DE2065651B2

DE2065651B2 - Verfahren zur herstellung eines rueckstellbaren, hohlen formteils

Info

Publication number: DE2065651B2
Application number: DE19702065651
Authority: DE
Inventors: James Elliott Menlo Park; Harrison John David Palo Alto; Calif. Jervis (V.StA.)
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1969-08-25
Filing date: 1970-08-22
Publication date: 1977-01-20
Also published as: DE2041807A1; JPS544898B1; ZA705563B; GB1327442A; IL35091A; IL35091A0; ATA770670A; DE2041807B2; NL170183C; DE2065651A1; AT328806B; GB1327441A; NL7012568A; CH592266A5; NL170183B; SE391015B; FR2059202A5; BE755271A; CA1021824A; DE2041807C3

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines rückstellbaren, hohlen Formteils mit der Fähigkeit, seinen hohlen Querschnitt bei Erwärmung über eine bestimmte Übergangstemperatur zu vergrößern oder .zu verkleinern. Diese Formteile können z. B. Rohrleitungskupplungen, insbesondere Rohre, Muffen und !ähnliche Rohrverbindungen sein.

Erhebliche Bemühungen «ind seit vielen Jahren darauf gerichtet, einfache und zuverlässige Verbindungselemente zum Verbinden von gegeneinanderstoßenden Rohr- und Leitungsenden zu entwickeln. Das angewandte Verfahren darf mit Jem Material im Rohr nicht wesentlich in Konflikt kommen, noch darf es den Durchfluß nennenswert verengen. Die Verbindung zwischen den beiden Rohren muß etwaigen mechanischen oder chemischen Überbeanspruchungen, die die Rohre selbst aushalten, widerstehen, ohne daß der Einbau, die Reparatur oder der Ersatz zu teuer oder zu schwierig sind.

Bei der umfangreichen Verwendung von Rohrleitungen in Flugzeugen und Raumschiffen, z. B. für hydraulische Leitungen in Flugzeugen, müssen zusätzliche Erfordernisse in bezug auf geringes Gewicht und in gewissen Fällen geringe Größe erfüllt werden. Da ferner Flugzeuge häufig zur Wartung auseinandergenommen werden, müssen die Verbindungen zu hydraulischen Apparaten in verschiedenen Teilen im Flugzeug gelöst und wiederhergestellt werden, häufig auf sehr engem Raum. Diese Erfordernisse schließen das Schweißen oder Löten von Verbindungen aus, da Schweißen und Löten sperrige und umfangreiche Apparaturen erfordern, die die /u verbindenden Rohre vollständig umgeben müssen. Ferner können die hergestellten Verbindungen nicht leicht getrennt und wiederhergestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so zu verbessern, daß Formteile hergestellt werden können, mittels deren auf kleinstem Raum Gegenstände, wie z. B. Leitungen und Rohre, insbesondere hydraulische Systeme, hergestellt werden können und die so hergestellten Verbindungen gelöst und von neuem hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man das hohle Formteil aus einer Legierung mit Formgedächtnis herstellt, wobei der hohle Querschnitt ΛΊ beträgt, dieses Formteil unter die Übergangstemperatur abkühlt, den hohlen Querschnitt durch eine erste Verformung auf X2 verkleinert bzw. vergrößert, dem Formteil bei einer Temperatur über oder unterhalb der Übergangstemperatur eine weitere Verformung oder eine Restspannung gibt, die bewirkt, daß das Formteil anschließend die Fähigkeit besitzt, sich ohne äußere verformende Kräfte nicht auf den ursprünglichen Querschnitt ΛΊ, sondern nur auf einen zwischen X₁ und X₂ liegenden Querschnitt Xi rückzustellen.

Bevorzugte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die hohlen Formteile können röhrenförmig sein, wobei der hier gebrauchte Ausdruck »röhrenförmig« nicht auf gerade zylindrische hohle Formteile beschränkt ist, sondern auch Formteile von unregelmäßigem und/oder sich änderndem Querschnitt sowie Y-förmige, T-förmige, X-förmige und ähnliche Formteile umfaßt.

Eine der wichtigsten Anwendungen der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Formteile ist das Verbinden von Gegenständen, wie Leitungen und Rohren, insbesondere in hydraulischen Systemen. Es wurde gefunden, daß die Fähigkeit der Rohrverbindungen und Muffen, sehr hohen Drücken zu widerstehen, ohne auseinandergezogen zu werden, durch Anbringung von Zähnen innerhalb der Rohrverbindung oder Muffe stark gesteigert werden kann.

Vorzugsweise werden daher die hohlen Formteile mit einem oder mehreren einwärts ragenden Zähnen auf der inneren Oberfläche versehen. Insbesondere im Falle

eines rohrförmigen Verbindungselements wird dieses vorzugsweise mit einer Reihe von durchgehenden, um den Umfang verlaufenden Zähnen mit axialem Abstand versehen. Die Zähne werden vorzugsweise von mehreren sich verjüngenden Abschnitten gebildet, und der Abstand zwischen benachbarten Zähnen und die Konizität werden so gewählt, daß die Ausdehnung der zu verbindenden Teile als Folge des Singriffs der Zähne in die zu verbindenden Teile bei der Schrumpfung im Raum zwischen den Zähnen aufgenommen werden kann. Der Eingriffswinkel jedes Zahns ist vorzugsweise fast ein rechter Winkel, und eine Kante des Eingriffswinkels liegt vorteilhaft ungefähr in einer radialen Ebene des rohrförmigen Verbindungselements.

Rohrförmige Überschiebemuffen können ungefähr in der Mitte ihrer Länge mit einer Ausnehmung von vergrößertem Innendurchmesser versehen sein, so daß die gegeneinanderstoßenden Enden der zu verbindenden Teile mit der Innenfläche der Überschiebemuffe nicht in Berührung kommen. Die rohrförmigen Verbindungselemente können an ihren Enuen Teile von verringerter Dicke besitzen und an diesen Enden doppelkegelförmig sein, so daß in diesen Bereichen nur ein leichter positiver Druck auf die zu verbindenden Teile ausgeübt wird.

Besonders bei Verwendurg der Überschiebemuffen gemäß der Erfindung in Hydrauliksystemen wird die Mindesiwandstärke vorzugsweise so gewählt, daß die radiale Ausdehnung der Muffe unter einem gegebenen Innendruck. 2. B. einem hohen hydraulischen Druck. etwas geringer ist als die radiale Ausdehnung der zu verbindenden hydraulischen Leitungen untei dem gleichen Innendruck. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Verbindung unter hohen hydraulischen Drücken dicht bleibt.

Der hier gebrauchte Ausdruck »Metall mit Formgedächtnis« (memory metal) bezeichnet einen metallischen Werkstoff, aus dem ein durch Hitze rückstellfähiges Formteil hergestellt werden kann, d. h. ein Formteil, das von einer ursprünglichen wärmebeständigen Gestalt zu einer anderen Gestalt deformiert werden kann, in der es bleibt, bis es über eine gewisse Temperatur (im vorliegenden Fall die Übergangstemperatur des Metalls mit Formgedächtnis) erhitzt wird, worauf es wieder seine ursprüngliche Gestalt annimmt oder anzunehmen versucht. Natürlich sind die durch Wärme rückstellfähigen Formteile in der Lage, ohne weitere Anwendung einer äußeren Kraft wieder ihre ursprünjliche Gestalt anzunehmen. Ferner ist unier dem Ausdruck »zur Ausdehnung (oder zum Zusammenziehen) fähig« zu verstehen, daß das hohle Formteil sich ohne weitere Anwendung einer äußeren Kraft ausdehnt (zusammenzieht), ausgenommen natürlich, wenn es zwangsweise daran gehindert wird.

Die Übergangstemperatur des Metalls mit Formgedächtnis kann ein Temperaturbereich sein. Da gewöhnlich Hysterese stattfindet hängt die genaue Temperatur, bei der ein Übergang stattfindet, davon ab, ob die Temperatur des Formteils erhöht oder gesenkt wird. Ferner ist die Übergangstemperatur eine Funktion der Beanspruchung oder Verformung, der der Werkstoff

Nr. 1	Titan 50	Nickel 47
Nr. 2	Titan 49,25-49,00	Nickel 50
Nr. 3	Titan 48,5	Nickel 51,5
Nr. 4	Titan 50	Nickel 48

unterworfen wird, wobei die Temperatur mit zunehmender Beanspruchung sieigt.

Zu den für die Zwecke der Erfindung geeigneten metallischen Werkstotfen gehören beispielsweise die Legierungen, die in den USA-Patentschriften 30 12 882 und 3174851 und in der belgischen Patentschrift 7C 36 49 beschrieben werden. In diesen Patentschriften wird erläutert daß bei diesen Legierungen bei einer gewissen Temperatur ein Übergang stattfindet, der im Falle der in der USA-Patentschrift 30 12 882 beschriebenen Gold-Cadmium-Legierungen und Silber-Gold-Cadmium-Legierungen einfach als Phasenänderung bezeichnet wird. Die anderen Patentschriften bezeichnen den Übergang, der in den beschriebenen Legierungen stattfindet, als einen Übergang zwischen austenitischen (oder Hochtemperatur-) und martensitischen (Tieftemperatur-) Formen des Werkstoffs.

Es ist zu bemerken, daß die in den obengenannten Patentschriften beschriebenen Legierungen nur Beispiele für Metalle mit Formgedächtnis sind, die für die Zwecke der Erfindung verwendet werden können. Die Erfindung ist in keiner Weise auf diese Werkstoffe noch auf in den Beispielen dieser Beschreibung speziell genannten Werkstoffe beschränkt. Alle untersuchten Werkstoffe erwiesen sich als fähig, einer sekundären Verformung unterworfen zu werden, die genügt, um eine brauchbare spontane Ausdehnung bei einem erfindungsgemäß hergestellten Formteil zu erzeugen.

Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildetes Formteil kann ein Rohrfitting sein, insbesondere eine Muffe für die Verwendung in hydraulischen Systemen in Flugzeugen. Bei den heutigen Flugzeugen müssen die hydraulischen Einrichtungen bei Temperaturen im Bereich von etwa -55" bis 125° C arbeiten können. Erwünscht sind jedoch Apparaturen, die zwiscnen etwa —75" und 250⁰C funktionieren, wobei gewisse Spezialapparaturen, z. B. in Motorennähe, Temperaturen über 500'C aushalten müssen. Aus offensichtlichen Gründen muß daher ein durch Wärme rückstellfähiger metallischer Werkstoff für die Verwendung in Rohrverbindungen für hydraulische Leitungen eine Übergangstemperatur haben, die etwas unter -75°C liegt.

Flüssiger Stickstoff, der bei -196° C siedet, stellt ein bequemes Mittel dar, Temperaturen von Formteilen auf seinen Siedepunkt zu senken. Temperaturen unter -196⁰C können natürlich durch andere verflüssigte Gase erzielt werden, jedoch hat Stickstoff den Vorteil, daß er leicht verfügbar und verhältnismäßig sicher ist.

Bevorzugt für den Gebrauch nach diesem Aspekt der Erfindung werden daher Metalle, deren Übergangstemperatur im Bereich von etwa —196 bis — 75"C liegt. Außer der Tatsache, daß diese Metalle den Erfordernissen H*"· bngebung genügen, gewährleistet ihre Verwendung bei normalen Temperaturen, daß sie in ihrer austenitischen Form vorliegen, in der sie eine höhere Festigkeit haben.

Als Metalle, die sich für die Zwecke der Erfindung eignen, seien beispielsweise die folgenden Legierungen erwähnt, in denen die Prozentsätze sich als Atomprozentsätze verstehen und ungefähre Werte darstellen:

Eisen 3

Aluminium 0,75-1,00

Mangan 2

Diese Legierungen haben eine Übergangstemperatur im gewünschten Bereich. Natürlich können die Legierungen zufällige Verunreinigungen enthalten, vorausgesetzt, daß die Verunreinigungen die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Werkstoffs nicht nachteilig beeinflussen oder die Übergangstemperatur in einem solchen Maße ändern, daß das Formteil für seinen vorgesehenen Verwendungszweck ungeeignet wird.

Diese Titan-Nickel-Legierungen (für eine hydraulische Muffe oder für andere Anwendungen im Rahmen der Erfindung) können nach allen üblichen Verfahren zur Herstellung von Titanlegierungen hergestellt und verformt werden, und zwar aus ihren Legierungsbestandteilen oder Legierungen oder Verbindungen der Bestandteile in anderen Mengenverhältnissen. Beispiele solcher Verfahren sind das Schmelzen im Lichtbogen mit Abschmelzelektrode und nicht abschmelzender Elektrode, Vakuum-Induktionsschmelzen in Graphittiegeln, Schmelzen im Elektronenstrahl, Methoden der Metallkeramik und Zonenschmelzen.

Die erhaltene Legierung läßt sich leicht zu geeigneten Rohlingen für die endgültige Verarbeitung zu den Formteilen formen, z. B. durch Warmverformung, Tiefziehen. Warmstrangpressen, Warmwalzen von Stäben oder Warmschmieden oder in geringerem Umfange durch Kaltverformung. Ohne Rücksicht auf das Formgebungsverfahren werden die Legierungen zweckmäßig geglüht, um Reproduzierbarkeit der Eigenschaften in den hergestellten Formteilen zu gewährleisten.

Hydraulische Systeme in Flugzeugen enthalten zahlreiche Längen von Rohren, die durch Muffen, T-Stücke. Kreuzungen u. dgl. verbunden werden müssen und die an verschiedenen Pumpen, Ventilen, Meßgeräten und Betriebsvorrichtungen enden. An jeder solchen Verbindungs- oder Endstelle ist ein Fitting irgendeiner Art erforderlich. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird nachstehend eine Aufschiebemuffe für eine einfache Stoßverbindung zwischen zwei Rohren aus gleichem Werkstoff und von gleichem Durchmesser ausführlich beschrieben. Natürlich fallen unter die Erfindung auch Verfahren zur Herstellung von Rohrfittings und Rohrverbindungen von anderer Form.

Ein Rohr aus einem metallischen Werkstoff der obengenannten Art wird bei einer Temperatur unterhalb der Übergangstemperatur des Werkstoffs radikal ausgeweitet, d. h. verformt, indem beispielsweise ein Dorn, dessen Durchmesser größer ist als der ursprüngliche Innendurchmesser des Rohrs, durch das Rohr getrieben wird. Der Ausdehnungsgrad ist vorzugsweise so groß, daß sowohl eine thermisch rücksteüfähige als auch eine sekundäre Verformung (die nachstehend näher erläutert wird) stattfinden. Das Rohr wird dann auf eine Temperatur oberhalb der Übergangstemperatur erhitzt, während es durch den Dorn oder einen Haiter von ungefähr gleichem Durchmesser im ausgeweiteten Zustand gehalten wird. Das Rohr preßt sich fest um den Dorn oder Halter, weil es das Bestreben hat, zu schrumpfen und sich radial auf seine ursprüngliche Gestalt zusammenzuziehen.

Zu gegebener Zeit wird das Rohr erneut unter die , Übergangstemperatur gekühlt. Wenn das Rohr die Übergangsternperatur erreicht, findet spontane Ausdehnung statt, wobei der innendurchmesser des Rohres größer wird, so daß das Rohr sich leicht vom Dorn oder Halter entfernen läßt Solange die Temperatur des Rohres unter der Übergangstemperatur gehalten wird.

behält es diesen neuen Innendurchmesser, so daß es möglich ist, die Muffe über die Rohre oder sonstigen zu verbindenden Teile zu schieben. Der Außendurchmesser dieser Teile muß natürlich kleiner als der Durchmesser der Muffe im ausgedehnten Zustand und etwas größer sein als der ursprüngliche Innendurchmesser der Muffe.

Nachdem die Muffe auf den zu verbindenden Teilen angebracht worden ist, wird die Rohrverbindung über die Übergangstemperatur des Metalls der Muffe erhitzt. Da die Muffe durch Wärmeeinstellung rückstellfähig ist, schrumpft sie auf ihre ursprüngliche wärmebeständige Gestalt, bis sie sich gegen die zu verbindenden Teile legt und eine weitere Schrumpfung verhindert wird. Da die

]₅ Rückstellkräfte erheblich sind, preßt sich die Muffe äußerst fest gegen die zu verbindenden Teile, solange die Rohrverbindung über der Übergangstemperatur gehalten wird. Der Widerstand, den die verbundenen Teile einer weiteren Rückstellung der Muffe entgegensetzen, wodurch vollständige Rückstellung der Muffe verhindert wird, führt weitere sekundäre Verformungsspannungen (die nachstehend erläutert werden) in den Muffenwerkstoff ein, und wenn die Muffe erneut auf die Übergangstemperatur gekühlt wird, weitet sie sich spontan auf, so daß die verbundenen Teile entfernt werden können.

Formteile, die aus Metallen mit Formgedächtnis hergestellt worden sind, müssen bekanntlich mechamisch verformt werden, um nutzbare Ergebnisse durch die Phasenänderungen oder ähnliche Erscheinungen, die bei der Übergangstemperatur stattfinden, zu erhalten. Mit anderen Worten, durch Erhitzen und Kühlen eines Metalls mit Formgedächtnis durch seine Übergangstemperatur ohne vorherige Verformung werden keine

nutzbaren Änderungen der Abmessungen hervorgebracht.

Es wurde gefunden, daß es erforderlich ist. das Formteil so zu verformen, daß es nicht vollständig zu seiner ursprünglichen Gestalt zurückkehren kann. d. h..

daß es erforderlich ist. einen geringen Betrag einer sekundären Verformung in die Formteile einzuführen.

Es wird angenommen, daß der geringe Betrag der sekundären Verformung Spannungen in das Formteil einführt, die aufgehoben werden, wenn das Formteil nach unten durch seine Übergangstemperatur geführt wird. Es wird ferner angenommen, daß die Aufhebung der inneren Spannungen in irgendeiner Weise die normalen Veränderungen auslöst, die bei der Übergangstemperatur stattfinden, so daß sie spontan und schneller eintreten und demzufolge nutzbarer sind. Ferner wird angenommen, daß es die inneren Spannungen sind, die die überraschende Umkehrbarkeii der erfindungsgemäß hergestellten Formteile, d. h. ihre Fähigkeit, sich nach dem Zusammenziehen auszudehnen und umgekehrt, verursachen. Die sekundäre Verformung kann in verschiedener Weise eingeführt werden, z. B. durch Ausdehnen des Formteils unter der Übergangstemperatur und anschließendes Erhitzen, wodurch seine Rückstellung und Schrumpfung um einen

Gegenstand bewirkt wird, dessen Abmessung größer ist als die entsprechende Abmessung des Formteils in seiner ursprünglichen Gestalt bei hoher Temperatur.

Andere Methoden, die angewandt werden können, bestehen darin, daß das Formteil der Einwirkung einer Kraft unterworfen wird, die höher ist als die zur Erzielung der maximalen thermisch rücksteilfähigen Verformung genügende Kraft, und man das Formteil oberhalb der Übergangstemperatur des Metalls mit

Formgedächtnis so bearbeitet, daß nur die sekundäre Verformung eingeführt wird.

Ferner ist in gewissen Fällen die absichtliche Deformierung nicht notwendig, weil während der ursprünglichen Herstellung des Formteils innere Spannungen in das Metall in der richtigen Richtung eingeführt worden sein können. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn das hergestellte Formteil nicht geglüht worden ist. Im allgemeinen wird jedoch Ausglühen bevorzugt, da hierdurch regellose Restspannungen beseitigt und gute Ergebnisse durch anschließende Bearbeitung sichergestellt werden.

Wenn beispielsweise eine Rohrmuffe veranlaßt wird, über einen Halter, einen Dorn oder die zu verbindenden Rohre zu schrumpfen, verhindert die Einführung der sekundären Verformung die vollständige spätere Rückstellung. Mit anderen Worten, wenn die Gesamtverformung 9 Einheiten beträgt, von denen 2 Einheiten sekundär sind, kann die Muffe sich nur um 7 Einheiten zurückstellen, wenn die sekundäre Verformung bleibend, d. h. vollständig nichtrückstellfähig ist. Dies bedeutet, daß die neue wärmebeständige Gestalt effektiv um 2 Einheiten größer ist als die ursprüngliche Gestalt, so daß die zu verbindenden Teile größere (um wenigstens 2 Einheiten) Abmessungen haben müssen als die ursprüngliche Muffe.

Um die erfindungsgemäß hergestellten Formteile so vielseitig wie möglich zu gestalten, d. h., um beispielsweise einen maximalen Durchmesserbereich der Rohre zu erhalten, die verbunden werden können, ist es offensichtlich zweckmäßig, daß ein größtmöglicher Prozentsatz ier Gesamtverformung im Einklang mit der Notwendigkeit für wenigstens eine gewisse bleibende Verformung rückstellfähig ist.

Es wurde gefunden, daß die Elastizität der meisten Metalle, die für die Zwecke der Erfindung verwendet werden, die Folge hat. daß der Verlust an rückstellfähiger Verformung geringer ist. als zu erwarten gewesen wäre. Wenn beispielsweise eine Muffe so um einen Dorn geschrumpft wird, daß eine sekundäre Verformung eingeführt wird, hat es sich gezeigt, daß im allgemeinen die neue wärmebeständige Gestalt irgendwo zwischen der durch den Dorn festgelegten und der ursprünglichen Gestalt liegt. Mit anderen Worten, bevor die bleibende Verformung stattfindet, findet eine elastische Verformung statt, die dem Formteil ein elastisches Formgedächtnis verleiht, das ausgelöst wird, wenn die die Ruckstellung verhindernde Kraft aufgehoben wird. (Bei den obengenannten Titan-Nickel-Legierungen beträgt die '"lastizität etwa 2%. so daß die zu verbindenden Teik Durchmesser haben können, die um diesen Betrag kleiner sind als der Durchmesser des Doms oder Halters.)

Durch geeignete Wahl des Werkstoffs, aus dem der Dorn oder der Halter hergestellt ist, oder seiner Form kann, erreicht werden, daß die Gesamtrückstellung, d. h. die elastische plus thermische Rückstellung der Muffe sich dem Wert nähert, der ursprünglich bei der Auswertung in sie eingebaut wurde.

Der Betrag, um den die Muffe rückstellbar ist, kann beispielsweise erhöht werden, indem der Dorn oder der Halter aus einem Werkstoff mit wesentlicher Elastizität hergestellt wird. In einem solchen Fall muß die Eiav.iziiätägrcr.ze der Muffe überschritten werden, bevor eine bleibende Verformung in der Muffe stattfindet. Zu diesem Zweck könnte der Dom oder Halter aus dem gleichen Werkstoff wie die Muffe oder aus einem anderen Werkstoff mit wesentlicher Elastizitat, z. B. Berylliumkupfer, hergestellt werden.

Es ist auch möglich, den Dorn oder Halter aus einem Werkstoff herzustellen, der einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. In diesem Fall würde der Durchmesser des Halters kleiner werden, wenn seine Temperatur erhöht wird, so daß eine stärkere Rückstellung der Muffe möglich ist, als wenn der Durchmesser des Dorns oder Halters !constant gehalten würde. Zur Erzielung des gleichen Ergebnisses könnte der Halter als zylindrische Feder, z. B. als üblicher Rollstift ausgebildet werden, der zusammengedrückt wird, wenn die Rückstellung der Muffe darüber bewirkt wird. Andere mögliche Methoden, den Halter mit genügend Elastizität für die beschrie aenen Zwecke zu versehen, sind für den Fachmann offensichtlich und fallen in den Rahmen der Erfindung.

Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß durch die Erfindung metallische Formteile hergestellt werden können, die für viele Zwecke, z. B. für die Herstellung einer dichten Verbindung zwischen zwei Rohren, nützlich sind. Die Verbindungselemente und Muffen können bei normalen Temperaturen gelagert und transportiert werden und lassen sich leicht und schnell einbauen oder ersetzen und können dennoch extremen Temperaturschwankungen widerstehen.

Verschiedene Beispiele für nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Formteile werden nun an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Muffe,

F i g. 2 in einer Stirnansicht die Muffe von Fig. 1,

Fig. 3 im Schnitt die Muffe nach Fig. 1 nach dem Aufschieben über zwei Rohre.

F i g. 4 im Schnitt die Muffe nach F i g. 1 nach dem Verbinden von zwei Rohren.

F i g. 5 im Schnitt ein weiteres Beispiel für eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Muffe.

F i g. 6 im Schnitt die in F i g. 5 dargestellte Muffe nach dem Aufschieben über zwei Rohre,

F i g. 7 im Schnitt die in F i g. 5 dargestellte Muffe nach der Herstellung der Rohrverbindung und

F ι g. 8 im Schnitt ein Rohr, um dessen Außenseite ein Metallband geschrumpft ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Muffe 10 wurde in der nachstehend beschriebenen Weise hergestellt. Die Außenoberfläche der Muffe 10 besteht aus einem mittleren Teil 12 von konstantem Durchmesser und zwei Endteilen 14 und 16. die sich zu den jeweiligen Enden 18 und 20 der Muffe verjüngen.

Die Innenfläche, die durch die Bohrung 22 gebildet wird, weist einen mittleren Teil 24 von gleichbleibendem Querschnitt und sich ausweitende Endteile 26 und 28 auf Zwischen jedem Endteil und dem mittleren Teil 2A befinden sich zwei um den Umfang verlaufende Zähne (30 und 32 zwischen dem Endteil 26 und dem mittlerer Teil 24; 34 und 36 zwischen dem Endteil 28 und den mittleren Teil 24). Die Zähne sind allgemein sägezahn förmig, wobei der radiale Teil jedes Sägezahns de Mitte der Muffe zugewandt ist

Es wurde gefunden, daß die Haltekraft, d. h. die zun Herausziehen der Rohre aus einer solchen Muff erforderliche Kraft durch entsprechende Verteilung de Zähne längs der Innenwand der Muffe wesentlic gesteigert wird. Die Haltekraft der Muffe wird weite gesteigen, wenn dci Werkstoff der zu verbindende Rohre selbst durch die Muffe deformiert wird. F i g. 5 b: Fig.8 /eigen eine solche Muffe. In Fig.5 hat ein Muffe 50. die aus einem durch Wärme rückstellfähige

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Metall hergestellt ist, eine Außenwand mit einem zylindrischen Teil und sich verjüngenden Teilen 52 und 53 an jedem Ende. Die Innenwand hat eine Reihe von mit Abstand zueinander angeordneten Zähnen 54—56 und 58—60 und eine Ausnehmung 57.

Fig.6 zeigt die Muffe 50 im ausgedehnten (gekühlten) Zustand nach der Einführung der Rohre 61 und 62 in die Muffe. Der Raum zwischen den Rohren 61 und 62 liegt in der Mitte der Ausnehmung 57.

Fig. 7 zeigt die Muffe nach dem Aufschrumpfen auf die Rohre 61 und 62. Die Abbildung zeigt, daß die Rohre 61 und 62 durch die Zähne der Muffe teilweise deformiert sind. Natürlich ist die Verformung zur deutlicheren Darstellung übertrieben gezeichnet. In normalen Fällen ist die Verformung erheblich geringer als die hier angestellte Deformierung. Die typische Verformung genügt jedoch, um die Haltekraft der Muffe erheblich zu steigern.

Der optimale Abstand »a« und die Mindesttiefe »b« der Zähne hängen von den Eigenschaften der Rohre 61 und 62 ab. Eine Methode zur Bestimmung der Dimensionen »a« und »b« ist in F i g. 8 dargestellt. Ein Ring 63 aus dem Metall mit Formgedächtnis, aus dem die Muffe 50 hergestellt ist, mit dem gleichen Durchmesser nach der Rückstellung wird um ein Stück des Rohres 64 geschrumpft. Das Rohr 64 besteht aus dem gleichen Werkstoff wie die zu verbindenden Rohre. Durch die Rückstellung des Rings 64 wird das Rohr deformiert, wodurch ein Teil seines Werkstoffs sich radial nach außen bewegt. Die maximale Deformierung nach außen ist in Fig. 8 durch den Buchstaben »b« angedeutet. Die axiale Größe der radialen Deformierung ist in F i g. 8 durch »a« angedeutet. Dies ist der Abstand von dem Punkt, an dem die radiale Deformierung beginnt, bis zu dem Punkt, an dem sie aufhört. Dieser Abstand »a« wird dann als Abstand zwischen benachbarten Zähnen verwendet, wie in Fig. b dargestellt. Die Mindesttiefe »b« der Zähne in F i g 6 wird vorzugsweise ebenso groß oder größer gewählt als die Dimension »b« in F i g. 8.

Die Mindestwandstärke »c« der Muffe längs des zylindrischen Teils der Muffe, d. h. die Dicke oder dip Wand im Bereich der Ausnehmung 57. hängt von dem zu erwartenden maximalen Druck in der hydraulischen Leitung und von der relativen Elastizität des Werkstoffs der Rohre 61 und 62 und dem der Muffe ab. Die Dicke »c« genügt vorzugsweise, um dem maximalen hydraulischen Druck und einer Aufbeulung der Muffe und einer Metallermüdung unter den Betriebsbedingungen zu widerstehen. Ferner wird die Dicke »c« vorzugsweise so gewählt, daß die Muffe 50 sich unter Druck weniger elastisch ausdehnt als das Rohr 61 und 62. Andernfalls würde bei Einwirkung von hohem Druck auf die Rohrverbindung die stärkere Ausdehnung der Muffe eine Undichtigkeit verursachen. Durch Auslegung der Mindestwandstärke in dieser Weise kann das Gewicht der Muffe minimal gehalten wenden.

Der Innendurchmesser der Ausnehmung 57 ist vorzugsweise so groß, daß die Rohrenden die Muffe an keiner Stelle berühren, insbesondere unter dem Einfluß von Erschütterungen und Vibrationen, da sonst Reibungskorrosion der Muffe durch das Rohr und damit eine Schwächung der Muffe und schließlich ihr Bruch eintreten könnte. Die konischen Endteile 52 und 53 der -Muffe sieiien e:r. weiteres nichtiges Merkmai der Erfindung dar. Wie dir. Abbildung zeigt, haben diese Endteile 52 und 53 jeweils konvergierende Innenflächen und Außenflächen 65 und 65. Die Verjüngung der Innenfläche 65 hat den Zweck, die radiale Kraft zu verringern, die auf das Rohr an den Enden der Muffe bei ihrer Rückstellung ausgeübt wird. Eine große radiale Kraft, die an den Enden der Muffe auf das Rohr ausgeübt wird, würde das Rohr an diesen Stellen schwächen, besonders wenn das !Rohr Biegungen oder Erschütterungen und Schwingungen unterworfen wird Eine radiale Kraft null wäre theoretisch ideal. Es wurde jedoch gefunden, daß in Fällen, in denen die Enden der Muffe nicht fest um das Rohr anliegen, eine Reibung während der Schwingungen stattfinden kann, und dies kann zu Reibkorrosion und Bruch führen. Der Innendurchmesser an den Enden der Muffe sollte daher vorteilhaft so gewählt werden, daß während der Schrumpfung der Muffe um das Rohr ein leichter positiver Druck auf das Rohr ausgeübt wird, dieser Druck aber so gering wie möglich ist. Die Verjüngung der Außenflächen 66 trägt ferner dazu bei, den Druck möglichst gering zu halten, weil ein dünnerer Metallquerschnitt weniger Kraft ausübt als ein dickerer Querschnitt. Die verjüngte Außenfläche verleiht der Maffe Flexibilität, wodurch das Rohr gegen die Einflüsse von Biegungen oder Schwingungen geschützt wird. Dies ist besonders bei Titanrohren der FaIi. Diese Verringerung des Außendurchmessers sollte vorteilhaft eine starke Verringerung sein. Es wurde gefunden, daß eine Kantendicke in der Größenordnung von Ua oder '/s der Mindestwandstärke »c« der Muffe an der Ausnehmung 57 besonders wirksam ist.

Es wurde gefunden, daß die Zähne 54-56 und 58-60 am wirksamsten sind, wenn ihre Greifkanten sich einem rechten Winkel nähern und vorzugsweise möglichst radial ausgerichtet sind. Diese Umfangszähne müssen jedoch nicht durch konische Abschnitte, sondern könnten lediglich durch Bildung einer Reihe von y-iormigen oder U-förmigen Erhebungen od. dgl. im Inneren der Muffe gebildet werden.

Eine Muffe der in F i g. 1 dargestellten Art wurde wie folgt hergestellt: Streifen von gleicher Breite und Länge wurden aus Blech geschnitten, das aus Nickel (International Nickel 270), Titan (Titanium Metals Corporation 25A) und Eisen (99,9% Reinheit) bestand. Die Streifen wurden gereinigt, um Schmutz und Fett vollständig zu entfernen, gewogen und in Bündeln so vereinigt, daß die Elemente bei jedem Querschnitt durch die Längsachse des Bündels das Verhältnis der obengenannten Legierung Nr. 1 hatten. Das Bündel wurde dann in die Kammer eines Zonenschmelzofens »Lepel HCP-F« gehängt. Die Kammer wurde evakuiert und dann mit Argon von hoher Reinheit bis zu einem Druck von 1 Atm. gefüllt. Diese Maßnahme wurde zweimal wiederholt. Nach der dritten Füllung hatte sich ein Druck von 0,21 atu eingestellt. Dieser Druck wurde wahrend des Schmelzens aufrechterhalten, um das tindnngen von Luft weitgehend auszuschalten.

. a T ^{Untere Ende der Probe wur}de durch eine if2L.u„tior,sspule mit einer Windung erhitzt, die an der Sekundärwicklung eines an die Belastung angepaßten ¹^ '-Abwärtstransformators befestigt war. Die Primärwicklung wurde von einer Lepel-Hochfrequenz-Inauktionsheizvorrichtung (Modell T-10-3-DF-E-H) gespeist, die im kHz-Bereich arbeitete. Schnelles Schmelzen ergab sich du^ch die Kombination der Induktionsheizung und der Bildungswärme der intermetallischen verbindung TiNio^Fe,,.«. Die fallenden Tropfen der Legierung wurden in einer kalten Kupferform aufgefangen Das Bündel wurde in die Induktionsspule geschoben, bis es vollständig geschmolzen und in der

Form aufgefangen war. Nach der Abkühlung wurden die Kupferform und der gegossene Ingot aus der Kammer entfernt, worauf die Form abgestreift wurde.

Der Block, der ein halbkompakter Zylinder war, wurde wieder in die Kammer gegeben, in der wie vorher eine Argonatmosphäre erzeugt wurde. Eine geschmolzene Zone wurde längs des Blocks von unten nach oben mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,5 cm/Minute geführt wobei nach dem Zonenschmelzverfahren gearbeitet wurde, um eine mögliche Verunreinigung durch einen Tiegel zu vermeiden. Das Produkt war ein homogener, lunkerfreier Stab der Legierung von etwa 2 cm Durchmesserund 12 cm Länge.

Ein axiales Loch wurde in die Stirnseite des Stabes gebohrt, wobei die Tiefe des Lochs der endgültigen Länge der Muffe entsprach. Die Außenseite des Stabes wurde dann auf den Durchmesser des mittleren Teils 12 abgedreht und der Rohling vom Ende des Stabes abgeschnitten.

Der konische Endteil 26 wurde dann auf einer Drehbank unter Verwendung eines Konuswerkzeuges gebildet. Das Werkzeug wurde dann erneut eingestellt und ein radialer Schnitt gemacht, um den äußeren Zahn 30 zu bilden. Eine weitere Verjüngung wurde dann begonnen und ein zweiter radialer Schnitt gemacht, um den inneren Zahn 32 zu bilden. Dann wurde parallel zur Achse weitergeschnitten, um die Hälfte des mittleren Teils 24 zu bilden. Die Muffe wurde dann umgedreht, worauf der konische Teil 28 und die Zähne 36 und 34 gebildet wurden und die restliche Hälfte des mittleren Teils auf Größe angebohrt wurde. Dann wurden die konischen Teile 14 und 16 auf der Außenseite gebildet, die Oberflächen poliert und entgratet.

Die bearbeitete Muffe wurde dann in inerter Atmosphäre 30 Minuten auf 950°C erhitzt, schnell auf 270 bis 300⁰C gekühlt und 2 Stunden immer noch in inerter Atmosphäre bei dieser Temperatur gehalten. Die Muffe könnte auch zu Beginn während einer längeren Zeit bei einer etwas niedrigeren Temperatur, z. B. 2 Stunden bei 850°C und während der zweiten Heizperiode bei einer Temperatur zwischen 250 und 300 C gehalten werden. Durch diese Behandlung wird die Muffe geglüht, und die inneren Spannungen werden beseitigt.

Die Muffe wurde dann in flüssigen Stickstoff getaucht. Ein vorher auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff gekühlter Dorn wurde durch die Bohrung 22 der Muffe getrieben, um sie radial um 8,3% auszuweiten. Diese Ausweitung genügte, um sowohl eine thermisch rückstellfähige als auch eine sekundäre Verformung der Muffe zu bewirken. Der Dorn wurde entfernt und ein vorher gekühlter Stab oder Halter, dessen Durchmesser etwas kleiner als der maximale Durchmesser des Doms war. in die Bohrung eingeführt. Die Muffe und der Halter wurden dann der Erwärmung auf Raumtemperatür überlassen, wobei die Muffe sich fest um den Halter preßte, während ihre Temperatur durch die Übergangstemperatur stieg. Nach 4 Stunden wurden die Muffe und der Halter erneut in flüssigem Stickstoff gekühlt. Die Enden von zwei hydraulischen Leitungen aus nichtrostendem Stahl wurden gereinigt und für die Verbindung vorbereitet Eine Markierung auf jedem Rohr zeigte die richtige Länge des in die Muffe einzuführenden Stücks an. Die Muffe wurde dann aus dem flüssigen Stickstoff genommen, wobei der Halter sich leicht aus ihrer Bohrung entfernen ließ. Wie in F i g. 3 dargestellt, wurden die Enden der Rohre 40 und 42 dann in die Muffe bis zu den Markierungen eingeführt, und die Rohrverbindung wurde der Erwärmung auf Raumtemperatur überlassen. Wie in F i g. 4 dargestellt, wurde eine feste und dichte Verbindung zwischen den Rohrenden erzielt, wobei sich die Zähne der Kupplung in die Rohre und 42 gruben und hierbei leicht deformiert wurden. Das Ausmaß der Deformierung hängt von der relativen Härte der Muffe und derjenigen der zu verbindenden Rohre ab. (Die Darstellung in F i g. 4 dient lediglich der Klarheit und ist nicht unbedingt maßstabsgerecht.)

Auf die oben beschriebene Weise wurde eine Muffe aus der Legierung Nr. 3 hergestellt und zur Herstellung einer Stoßverbindung zwischen zwei hydraulischen Leitungen aus nichtrostendem Stahl, die einen Außendurchmesser von 6,35 mm hatten, verwendet. Die Rohre wurden mit einer hydraulischen Flüssigkeit auf Erdölbasis (entsprechend MIL-H-5606B) gefüllt und folgenden Prüfungen unterworfen:

1) Der Druck im System wurde 5 Minuten bei 4,14 χ 10^ö Dyn/cm², dann 5 Minuten bei 8,28 χ 10" Dyn/cm² gehalten. Nach Ablauf jeder Zeit wurde keine Undichtigkeit festgestellt.

2) Die Muffe wurde dann dem Test mit rotierender Welle (entsprechend MIL-F-18280B) unterworfen, wobei die hydraulische Flüssigkeit unter einem Druck von 211 kp/cm² (2,07 χ 108 Dyn/cm²) stand. Die Drehzahl betrug etwa 2000 UpM und die Zahl der Zyklen 26,2 χ ΙΟ⁶. Weder wurden Undichtigkeiten festgestellt, noch war ein Schaden an der Muffe feststellbar.

3) Der Test Nr. 1 wurde wiederholt. Keine Undichtigkeiten wurden festgestellt.

4) Das System wurde in einem Massenspektrometer geprüft, wobei Helium unter Normaldruck an der Außenseite der Muffe gehalten wurde und das System innen evakuiert war. Kein Helium wurde im System festgestellt. Die Empfindlichkeit des Spektrometers betrug 9,5 χ 10" Atm. ml/Sek.
Muffen aus der Legierung Nr. 3 wurden auf Paare der oben beschriebenen hydraulischen Leitungen aufgebracht. Die folgenden Prüfungen wurden durchgeführt:

5) Ein System wurde mit einer hydraulischen Flüssigkeit unter einem Druck von 422 kp/cm² (4,14 χ 10⁸ Dyn/cm²) gefüllt. Die Temperatur des Systems wurde 29mal zwischen — 55°C und + 175°C geführt, wobei jeder Zyklus etwa 2 Stunden dauerte. Keine Undichtigkeit wurde festgestellt.

6) Die anderen Systeme wurden bis zur Zerstörung geprüft, indem der Innendruck der hydraulischen Flüssigkeit erhöht wurde. In jedem Fall barst das Rohr aus nichtrostendem Stahl, bevor eine Undichtigkeit an der Muffe auftrat. Die Drücke lagen zwischen 1056 und 1758 kp/cm² (1,04 χ 10^! und 1,72 χ 10⁹ Dyn/cm²).

Die vorstehend beschriebenen Prüfungen zeigen, dal durch die Erfindung eine zuverlässige dichte hydrauli sehe Muffe verfügbar wird, die bei normalen Tempera tnren gelagert und transportiert werden kann und siel schnell und leicht bei bequem erreichbaren tiefei Temperaturen ohne Verwendung der sperrigen un< komplizierten Apparate und durch verhältnismäßij wenig geschultes Personal einbauen läßt Die Festigkei der Muffe läßt sich durch geeignete Wahl de Werkstoffe und durch entsprechende vorteilhaft Ausbildung weiter steigern.

Die Muffen werden zwar im allgemeinen auf Haltern der oben beschriebenen Art gelagert, jedoch können sie auch ohne Halter gelagert werden, wobei ihre Ausdehnung bei der Abkühlung genutzt wird, um genügenden Spielraum für den Einbau auf zu verbindende Gegenstände wie Rohre zu erzielen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Hersteilung eines rückstellbaren, hohlen Formteils mit der Fähigkeit, seinen hohlen Querschnitt bei Erwärmung über eine bestimmte Übergangstemperatur zu vergrößern oder zu verkleinern, dadurch gekennzeichnet, daß man das hohle Formteil aus einer Legierung mit Formgedächtnis herstellt, wobei der hohle Quer- ι ο schnitt X\ beträgt, dieses Formteil unter die Übergangstemperatur abkühlt, den hohlen Querschnitt durch eine erste Verformung auf X₂ verkleinert bzw. vergrößert, dem Formteil bei einer Temperatur über oder unterhalb der Übergangstemperatur eine weitere Verformung oder eine Restspannung gibt, die bewirkt, daß da* Formteil anschließend die Fähigkeit besitzt, sich ohne äußere verformende Kräfte nicht auf den ursprünglichen Querschnitt Xu sondern nur auf einen zwischen X₁ und X2 liegenden Querschnitt Xi rückzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Verformung dadurch eingeführt wird, daß das Formteil unterhalb der Übergangstemperatur des Metalls durch eine Kraft. die größer ist als die zur F.inführung der maximalen thermisch rückstellfähigen Verformung notwendige Kraft, expandiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Verformung dadurch eingeführt wird, daß das expandierte Formteil um einen Gegenstand rückgesteüt und geschrumpft wird, dessen Abmessung größer ist als die entsprechende Abmessung der Hochtetnperaturform des ursprünglichen, nicht expandierten Formteils.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand, um den das Formteil rückgestellt wird, elastisch in.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand aus im wesentlichen dem gleichen Metall wie das hohle Formteil besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand aus Berylliumkupfer hergestellt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand ein mechanisch-elastisches Element, vorzugsweise eine zylindrische Feder, ist.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand aus einem Werkstoff mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Formteil eine Röhre ist. die an der Innenseite mit einem oder mehreren einwärts ragenden Zähnen versehen ist.