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Die Erfindung betrifft eine mediendichte Nahtverbindung zwischen einem strukturierten Basiselement und einem an die Struktur des Basiselements angepassten Abdeckelement und ein Verfahren zur Herstellung derselben. Vorzugsweise betrifft die Erfindung eine mediendichte und druckdichte Nahtverbindung einer Kühlplatte mit Kühlkanälen. Dazu weist das Basiselement eine Nutstruktur auf, die von dem Abdeckelement mediendicht abgedeckt ist. Das Basiselement weist entlang der Nutstruktur eine Einlegestruktur für das Abdeckelement auf, in die das Abdeckelement mit Randseiten eingelegt ist.
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Derartige mediendichte Nahtverbindungen werden üblicherweise mit thermischen Fügeverfahren wie Laserschweißen, Autogenschweißen, Elektrostrahlschweißen und ähnlichen hergestellt. Der Nachteil dieser Schweißverfahren ist es jedoch, dass damit Endlosnahtverbindungen, bei denen der Schweißnahtbeginn und das Schweißnahtende identisch sind, nahezu unüberwindliche Probleme mit sich bangen. Solange die Endlosnahtverbindung Schweißnähte an Rohrleitungen betreffen, sind aufgrund der Ringgeometrie der endlosen thermischen Nahtverbindungen die Probleme, die durch thermische Spannungen entstehen, beherrschbar.
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Schwieriger wird es jedoch, wenn flächige oder plattenförmige Werkstücke mit einer Endlosnaht zusammenzufügen sind. Bei thermischen Schweißverfahren können derart hohe Spannungen entstehen, dass sich die flächigen bzw. plattenförmigen Werkstücke derart verziehen, dass eine kostenintensive Nachbearbeitung erforderlich ist, um die Ebenheit der Flächen wieder herzustellen. Andererseits ergeben sich auch Schwierigkeiten bei der Zusammenführung von End- und Anfangspunkten, um die Endlosnaht zu vollenden. Schließlich ist es so gut wie gar nicht gelöst, wie enge Krümmungsradien realisiert werden können, die beispielsweise bei kreisrunden, flächigen Nahtverbindungen auftreten können. Ferner sind thermische Fügeverfahren nachteilig mit einem erheblichen Energieverbrauch gekoppelt.
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Kaltpress- oder Kaltschweißverfahren oder die Verbindung von beiden nämlich Kaltpressschweißverbindungen sind energieeffizienter und liefern weniger Verzug, da bei diesen Fügeverfahren unter hohem Druck und im Gegensatz zu thermischen Schweißmethoden unterhalb der Rekristallisationstemperatur der Einzelteile die Materialien der beiden Teile unter plastischer Verformung eine stabile Verbindung zwischen zwei Werkstoffen realisiert bilden. Derartige Fügeverbindungen werden hauptsächlich für Reparaturen beispielsweise für Motoren aus Gusseisen wie einem Motorblock eingesetzt, wobei durch sehr rasch hintereinander verlaufende Schläge von bis zu Tausend Schlägen pro Minute das Metall erwärmt und damit warmer wird, weshalb das Fügeverfahren auch Vibrationsschweißen genannt wird. Ein wesentlicher Nachteil dieses Kaltpress- und Vibrationsverfahrens ist es, dass damit keine gleichmäßigen, kontinuierlich verlaufenden Nahtverbindungen realisiert werden können, sondern vielmehr Punkt für Punkt die Materialien zweier Werkstücke miteinander verpresst werden.
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Dazu ist aus der Druckschrift
DE 101 30 726 C2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Verbindung zwischen sich überlappenden plattenförmigen Bauteilen bekannt. Unter Verwendung eines Stempels, eines Niederhalters und eines Gegenwerkzeuges, werden punktweise die überlappenden, plattenförmigen Bauteile zusammengehämmert, wobei ein erstes Bauteil in Richtung zu dem Stempel angeordnet ist und ein zweites Bauteil an dem Gegenwerkzeug anliegt und der Werkstoff des ersten Bauteils durch den Stempel mit einer Stempelkraft in Richtung zum Gegenwerkzeug in das zweite Bauteil eingeformt wird. Mit einer einzigen Hubbewegung des Stempels in Richtung zum Gegenwerkzeug wird dabei ein Hinterschnitt des eingeformten Werkstoffs des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil erstellt. Das Gegenwerkzeug behält während der gesamten Hubbewegung des Stempels seine am zweiten Bauteil anliegende Position bei, womit ein Austreten von Werkstoff über die Plattenebene des zweiten Bauteils hinaus in Richtung zum Gegenwerkzeug verhindert wird.
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Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass bei diesem Kaltschweißverfahren die zu verbindenden Materialien plattenförmig übereinander gelegt werden müssen, so dass Stoßnähte mit diesem Verfahren praktisch nicht gefügt werden können. Außerdem ist auch bei diesem Verfahren in keiner Weiser erkennbar, wie damit kontinuierliche und gleichmäßige Nahtverbindungen mit einem kontinuierlichen Vorschub herstellbar werden. Vielmehr müssten bei diesem Verfahren eine Stempelprägung neben die andere gesetzt werden, um eine mediendichte Verbindung zwischen den beiden Werkstücken sicherzustellen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine mediendichte Verbindung von Stoßfugen zu schaffen, ohne dass punktweise Stempelpressverfahren zum Einsatz kommen oder gar thermische Schmelzverfahren erforderlich werden. Vielmehr sollen unter minimalem Energieeinsatz kostengünstig endlose Stoßfugen mit einer mediendichten Nahtverbindung versehen werden.
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Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird eine mediendichte Nahtverbindung zwischen einem strukturierten Basiselement und einem an die Struktur des Basiselements angepassten Abdeckelement und ein Verfahren zur Herstellung derselben geschaffen. Das Basiselement weist eine Nutstruktur auf, die von dem Abdeckelement mediendicht abgedeckt ist. Das Basiselement weist entlang der Nutstruktur eine Einlegestruktur für das Abdeckelement auf, in die das Abdeckelement mit Randseiten eingelegt ist. Stoßnähte zwischen den Randseiten des Abdeckelements und Rändern der Einlegestruktur weisen eine stoffschlüssige Nahtverbindung aus einem plastisch verformten Material des Abdeckelements und einem plastisch verformten Material des Basiselements auf.
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Eine derartige mediendichte Nahtverbindung hat den Vorteil, dass sie verzugsfrei, mediendicht und druckdicht ist und weder eine Gas- noch eine Flüssigkeitsleckage bei vorgegebenem Betriebsdruck aufweist. Die plastische Verformung der Randseiten des Abdeckelements und der Ränder der Einlegestruktur, die gegenüberliegend eine Stoßfuge darstellen, können ihr plastisch verformtes Material ineinander zu einer mediendichten Nahtverbindung fließen lassen. Dabei weisen die Randseiten des Abdeckelements und die Ränder der Einlegestruktur in den Stoßnähten stoffschlüssig miteinander verbundene, kaltverformte gefügte Bereiche auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Ränder der Einlegestruktur eine Tiefe auf, die der Dicke des Abdeckelements derart angepasst ist, dass die Oberflächen des Abdeckelements und des Basiselements bündig sind.
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Ferner ist es vorgesehen, dass die Randseiten des Abdeckelements profiliert sind und mindestens einen Vorsprung aufweisen, der eine Einspannhilfe des Abdeckelements in die Einlegestruktur bildet. Dazu weist der randseitige Vorsprung an den Randseiten des Abdeckelements wenige Zehntelmillimeter auf und verbessert damit die Verzahnung der Materialien der mediendichten Nahtverbindung.
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in einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Ränder der Einlegestruktur eine Hinterschneidung aufweisen, wobei die Größe der Hinterschneidung dem Volumen der verdrängten, plastisch verformten Materialien angepasst ist. Das hat den Vorteil, dass bei einer kontinuierlichen Verbindung einer mediendichten Nahtverbindung das von der Oberfläche in die Materialien hinein verdrängte Material während eines kontinuierlichen Vorschubs zur Bildung der mediendichten Nahtverbindung in den Raum der Hinterschneidungen verpresst werden kann, was von besonderem Vorteil im Bereich enger Krümmungen der mediendichten Nahtverbindung ist. Dazu reicht eine Hinterschneidung von wenigen Zehntel Millimetern aus.
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Ferner ist es vorgesehen, dass die Ränder der Einlegestruktur einen Neigungswinkel α von wenigen Grad aufweisen, der in einen Krümmungsradius der Hinterschneidung übergeht und zwischen 1° ≤ α ≤ 20°, vorzugsweise zwischen 5° ≤ α ≤ 12° liegt.
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In einer weiteren Ausführungsform der mediendichten Nahtverbindung weisen das Basiselement und das Abdeckelement plastisch verformbare Metalle oder Metalllegierungen auf. Vorzugsweise sind dieses Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen oder duktile Eisenlegierungen.
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Ein Durchführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer mediendichten Nahtverbindung zwischen einem strukturierten Basiselement und einem angepassten Abdeckelement weist nachfolgende Verfahrensschritte auf. Zunächst wird eine Einlegestruktur beidseitig entlang einer geplanten Nutstruktur in das Basiselement eingebracht, danach wird die Nutstruktur in das Basiselement eingebracht. Die Einlegestrukturtiefe entspricht der Dicke des Abdeckelements, wobei die Ein- legestrukturbreite größer als die Breite der Nutstruktur ist. Außerdem wird das Abdeckelement unter Strukturieren der Randseiten des Abdeckelements passend zu der Einlegestruktur hergestellt. Schließlich wird die Stoßfuge zwischen dem Abdeckelement und dem Basiselement mit einem stirnseitig profilierten nahtbildenden Stichel unter plastischem Verformen und Fügen der aneinander stoßenden Materialien abgefahren und dabei die mediendichten Nahtverbindung hergestellt.
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Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es zuverlässig, präzise und reproduzierbar eine Nahtverbindung bereitstellt, die mit Hilfe des stirnseitig profilierten nahtbildenden Stichels unter kontinuierlichem Vorschub entsprechend vorbereitete Stoßfugen zwischen dem Abdeckelement und der Einlegestruktur des Basiselements stoffschlüssig, ohne Zusatzstoffe, Klebstoffe oder sonstige Materialien verbindet.
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In einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens ist es vorgesehen, dass beim Einbringen der Einlegestruktur entlang der Nutstruktur in das Basiselement die Ränder der Einlegestruktur hinterschnitten werden, wobei die Größe der Hinterschneidung dem Volumen der verdrängten, plastisch verformten Materialien angepasst wird. Damit wird in vorteilhafter Weise vermieden, dass sich bei dem kontinuierlichen Vorschub des nahtbildenden Stichels zunehmend Material aufbaut, was zu Störungen bei der Nahtbildung führen könnte. Vielmehr wird das gesamte plastisch verformte Material in den hinterschnittenen Bereich bei der Ausbildung der mediendichten Nahtverbindung gepresst und verbessert damit die Mediendichtheit der Nahtverbindung.
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In einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens ist es vorgesehen, dass nach dem Einlegen des Abdeckelements in die Einlegestruktur eine Vakuumpumpeinrichtung die Luft aus der Nutstruktur des Basiselements abpumpt. Mit der Evakuierung der Nutstruktur wird automatisch durch die dabei entstehende Druckdifferenz das Abdeckelement auf die Einlegestruktur gepresst, und beim Einbringen der kontinuierlichen mediendichten Nahtverbindung wird das Abdeckelement auf der Einlegestruktur des Basiselements gehalten.
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Darüber hinaus ist es vorgesehen, dass nach dem Einlegen des Abdeckelements in die Einlegestruktur ein Heften des Abdeckelements in der Einlegestruktur des Basiselements unter punktweisem plastischen Verformen der Materialien des Abdeckelements und des Basiselements mit Hilfe des stirnseitig profilierten nahtbildenden Stichels erfolgt. Dieses Heften sichert zusätzlich die Fixierung des Abdeckelements auf der Einlegestruktur des Basiselements, womit eine gleichbleibende Stoßfuge bei Herstellung der Nahtverbindung zwischen den Heftstellen zur Verfügung steht.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass ein Strukturieren der Randseiten des Abdeckelements passend zu der Einlegestruktur des Basiselements mit einem Vorsprung für ein Einpassen des Abdeckelements in die Einlegestruktur erfolgt. Dieser Vorsprung kann bis zu wenigen Zehntel Millimetern das Profil der Randseiten des Abdeckelements dominieren und kann dabei die Verzahnung der Randseiten des Abdeckelements mit den hinterschnittenen Rändern der Einlegestruktur verbessern.
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Bei einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird ein Anfasen oder Abrunden von unteren Längskanten der Randseiten des Abdeckelements durchgeführt, wobei die Größe der Fase oder die Größe der Abrundung dem Volumen der verdrängten, plastisch verformten Materialien angepasst wird. Mit dieser Maßnahme wird die Kontinuität der plastischen Verformung entlang der Nahtverbindung verbessert und ein An- oder Aufhäufen von plastisch verformten Material verhindert.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass der stirnseitig profilierte nahtbildende Stichel abhängig von einer Hüllkegelstruktur einer Stirnseite des Stichels rotiert, Die Drehzahl des Stichels kann mit flacher werdender Hüllkegelkontur bis zum Stillstand des Stichels abnehmen. Das bedeutet, dass bei einer sehr flachen Hüllkegelkontur von wenigen Gradzahlen und damit einer geringen Höhe der Hüllkegelspitze über der Stirnseite von nur wenigen Zehntel Millimeter der Stichel über die Stoßnähte gleiten kann und die mediendichte Nahtverbindung herstellen kann, ohne dass der Stichel in Rotation versetzt wird.
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Außerdem konnte festgestellt werden, dass mit zunehmender Rotation des Stichels die Vorschubgeschwindigkeit beim Ausbilden der mediendichten Nahtverbindung erhöht werden kann. Die Gefahr des Aufwölbens von Material bei zunehmendem Hüllkegelwinkel und damit bei zunehmendem Eindringen der Kontur der Stirnseite des nahtbildenden Stichels in die Stoßfuge der zu verbindenden Materialien kann dadurch vermindert werden, dass die Drehzahl gegenüber flacheren Hüllkegelwinkeln angepasst und erhöht wird.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine mediendichte Nahtverbindung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine mediendichte Nahtverbindung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine mediendichte Nahtverbindung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine mediendichte Nahtverbindung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
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5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine mediendichte Nahtverbindung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
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6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine mediendichte Nahtverbindung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
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7 bis 12 zeigen schematische Querschnitte durch Elemente und Vorrichtungen zur Herstellung einer mediendichten Nahtverbindung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Basiskörper für ein Basiselement;
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8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Basiskörper gemäß 7 nach Einbringen einer Einlegestruktur;
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9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Basiskörper gemäß 8 nach Einbringen einer Nutstruktur;
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10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Abdeckelement vor dem Einlegen des Abdeckelements in die Einlegestruktur;
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11 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Basiskörper mit eingelegtem Abdeckelement;
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12 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Aufbau gemäß 11 mit einem nahtbildenden Stichel, der in 12A im Detail gezeigt wird;
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13 zeigt eine schematische perspektivisch Ansicht zu dem Querschnitt gemäß 12;
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14 zeigt eine schematische perspektivisch Ansicht eines Teilbereichs einer mediendichten Nahtverbindung;
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15 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine mediendichte Endlosnahtverbindung;
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16 zeigt eine perspektivisch Ansicht der mediendichten Endlosnahtverbindung gemäß 15;
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17 zeigt eine schematische perspektivisch Teilansicht der mediendichten Endlosnahtverbindung mit einem Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A in 15.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine mediendichte Nahtverbindung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die mediendichte Nahtverbindung 1 verbindet in dieser Ausführungsform ein Abdeckelement 7 mit einem Basiselement 10. In das Basiselement 10 ist eine Nutstruktur 11 eingearbeitet, die eine Breite b aufweist. Diese Breite b ist kleiner als die Breite B des Abdeckelements 7, so dass das Abdeckelement 7 die gesamte Nutstruktur 11 des Basiselements 10 abdecken kann. In das Basiselement 10 ist dazu eine Einlegestruktur 13 eingearbeitet, die für die Nutstruktur 11 in dieser ersten Ausführungsform eine eckige Kontur an ihren Rändern 18 und 19 aufweist, wobei die Tiefe t der Einlegestruktur 13 der Dicke d des Abdeckelements 7 entspricht. Somit sind die Oberflächen 23 und 32 des Basiselements 10 bzw. des Abdeckelements 7 im Bereich der mediendichten Nahtverbindung bündig.
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Während die Ränder 18 und 19 der Einlegestruktur 13 nahezu eckig ausgebildet sind, weisen die Randseiten 14 und 15 des Abdeckelements 7 zunächst eine Neigung mit einem Neigungswinkel α auf, wodurch die Randseiten 14 und 15, die eine Schräge und zusätzlich in ihren Längskanten 27 und 28 eine Fase 29 aufweisen. Die Fase 29 und der Neigungswinkel α, mit dem die Breite B des Abdeckelements 7 zur Nutstruktur 11 hin verjüngt wird, sind so gewählt, dass in einem derart strukturierten Spalt zwischen den Rändern 18 und 19 der Einlegestruktur 13 und den Randseiten 14 und 15 des Abdeckelements 7 das in der mediendichten Nahtverbindung plastisch verformte und verdrängte Material von dem Spalt, der sich zwischen den Rändern 18 und 19 der Einlegestruktur 13 und den Randseiten 14 und 15 des Abdeckelements 7 erstreckt, vollständig aufgenommen ist, so dass sich zumindest in einem oberen Bereich der entstandenen mediendichten Nahtverbindung 1 ein kaltverformter Bereich 21 mit plastisch verformtem Material 20 ausgebildet ist.
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Die in 1 dargestellte Struktur der Nahtverbindung 1 ist in Dimensionen dargestellt, die stark übertrieben sind, um die Geometrie der Ränder 18 und 19 und der Randseiten 14 und 15 hervorzuheben. Die Dicke d des Abdeckelements 7 liegt zwischen 1 und 5 mm und die Dicke D des Basiskörpers 40 des Basiselements 10 liegt in dieser Ausführungsform zwischen 5 und 20 mm. An diese Dimensionen angepasst ist auch die Nutstruktur 11 und weist eine Breite b zwischen und 5 und 30 mm auf, während die Breite B des Abdeckelements 7 im Bereich zwischen 10 und 40 mm liegt. Durch die Keilförmigkeit der Stoßfuge, die sich aufgrund der Geometrie der Ränder 18 und 19 und der Randseiten 14 und 15 ausbildet, entsteht in dem kaltverformten Bereich 21 ein Dichtpfropfen aus plastisch verformtem Material 20. Aufgrund der eckig ausgebildeten Kontur der Einlegestruktur könnte jedoch dieser keilförmige Pfropfen bei entsprechend hohem Druck in der Nutstruktur 11 aufreißen und das Abdeckelement 7 von der Einlegestruktur 13 trennen.
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine mediendichte Nahtverbindung 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit den gleichen Funktionen wie in 1 werden in den nachfolgenden 2 bis 17 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und nicht extra erörtert.
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Um die Druckfestigkeit der mediendichten Nahtverbindung zu erhöhen, sind in einer zweiten Ausführungsform einer Nahtverbindung 2, die in 2 gezeigt wird, die Geometrie der Randseiten 14 und 15 und der Ränder 18 und 19 nun vertauscht, so dass in der zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß 2 nun das Abdeckelement 6 eine eckige Kontur der Randseiten 14 und 15 aufweist und die Einlegestruktur 12 mit ihren Rändern 18 und 19 eine Hinterschneidung 26 besitzt, die zunächst wieder in einem Neigungswinkel α beginnt und zum Grund oder Bodenbereich der Nahtverbindung 2 hin in einen engen Radius zwischen beispielsweise 0,2 bis 1 mm übergeht.
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Der Neigungswinkel α bildet nun eine Schräge der Ränder 18 und 19 aus, die sich im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Ausführungsform der mediendichten Nahtverbindung 1 zu den Oberflächen 23 und 32 hin verjüngt. Die mediendichte Nahtverbindung 2 bildet ähnlich wie die mediendichte Nahtverbindung 1 der 1 einen kaltverformten Bereich 21 aus plastisch verformtem Material 20 aus, der keilförmig das Abdeckelement 6 in der Einlagestruktur fixiert und aufgrund des entgegen gesetzten Neigungswinkels α einen höheren Druckbereich für die Mediendichtheit der Nahtverbindung zulässt. Testreihen haben ergeben, dass ein Mediendruck über 6 Bar kein Problem für diese Nahtstruktur gemäß 2 ist.
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3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine mediendichte Nahtverbindung 3 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Bei der dritten Ausführungsform der Erfindung ist nicht nur die Einlegestruktur 12 mit einer Hinterschneidung versehen und weist einen Neigungswinkel α auf, sondern auch die Längskanten 27 und 28 des Abdeckelements 8 sind hier mit einer Abrundung 31 versehen. Dieses hat den Vorteil, dass ein größeres Volumen an plastisch verformtem Material in dem Spalt der Stoßnaht 16 bzw. 17 angeordnet werden kann. Deshalb eignet sich diese Ausführungsform der Erfindung besonders für relativ enge Krümmungen der mediendichten Nahtverbindung 3 dieser dritten Ausführungsform der Erfindung, da deutlich mehr plastisch verformtes Material 20 in den Stoßnähten 16 und 17 aufgenommen werden kann.
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In den weiteren 4 bis 15 werden die Hinterschneidungen 26 der Ränder 18 und 19 der Einlegestruktur 12 beibehalten, da sie sich als besonders wirkungsvoll in Bezug auf die Druckfestigkeit der Nahtverbindung bewährt haben. Durch weitergehende Profilierungsmaßnahmen der Randseiten des Einlegeelements 9 wird die Druckfestigkeit weiter gesteigert.
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Dazu zeigt 4 eine vierte Ausführungsform der mediendichten Nahtverbindung 4A, bei der aus einem relativ eckigen Profil der Randseiten des Abdeckelements 9 Vorsprünge 25 aus den geraden Randseiten 14 und 15 herausragen. Diese Vorsprünge 25 sind im oberen Drittel der Randseiten 14 und 15 angeordnet und verstärken das Verzahnen der Randseiten 14 und 15 des Abdeckelements 9 mit den hinterschnittenen Rändern 18 und 19 der Einlegestruktur 12.
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Die fünfte Ausführungsform gemäß 5 der mediendichten Nahtverbindung 4B unterscheidet sich von der Nahtverbindung 4A in 4 dadurch, dass der kaltverformte Bereich 21 für die Aufnahme von plastisch verformtem Material 20 durch Fasen 29 an den Längskanten 27 und 28 gegenüber der Ausführungsform in 4 vergrößert wurde.
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Auch in der sechsten Ausführungsform der Erfindung mit einer mediendichten Nahtverbindung 4D werden die Vorsprünge 25 auf den Randseiten 14 und 15 des Abdeckelements 9 beibehalten und die Längskanten 27 und 28 des Abdeckelements 9 weisen nun anstelle der in der fünften Ausführungsform gezeigten Fase Abrundungen 31 auf.
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Die 7 bis 12 zeigen schematische Querschnitte durch Elemente und Vorrichtungen zur Herstellung einer mediendichten Nahtverbindung 2 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Basiskörper 40, der aus einer duktilen Eisenlegierung oder einer duktilen Aluminiumlegierung oder einer duktilen Kupferlegierung hergestellt sein kann. Auch andere Metalle sind geeignet einen derartigen Basiskörper 40 bereitzustellen, um eine erfindungsgemäße mediendichte Nahtverbindung zu schaffen, jedoch muss die Duktilität des Werkstoffs ausreichen, um eine plastische Verformbarkeit während der Herstellung der mediendichten Nahtverbindung sicherzustellen.
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8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Basiskörper 40 gemäß 7 nach Einbringen einer Einlegestruktur 12. Die Einlegestruktur 12 ist hier stark vereinfacht dargestellt mit ihren Rändern 18 und 19 entsprechend den Ausführungsformen gemäß 2 bis 6, jedoch mit einer Hinterschneidung und einem Neigungswinkel α versehen. Dabei weist die Einlegestruktur 12 eine Breite B und eine Tiefe t auf.
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Nach Einbringen der Einlegestruktur 12 in den Basiskörper 40 kann die Nutstruktur 11 in den Basiskörper, wie es 9 zeigt, eingearbeitet werden. Prinzipiell können Einlegestruktur 12 und Nutstruktur 11 in einem Arbeitsschritt bei entsprechend ausgebildeten Werkzeugen spanabhebend eingebracht werden. Wie 9 gegenüber 8 deutlich zeigt, ist die Breite b der Nutstruktur 11 geringer als die Breite B der Einlegestruktur 12. Entsprechend umgekehrt verhält es sich bei den Tiefen, wobei die Tiefe t der Einlegestruktur 12 deutlich geringer ist als die Tiefe T der Nutstruktur.
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10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Abdeckelement 6 mit einer Oberfläche 32 und Randseiten 14 und 15 und einer Dicke d, die der Tiefe t der Einlegestruktur 12 in dem Basiselement 10 entspricht, so dass, wie 11 zeigt, nach dem Einlegen des Abdeckelements 6 in die Einlegestruktur 12 des Basiselements 10 die Oberflächen 23 bzw. 32 des Basiselements 10 und des Abdeckelements 6 bündig zueinander sind.
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Die für die Einlegestruktur 12 charakteristische Hinterschneidung 26 der Ränder 18 und 19 bilden, wie es 12 zeigt, eine keilförmige Stoßfuge 22 aus. Diese keilförmige Stoßfuge 22 wird durch plastisch verformtes Material 20, wie es 12 zeigt, durch einen Stichel aufgefüllt, der in 12A im Detail abgebildet ist. Der Stichel 30 weist eine Stirnseite 34 auf, die eine Kontur 35 besitzt, welche innerhalb einer Hüllkegelkontur 33 angeordnet ist. Die Hüllkegelkontur 33 weist einen Hüllkegelwinkel α auf, der entscheidend ist, ob der nahtbildende Stichel 30 in Rotation zu versetzen ist oder nicht. Die Drehzahl n des Stichels 30 kann mit flacher werdender Hüllkegelkontur 33 bis zum Stillstand des Stichels 30 abnehmen, so dass der Stichel 30 mit seiner Stirnseiten-Kontur 35 lediglich entlang der Stoßfugen geführt werden muss, um entsprechend mediendichte Stoßnähte 16 zu erzeugen.
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Dabei bildet sich unterhalb der stirnseitigen Kontur 35 des Stichels 30 die in 12, 13 und 14 gezeigte mediendichte Stoßnaht 16 aus plastisch verformtem Material 20 in den kaltverformten Bereichen 21 aus.
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Einen weiteren Vorteil, der mit den 1 bis 6 gezeigten mediendichten Nahtverbindung und des mit den 7 bis 14 erläuterten Verfahren zur Herstellung einer derartigen mediendichten Nahtverbindung zeigt eine weitere siebte Ausführungsform der mediendichten Nahtverbindung mit den 15 bis 17. Das Besondere der erfindungsgemäßen mediendichten Nahtverbindung und des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass großflächige Endlosnahtverbindung, wie sie die 15 bis 17 beispielhaft zeigen, für einen hohen Mediendruck realisierbar sind, zumal äußerst enge Krümmungsradien 36 bis 39 mit der Endlosnahtverbindung 5, wie sie in 15 gezeigt werden, realisiert werden können, ohne die Dichtigkeit der Endlosnahtverbindung 5 zu vermindern. Diese engen Krümmungsradien 36 bis 39 werden durch die spezielle Formgebung der Stoßfuge, wie sie in den 1 bis 6 gezeigt wird, ermöglicht, da in den vorgesehenen Stoßfugen insbesondere durch die Hinterschneidung der Ränder der Einlegestruktur genügend Volumen zur Verfügung gestellt wird, um das plastisch stark verformte Material in den engen Krümmungsradien 36 bis 39 beim Bilden der Stoßnähte unterzubringen.
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Während 15 eine Draufsicht auf eine beispielhafte siebte Ausführungsform der Erfindung zeigt, wird mit 16 eine teilweise auseinander gezogene, perspektivisch Ansicht entlang der Bruchlinie 41 in 15 gezeigt. Deutlich ist in der Bruchfläche die Nutstruktur 11 und das Abdeckelement 6 zu erkennen. Mit 17 wird ein Längsschnitt entlang der Schnittlinie A-A der 15 gezeigt, wobei wiederum die Nutstruktur 11 und das Abdeckelement 6 in der Einlegestruktur 12 der mediendichten Endlosnahtverbindung 5 zu sehen sind.
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Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration des Gegenstandes der Anmeldung in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in der beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nahtverbindung
- 2
- Nahtverbindung
- 3
- Nahtverbindung
- 4
- Nahtverbindung
- 5
- Endlosnahtverbindung
- 6
- Abdeckelement
- 7
- Abdeckelement
- 8
- Abdeckelement
- 9
- Abdeckelement
- 10
- Basiselement
- 11
- Nutstruktur
- 12
- Einlegestruktur (hinterschnitten)
- 13
- Einlegestruktur (eckig)
- 14
- Randseite des Abdeckelements
- 15
- Randseite des Abdeckelements
- 16
- Stoßnaht
- 17
- Stoßnaht
- 18
- Rand der Einlegestruktur
- 19
- Rand der Einlegestruktur
- 20
- plastisch verformtes Material
- 21
- kaltverformter Bereich
- 22
- Stoßfuge
- 23
- Oberfläche des Basiselements
- 24
- Profil der Randseiten
- 25
- Vorsprung
- 26
- Hinterschneidung
- 27
- Längskante
- 28
- Längskante
- 29
- Fase
- 30
- Stichel
- 31
- Abrundung
- 32
- Oberfläche des Abdeckelements
- 33
- Hüllkegelkontur
- 34
- Stirnseite
- 35
- Kontur
- 36
- Krümmungsradius
- 37
- Krümmungsradius
- 38
- Krümmungsradius
- 39
- Krümmungsradius
- 40
- Basiskörper
- 41
- Bruchlinie
- b
- Breite der Nutstruktur
- B
- Breite der Einlegestruktur
- d
- Dicke des Abdeckelements
- D
- Dicke des Basiskörpers
- n
- Drehzahl
- rH
- Radius der Hinterschneidung
- t
- Tiefe der Einlegestruktur
- T
- Tiefe der Nutstruktur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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