DE202012002016U1

DE202012002016U1 - Mediendichte Nahtverbindung zwischen einem strukturierten Basiselement und einem angepassten Abdeckelement

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Publication number: DE202012002016U1
Application number: DE201220002016
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2013-06-03
Anticipated expiration: 2022-02-28

Abstract

Mediendichte Nahtverbindung vorzugsweise eine mediendichte Nahtverbindung auf einer ebenen oder räumlich gekrümmten Kühlplatte mit Kühlkanälen zwischen einem strukturierten Basiselement (10) und einem an die Struktur des Basiselements (10) angepassten Abdeckelement (6, 7, 8, 9), wobei Stoßnähte (16, 17) zwischen Randseiten (14, 15) des Abdeckelements (6 bis 9) und Rändern (18, 19) der Einlegestruktur (12) eine stoffschlüssige mittels eines aus einer ebenen oder räumlich gekrümmten Stempelfläche (30) herausragenden Wulstes (33) eines Kaltnahtstempels (13) geprägte Stempelnaht (1 bis 4) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine mediendichte Nahtverbindung vorzugsweise eine mediendichte Nahtverbindung auf einer ebenen oder räumlich gekrümmten Kühlplatte mit Kühlkanälen zwischen einem strukturierten Basiselement und einem an die Struktur des Basiselements angepassten Abdeckelement.
Derartige mediendichte Nahtverbindungen werden üblicherweise mit thermischen Fügeverfahren wie Laserschweißen, Autogenschweißen, Elektrostrahlschweißen und ähnlichen hergestellt. Der Nachteil dieser Schweißverfahren ist es jedoch, dass damit endlose Nahtverbindungen, bei denen der Schweißnahtbeginn und das Schweißnahtende identisch sind, nahezu unüberwindliche Probleme mit sich bringen. Solange die Endlosnahtverbindungen Schweißnähte an Rohrleitungen betreffen, sind aufgrund der Ringgeometrie der endlosen thermischen Nahtverbindungen die Probleme, die durch thermische Spannungen entstehen, beherrschbar.
Schwieriger wird es jedoch, wenn flächige, 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 zu einer Endlosnaht. 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.
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 Materialien der Einzelteile die Materialien der beiden Teile unter plastischer Verformung eine stabile Verbindung zwischen beiden Werkstoffen 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 weicher 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 müssen.
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.
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 Weise erkennbar, wie damit kontinuierliche und gleichmäßige Nahtverbindungen herstellbar werden. Vielmehr müssten bei diesem Verfahren eine Stempelprägung neben die andere gesetzt werden, um eine mediendichte Nahtverbindung zwischen den beiden Werkstücken sicherzustellen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine mediendichte Verbindung von Stoßfugen zu schaffen, ohne dass ein punktweises Stempelpressverfahren zum Einsatz kommt oder gar thermische Schmelzverfahren erforderlich werden. Vielmehr sollen unter minimalem Energieeinsatz kostengünstig endlose Stoßfugen mit einer mediendichten Nahtverbindung versehen werden.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine mediendichte Nahtverbindung vorzugsweise eine mediendichte Nahtverbindung auf einer ebenen oder räumlich gekrümmten Kühlplatte mit Kühlkanälen zwischen einem strukturierten Basiselement und einem an die Struktur des Basiselements angepassten Abdeckelement geschaffen. Dabei weisen Stoßnähte zwischen Randseiten des Abdeckelements und Rändern der Einlegestruktur eine stoffschlüssige mittels eines aus einer ebenen oder räumlich gekrümmten Stempelfläche herausragenden Wulstes eines Kaltnahtstempels geprägte Stempelnaht auf.
Ein Basiselement, das mit einer derartigen Stempelnaht versehen ist, hat den Vorteil, dass es formtreu und formstabil trotz eingeprägter Stempelnaht bleibt. Darüber hinaus hat eine derartige mediendichte Stempelnaht hat den Vorteil, dass sie mediendicht und druckfest 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 Stempelnaht fließen lassen. Dabei weisen die Randseiten des Abdeckelements und die Ränder der Einlegestruktur in den Stoßnähten stoffschlüssig miteinander verbundene, kaltverformte gefügte Bereiche auf, In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Basiselement eine Nutstruktur auf, die von dem Abdeckelement mediendicht abgedeckt ist. Dazu weist das Basiselement entlang der Nutstruktur eine Einlegestruktur für das Abdeckelement auf. In die Einlegestruktur ist das Abdeckelement mit Randseiten eingelegt und die Stempelnaht weist ein plastisch verformtes Material des Abdeckelements und ein plastisch verformtes Material des Basiselements eines Stempelabdrucks auf, so dass die Stempelnaht stoffschlüssig miteinander verbundene kaltverformte Bereiche aufweist. In vorteilhafter Weise können somit mediendichte Endlosnahtverbindungen von einer Länge von mehreren Metern mit einem einzigen Stempelhub geschaffen werden.
In einer weiteren 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. 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 Stempelnaht.
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 beim Einprägen des Wulstes verdrängte plastisch verformte Material sich in der Hinterschneidung ausbreiten kann, und keine Verwerfungen auf der Oberseite bei der Bildung der mediendichten Stempelnaht auftreten. Diese hat den weiteren Vorteil, dass im Bereich enger Krümmungen der mediendichten Stempelnaht keine Verspannungen auftreten und Haarrisse in diesen kritischen Bereichen vermieden werden. Ferner ist es vorgesehen, dass das Basiselement und das Abdeckelement plastisch verformbare Metalle oder Metalllegierungen aufweisen. Vorzugsweise sind dieses Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen oder duktile Eisenlegierungen.
Ein besonders Merkmal der erfindungsgemäßen Stempelnaht ist, dass die Stempelnaht einen Prägeabdruck entlang der Stoßnähte aufweist, dessen Querschnittsprofil dem Querschnittsprofil des Wulstes des Kaltnahtstempels entspricht, und wobei praktisch kein verdrängtes Material auf den Randbereichen des Prägeabdrucks aufgeworfen ist. Darüber hinaus werden die in Bezug auf Mediendichtheit und Druckfestigkeit besten Werte erreicht, wenn der Prägeabdruck in Abhängigkeit von einem Verhältnis der Härten H₁/H₂ der zu verbindenden Materialein gegenüber einer vorbereiteten Stoßfuge zwischen den Randseiten des Abdeckelements und den Rändern der Einlegestruktur zu dem weicheren Material hin versetzt angeordnet ist.
Ein bevorzugtes Maß für den Versatz Δs zu dem weicheren Material hin ergibt sich aus der erfindungsgemäßen Formel: Δs = (1 – H₁/H₂)a·b_w, für H₁ ≤ H₂, mit H₁ Härte des weicheren Materials, H₂ Härte des härteren Materials und b_w Basisbreite ist und a ein empirischer dimensionsloser Versatzfaktor, der zwischen 0,3 ≤ a ≤ 0,9 liegt und vorzugsweise 0,7 ist. Der Prägeabdruck ist damit jeweils zum weicheren Material um den Betrag Δs hin verschoben, und bei einem Betrag von Δs = 0 ist der Prägeabdruck auf der Stoßfuge ohne Versatz angeordnet. Entsprechend ist der Wulst, der aus der ebenen oder räumlich gekrümmten Stempelfläche einer ebenen oder räumlich gekrümmten Stempelplatte des Kaltnahtstempels herausragt ebenfalls um Δs versetzt angeordnet.
Diese Versetzen des Prägeabdrucks in das weichere Material hinein, hat den Vorteil, dass die Hinterscheidungen der Ränder der Einlegestruktur des Basiselements weitestgehend mit plastisch verformtem Material zuverlässig aufgefüllt werden, wenn das Basiselement das härtere Material aufweist.
Ein Durchführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer mediendichten Nahtverbindung zwischen einem strukturierten Basiselement und einem angepassten Abdeckelement weist nachfolgende Verfahrensschritte auf. Zunächst wird eine Hutstruktur in das Basiselement eingebracht. Dann wird eine Einlegestruktur beidseitig entlang der Hutstruktur in das Basiselement eingebracht. Dabei entspricht die Einlegestrukturtiefe t der Dicke d des Abdeckelements, während die Einlegestrukturbreite B größer als die Breite b der Hutstruktur ist. Außerdem wird das Abdeckelement unter profilieren der Randseiten des Abdeckelements passend zu der Einlegestruktur hergestellt und in die Einlegestruktur eingelegt. Anschließend erfolgt ein Umwandeln der Stoßfuge zwischen dem Abdeckelement und dem Basiselement mit einem aus einer ebenen oder räumlich gekrümmten Stempelfläche herausragenden nahtbildenden Wulst eines Kaltnahtstempels zu einer mediendichten Stempelnaht. Der Wulst weist die Linienstruktur der Stoßfuge auf und die Materialien des Basiselements und des Abdeckelements werden in der Stoßfuge unter plastischem Verformen und Fügen der aneinander stoßenden Materialien der Stoßfuge zu der mediendichten Stempelnaht kaltverschweißt.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es zuverlässig, präzise und reproduzierbar eine Stempelnaht bereitstellt, die mit Hilfe des Wulstes, der aus einer einer ebenen oder räumlich gekrümmten Stempelfläche herausragt unter Druckbeaufschlagung des Stempels entsprechend vorbereitete Stoßfugen zwischen dem Abdeckelement und der Einlegestruktur des Basiselements stoffschlüssig, ohne Zusatzstoffe, Klebstoffe oder sonstige Materialien verbindet.
In einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens ist es vorgesehen, dass beim Einbringen der Einlegestruktur entlang der Hutstruktur in das Basiselement die Ränder der Einlegestruktur hinterschnitten werden, wobei die Größe der Hinterschneidung dem Volumen der durch den Wulst des Kaltnahtstempels verdrängten, plastisch verformten Materialien angepasst wird. Damit wird in vorteilhafter Weise vermieden, dass sich bei dem Einprägen des Wulstes in die Materialen diese aufstauen, was zu Störungen bei der Nahtbildung führen könnte. Vielmehr wird das gesamte plastisch verformte Material in den hinterschnittenen Bereich der Ränder der Einlegestruktur bei der Ausbildung der mediendichten Stempelnaht gepresst und verbessert damit die Mediendichtheit und erhöht die Druckfestigkeit der Stempelnaht.
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 erfolgt. Dieses Heften sichert zusätzlich die Fixierung des Abdeckelements auf der Einlegestruktur des Basiselements beim Stempelverfahren.
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 durch den Wulst des Kaltnahtstempels verdrängten, plastisch verformten Materialien angepasst wird. Mit dieser Maßnahme wird die Qualität der plastischen Verformung entlang der Stempelnaht verbessert und ein An- oder Aufhäufen von plastisch verformten Material verhindert.
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.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine mediendichte Stempelnaht gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine mediendichte Stempelnaht gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine mediendichte Stempelnaht gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine mediendichte Stempelnaht gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
5 bis 13 zeigen Prinzipskizzen von Elementen und Vorrichtungen zur Herstellung einer mediendichten Stempelnaht gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Basiskörper für ein Basiselement;
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Basiskörper gemäß 7 nach Einbringen einer Einlegestruktur;
7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Basiskörper gemäß 6 nach Einbringen einer Nutstruktur;
8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Abdeckelement vor dem Einlegen des Abdeckelements in die Einlegestruktur;
9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Basiskörper mit eingelegtem Abdeckelement;
10 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Aufbau gemäß 9 mit einem nahtbildenden Wulst eines Kaltnahtstempels vor dem Einprägen einer Stempelnaht;
11 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Kaltnahtstempel nach Ausformen einer eingeprägter Stempelnaht;
12 zeigt eine schematische perspektivisch Ansicht eines Teilbereichs einer mediendichten Stempelnaht;
13 zeigt eine schematische perspektivisch Teilansicht einer mediendichten Endlosstempelnaht mit einem Querschnitt durch die Hutstruktur.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine mediendichte Stempelnaht 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die mediendichte Stempelnaht 1 verbindet in dieser Ausführungsform ein Abdeckelement 6 mit einem Basiselement 10. In das Basiselement 10 mit einer Dicke D ist eine Nutstruktur 11 eingearbeitet, die eine Breite b_N und eine Tiefe T aufweist. Diese Breite b_N ist kleiner als die Breite B des Abdeckelements 6, so dass das Abdeckelement 6 die gesamte Hutstruktur 11 des Basiselements 10 abdecken kann. In das Basiselement 10 ist dazu eine Einlegestruktur 12 eingearbeitet, die für die Hutstruktur 11 in dieser ersten Ausführungsform eine Hinterschneidung 26 an ihren Rändern 18 und 19 aufweist, wobei die Tiefe t der Einlegestruktur 12 der Dicke d des Abdeckelements 6 entspricht. Somit sind die Oberflächen 23 und 32 des Basiselements 10 bzw. des Abdeckelements 6 im Bereich der mediendichten Stempelnaht 1 bündig.
Um eine relativ hohe Druckfestigkeit der mediendichten Stempelnaht 1 zu erreichen, sind die Geometrie der Randseiten 14 und 15 und der Ränder 18 und 19 unterschiedlich profiliert. In dieser ersten Ausführungsform der Erfindung weisen die Randseiten 14 und 15 des Abdeckelements 6 eine eckige Kontur auf, und die Einlegestruktur 12 besitzt an ihren Rändern 18 und 19 jeweils eine Hinterschneidung 26, die zunächst in einem Neigungswinkel α beginnt und zum Grund oder Bodenbereich der Stempelnaht 1 hin in einen engen Radius r_H zwischen 0,2 mm ≤ r_H ≤ 1 mm übergeht.
Der Neigungswinkel α bildet nun eine Schräge der Ränder 18 und 19 aus, die sich zu den Oberflächen 23 und 32 hin verjüngt. Die mediendichte Stempelnaht 1 bildet einen kaltverformten Bereich 21 aus plastisch verformtem Material 20 aus, der keilförmig das Abdeckelement 6 in der Einlegestruktur 12 fixiert und aufgrund des entgegen gesetzten Neigungswinkels α einen erhöhten Druckbereich für die Mediendichtheit der Stempelnaht 1 zulässt. Testreihen haben ergeben, dass ein Mediendruck über 6 Bar kein Problem für diese Stempelnaht 1 gemäß 1 ist.
Diese Stempelnaht 1 wird mit einem Kaltnahtstempel 13 verwirklicht, der in 1 oberhalb des gezeigten Querschnitts der Stempelnaht 1 im Querschnitt gezeigt wird. Der Kaltnahtstempel 13 weist eine ebene oder räumlich gekrümmte Stempelplatte 37 mit einer ebenen oder räumlich gekrümmten Stempelfläche 30 auf, aus der ein Wulst 33 herausragt. Dieser Wulst 33 ist einer Linienkontur der Stempelnaht 1 angepasst und weist eine Querschnittskontur 35 auf. Die Querschnittskontur 35 liegt innerhalb eines umschreibenden Rechtecks 36 mit einer Basisbreite b_w und einer Rechteckhöhe h mit welcher der Wulst 33 über die ebene oder räumlich gekrümmte Stempelfläche 30 hinausragt.
Das Verhältnis b_w/h liegt vorzugsweise zwischen 0,5 ≤ b_w/h ≤ 3, wobei mindestens eine der oberen Längskanten 38 des Wulstes 33 und damit mindestens eine Ecke des umschreibenden Rechtecks 36 angefast oder mit einer konkaven Krümmung versehen Ist. Diese mindestens eine obere Längskante 38 weist in 1 im Querschnitt ein Kreissegment mit dem Radius r ≤ h auf. In der nachfolgenden 2 ist r = h, sodass eine Tangente des Radius r die ebene oder räumlich gekrümmte Stempelfläche 30 senkrecht schneidet.
Die Basisbreite b_w des umschreibenden Rechtecks 36 liegt zwischen 0,2 mm ≤ b_w ≤ 3,0 mm und die Höhe h des umschreibenden Rechtecks 36 liegt zwischen 0,2 mm ≤ h ≤ 2,0 mm. Diese geringen Querschnittsabmessungen des an die Linienstruktur der Stempelnaht 1 angepassten Wulstes 33 sind kennzeichnend für eine zuverlässige medien- und druckdichte mehrere Meter lange Stempelnaht 1, die mit einem einzigen Stempelhub erfolgreich verwirklicht wird. Je geringer die Querschnittsabmessungen des Wulstes 33 sind, umso geringer ist der aufzuwendende Stempeldruck. Dieser Kaltnahtstempel 13 bildet einen sichtbaren Prägeabdruck 34 auf der Oberseite der Stempelnaht 1 ab. Das Profil des Prägeabdrucks 34 entspricht dabei der Querschnittskontur 35 des Wulstes 33
Die in 1 dargestellte Struktur der Stempelnaht 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 6 liegt zwischen 1,0 mm ≤ d ≤ 5,0 mm und die Dicke D des Basiskörpers 40 des Basiselements 10 liegt in dieser Ausführungsform zwischen 5,0 mm ≤ D ≤ 20,0 mm. An diese Dimensionen angepasst ist auch die Nutstruktur 11 und weist eine Tiefe T zwischen 4,0 mm ≤ D ≤ 19,0 mm und eine Breite b_N zwischen 5,0 mm ≤ b_N ≤ 33,0 mm auf, während die Breite B des Abdeckelements 6 im Bereich zwischen 10,0 mm ≤ B ≤ 40,0 mm liegt. Durch die Keilform der Stoßfuge 22, 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.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine mediendichte Stempelnaht 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Bei der zweiten 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 7 weisen eine Fase 29 auf. 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 Stempelnaht 2 dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung, da deutlich mehr plastisch verformtes Material 20 in den Stoßnähten 16 und 17 aufgenommen werden kann.
Die Stempelnaht 2 bildet in dieser Ausführungsform einen Prägeabdruck 34 aus, der halbkreisförmig in die zufügenden Materialen eingedrungen ist, da die Längskanten des Wulstes 33 ein Kreissegment mit dem Radius r = h aufweisen, sodass eine Tangente 39 des Radius r die ebene oder räumlich gekrümmte Stempelfläche 30 im rechten Winkel schneidet.
In den weiteren 3 bis 13 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 Stempelnaht bewährt haben. Durch weitergehende Profilierungsmaßnahmen der Randseiten des Einlegeelements 9 wird die Druckfestigkeit weiter gesteigert.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine mediendichte Stempelnaht 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 Stempelnaht 3 dieser dritten Ausführungsform der Erfindung, da deutlich mehr plastisch verformtes Material 20 in den Stoßnähten 16 und 17 aufgenommen werden kann.
Darüber hinaus werden bei dieser dritten Ausführungsform der Erfindung Materialien mit unterschiedlicher Härte für das Abdeckelement 8 und das Basiselement 10 eingesetzt. Das Material des Abdeckelements 8 ist mit einer Härte H₁ weicher und weist damit einer geringere Härte H₁ auf als das Basiselement 10 mit einer größeren Härte H₂ als H₁. Um die Hinterscheidungen 26 der Ränder 18 und 19 weitestgehend mit plastisch verformten Material aufzufüllen, ist der Prägeabdruck 34 im Querschnitt versetzt gegenüber einer Mitte der gefügten Stoßfugen um den Versatz Δs. Der Versatz Δs in Abhängigkeit des Verhältnisses der Härten H₁/H₂ der zu fügenden Werkstoffe ergibt sich aus einer erfindungsgemäßen Formel: Δs = (1 – H₁/H₂)a·b_w, für H₁ ≤ H₂, mit H₁ Härte des weicheren Materials, H₂ Härte des härteren Materials und b_w Basisbreite, und wobei a ein empirischer Versatzfaktor zwischen 0,3 ≤ a ≤ 0,9 ist und vorzugsweise 0,7 beträgt. Der Prägeabdruck 34 ist damit jeweils zum weicheren Material um den Betrag Δs hin verschoben, und bei einem Betrag von Δs = 0 ist der Prägeabdruck auf der Stoßfuge ohne Versatz angeordnet. Entsprechend ist der Wulst 33, der aus der ebenen oder räumlich gekrümmten Stempelfläche 30 einer ebenen oder räumlich gekrümmten Stempelplatte 37 des Kaltnahtstempels 13 herausragt ebenfalls um Δs versetzt angeordnet.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung mit einer mediendichten Stempelnaht 4, bei der die Randseiten 14 und 15 des Abdeckelements 9 ein Verzahnungsprofil 24 aufweisen. Dazu ragen aus geraden Bereichen der Profile 24 der Randseiten 14 und 15 Vorsprünge 25 heraus. 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.
Die 5 bis 12 zeigen schematische Querschnitte durch Elemente und Vorrichtungen zur Herstellung einer mediendichten Stempelnaht 1 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
5 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 Stempelnaht zu schaffen, jedoch muss die Duktilität des Werkstoffs ausreichen, um eine plastische Verformbarkeit während der Herstellung der mediendichten Stempelnaht sicherzustellen.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Basiskörper 40 gemäß 5 nach Einbringen einer Einlegestruktur 12. Die Einlegestruktur 12 ist hier stark vereinfacht dargestellt mit ihren Rändern 18 und 19 entsprechend den Ausführungsformen gemäß 1 bis 4, jedoch mit einer Hinterschneidung und einem Neigungswinkel α versehen. Dabei weist die Einlegestruktur 12 eine Breite B und eine Tiefe t auf.
Nach Einbringen der Einlegestruktur 12 in den Basiskörper 40 kann die Nutstruktur 11 in den Basiskörper 40, wie es 7 zeigt, eingearbeitet werden. Prinzipiell können Einlegestruktur 12 und Nutstruktur 11 in einem Arbeitsschritt bei entsprechend ausgebildeten Werkzeugen spanabhebend eingebracht werden. Wie 7 gegenüber 6 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.
8 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 9 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.
Die für die Einlegestruktur 12 charakteristische Hinterschneidung 26 der Ränder 18 und 19 bilden, wie es 9 zeigt, eine keilförmige Stoßfuge 22 aus. Diese keilförmige Stoßfuge 22 wird durch plastisch verformtes Material 20, wie es die 10 und 11 zeigen, durch einen Wulst 33 einer ebenen oder räumlich gekrümmten Stempelplatte 37 eines Kaltnahtstempels 13 aufgefüllt, wie es die 10 vor und 11 nach dem Aufbringend des Kaltnahtstempels 13 zeigen. Dabei bildet sich, wie es 12 in einer teilweise quergeschnittenen perspektivischen Ansicht zeigt, ein Prägeabdruck 34 entlang der Stempelnaht 1 aus plastisch verformtem Material 20 in den kaltverformten Bereichen 21 aus.
Einen weiteren Vorteil, der mit den 1 bis 4 gezeigten mediendichten Stempelnaht und des mit den 5 bis 12 erläuterten Verfahren zur Herstellung einer derartigen mediendichten Stempelnaht zeigt eine weitere fünfte Ausführungsform der mediendichten Stempelnaht mit der 13. Das Besondere der erfindungsgemäßen mediendichten Stempelnaht und des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass mehrere Meter lange Endlosnahtverbindungen 5, wie es 13 beispielhaft zeigt, für einen hohen Mediendruck realisierbar sind. Auch äußerst enge Krümmungsradien 41 bis 43 können mit der Endlosnahtverbindungen 5, wie sie in 13 gezeigt, realisiert werden, ohne die Dichtigkeit der Endlosnahtverbindung 5 zu vermindern.
Diese engen Krümmungsradien 41 bis 43 werden durch die spezielle Formgebung der Stoßfuge, wie sie in den 1 bis 4 gezeigt wird, ermöglicht, da in den vorgesehenen Stoßfugen insbesondere durch die Hinterschneidung der Ränder 18 der Einlegestruktur 12 genügend Volumen zur Verfügung gestellt wird, um das plastisch stark verformte Material in den engen Krümmungsradien 41 bis 43 beim Bilden der Endlosstempelnaht 5 unterzubringen. Mit 13 wird ein Längsschnitt durch das Basiselement 10 im Bereich der Nutstruktur 11 mit dem Abdeckelement 6 in der Einlegestruktur 12 der mediendichten Endlosendlosnahtverbindung 5 gezeigt, wobei die Endlosendlosnahtverbindung 5 ein Abbild des darüber gezeigten Kaltnahtstempels 13 mit der ebenen oder räumlich gekrümmten Stempelfläche 30 einer Stempelplatte 37, aus welcher der Wulst 33 herausragt.
Obwohl beispielhafte Ausführungsformen in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt werden, 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 beispielhafter Ausführungsformen zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in den beispielhaften Ausführungsformen beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Stempelnaht
2: Stempelnaht
3: Stempelnaht
4: Stempelnaht
5: Endlosnahtverbindung
6: Abdeckelement
7: Abdeckelement
8: Abdeckelement
9: Abdeckelement
10: Basiselement
11: Nutstruktur
12: Einlegestruktur (hinterschnitten)
13: Kaltnahtstempel
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: Stempelfläche
31: Abrundung
32: Oberfläche des Abdeckelements
33: Wulst
34: Prägeabdruck
35: Querschnittskontur
36: umschreibendes Rechteck
37: Stempelplatte
38: Längskante des Wulstes
39: Tangente
40: Basiskörper
41: Krümmungsradius
42: Krümmungsradius
43: Krümmungsradius
b: Breite der Nutstruktur
b_w: Basisbreite
B: Breite der Einlegestruktur
d: Dicke des Abdeckelements
D: Dicke des Basiskörpers
h: Höhe
r: Radius
r_H: Radius der Hinterschneidung
t: Tiefe der Einlegestruktur
T: Tiefe der Nutstruktur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10130726 C2 [0005]

Claims

Mediendichte Nahtverbindung vorzugsweise eine mediendichte Nahtverbindung auf einer ebenen oder räumlich gekrümmten Kühlplatte mit Kühlkanälen zwischen einem strukturierten Basiselement (10) und einem an die Struktur des Basiselements (10) angepassten Abdeckelement (6, 7, 8, 9), wobei Stoßnähte (16, 17) zwischen Randseiten (14, 15) des Abdeckelements (6 bis 9) und Rändern (18, 19) der Einlegestruktur (12) eine stoffschlüssige mittels eines aus einer ebenen oder räumlich gekrümmten Stempelfläche (30) herausragenden Wulstes (33) eines Kaltnahtstempels (13) geprägte Stempelnaht (1 bis 4) aufweisen.
Mediendichte Nahtverbindung nach Anspruch 1, wobei das Basiselement (10) eine Nutstruktur (11) aufweist, die von dem Abdeckelement (6 bis 9) mediendicht abgedeckt ist, und wobei das Basiselement (10) entlang der Nutstruktur (11) eine Einlegestruktur (12) für das Abdeckelement (6 bis 9) aufweist, in die das Abdeckelement (6 bis 9) mit Randseiten (14, 15) eingelegt ist, und wobei die Stempelnaht (1 bis 4) ein plastisch verformtes Material (20) des Abdeckelements (6 bis 9) und ein plastisch verformtes Material (20) des Basiselements (10) eines Prägeabdrucks (34) aufweist.
Mediendichte Nahtverbindung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Randseiten (14, 15) des Abdeckelements (6 bis 9) und die Ränder (18, 19) der Einlegestruktur (12) in den Stoßnähten (16, 17) stoffschlüssig miteinander verbundene kaltverformte Bereiche (21) aufweisen.
Mediendichte Nahtverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ränder (18, 19) der Einlegestruktur (12) eine Tiefe (t) aufweisen, die der Dicke (d) des Abdeckelements (6 bis 9) derart angepasst ist, dass Oberflächen (32, 23) des Abdeckelements (6 bis 9) und des Basiselements (10) bündig sind.
Mediendichte Nahtverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Profil (24) der Randseiten (14, 15) des Abdeckelements (6, 7, 8, 9) einen Vorsprung (25) aufweist, der eine Einpassungshilfe des Abdeckelements (6, 7, 8, 9) in die Einlegestruktur (12) bildet.
Mediendichte Nahtverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ränder (18, 19) der Einlegestruktur (12) eine Hinterschneidung (26) aufweisen, und wobei die Größe der Hinterschneidung (26) dem Volumen der durch den Wulst (33) des Kaltnahtstempels (13) verdrängten, plastisch verformten Materialien (20) angepasst ist.
Mediendichte Nahtverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basiselement (10) und das Abdeckelement (6 bis 9) plastisch verformbare Metalle oder Metalllegierungen aufweisen.
Mediendichte Nahtverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stempelnaht (1 bis 4) einen Prägeabdruck (34) entlang der Stoßnähte (16, 17) aufweist deren Querschnittsprofil dem Querschnittsprofil des Wulstes (33) des Kaltnahtstempels (13) entspricht.
Mediendichte Nahtverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stempelnaht (1 bis 4) einen gegenüber der Mitte einer Stoßfuge (22) versetzten Prägeabdruck (34) aufweist, dessen Querschnittsprofil dem Querschnittsprofil des Wulstes (33) des Kaltnahtstempels (13) entspricht und der Versatz Δs gegenüber der Mitte der Stoßfuge (22) einem Verhältnis der Härtegrade H₁/H₂ der zu verbindenden plastisch verformten Materialien gemäß der Formel Δs = (1 – H₁/H₂)a·b_w, für H₁ ≤ H₂, mit H₁ Härte eines weicheren Materials, H₂ Härte eines härteren Materials und b_w Basisbreite des Wulstes (33) bzw. des Prägeabdrucks (34), wobei a ein empirischer dimensionsloser Versatzfaktor, der zwischen 0,3 ≤ a ≤ 0,9 liegt, und vorzugsweise 0,7 ist.