DE1527547C - Verfahren zum Verbinden von Rohren mit Rohren oder Stangen - Google Patents

Description

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.

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. .

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 Tei-, len 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.

Ein Verfahren der eingangs genannten Gattung ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 474 125 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.

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 1 122 188) offenbart, fn 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.

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.

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).
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 A'ufdehnen thermisch herbeiführt.

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.

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.
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.
Zur Erläuterung wird im folgenden das erfindungsgemäße Aufschrumpfverfahren an Hand von verschiedenen zweckmäßigen Vorrichtungen beschrieben.

Die Zeichnungen stellen dar

F i g. 1 eine schematische Ansicht einer Aufschrumpfvorrichtung, die zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen kann. Die zusammenzufügenden Teile Hegen in einem zentral angeordneten Arbeitsraum,

F i g. 2 eine schematische Ansicht ähnlich der Fig. 1, von einer zweiten Ausführungsform einer Aufschrumpfvorrichtung,

F i g. 3 eine schematische Ansicht einer dritten Ausfiihrungsform einer Aufschrumpfvorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

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.

Ein äußeres metallisches Teil 19 und ein inneres Teil 21, die miteinander verbunden werden sollen, werden von entgegengesetzten Seiten her in den zy-, lindrischen 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.

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.

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 13 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 1.3. Als zweite Möglichkeit kann auch ein Fördermechanismus vor-, gesehen werden, der das äußere Teil 19 kontinuierlich durch die Heizvorrichtung 23 transportiert, wobei dann die Vorschubgeschwindigkeit so geregelt werden muß, daß die gewünschte thermische Expan-.sion stattgefunden hat, ,wenn das Teil 19 die Heizvorrichtung 23 verläßt und in den Arbeitsraum 13 einläuft.

ίο 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.

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 em 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.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Kondensatorbatterie 31 über einen Schalter 41 von einer eine hohe Spannung liefernden Gleichspannungsc]uelle 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.

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 2t und des äußeren Teils 19, die zusammengefügt werden sollen, wer-. den 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. Fig. 1 zeigt eine Zwischenstellung, während die Fördermechanismen 25 und 29 die beiden Teile in den Arbeitsraum 13 transportieren.

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.

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des inneren Teils 21. Danach läßt man die zu- laden der Kondensatorbatterie 73 wird eine Gleich-

. sammengefügten Teile auf die Umgebungstempera- spannungsquelle 77 mittels eines Schalters 79 zu-

tur abkühlen. Die nunmehr erfolgende Expansion des geschaltet.

inneren Teils 21 und die Kontraktion des äußeren Wenn das äußere Teil weit genug erhitzt ist, wird

Teils 19 erhöhen die Festigkeit der Verbindung. 5 der Schalter 68 geöffnet, um die gewünschte ther-

Wie schon erwähnt, können die Kühlvorrichtung mische Expansion zu erzeugen, und der Wechselstrom 27 und die Heizvorrichtung 23 in einem einzigen in der Spule 55 wird unterbrochen. Vor oder auch Arbeitsgang angewandt werden; jede von beiden Ein- nach dem Erhitzen wird der Schalter 79 geschlossen, richtungen kann aber auch allein verwendet werden, um die Kondensatorbatterie 73 von der Gleichum eine Änderung der Abmessungen an einem der io spannungsquelle 77 aufladen zu lassen und dann wiebeiden Teile hervorzurufen, bevor die Verbindung der geöffnet. Danach wird das innere Teil 61 koaxial hergestellt wird. Das dargestellte Verfahren ist auch in die Höhlung des äußeren Teils 59 in die für den durchführbar, wenn ursprünglich ein ziemlich großer gewünschten Schrumpfsitz erforderliche Lage geSpielraum zwischen den beiden Teilen 19 und 21 be- bracht.

steht. Dies ist ein wesentlicher Vorzug des erfindungs- 15 Bevor noch eine merkliche temperaturbedingte gemäßen Verfahrens, weil sich dadurch das äußere Kontraktion des äußeren Teils 59 stattfinden kann, Teil leicht und schnell mit dem überweiten Hohlraum wird der Schalter 75 geschlossen, so daß ein starker über das innere Teil schieben läßt, so daß während Stromimpuls durch die Spule 55 läuft. Der Blockkondes Zusammenfügens nur ein ganz geringer Wärme- densator 69 verhindert, daß der Stromimpuls zur Übergang stattfinden kann, und auch weil dadurch 20 Wechselstromquelle fließt. Seine Kapazität ist so gedie bisher für das Aufschrumpfen erforderlichen wählt, daß der hochfrequente Strom ihn ohne engen Toleranzgrenzen für die Bearbeitung der Teile Schwierigkeit passiert, während er für einen wesent^ wegfallen. Dieser Vorzug ist vor allem dann bedeu- liehen Energieanteil aus der Kondensatorbatterie 73 tungsvoll, wenn die Teile im Vergleich zu ihrem als Sperre wirkt. In dem Arbeitsraum 53 wird so ein Durchmesser lang sind. 25 starkes Feld errichtet, das auf das rohrförmige äußere In F i g. 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Teil 59 einwirkt, dessen Durchmesser verringert und Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen es auf das innere Teil 61 aufpreßt. Dann läßt man Aufschrumpfverfahrens schematisch dargestellt, bei die verbundenen Teile 59 und 61 zur Umgebungsder keine eigene Heizvorrichtung 23 erforderlich ist. temperatur zurückkehren, wobei die Kontraktion des Die Vorrichtung weist eine Einrichtung 51 mit einem 30 äußeren Teils 59 einen sehr festen Schrumpfsitz bezylindrischen Arbeitsraum 53 im Inneren einer Spule wirkt.

55 auf, die in einem Träger 57 aus elektrisch isolie- Eventuell kann auch bei der in F i g. 2 gezeigten rendem Material eingebettet ist. Weiter ist eine Vorrichtung noch eine Kühleinrichtung vorgesehen wärmeisolierende Manschette 58 vorgesehen. Ein werden, um das innere Teil 61 sich thermisch zuäußeres Teil 59, als Metallrohr dargestellt und ein 35 sammenziehen zu lassen, bevor es in das äußere Teil inneres Teil 61, als Metallstange dargestellt, sind in 59 eingeschoben wird. Auch kann, wenn das äußere dem Augenblick gezeigt, wo das innere Teil 61 vor Teil 59 nicht oder nur schlecht elektrisch leitet, ein dem Erstellen der Verbindung in das äußere Teil leitender Treiber 80 (gestrichelt angedeutet) zwischen 59 eingeschoben ist. der isolierenden Manschette 58 und dem äußeren Teil

Bei dieser zweiten Ausführungsform wird das 40 59 angeordnet werden.

äußere Teil 59 von Halterungen (nicht dargestellt) in In F i g. 3 ist noch eine andere Ausführungsform dem Arbeitsraum 53 koaxial abgestützt und dann der Erfindung gezeigt. Bei dieser Form wird eine dort erhitzt, bis die Wärmeausdehnung in dem ge- innere leitende Hülse 79 mit Hilfe einer im Inneren wünschten Ausmaß stattgefunden hat. Das Erhitzen angeordneten Expansionsspule 83 zu einem äußeren des äußeren Teils 59 geschieht dadurch, daß ein 45 Teil 81 hin ausgedehnt. Die Spule 83 ist über Leitunhochfrequenter Wechselstrom durch die Spule 55 ge- gen 85 und 87 an eine Kondensatorbatterie 89 anschickt wird. Hierzu wird die Spule über Leitungen geschlossen. Über einen Schalter 91 in der Leitung 63 und 65 an eine Wechselstromquelle 67 an- 87 kann der Stromkreis geschlossen werden. Die geschlossen. Ein Schalter 68 liegt mit der Wechsel- Kondensatorbatterie 89 wird über einen Schalter 93 Stromquelle 67 in Reihe und dient dazu, die Strom- 50 an eine Gleichstromquelle 97 angeschlossen. Wie bei zufuhr zur Spule 55 ein- und auszuschalten. Weiter den vorangegangenen Beispielen kann vor der Expanliegt ein Blockkondensator 69 mit der Wechsel- sion des inneren Teils 79 dieses gekühlt oder das Stromquelle 67 in Reihe, dessen Zweck später erklärt äußere Teil 81 erhitzt werden oder auch beides, wird. Der durch die Spule 55 geschickte Wechsel- Wenn das innere Teil 79 nicht oder schlecht leitet, strom erzeugt ein magnetisches Wechselfeld in 55 kann zwischen dem Teil 79 und der Spule 83 ein in dem Arbeitsraum 53, welches in dem äußeren leitender Treiber 95 (gestrichelt angedeutet) einTeil 59 Wirbelströme verursacht, die dieses Teil gefügt werden.

erhitzen. Beispielsweise kann eines der beiden Teile aus

Um das äußere Teil 59 auf das innere Teil 61 zu einem Material, wie etwa Keramik, sein, dessen

komprimieren, sind elektrische Schaltelemente vor- 60 Wärmeausdehnungskoeffizient in dem in Frage kom-

gesehen, die denjenigen der Vorrichtung gemäß menden Temperaturbereich sehr niedrig oder sogar

F i g. 1 entsprechen. Eine Energiequelle 73, bei- Null ist, d. h., das Material dehnt sich bei Erhitzen

spielsweise eine Kondensatorbatterie, ist an die Lei- nicht merklich aus und zieht sich bei Abkühlen nicht

tungen 63 und 65 angeschlossen. Ein Schalter 75, bei- wesentlich zusammen. In einem solchen Fall wird

spielsweise ein Thyratron, liegt in Reihe mit der 65 die Raumänderung des anderen Teils benützt, um

Kondensatorbatterie 73 und der Spule 55. Zum Auf- den gewünschten Schrumpfsitz herzustellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Verbinden von Rohren mit Rohren oder Stangen mittels Aufschrumpfen und bzw. oder Aufdehnen unter zusätzlicher Kräfteeinwirkung auf eines der beiden Werkstücke, gekennzeichnet durch die Anwendung des Magnetformverfahrens.