DE2201215A1

DE2201215A1 - Verfahren zum Verschweissen eines Rohrs mit einer Rohrplatte

Info

Publication number: DE2201215A1
Application number: DE19722201215
Authority: DE
Inventors: Eric Charlesworth
Original assignee: ROBERT JENKINS AND CO Ltd
Current assignee: ROBERT JENKINS AND CO Ltd
Priority date: 1971-01-12
Filing date: 1972-01-12
Publication date: 1972-08-03
Also published as: GB1372057A; FR2121757A1; DE2201215B2; IT946457B; US3769489A

Description

PATESMTANWÄLTE DipUng-WERNER COHAUSZ . Dipl.-Ing. WILHELM FLORACK · Dipl.-lng. RUDOLF KNAUF

4 Düsseldorf, Schumannstraße 97

EOSEHT JSHKINS & COMPMY LIMITED

Wortley Hoad

Rotherham, Großbritannien 10. Januar 1972

Verfahren zum Verschweißen eines Hohrs mit einer Rohrplatte

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen eines Hohrs mit einer Rohrplatte, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Verschweißen zu verbessern. Insbesondere betrifft die Erfindung die Vorbereitung von Rohren und Rohrplatten, so daß zufriedenstellen-. de Verschweißungen durch das sogenannte Bohrschweißen hergestellt werden können, d.h. durch die Methode, mit einer nicht verbrauchbaren Elektrode zu arbeiten, die an einem Ende eines rotierbaren Halters sitzt. Dabei ist eine solche Anordnung vorgesehen, daß die Elektrode in das Ende eines Rohrs eingeführt oder an dem Ende des Rohrs angeordnet werden kann, das in ein Loch in einer Rohrplatte eingeführt worden ist, so daß mit dem Drehen des Halters die Elektrode innerhalb der Bohrung des Rohrs oder um eine ringförmige Endfläche des Rohrs herumwandert und der Lichtbogen, der zwischen der Elektrode und dem Rohr erzeugt wird, starke Wärme entstehen läßt und örtlich die Vand des Rohrs und den angrenzenden Bereich der Rohrplatte schmelzen läßt, wodurch die beiden Teile dadurch verschweißt werden. Idealerweise erfolgt die Verschweißung so, daß das Rohr und die Rohrplatte schmelzen und dann über die Gesamtheit der. Fläche miteinander verschweißt werden, an der sie sich berühren, und daraus rührt die allgemeine Praxis her, das Rohr nur um ein kurzes Stück in die Rohrplatte einzuführen. Diesek Einführlänge hat sich jedoch als sehr kritisch erwiesenj wenn sie zu gering ist, ist nicht ausreichendes geschmolzenes Metal im Moment der Verschmelzung vorhanden, um §ine zufriedenstellende Verschweißung ent-

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stehen zu lassen, wenn sie dagegen zu groß ist, gehen ein Schmelzen und eine Verschmelzung nicht über die gsamte Fläche hinweg vonstatten, an der das Rohr und die Bohrplatte sich berühren, so daß dann ein Spalt entsteht, in dem Korrosion erfolgen kann. Es ist ferner festgestellt worden, daß die Positionierung der Elektrode ebenfalls sehr kritisch ist. Sie darf offensichtlich nicht das Ende des Rohrs und auch nicht die Innenfläche des Lochs berühren, in dem das Rohr eingesetzt worden ist, da dann keine Funkenbildung entsteht. Andererseits erfolgt, wenn die Elektrode zu weit von dem Ende des Rohrs entfernt liegt, eine Ablenkung des Lichtbogens in Richtung auf die Hauptmasse des Metalls in der Rohrplatte, was zur Folge hat, daß der Schmelzkrater nicht um die Länge der Fläche herum zentriert wird, bh der entlang das Rohr und die Rohrplatte sich berühren.

Gemäß der Erfindung wird das Ende des jeweiligen Rohrs, das in eine Rohrplatte eingeschweißt werden soll, so aufgebohrt, daß bei in der Rohrplatte eingesetztem Rohr die Wanddicke des Rohrs an seinem Ende kleiner als die Wanddicke des Rohrs in einer Ebene ist, in der die Fläche der Rohrplatte liegt. Vorzugsweise handelt es sich bei d?r Aufbohrung um eine zylindrische Aufbohrung mit flachem Boden, so daß der Übergang von einer Wanddicke zur anderen plötzlich vonstattengeht. Vorzugsweise liegt auch die Wanddicke des Rohrs an seinem Ende zwischen einem Viertel und drei Vierteln der Wanddicke in der Ebene, in der die Fläche der Rohrplatte liegt.

Weiter ist gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Verschweißen eines Rohrs mit einer Rohrplatte gekennzeichnet durch das Einführen mindesetens eines aufgebohrten Endes eines Rohrs in ein Loch in der Rohrplatte, das Positionieren einer nicht verbrauchbaren Elektrode an der aufgebohrten Endpartie des Rohrs oder das Einführen dieser Elektor de in das aufgebohrte Ende des Rohrs und das Bewegen der Elektrode im Kreis an dem aufgebohrten Ende oder in dem aufgebohrten Ende, derart, daß der Lichtbogen zwischen der Elektrode und der angrenzenden Fläche des Bohrs starke Hitze in der erforderlichen Region erzeugt, in der das Eohr die Rohrplatte berührt. Daa Verfahren kann das Aufbohren des

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ilndes Rohrs vorsehen, ehe es in ein Loch in der Rohrplatte eingeführt worden ist oder sich durch es durcherstreckt. Alternativ kann das Verfahren das Aufbohren des Endes des Rohrs oder ein abschließendes Aufbohren in einem teilweise aufgebohrten Ende des Rohrs vorsehen, wenn das Ende des Rohrs in das Loch in der Rohrplatte eingeführt worden ist oder durch das Loch durchgeht. Im letzteren 5'all erfolgt das Aufbohren oder abschließende Aufbohren, je nachdem, was zutrifft, derart, daß die Wanddicke des Rohrs an seinem Ende zwischen einem Viertel und drei Vierteln der Wanddicke des Rohrs liegt, die es in einer Ebene ha,t, in der die Oberfläche der Rohrplatte liegt.

Gemäß der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschers vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein iinede jedes einer Vielzahl von Rohren in eine Lage in einer ersten Rohrplatte eingeschweißt wird, die gegenüberliegenden Enden der Rohre aufgebohrt werden, wenn sie sich in Löchern in einer zweiten Rohrplatte befinden oder sich durch sie durch erstrecken, derart, daß sie eine bestimmte Aufbohrtiefe erreichen, die von der Stirnfläche der Rohrplatte aus gemessen wird, und jedes in dieser Weise aufgebohrte Ende in die vorgesehene Lage in der zweiten Rohrplatte eingeschweißt wird,, indem nacheinander eine nicht verbrauchbare Elektrode in das aufgebohrte Ende eingeführt und innerhalb des aufgebohrten Endes herumbewegt wird, derart, daß der Lichtbogen, der wzischen der Elektrode und der angrenzen-, den Oberfläche des Rohrs entsteht, starke Hitze in der erforderlichen Region entstehen läßt, in der das Rohr die zweite Rohrplatte berührt. Das Verfahren schließt zweckmäßigerweise ein, daß zunächst das eine Ende jedes Rohrs aufgebohrt wird, ehe es in ein Loch in der ersten Rohrplatte eingesetzt wird, und daß dieses Ende des Rohrs in das Loch vor dem Einschweißen in der vorgesehenen Lage so angeordnet wird, daß die richtige Tiefe des Vorstandes in das Loch eines Teils des Endes des Rohrs sichergestellt wird, das eine relativ größere Wanddicke hat. Zu dem Verfahren kann auch die Maßnahme gehören, zunächst teilweise die gegenüberliegenden Enden der Rohre aufzubohren₉ d.h. sie auf eine geringere Tiefe (und möglicherweise mit reduziertem Durchmesser) aufzubohren„ als erreicht wird, wenn die Rohre sich in der vorägesehenen La-

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ge in den Bohrplatten befinden.

Die Erfindung ist im nachfolgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind:

Pig. 1 ein Schnitt, der ein in ein Loch in einer Rohrplatte eingeführtes Rohr in Bereitschaft für eine spangebende Bearbeitung und eine anschließende sogenannte Bohrloch-Verschweißung zeigt,

Fig. 2 ein Schnitt, der die spangebende Bearbeitung kzeigt, der das Rohrende an Ort und Stelle in der Rohrplatte unterzogen worden ist,

Fig. 3 ©ine Ansicht ähnlich der in Fig. 2 gezeigten Darstellung, die die Anordnung einer nicht verbrauchbaren Elektrode vor der Durchführung der Bohrlochverschweißung zeigt,

Fig. 4 eine Darstellung der erwünschten Form einer Verschweißung, die erfindungsgemäß erreicht wird,

Fig. 5 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung in einer konstruktiven Variante,

Fig. 6 eine der Fig. 3 ähnliche Darstellung, wobei das Rohr jedoch voll durch das Loch in der Rohrplatte in Bereitschaft für das Verschweißen geführt worden ist, bei dem das Rohr mit der Außenseite der Platte verschweißt wird, und

Fig. 7 eine Ansicht, die die erwünschte Form der Verschweißung zeigt, die im letzteren Fall erreicht wird.

In Fig. 1 ist ein Rohr 10 gezeigt, das in ein Loch 12 in einer Rohrplatte 14 eingeführt worden ist, ehe eine spangebende Bearbeitung und eine anschließende sogenannte Bohrlochverschweißung erfolgt ist. (Das Stück, um das es in das Loch eingeführt worden ist, ist nicht sehr kritisch und verlangt keine große Genauigkeit. Kormale Schwankungen beispielsweise als Folge eines Veriziehens der Rohrplatte können ohne weiteres toleriert werden. ).

In Fig. 2 ist die Form des Rohrendes nach der Spangebung gezeigt. Das Rohrende ist bei 16 aufgebohrt worden, so daß die V/anddicke des Rohrs an

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seinem Ende etwa ein Drittel der Vanddicke des Rohrs in einer Ebene ist, in der die Oberfläche 18 der Rohrplatte liegt. (Zunächst schien es, als sei dieses Maß nicht sehr kritisch, jedoch beweisen Versuche, daß bestimmte Haßgrenzen für verschieden große Rohre eingehalten werden müssen.) Die Tiefe der Aufbohrung ist recht kritisch in dem Sinne, daß das Maß a zwischen dem Boden der Aufbohrung und einer Ebene, in der die Oberfläche 18 der Rohrplatte liegt, innerhalb enger Grenzen gehalten werden muß. Hier wiederum können die Grenzwerte dafür und deas Idealmaß kfür a für eine betreffende Rohrgröße oder die elektrische Stromstärke, mit der mit für das anschließende Verschweißen arbeiten muß, sowie sonstige veränderlichen Größen durch Versuche bestimmt werden. Me Auf bohrung ist z_ylindrisch und hat einen flachen Boden.

In Fig. 5 ist die Anordnung einer nicht verbrauchbaren Elektrode 20 in dem aufgebohrten Ende des Rohrs vor der Durchführung des Bohrl&chschweißens gezeigt. Die Elektrode 20 sitzt an einem Ende eines rei?ierbaren Halters 22, derart, daß mit dem Drehen des Halters die Elektrode innerhalb des aufgebohrten Endes des Rohrs herumwandert und ein Lichtbogen, der zwischen der Elektrode und dem Rohr entsteht, intensive Hitze erzeugt und örtlich die Wand des Rohrs und daen angerenzenden Bereich der Rohrplatte zum Schmelzen bringt. Dadurch werden die beiden Teile miteinander verschweißt.-Der Bereich, in dem das Metall geschmolzen ist, ist durch die enge Schraffur in Fig. 3 dargestellt.

Fig. 4 zeigt die erwünschte Form einer Verschweißung, die man ständig durch das erfindungsgemäße Verfahren beim Bohrlochschweißen erreicht. Die Versehweißung ist gemäß der Darstellung bis zur Rückseite der Rohrplatte vorgedrungen. Es ist also kein Spalt zwischen dem Rohr und der Rohrplatte vorhanden. Die Form der endgültigen Verschweißung an der Bohrung des Rohrs entsteht natürlich däeurch die Oberflächenspannung, während das "Füll-"~Metall noch geschmolzen ist_$ und sie hängt von der Menge an "Füll"-Metall ab, d.h. von der Größe des Schmelzkraters während des Schweißens. Zweckmäßigerweise wird er so klein wie möglich gehalten. Das Arbeiten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren^begünstigt das.» Wie zu sehen ist₅ nähert sich die Form des Rohrendes als Folge der Span-

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gebung, die vor dem Schweißen erfolgt ist, etwa der Form der fertigen Verschweißung an, die man erreichen möchte. Diese Tatsache dürfte zur Verringerung der Ilenge an geschmolzenem "Füll"-Material beigetragen haben.

Wie ferner zu sehen ist, entsteht durch die Spangebung eine schmale Region längs der Linie X-X in Fig. 3, und diese Tatsache dürfte das Durchdringen der Yerschweißung bis zur Rückseite der Rohrplatte sicherstellen, wie das in 13g. 4 gezeigt ist.

Die Anordnung der Elektrode innerhalb des aufgebohrten Endes des Rohrs mit erfolgendem Verschweißen führt zu einer Stabilisierung der Richtung, in der der Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Rohr überspringt, d.h. es ist festgestellt worden, daß der Lichtbogen nicht so leicht in Richtung auf die Hauptmasse des Metalls in der Rohrplatte abgelenkt wird, wie das bisher beim Bohrlochschweißen der Fall gewesen ist. Das ist so, selbst wenn das Gesamtmaß, um das das Rohr in das Loch in der Rohrplatte eingeführt worden ist, einschließlieh der Länge der relativ dünnwandigen Partie des Rohrs, um einen Betrag schwankt, der bei einem flach abgeschnittenen Eohr zu einer erheblichen Lichtbogenverlagerung und zu einem nicht zufriedenstellenden Schweißen führt.

Gemäß Fig. 5 liegt ein weiterer Vorteil, der erfindungsgemäß entsteht, darin, daß dann, wenn die Rohrplatte zufälligerweise verzogen ist, so daß das Ende des Rohrs nicht ganz rechtwinklig dazu liegt, die Spangebung das weitgehend kompensiert. In Fig. 5 ist zur Veranschaulichung die Rohrplatte stark übertrieben verzogen dargestellt, so daß ein Rohr, das in ein darin befindliches Loch eingeführt worden ist, in der oberen Partie merklich weiter in das Loch als an der unteren Partie geht. Eine Spangebung jedoch, die von der Vorderseite der Rohrplatte ausgeführt wird, gleicht das aus, d.h. das Schneidwerkzeug geht in das Ende des Rohrs in einer Richtung genau im reohten Winkel der Vorderseite der Rohrplatte gegenüber, so daß im Effekt der einzige Unterschied in dem Maß, um das sich das Rohr in die Rohrplatte erstreckt, auf die relativ dünnwandige Partie des Rohrs beschränkt bleibt. Dieser Unterscheid hat

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nachgewiesenermaßen keinen offensichtlichen Effekt auf die Lage des Lichtbogens, der anschließend zwischen der Elektrode und dem Rohr mit der Durchführung des Verschweißen entsteht. Das liegt im Gegensatz zu dem, was von solchen Unterschieden herrührte, wenn flach abgeschnittene Rohre in verzogene Rohrplatten eingeschweißt wurden. (Ein solches Verziehen tritt recht häufig beim Schweißen von Rohren an Rohrplatten auf, weil die beim Einschweißen der ersten Rohre entstehende \iärme die Rohrplatte progressiv weiter verzieht, während weitere Rohre eingeschweißt werden.)

In Fig. 6 und 7 ist das Arbeiten mit dem erfindungsgemäßen Yerfahren zum Anschweißen des Rohrs an die Außenseite der Platte gezeigt. In Fig. 6 ist gezeigt, daß das Rohr ganz in das Loch in der Rohrplatte eingesteckt worden ist, so daß das Snde des Rohrs in einer Flucht mit der Außenseite 24 der Platte liegt. Das Ende des Rohrs ist gemäß der Darstellung aufgebohrt, im wesentlichen wie das in Fig. 2 gezeigte Rohr, und auch hier wieder ist die Wanddicke des Rohrs an seinem Ende nicht sehr kritisch - sie liegt im Bereich von etwa einem Drittel der ursprünglichen Wariddicke.

Das Aufbohren kann vor oder nach dem Anordnen des Rohrs in der Rohrplatte erfolgen, wenn es jedoch schon am gegenüberliegenden Ende in eine erste Rohrplatte eingeschweißt worden ist und die in Fig. 6 und 7 gezeigten Arbeitsgänge das Einschweißen des Rohrs in eine zweiten Rohrplatte betreffen, wird vorzugsweise das betreffende Ende des Rohrs an Ort und Stelle in der zweiten Rohrplatte aufgebohrt, so daß die Tiefe der Aufbohrung von der Außenseite der Platte genau bestimmt werden kann. Eine Verziehung der Rohrplatten kann dazu führen, daß das Ende des Rohrs in einer Ebene liegt, die gegenüber der Außenseite der Rohrplatte verlagert ist, jedoch ist die Position, bis zu der sich die relativ dünnwandige Partie des Rohrs erstreckt, (die eine relativ kleine Menge geschmolzenen Metalls im anschließenden Schmelzkrater dargsteilt) nicht kritisch, wie bereits im Zusammenhang mit dem Arbeiten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bohrlochschweißen erwähnt worden ist.

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Fig. 7 zeigt die erwünschte Form einer Verschweißung, die durch .Arbeiten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vor dem Anschweißen des Rohrs an der Außenseite der Rohrplatte entsteht. Der durch das Schweißen entstehende Schmelzkrater erstarrt als Folge der Oberflächenspannung in eine sich erweiternde Form am Ende des Rohrs. Der Bereich, in dem das Metall geschmolzen ist, ist durch die enge ochraffur dargestellt. Biese Größe und die allgemeine Form des Schweißkraters führt zu einer außerordentlich guten fertigen Schweißnaht.

Die verschiedensten Abwandlungen sind möglich, ohne daß der erfindungsgemäße Grundgedanke verlassen wird, und es versteht sich, daß bei der Anwendung der Erfindung für die Herstellung eines Wärmeaustauschers ein Ende jedes Rohrs in eine Position in einer ersten Rohrplatte mittels eines herkömmlichen Schweißverfahrens eingeschweißt werden kann (bei dem es sich also um ein Bohrloch-Schweißverfahren oder auch nicht ahandeln kann), ohne daß dieses Ende des Rohrs aufgebohrt wird (weil beim Anschweißen des R_ohrs an der zweiten Rohrplatte die Schwierigkeiten entstehen). Anderseits kann natürlich auch anfänglich das infrage stehende Ende jedes Rohrs aufgebohrt werden, ehe es in ein Loch in der ersten Rohrplatte eingesetzt wird, weil es genau in die vorgesehene Lage gebracht werden kann, ehe dieses Ende des Rohrs in die vorgesehene Lage eingeschweißt wird, um die richtige Vorstandtiefe in das Loch eines Teils des Endes des Rohrs sicherzustellen, da,s eine relativ dickere Wandstärke hat, d.h. das die ursprüngliche Wanddicke hat. Es versteht sich ferner, daß die anderen Enden der Rohre auch gut teilweise aufgebohrt sein können, ehe die Rohre in die Rohrplatten eingeführt werden, d.h. auf eine geringere Tiefe (und möglicherweise auf einen kleineren Durchmesser) aufgebohrt werden können, als man das bewirkt, wenn die Rohre in den Rohrplatten eingesetzt sind.

Es ist also ein Verfahren zum Anschweißen von Rohren an Rohrplatten vorgesehen, das als Schweißvorbereitung bezeichnet v/erden kann und das sich als sehr effektiv dabei erwiesen hat, eine gute Verschweißung und eine solche in ständig gleichbleibender Form in einer Art und Weise sicherzustellen, die ohne Schwierigkeiten durchzuführen ist. Eine in der Hand gehaltene Voririehtung wird normalerweise verwendet, um das Aufbohren

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"bzw. endgültige Aufbohren der Rohre an Ort und Stelle in den Rohrplatten au bewirken, und. es ist festgestellt worden, daß es sich dabei um
eine Arbeit handelt, die ohne große Schwierigkeiten vorgenommen werden kann, weil nur die Entfernung einer kleinen Menge Metalls erforderlich ü, d.h. weniger als die Ge samt wanddicke des IlohrSo

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

"!^Verfahren zum Verschweißen deines. Rohrs mit einer Rohrpllatte, bei dem ein Ende des Rohrs in ein Loch in der !Rohrplatte eingeführt wird, eine nicht verbrauchbare Elektrode innerhalb des Endes des Rohrs oder an das Ende des Rohres angeordnet wird und die Elektrode innerhalb des Endes des Rohrs oder an dem Ende des Rohrs herumbewegt wird, derart, daß der Lichtbogen, der zwischen der Elektrode und der angrenzenden fläche des Rohrs entsteht, eine intensive wärme in der Region entstehen läßt, in der das Rohr die Rohrplatte berührt, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Rohrs (10) aufgebohrt wird (bei 16), ehe es oder nachdem es in das Loch (12) in der Rohrplatte (I4) eingeführt worden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbohren derart,erfolgt, daß die Wanddicke des Rohrs (IO) an seinem Ende zwischen einem Viertel und drei Vierteln der ursprünglichen Wanddicke des Rohrs (10) liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein endgültiges Aufbohren vorgenommen wird, nachdem das Rohr (1O) in das Loch (12) in der Rohrplatte (14) eingeführt worden ist, wobei das Ende des Rohrs (1O) zuvor teilweise auf eine geringere Tiefe und/oder einen kleineren Durchmesser aufgebohrt worden ist.
4. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschers, bei dem ein Ende jedes einer Vielzahl von Rohren in eine Lage in einer ersten Rohrplatte eingeschweißt wird und das andere Ende jedes Rohrs in eine Lage in einer zweiten«Rohrplatte eingeschweißt wird, dadurch, daß nacheinander eine nicht verbrauchbare Elektrode in eine Endpartie des Rohrs eingeführt und innerhalb des Rohrs herumgeführt wird, derart, daß der Lichtbogen, der zwischen der Elektrode und der angrenzenden Fläche des Rohrs entsteht, intensive Wärme in der Region entstehen läßt, in der das Rohr die Rohrplatte beruht, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das andere

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Ende jedes Rohrs (10) auf gebohrt wird, ehe es oder nachdem es in das Loch (12) in der Rohrplatte (I4) eingeführt worden ist.
5· Verfahren nach Ansprach 4» dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende jedes Rohrs (1O) aufgebohrt wird, ehe es in ein Loch (12) in der ersten Rohrplatte (I4) eingesetzt wird, und daß es vor dem Einschweißen in der vorgesehenen Lage so angeordnet wird, daß die richtige Vorstandtiefe in das Loch (12) eines Teils des Endes des Rohrs (1O) sichergestellt wird, das die ursprüngliche Uanddicke hat.
6. Verfahren nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Enden der Rohre (10) zunächst aufgebohrt werden, ehe sie in das jeweilige Loch (12) in der zweiten Rohrplatte (I4) eingeführt werden.

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