß das innere Teil in einer passenden Öffnung des
äußeren Teils aufgenommen wird, worauf man sie zur Raumtemperatur zurückkehren läßt.
Die dabei erfolgende Expansion des inneren Teils und/oder Kontraktion des äußeren
Teils schafft eine gute Verbindung zwischen den beiden Teilen.
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Wenn zwei Teile durch Aufschrumpfen miteinander verbunden werden sollen,
muß zwischen diesen beiden Teilen ein sogenannter negativer Spielraum vorhanden
sein, d. h. ein Stück des einen Teils muß den gleichen Raum einnehmen wollen wie
das angrenzende Stück des anderen Teils. Wenn das innere Teil eine zylindrische
Außenfläche hat, muß der Außendurchmesser des inneren Teils bei Raumtemperatur größer
sein als der Innendurchmesser der aufnehmenden Öffnung im äußeren Teil. Auf Grund
der relativ geringen Raumänderung, die durch thermische Expansion oder Kontraktion
infolge von Temperaturänderungen des einen Teils oder beider Teile erzielbar ist,
macht es große Schwierigkeiten, Teile zusammenzufügen, die im Vergleich zu ihren
Durchmessern relativ lang sind. Der rasche Wärmeübergang zwischen den eng aneinanderliegenden
Teilen ist nämlich bestrebt, deren Temperaturen auszugleichen, und das macht den
Abstand zwischen den beiden Teilen kleiner, so daß die Teile miteiander binden,
bevor sie noch in die richtige Lage gebracht sind.
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Ein Verfahren der eingangs genannten Gattung ist beispielsweise aus
der deutschen Patentschrift 474l25 bekannt, bei dem eine zusätzliche Kräfteeinwirkung
beim Befestigen von Deckeln und Böden an Hochdruckkesseln durch Schrumpfen in einer
mechanischen Bearbeitung wie Hämmern, Schmieden, Walzen od. dgl. besteht.
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Unabhängig davon ist aus dem Stand der Technik das Magnetformverfahren
bekannt. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Materialverformung unter Verwendung
eines magnetischen Feldes hoher Feldstärke ist in der USA.-Patentschrift 2 976 907
vom 28. März 1961 (deutsche Auslegeschrift 1 122188) offenbart. In der dort beschriebenen
Vorrichtung wird ein Magnetfeld hoher Kraftliniendichte um einen geformten Leiter
dadurch errichtet, daß ein Stromimpuls hoher Stromstärke durch den Leiter geschickt
wird. Das starke Magnetfeld induziert in einem in ihm angeordneten metallischen
Werkstück einen Strom. Die Wechselwirkung zwischen dem starken Magnetfeld und dem
induzierten Strom in dem Werkstück erzeugt an dem Werkstück einen Impuls, der, wenn
er groß genug ist, das metallische Werkstück verformt.
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Sollen mittels des Magnetformverfahrens schlecht leitende Werkstücke
oder gar nichtmetallische Werkstücke verformt werden, so ist es bekannt, diese bei
der Umformung durch ein gut leitendes Rohr mitnehmen zu lassen, d. h. einen elektrisch
leitenden Treiber zu verwenden, der nächst dem zu verformenden Teil angeordnet ist.
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Außerdem ist es bekannt, zum Magnetformverfahren eine einzige Spule
als Induktionsspule zu verwenden, die sowohl zum Erwärmen des Werkstücks als auch
zum Erzeugen des formenden Magnetfeldes dient (deutsche Auslegeschriften 1 157 320,
1 167 465).
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Verbinden von
Rohren mit Rohren oder Stangen mittels Aufschrumpfen und/oder Aufdehnen anzugeben,
bei dem der Zwischenraum zwischen den zu verbindenden Teilen größer sein kann als
dies möglich ist, wenn man nur das Aufschrumpfen und bzw. oder Aufdehnen thermisch
herbeiführt.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß man beim Aufschrumpfen
und bzw. oder Aufdehnen eine zusätzliche Kräfteeinwirkung auf eines der beiden Werkstücke
mittels des sogenannten Magnetformverfahrens herbeiführt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren schafft sichere Aufschrumpf- bzw. Aufdehnsitze.
Es erfordert keine engen Fertigungstoleranzen der zu verbindenden Teile, es liefert
festere Verbindungen, als mit den bekannten Verfahren normalerweise erreicht werden
können; vor dem Verbinden können die Teile Abstände voneinander haben, die über
eine übermaßpassung bei normalen Temperaturen hinausgehen.
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Das erfindungsgemäße Aufschrumpfverfahren beinhaltet das Verändern
der Temperatur an mindestens dem einen von zwei Teilen auf eine abnormale Temperatur
in einer solchen Richtung, daß sich die benachbarten Oberflächen der beiden Teile
bei der Rückkehr zur Normaltemperatur annähern. Während das eine Teil oder auch
beide Teile die abnormale Temperatur haben, wird ein magnetisches Wechselfeld von
bestimmter Intensität und Form an einem der Teile angelegt und zwar derart, daß
es mit einem in diesem Teil induzierten Strom zusammenwirkt und das Teil, in dem
der Strom induziert wird, rasch in festen Kontakt mit dem anderen Teil treibt, bevor
noch eine merkliche Temperaturänderung in den beiden Teilen stattfindet.
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Zur Erläuterung wird im folgenden das erfindungsgemäße Aufschrumpfverfahren
an Hand von verschiedenen zweckmäßigen Vorrichtungen beschrieben.
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Die Zeichnungen stellen dar F i g. 1 eine schematische Ansicht einer
Aufschrumpfvorrichtung, die zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen
kann. Die zusammenzufügenden Teile liegen in einem zentral angeordneten Arbeitsraum,
F
i g. 2 eine schematische Ansicht ähnlich der F i g. 1, von einer zweiten Ausführungsform
einer Aufschrumpfvorrichtung, F i g. 3 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform
einer Aufschrumpfvorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In F i g. 1 ist eine Vorrichtung dargestellt, die eine Einrichtung
11 zum Errichten eines starken magnetischen Wechselfeldes in einem zylindrischen
Arbeitsraum 13 aufweist. Zu dieser Einrichtung gehört eine Spule 15, die den Arbeitsraum
13 umgibt und durch einen ringförmigen Träger 17 aus zweckmäßig nichtleitenden
Werkstoff elektrisch isoliert ist. Die Spule 15 ist gegen den Arbeitsraum 13 durch
eine isolierende Manschette 18 wärmeisoliert. Die Funktionsweise der Spule 15 wird
später beschrieben.
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Ein äußeres metallisches Teil 19 und ein inneres Teil 21, die
miteinander verbunden werden sollen, werden von entgegengesetzten Seiten her in
den zylindrischen Arbeitsraum 13 der Vorrichtung eingeführt. In F i g. 1
ist das äußere metallische Teil 19
als ein Metallrohr und das innere Teil
21 als eine kompakte Stange dargestellt. Das innere Teil 21 kann auch ein Hohlzylinder
sein oder irgendeine andere Form haben, die in die Höhlung des äußeren Teils 19
paßt. Natürlich muß das innere Teil 21 genügend Festigkeit haben, um einer Deformation
standzuhalten, wenn das äußere Teil 19 aufgepreßt wird. Gleichermaßen kann
das äußere Teil 19, das angefügt werden soll, irgendeine zweckmäßige Form haben,
solange es eine Öffnung aufweist, die für die Aufnahme des inneren Teils entsprechend
gestaltet ist. Zudem muß es magnetisch verformbar sein. Der Spielraum zwischen den
beiden Teilen 19 und 21 soll so groß sein, daß eine lose Passung zwischen den Teilen
gegeben ist.
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Das äußere Teil 19 besteht vorzugsweise aus einem Material, das sowohl
durch Wärme ausdehnbar als auch elektrisch leitend ist. Wenn es sich jedoch um ein
äußeres Teil handelt, das elektrisch nicht leitend oder schlecht leitend ist, kann,
wie bekannt, eine elektrisch leitende konzentrische Hülse 22 (gestrichelt gezeichnet)
zwischen dem äußeren Teil 19 und der isolierenden Manschette 18 als Treiber für
die Kompression des äußeren Teils 19 angeordnet werden. Wenn der Treiber aus bestimmten
Materialien mit genügend niedrigem Schmelzpunkt hergestellt ist, kann er nach Erfüllung
seiner Aufgabe durch Schmelzen und/oder Verdampfen aufgelöst werden. Wenn dies nicht
vorgesehen ist und der Treiber entfernt werden soll, kann dies auf andere Weise,
beispielsweise durch chemische Auflösung, geschehen. Das äußere Teil muß auch nicht
unbedingt durch Wärme dehnbar sein, solange das innere Teil ein Wärmeausdehnungsvermögen
hat.
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Eine Heizvorrichtung 23 ist vorgesehen, um das äußere Teil
19 auf eine zur Wärmedehnung ausreichende Temperatur zu erhitzen. Um das
äußere Teil 19 aus der Heizvorrichtung 23 in den Arbeitsraum 1.3 zu bringen, ist
ein Fördermechanismus 25 angeordnet, der das äußere Teil 19 zugleich aufnimmt
und in die richtige Lage bringt. Die Heizvorrichtung 23 ist so lang, daß das ganze
Stück des äußeren Teils 19, das auf das innere Teil 21 aufgeschrumpft werden soll,
in der Heizvorrichtung Platz findet. Wenn das äußere Teil 19 ausreichend
erhitzt ist, so daß es die gewünschte Wärmedehnung erfahren hat, tritt der Fördermechanismus
25 in Tätigkeit und bringt das Teil 19 in den Arbeitsraum 13. Als zweite Möglichkeit
kann auch ein Fördermechanismus vorgesehen werden, der das äußere Teil
19 kontinuierlich durch die Heizvorrichtung 23 transportiert, wobei dann
die Vorschubgeschwindigkeit so geregelt werden muß, daß die gewünschte thermische
Expansion stattgefunden hat, wenn das Teil 19 die Heizvorrichtung 23 verläßt
und in den Arbeitsraum 13 einläuft.
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Nächst dem anderen Ende der Einrichtung 11 ist eine Kühleinrichtung
27 zum Abkühlen des inneren Teils 21 bis zu einer eine beträchtliche Kontraktion
des Teils bewirkenden Temperatur angeordnet. Ein Fördermechanismus 29 nach Art des
bereits erwähnten Fördermechanismus 25 ist vorgesehen, der das innere Teil 21 hält
und in die richtige Lage bringt. Der Fördermechanismus 29 ist derart konstruiert,
daß daß er das innere Teil 21 koaxial in den zylindrischen Arbeitsraum 13 einbringt,
so daß es in die zentrale Höhlung des äußeren Teils 19 eingeschoben wird.
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Ein starker Stromimpuls durch die Spule 15 errichtet ein zeitlich
veränderliches Magnetfeld bestimmter Intensität und Form. Der Stromimpuls wird dadurch
erzeugt, daß eine Energiequelle 31, beispielsweise eine Kondensatorbatterie oder
ein Motorgenerator, über zwei Leitungen 33 und 35 an die Spule 15 angeschlossen
wird. Zwischen der Spule 15 und der Kondensatorbatterie 31 sind zweckmäßige Schaltvorrichtungen,
beispielsweise ein Thyratron, Ignitron od. dgl., eingefügt.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Kondensatorbatterie
31 über einen Schalter 41 von einer eine hohe Spannung liefernden Gleichspannungsquelle
39 auf eine hohe Spannung aufgeladen. Vorzugsweise sind die in der Energiequelle
31 gespeicherte Energie sowie der ohmsche Widerstand und die Induktivität
der Spule 15 derart gewählt, daß das Magnetfeld in einer sehr kurzen Zeitspanne
errichtet wird, beispielsweise in weniger als etwa 20 Mikrosekunden.
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Beim Betrieb der Vorrichtung werden das innere Teil 21 und das äußere
Teil 19 mit den zugehörigen Fördermechanismen 29 bzw. 25 in Verbindung gebracht.
Die Stücke des inneren Teils 21 und des äußeren Teils 19, die zusammengefügt werden
sollen, werden in der Kühlvorrichtung 27 bzw. in der Heizvorrichtung 23, die beiderseits
der Enden der Einrichtung 11 angeordnet sind, untergebracht. Sobald die gewünschte
Expansion bzw. Kontraktion der Teile stattgefunden hat, werden die Fördermechanismen
25 und 29 in Betrieb gesetzt. Sie fördern nun rasch die beiden Teile 19 und 21 koaxial
in den zylindrischen Arbeitsraum 13. Das innere Teil 21 wird in die Öffnung des
äußeren Teils 19 soweit als für den gewünschten Schrumpfsitz notwendig eingeschoben.
F i g. 1 zeigt eine Zwischenstellung, während die Fördermechanismen 25 und 29 die
beiden Teile in den Arbeitsraum 13 transportieren.
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Sobald die Teile 19 und 21 zusammengeschoben sind, wird die Energiequelle
31, die vorher aufgeladen wurde, durch Schließen des Schalters 37 über die Spule
15 entladen, bevor noch ein Wärmeausgleich zwischen den beiden Teilen 19 und 21
stattfindet. Der entstehende Stromstoß erzeugt ein starkes Magnetfeld rund um die
Spule 15, das den Arbeitsraum 13 durchsetzt. Dieses Feld wirkt auf das rohrförmige
äußere Teil 19 ein und reduziert- dessen Durchmesser und preßt es gegen die
Außenfläche
des inneren Teils 21. Danach läßt man die zusammengefügten
Teile auf die Umgebungstemperatur abkühlen. Die nunmehr erfolgende Expansion des
inneren Teils 21 und die Kontraktion des äußeren Teils 19 erhöhen die Festigkeit
der Verbindung.
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Wie schon erwähnt, können die Kühlvorrichtung 27 und die Heizvorrichtung
23 in einem einzigen Arbeitsgang angewandt werden; jede von beiden Einrichtungen
kann aber auch allein verwendet werden, um eine Änderung der Abmessungen an einem
der beiden Teile hervorzurufen, bevor die Verbindung hergestellt wird. Das dargestellte
Verfahren ist auch durchführbar, wenn ursprünglich ein ziemlich großer Spielraum
zwischen den beiden Teilen 19 und 21 besteht. Dies ist ein wesentlicher Vorzug des
erfindungsgemäßen Verfahrens, weil sich dadurch das äußere Teil leicht und schnell
mit dem überweiten Hohlraum über das innere Teil schieben läßt, so daß während des
Zusammenfügens nur ein ganz geringer Wärmeübergang stattfinden kann, und auch weil
dadurch die bisher für das Aufschrumpfen erforderlichen engen Toleranzgrenzen für
die Bearbeitung der Teile wegfallen. Dieser Vorzug ist vor allem dann bedeutungsvoll,
wenn die Teile im Vergleich zu ihrem Durchmesser lang sind.
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In F i g. 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur
Ausübung des erfindungsgemäßen Aufschrumpfverfahrens schematisch dargestellt, bei
der keine eigene Heizvorrichtung 23 erforderlich ist. Die Vorrichtung weist eine
Einrichtung 51 mit einem zylindrischen Arbeitsraum 53 im Inneren einer Spule 55
auf, die in einem Träger 57 aus elektrisch isolierendem Material eingebettet ist.
Weiter ist eine wärmeisolierende Manschette 58 vorgesehen. Ein äußeres Teil 59,
als Metallrohr dargestellt und ein inneres Teil 61, als Metallstange dargestellt,
sind in dem Augenblick gezeigt, wo das innere Teil 61 vor dem Erstellen der
Verbindung in das äußere Teil 59 eingeschoben ist.
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Bei dieser zweiten Ausführungsform wird das äußere Teil 59 von Halterungen
(nicht dargestellt) in dem Arbeitsraum 53 koaxial abgestützt und dann dort erhitzt,
bis die Wärmeausdehnung in dem gewünschten Ausmaß stattgefunden hat. Das Erhitzen
des äußeren Teils 59 geschieht dadurch, daß ein hochfrequenter Wechselstrom durch
die Spule 55 geschickt wird. Hierzu wird die Spule über Leitungen 63 und 65 an eine
Wechselstromquelle 67 angeschlossen. Ein Schalter 68 liegt mit der Wechselstromquelle
67 in Reihe und dient dazu, die Stromzufuhr zur Spule 55 ein- und auszuschalten.
Weiter liegt ein Blockkondensator 69 mit der Wechselstromquelle 67 in Reihe, dessen
Zweck später erklärt wird. Der durch die Spule 55 geschickte Wechselstrom erzeugt
ein magnetisches Wechselfeld in in dem Arbeitsraum 53, welches in dem äußeren Teil
59 Wirbelströme verursacht, die dieses Teil erhitzen.
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Um das äußere Teil 59 auf das innere Teil 61 zu komprimieren,
sind elektrische Schaltelemente vorgesehen, die denjenigen der Vorrichtung gemäß
F i g. 1 entsprechen. Eine Energiequelle 73, beispielsweise eine Kondensatorbatterie,
ist an die Leitungen 63 und 65 angeschlossen. Ein Schalter 75, beispielsweise ein
Thyratron, liegt in Reihe mit der Kondensatorbatterie 73 und der Spule 55. Zum Aufladen
der Kondensatorbatterie 73 wird eine Gleichspannungsquelle 77 mittels eines Schalters
79 zugeschaltet.
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Wenn das äußere Teil weit genug erhitzt ist, wird der Schalter 68
geöffnet, um die gewünschte thermische Expansion zu erzeugen, und der Wechselstrom
in der Spule 55 wird unterbrochen. Vor oder auch nach dem Erhitzen wird der Schalter
79 geschlossen, um die Kondensatorbatterie 73 von der Gleichspannungsquelle 77 aufladen
zu lassen und dann wieder geöffnet. Danach wird das innere Teil 61 koaxial in die
Höhlung des äußeren Teils 59 in die für den gewünschten Schrumpfsitz erforderliche
Lage gebracht.
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Bevor noch eine merkliche temperaturbedingte Kontraktion des äußeren
Teils 59 stattfinden kann, wird der Schalter 75 geschlossen, so daß ein starker
Stromimpuls durch die Spule 55 läuft. Der Blockkondensator 69 verhindert, daß der
Stromimpuls zur Wechselstromquelle fließt. Seine Kapazität ist so gewählt, daß der
hochfrequente Strom ihn ohne Schwierigkeit passiert, während er für einen wesentlichen
Energieanteil aus der Kondensatorbatterie 73 als Sperre wirkt. In dem Arbeitsraum
53 wird so ein starkes Feld errichtet, das auf das rohrförmige äußere Teil 59 einwirkt,
dessen Durchmesser verringert und es auf das innere Teil 61 aufpreßt. Dann
läßt man die verbundenen Teile 59 und 61 zur Umgebungstemperatur zurückkehren, wobei
die Kontraktion des äußeren Teils 59 einen sehr festen Schrumpfsitz bewirkt.
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Eventuell kann auch bei der in F i g. 2 gezeigten Vorrichtung noch
eine Kühleinrichtung vorgesehen werden, um das innere Teil 61 sich thermisch zusammenziehen
zu lassen, bevor es in das äußere Teil 59 eingeschoben wird. Auch kann, wenn das
äußere Teil 59 nicht oder nur schlecht elektrisch leitet, ein leitender Treiber
80 (gestrichelt angedeutet) zwischen der isolierenden Manschette 58 und dem äußeren
Teil 59 angeordnet werden.
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In F i g. 3 ist noch eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
Bei dieser Form wird eine innere leitende Hülse 79 mit Hilfe einer im Inneren angeordneten
Expansionsspule 83 zu einem äußeren Teil 81 hin ausgedehnt. Die Spule 83 ist über
Leitungen 85 und 87 an eine Kondensatorbatterie 89 angeschlossen.
über einen Schalter 91 in der Leitung 87 kann der Stromkreis geschlossen werden.
Die Kondensatorbatterie 89 wird über einen Schalter 93 an eine Gleichstromquelle
97 angeschlossen. Wie bei den vorangegangenen Beispielen kann vor der Expansion
des inneren Teils 79 dieses gekühlt oder das äußere Teil 81 erhitzt werden
oder auch beides. Wenn das innere Teil 79 nicht oder schlecht leitet, kann
zwischen dem Teil 79 und der Spule 83 ein leitender Treiber 95 (gestrichelt angedeutet)
eingefügt werden.
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Beispielsweise kann eines der beiden Teile aus einem Material, wie
etwa Keramik, sein, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient in dem in Frage kommenden
Temperaturbereich sehr niedrig oder sogar Null ist, d. h., das Material dehnt sich
bei Erhitzen nicht merklich aus und zieht sich bei Abkühlen nicht wesentlich zusammen.
In einem solchen Fall wird die Raumänderung des anderen Teils benützt, um den gewünschten
Schrumpfsitz herzustellen.