DE1552127B2

DE1552127B2 - Anordnung zum Befestigen eines Metallrohres in einer Öffnung einer Metallplatte mit metallurgischer Bindung durch fortschreitenden Explosionsdruck

Info

Publication number: DE1552127B2
Application number: DE19661552127
Authority: DE
Inventors: David John Sherburn-in-Elmet; Hardwick Roy Woodlesford; Yorkshire Berry (Großbritannien)
Original assignee: Yorkshire Imperial Metals Ltd., Leeds, Yorkshire (Großbritannien)
Priority date: 1965-09-14
Filing date: 1966-09-02
Publication date: 1972-11-16
Also published as: GB1149387A; NO126303B; AT278483B; NL153105B; BE686845A; CH454194A; US3503110A; JPS57209790A; FI51058C; DE1552127A1; NL6612989A; FI51058B; DK121275B; SE341509B; ES330929A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Befestigen eines Metallrohres in einer Öffnung einer Metallplatte mit metallurgischer Bindung durch fortschreitenden Explosionsdruck, wobei" sich die Sprengladung im Inneren des in die öffnung der Metallplatte eingesteckten Metallrohres befindet, die von einem ringförmigen, die Druckwelle übertragenden Einsatz umgeben ist.

Für viele technischen Zwecke ist es erforderlich, Rohre einzeln oder zu mehreren in einer Halteplatte zu befestigen, beispielsweise bei der Herstellung von Wärmetauschern, die eine große Anzahl von parallel verlaufenden Rohren aufweisen, die mit beiden Enden jeweils an einer Halteplatte befestigt sind. Dabei ist es erforderlich, diese Rohre mit den Halteplatten flüssigkeitsdicht zu verbinden, um ein Vermischen zwischen dem wärmeabgebenden und dem wärmeaufnehmenden Medium zu verhindern.

Es ist bekannt, Rohre an einer Platte unter Zuhilfenahme einer Dichtung zu befestigen oder die Rohre mittels eines Aufweitungswerkzeuges in öffnungen der Halteplatte festzuwalzen. Ferner ist es bekannt, die Rohre an der Halteplatte festzuschweißen.

Zum Befestigen von Rohren an Halteplatten durch Aufweiten der in Öffnungen der Halteplatten steckenden Rohrenden ist es erforderlich, die Abmessungen und Oberflächenbeschaffenheit der in der Halteplatte befindlichen Öffnungen genau zu überwachen, wenn zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden sollen. Der Einbau von Rohren in Halteplatten mit Hilfe von Dichtungen erfordert eine große Geschicklichkeit. Trotzdem ist auch hierbei nicht gewährleistet, daß sich die Verbindungsstellen nicht mit der Zeit lockern und undicht werden. Das Festschweißen der Rohre an Halteplatten ist ebenfalls umständlich und auf die Anwendung bestimmter Werkstoffkombinationen beschränkt. Dabei ergibt sich häufig auch der Nachteil, daß die Rohre im Bereich der Schweißnaht durch die Schweißhitze an Festigkeit verlieren. Eine absolute Dichtigkeit kann nur dann erreicht werden, wenn die Schweißnähte sehr sorgfältig ausgeführt werden.

Schließlich ist es schon vorgeschlagen worden, Rohre dadurch an einer Halteplatte zu befestigen, daß man deren durch Öffnungen der Halteplatte gesteckte Enden mittels einer im Inneren der Rohre zu Detonation gebrachten Sprengladung aufweitet und dabei fest mit der Halteplatte verbindet (USA.-Patentschrift 3 131 467).

Die in bekannter Weise mit Hilfe von fortschreitendem Explosionsdruck erzeugten Verbindungen von Rohren an Halteplatten sind unterschiedlicher Qualität und werden nach längerer Betriebszeit häufig undicht und locker, da nur eine mechanische Verbindung zwischen den Rohren und der Halteplatte erzielt wird. Deshalb können derartige Verbindungen bei Wärmetauschern, die hohen Beanspruchungen auf Grund der Druck- und Temperaturunterschiede ausgesetzt sind, nicht befriedigend verwendet werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Befestigung von Rohren an Halteplatten unter Verwendung von Explosionsdruck derart zu verbessern, daß eine dauerhafte metallurgische Bindung entsteht, ohne zusätzliche Schweißverfahren anwenden zu müssen.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Abstand zwischen der Außenseite des Metallrohres und der Innenwand der Öffnung der Metallplatte in an sich bekannter Weise wenigstens teilweise von innen nach außen zunehmend ist, die Sprengladung vorwiegend innerhalb des erweiterten Teiles der Öffnung angeordnet ist und die Zündstelle der Sprengladung im Bereich des engeren Endes der öffnung vorgesehen ist.

Die Wirkung der damit beanspruchten Maßnahmen besteht darin, daß über die gesamte Länge der Öffnung der Halteplatte eine gleichmäßige metallurgische Verbindung zwischen dem eingesteckten Rohr und der Halteplatte erreicht wird. Die den Explosionsdruck erzeugende Detonation beginnt nämlich im Bereich des engeren Endes der Öffnung der Halteplatte und schreitet zum weiteren Ende dieser öffnung fort.

Die erfindungsgemäß erzielte metallurgische Verbindung wird noch durch die Aufweitung der Rohrenden in der Halteplatte, d. h. also durch eine zusätzliche mechanische Verbindung verstärkt.

Bei der Herstellung von Hohlkörpern. in einer Matrize ist es bekannt, Rohre in sich erweiternden Öffnungen durch Explosionsdruck bei gleichzeitiger Aufweitung der Rohre zu befestigen (belgische Patentschrift 655 942), jedoch wird durch die bekannte Anordnung keine metallurgische Verbindung zwi-

sehen den Rohren und dem die öffnungen enthaltenden Material erzielt.

Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung das Metallrohr vor dem Befestigen desselben in der Metallplatte über den erweiterten Teil der Öffnung dieser Metallplatte hinausragend vorgesehen, wobei dieses überstehende Rohrende durch die Detonation der in das Rohrende eingesetzten Sprengladung abgetrennt wird.

Dabei ist es zweckmäßig, daß die Kante des erweiterten Teiles der öffnung der Metallplatte abgerundet ist, wodurch erreicht wird, daß sich ein allmählicher Übergang zwischen dem äußeren Ende des durch den Explosionsdruck aufgeweiteten Rohres und der Außenseite der Metallplatte ergibt. Wäre hier eine scharfe Kante vorhanden, so würde das überstehende Rohrende auch scharfkantig abgerissen werden und dann eine Nachbearbeitung zur Be^ seitigung der scharfen Rißkanten erforderlich machen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird vorgeschlagen, Sprengstoff mit einer Detonationsgeschwindigkeit von mehr als 120 % der Schallgeschwindigkeit desjenigen Metalls mit der höchsten Schallgeschwindigkeit zu verwenden. Man hat bisher geglaubt, daß beim Befestigen von Metallrohren in Öffnungen unter Verwendung von Explosionsdruck für die Sprengladung nur solche Sprengstoffe benutzt werden können, deren Detonationsgeschwindigkeit 120 % der Schallgeschwindigkeit nicht überschreitet. Es bestand nämlich die Annahme, daß der Abstand zwischen dem nicht aufgeweiteten Rohr und der Öffnung der Metallplatte von Bedeutung sei und daß die Herstellungstoleranzen des Rohres und der öffnung, in welchem das Rohr befestigt werden soll, genau eingehalten werden müssen. Diese Annahme ist darauf zurückzuführen, daß man bei höheren Detonationsgeschwindigkeiten des Sprengstoffes Verbindungen ungleichmäßiger Qualität erhielt und nur innerhalb begrenzter Bereiche eine echte metallurgische Bindung oder Verschweißung eintrat. Es wurde jetzt aber gefunden, daß man eine echte und dauere hafte metallurgische Verbindung zwischen dem aufgeweiteten Rohrende und der Wandung der sich erweiternden Öffnung der Halteplatte gerade dann erzielt, wenn Sprengstoffe mit höherer Detonationsgeschwindigkeit verwendet werden.

Durch die Erfindung ist es möglich, Rohre in Halteplatten dauerhaft lind absolut dicht zu befestig gen, wobei sich ohne Nachbearbeitung irgendeiner Art eine glatte Außenseite ergibt. Die Erfindung ist auch für die Herstellung von Wärmetauschern geeignet, bei denen es ausschlaggebend ist, daß die in Halteplatten eingesetzten Rohre auch nach längerer Betriebszeit eine absolut dichte Verbindung zur betreffenden Halteplatte aufweisen.

In der Zeichnung ist zur weiteren Erläuterung der Erfindung ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Befestigen eines Metallrohres in einer öffnung einer Metallplatte mit metallurgischer Bindung durch fortschreitenden Explosionsdruck im Längsschnitt dargestellt.

In der Zeichnung ist ein Metallrohr 1 dargestellt, das in einer öffnung einer Metallplatte 2 befestigt werden soll. Die öffnung besteht aus einem Abschnitt 3 von gleichbleibendem Durchmesser und einem sich daran anschließenden Abschnitt 4 von sich nach der einen Seitenfläche der Metallplatte 2 hin vergrößernden Durchmesser, so daß sich an den zylindrischen Teil 3 der Öffnung ein konischer Teil 4 anschließt.
Der zylindrische Abschnitt 3 der öffnung hat für das Befestigen des Metallrohres 1 in der öffnung der Metallplatte 2 mit metallurgischer Bindung keine besondere Bedeutung. Der zylindrische Abschnitt 3 ist jedoch zweckmäßig, um das Metallrohr 1 in die zum Befestigen gewünschte Stellung zu bringen. Der Abschnitt 4 der öffnung in der Metallplatte 2 kann entweder einen gleichbleibenden Konuswinkel haben oder beispielsweise einer Exponentialkurve oder einem abgesetzten Kegelstumpf folgen. Der genaue Verlauf der die Öffnung umgebenden Wände im Bereich 4 ist innerhalb weiter Grenzen ohne Einfluß auf die Befestigung des Metallrohres 1 und kann so ausgebildet werden, daß sich ein für den Rohreingang besonders günstiges Profil ergibt oder daß die Herr stellung der Öffnung auf besonders wirtschaftliche Weise möglich ist.

Das Metallrohr 1 wird zur Befestigung in die Öftv nung in der Metallplatte 2 gelegt, wobei es nach links, bezogen auf die Zeichnung, bis zu einer zweiten, nicht gezeigten Metallplatte reicht, in der es mit seinem anderen Ende befestigt ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung steht das Rohrende nach rechts über die Metallplatte 2 über. Hierdurch können kleinere Längenänderungen beir spielsweise eines Wärmeaustauschers, die durch Wärmeaufnahme während des Zusammenbaus entstehen können, aufgenommen werden. Es ist aber auch möglich, die Stirnfläche des Metallrohrs in einer Ebene mit der betreffenden Außenseite der Metallplatte anzuordnen.

Eine Sprengladung 5 liefert die zur Befestigung des Metallrohres 1 erforderliche Energie. Die Sprengladung 5 ist im Inneren des Metallrohres und dabei im wesentlichen innerhalb des Bereiches 4 der Öffnung angeordnet. Die Sprengladung 5 kann mit Hilfe eines Zünders 7 zur Detonation gebracht werden. Die Sprengladung 5 ist von einem Einsatz 6 μην geben, der mit Gleitsitz in das Metallrohr 1 hineinr paßt. Die Sprengladung 5 liegt ebenfalls mit Gleitsitz in dem Einsatz 6. Der Werkstoff, aus dem der Einsatz 6 gefertigt ist, hat keine wesentliche Bedeutung für das Befestigen des Metallrohres 1. Es ist jedoch empfehlenswert, einen Stoff hoher Dichte zu wählen, weil die Druckwelle des Sprengstoffs möglichst veriustfrei auf das Metallrohr 1 und dip Metallplatte 2 übertragen werden muß. Die wirksame Dichte des Werkstoffs des Einsatzes 6 kann innerhalb der Länge verschieden sein, wenn dies zur Übertragung der Energie gewünscht wird.

Obgleich die Lage der Sprengladung 5 im Verhältnis zur Metallplatte 2 nicht von ausschlaggebender Bedeutung ist, sollte sie doch so gewählt werden, daß die wirksame Länge der Sprengladung 5 nicht zu weit von der (in der Zeichnung rechts befindlichen) Außenseite der Metallplatte 2 liegt, also sich im wesentlichen im Abschnitt 4 befindet.

Nachdem die verschiedenen Teile nach der in der Zeichnung dargestellten Art zusammengebaut sind, wird die Sprengladung 5 beispielsweise durch Betätigung eines elektrischen Zünders 7, gezündet. Die Detonation breitet sich daher, wie die Zeichnung erkennen läßt, von dem linken Ende der Sprengladung 5 her aus. Es ist vorteilhaft, wenn die Detonation des Sprengstoffs in der durch den Pfeil 8 ge-

kennzeichneten Richtung fortschreitet, nämlich in der gleichen Richtung, in der sich der Durchmesser der Öffnung erweitert. Nur in diesem Fall ist eine gute metallurgische Bindung zwischen Metallrohr 1 und Metallplatte 2 erzielbar.

Je nach den örtlichen Gegebenheiten kann jede beliebige Anzahl von nebeneinander oder weiter voneinander entfernt angeordneten Rohren gleichzeitig nach der erfindungsgemäßen Anordnung befestigt werden.

Die im Inneren des Metallrohres 1 freigegebene Energie weitet das Metallrohr 1 so auf, daß sich eine metallurgische Verbindung im Berührungsbereich der unter einem Winkel zur Mittelachse verlaufenden Flächen an Metallrohr 1 und Metallplatte 2 ergibt. Damit eine gute Verbindung entsteht, muß das Metallrohr sauber sein. Oxyd und Fett wird daher beispielsweise durch Abscheuern oder durch organische Lösungsmittel entfernt.

An der im Durchmesser größeren Mündung der öffnung in der Metallplatte 2 ist eine scharfe oder eine abgerundete Kante 9 vorgesehen. Hierdurch ergibt sich eine zweite Wirkung der im Rohrinneren freigegebenen Energie. Sie besteht darin, daß das Rohrende beim Aufweiten gegen die Abrundung bzw. die dort vorgesehene Kante gedrückt und dadurch das Rohrende abgetrennt wird. Gleichzeitig mit dem Abtrennen des überstehenden Rohrendes bildet sich eine glatte, trichterförmige Mündung am Rohr. Hierdurch wird die Korrosion am Rohreingang, die bei den herkömmlichen Rohrbefestigungen in Halteplatten festzustellen ist, wesentlich verringert, weil ein allmählicher und glatter Eingang in das Rohrinnere erzielt wird.

Die Form und der Radius der Abrundung der Kante 9 kann entsprechend den verwendeten Werkstoffen gewählt werden.

Nach der erfindungsgemäßen Anordnung sind aus den verschiedensten Werkstoffen bestehende Metallrohre und Metallplatten mit bestem Erfolg miteinander verbunden worden. Die nachfolgenden Beispiele erläutern einige der zahlreichen möglichen Verbindungen zwischen verschiedenen Metallen.

Beispiel I

Es wurden Löcher in einer Metallplatte aus Messing von I¹A" Dicke (etwa 31,7 mm) gebohrt. Der zylindrische Teil 3 der Bohrung war in axialer Richtung etwa 15,9 mm lang und hatte einen Durchmesser von 1,005" oder etwa 25,41 mm. Die den Abschnitt 4 der Bohrung begrenzenden Wandteile wurden mit einem Konuswinkel von 7°30' hergestellt, so daß die Wände des trichterförmigen Teils der Öffnung einen Winkel von 15° zueinander bildeten. Die Bohrung in der Halteplatte wurde gesäubert und entfettet. Sodann wurde ein in entsprechender Weise vorbereitetes, spannungsfreies Aluminium-Messing-Rohr von 1" X 20 eingesetzt. Eine Sprengladung mit einem Zünder wurde im Inneren eines ringförmigen, aus Wachs und Sägemehl bestehenden Einsatzes angeordnet. Der Einsatz und der Zünder wurden sodann in das Rohr eingeführt, wobei das innenliegende Ende des Einsatzes etwa 9,5 mm von der, bezogen auf die Zeichnung, linken Seitenfläche der Metallplatte entfernt war.

ίο Nach der Detonation der Sprengladung wurden etwa 6,4 mm breite Abschnitte in Längsrichtung aus dem Rohr und der Metallplatte an vier Stellen herausgeschnitten. Zur Messung der Festigkeit der Verbindung wurde ein Scherzerreißversuch mit allen vier Ausschnitten durchgeführt. In allen Fällen riß das Rohr bei einer Biegespannung von 0,25 t ab, während die Verbindungsstelle unversehrt blieb. Bei Umrechnung auf den gesamten Rohrumfang ergibt sich hierbei eine Festigkeit der Verbindung von 3,41t.

Beispiel II

Bei der gleichen Anordnung und bei Verwendung der gleichen Sprengladung wie bei Beispiel I wurde ein aus spannungsfreiem Aluminium-Messing bestehendes Rohr von 1" X 22 in einer Platte aus Kupfer-Nickel befestigt. Einige der Bohrungen wiesen einen zylindrischen Abschnitt von etwa 15,9 mm Länge auf, während der Konuswinkel des angrenzenden, sich trichterförmig erweiternden Teils 5°, d. h. insgesamt eine Erweiterung zur Mündung hin von 10° aufwies. Andere Löcher wurden mit einem gekrümmten Übergang vom zylindrischen zum trichterförmig erweiterten Teil hergestellt.

Die Verbindung wies die gleiche Güte wie in Bei-

spiel I in beiden Fällen auf.

Beispiel III

Wie bei dem Beispiel I wurde ein aus Kupfer und Nickel im Verhältnis 90:10 bestehendes Rohr, das wie zum Aufweiten warm vorbehandelt war, in einer Halteplatte aus Kupfer-Nickel befestigt.

Nach der Zündung der Sprengladung zeigte sich, daß das Rohr fest mit der Halteplatte verschweißt war. .

Beispiel IV

Wie bei Beispiel I wurde ein aus Kupfer und Nickel im Verhältnis 70:30 bestehendes Rohr von 1" χ 18 in einer Halteplatte aus Messing befestigt. In diesem Falle wurde ein Sprengstoff, der eine Detonationsgeschwindigkeit von etwa 7000m/sec hat, mit Hilfe eines Zünders gezündet.

Auch in diesem Fall wies die Befestigung die gleiche Güte wie bei den vorhergehenden Beispielen auf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Befestigen eines Metallrohres in einer öffnung einer Metallplatte mit metallurgischer Bindung durch fortschreitenden Explosionsdruck, wobei sich die Sprengladung im Inneren des in die öffnung der Metallplatte eingesteckten Metallrohres befindet, die von einem ringförmigen, die Druckwelle iibertragenden Einsatz umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Außenseite des Metallrohres (1) und der Innenwand der Öffnung (3, 4) der Metallplatte (2) in an sich bekannter Weise wenigstens teilweise von innen nach außen zunehmend ist, die Sprengladung (5) vorwiegend innerhalb des erweiterten Teiles (4) der Öffnung angeordnet ist und die Zündstelle (7) der Sprengladung (5) im Bereich des engeren Endes (3) der Öffnung vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr (1) über den erweiterten Teil (4) der Öffnung der Metallplatte (2) hinausragend vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kante (9) des erweiterten Teiles (4) der Öffnung der Metallplatte (2) abgerundet ist.

4. Verwendung von Sprengstoff mit einer Detonationsgeschwindigkeit von mehr als 120 % der Schallgeschwindigkeit desjenigen Metalls mit der höchsten Schallgeschwindigkeit bei der Anordnung nach Anspruch 1.

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