DE2805409A1

DE2805409A1 - Verfahren und vorrichtung zum befestigen eines rohrabschnittes in der oeffnung eines gegenstandes

Info

Publication number: DE2805409A1
Application number: DE19782805409
Authority: DE
Inventors: Philip George Tooker
Original assignee: Serck Industries Ltd
Current assignee: Serck Industries Ltd
Priority date: 1977-02-11
Filing date: 1978-02-09
Publication date: 1978-08-17
Also published as: US4204312A; GB1591842A; FR2380085A1; SE434670B; SE7801229L; FR2380085B1

Description

BESCHREIBUNG :

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Befestigung eines Rohrabschnittes beliebigen Querschnittes in oer öffnung eines Gegenstandes; insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Verbindung von Rohren mit Rohrplatten für Wärmeaustauscher. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung für die Durchführung eines derartigen Verfahrens.

In bekannter Weise werden Rohre und Platten durch Abschmelzschweißung, Hart- oder Weichlöten, oder auch durch mechanische Verfahren, wie durch Ausdehnung mittels Rollen, Ausdehnung mittels eines größeren Werkzeuges oder Vernietung miteinander verbunden. Wenngleich einige dieser Verfahren in der industriellen Fertigung weite Verbreiterung gefunden haben und als befriedigend angesehen werden, können sie dennoch zu Schwierigkeiten führen, wie Mängel bei der Vollständigkeit der Verbindung, korrodierenden Rückständen aus dem Verbindungsprozeß, die entfernt werden müssen,und zusätzlichem Platzbedarf.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbindung eines Rohrabschnittes in der öffnung eines Gegenstandes zu schaffen, wobei die vorstehend genannten Probleme vermindert oder sogar vermieden werden.

Diese Aufgabenstellung wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gelöst, daß der Rohrabschnitt in die öffnung innerhalb des Gegenstandes eingebracht und ein

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Ultraschall-Vibrationswerkzeug mit einer gegenüber der inneren größten Querabmessungder öffnung im Rohrelement etwas größeren Querabmessung achsial auf die öffnung ausgerichtet werden, und daß das Werkzeug, während der Rohrabschnitt achsial gehalten ist, mit einer achsialen Kraft beaufschlagt wird, wobei es Ultraschallschwingungen ausführt und in die öffnung im Rohrabschnitt unter Expandierung des Rohrabschnittes nach außen gegen die öffnung des Gegenstandes hineinbewegt wird.

In besonders vorteilhafter Ausflihrungsform wird eine Senköffnung auf der am Werkzeug liegenden Seite der öffnung des Gegenstandes vorgesehen, in welche Senköffnung der Rohrabschnitt expandiert wird.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sieht einen Halter zum Festhalten einer Rohrstütze in einer gegebenen Stellung und einen Aufnehmer für einen Rohrabschnitt, der sich einendig in einer öffnung in der Rohrstütze befindet, vor, und ferner ein Ultraschan-Vibrationswerkzeug mit einem Ultraschallschwinger und mit einer gegenüber der inneren größten Querabmessung der öffnung im Rohrabschnitt etwas größeren Querabmessung, welches mit einer Kraft in Längsrichtung des Rohrabschnittes beaufschlagbar ist, wobei das Werkzeug einen Anschlag für einen Angriff am Rohrabschnitt derart besitzt, daß eine Reaktionskraft bezüglich der Kraft besteht, die das Werkzeug auf den Rohrabschnitt zum Zwecke seiner Expansion ausübt.

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Zur weiteren Veranschaulichung wird auf die sich auf Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehenden Zeichnungen Bezug genommen. Darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Arbeitsstellung

Fig. 2 einenTeil einer Rohrplattenanordnung in vergrößerter Darstellung, wiesie gemäß Fig. 1 hergestellt wurde

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Ausführung der Erfindung in einer anderen Verfahrensweise

Fig. 4 eine Vorrichtung zur Ausführung der Erfindung nach einer weiteren Verfahrensweise_s

Fig.5 u.

Fig. 5a eine Vorrichtung für die Ausführungsform der Erfindung nach einer nochmals anderen Verfahrensweise und

u. 6b Teildarsteilungen von Gegenständen, in denen ein Rohrabschnitt erfindungsgemäß zu befestigen ist.

Bei; dem in Fig. 1 dargestellten Gegenstand handelt es sich um eine Rohrplatte 1 eines Wärmeaustauschers mit einer Oberfläche la, die die Außenfläche der Rohrplatte bei einem fertig zusammengebauten Wärmeaustauscher darstellt. Die Rohrplatte 1 hat eine durchgehende Öffnung 1b und eine Senköffnung 2, die zur Oberfläche 1a hin offen ist. Ein Rohrabschnitt 3 in Form

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eines zylindrischen Wärmeaustauscherrohres befindet sich in der öffnung 1b, wobei seine Seite 3a mit der Oberfläche 1a fluchtet oder geringfügig höher steht; der Außendurchmesser des Rohrs 3 ist kleiner als der Innendurchmesser der öffnung 1b. Das Ultraschallwerkzeug 4 ist an einen Ultraschallschwinger 4A angeschlossen, der mittels der Welle 4B beispielsweise in der Einspannvorrichtung eines Maschinenwerkzeuges befestigt sein kann; das im Außendurchmesser etwas größer als der Durchmesser der Öffnung 3b ausgeführte Werkzeug 4 wird achsial auf die Innenöffnung 3b des Rohres 3 ausgerichtet. Der Endabschnitt 4a des Werkzeuges ist so geformt, daß er sich leicht in die öffnung 3b einbringen läßt; wenngleich in der Darstellung eine angerundete Form wiedergegeben ist, können auch andere Formen zweckmäßig sein, so beispielsweise eine spitz zulaufende Form. Der Endabschnitt 3c des Rohres 3 ist in einer Schablone 8 gehalten, die den unteren Teil des Rohres aufnimmt und so angeordnet ist, daß sie das Ende 3a des Rohres mit der Oberfläche la der Rohrplatte bündig hält. Die Schablone selbst liegt an einem Anschlag oder einer S.tütze 5 an, bei welcher es sich um den Arbeitstisch der Werkzeugmaschine handeln kann.

Um das Rohr 3 erfindungsgemäß.mit der Rohrplatte 1 zu verbinden, werden die verschiedenen Teile entsprechend Fig. 1 angeordnet; auf das Werkzeug 4 wird in Richtung des Pfeiles A eine kleine achsiale Kraft ausgeübt, wobei das Werkzeug zu Ultraschallschwingungen in achsialer Richtung angeregt ist und nach unten in das Rohr gesenkt wird, um letzteres nach außen aufzuweiten, so daß es die öffnung 1b und die Senköffnung 2 ausfüllt. Das Werkzeug wird sodann zurückgezogen,

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woraufhin das Rohr 3 in der Rohrplatte zuverlässig befestigt ist, wie es Fig. 2 erkennen läßt. Die Verbindung kann entweder eine ausschließlich mechanische Verriegelung oder eine Verschweißung oder auch eine Kombination von bei dem sein, was von der Intensität der Ultraschallschwingung und den für das Rohr und für die Rohrplatte verwendeten Werkstoffen abhängig ist.

Das Zurückziehen des Werkzeuges 4 wird dadurch erleichtert, daß die Ultraschallschwingung beibehalten wird, bis das Werkzeug entfernt wurde. Man kann ein geeignetes Schmiermittel auf das Werkzeug und/oder in die Bohrung 3b auf- bzw. einbringen, um das Einbringen und das Herausziehen des Werkzeuges zu erleichtern. Die Verwendung der Senköffnung 2 hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, weil es sonst zum Reißen oder Brechen des Rohrendes unter bestimmten Umständen kommen kann.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Herstellung einer Wärmeaustauscherschicht, bei welcher mehrere Rohre vorgesehen sind und beide Endabschnitte jedes Rohres mit entsprechenden Rohrplatten 1 zu verbinden sind, lassen sich Werkzeuge 4 entgegengesetzt auf jeder Seite jedes Rohres einbringen, so daß jedes eine Reaktionskraft gegen die vom jeweils anderen ausgehenden achsialen Kräfte erzeugt, wobei dann ein getrennter Anschlag 5 nicht erforderlich ist. Bei allen vorstehend und nachstehend beschriebenen Ausführungen lassen sich eine Vielzahl von Werkzeugen mit passenden Ul traschall schwingern leicht gleichzeitig verwenden, um einige oder alle Rohre in

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den Rohrplatten einer Rohrschicht in einem einzigen Arbeitsvorgang zu befestigen.

Eine andere Ausführungsform der Befestigung eines oder mehrerer Rohre bei entsprechend beabstandeten Lochplatten ergibt sich aus Fig. 3. In diesem Falle sind Abstandshalter 9 vorgesehen, die an beiden Rohrplatten 1 anliegen und sie zugleich in achsialer Ausrichtung halten, so daß sich die Rohre 3 mit den Rohrplatten in der oben beschriebenen Weise verbinden lassen. Eine der Platten 1 und das untere Ende jeden Rohres 3 stützen sich unmittelbar auf dem feststehenden Anschlag 5 ab; nach Befestigung des oder der Rohre an der oberen Platte und Entfernung des Werkzeuges 4 wird die Anordnung umgekehrt, um eine entsprechende Behandlung der zunächst unteren Platte 1 vornehmen zu können.

Fig. 4 zeigt die Herstellung einer Wärmeaustauscherschicht unter Verwendung von U-förmigen Rohren, deren freie Endabschnitte 3a mit einer gemeinsamen Rohrplatte 1 verbunden werden.

Abstandshalter 10, die den Abstandshaltern 9 in Fig. 3 entsprechen, sind gleichfalls vorgesehen; in diesem Falle greifen die unteren Enden derselben in den festen Anschlag 5 ein, so daß die Rohrplatte auf den oberen Enden der Abstandshalter liegt, wenngleich diese auch noch ggfls. für den Eingriff in die Rohrplatte 1 ausgebildet sein können. Wie sich aus der Zeichnung eVgibt, wird das Werkzeug 4 zunächst in den einen Endabschriitt 3a eingebraucht, um ihn mit der Rohrplatte zu verbinden, und danach zurückgezogen, um dann in den anderen Endabschnitt 3a eingebracht und danach erneut zurückgezogen zu werden. Die Bewegungen sind durch die Pfeile A

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veranschaulicht. Beide Endabschnitte können jedoch gleichzeitig durch Verwendung eines Paars von Werkzeugen befestigt werden; gleichfalls ist es möglich, zur gleichen Zeit mehrere Rohre, wie vorstehend schon beschrieben, zu befestigen.

Die Figuren 5 und 5A zeigen wahlweise Ausführungsformen der Vorrichtung zur Befestigung von Rohrabschnitten in öffnungen eines Gegenstandes; in diesem Falle ist das Rohr im Haltearm 11 eingespannt, der am unbeweglich bleibenden Halter 5 befestigt ist; die Rohrplatte 12 wird auf den Arm 11.über den Endabschnitt des Rohrs 3, mit dem sie zu verbinden ist, gebracht. Die Befestigung des Rohrs an der Rohrplatte erfolgt unter Verwendung eines UltraschallWerkzeuges 4 in der oben beschriebenen Weise.

Die Fig. 6A und 6B zeigen andere Ausführungsformen von Nuten und Senköffnungen in der Rohrplatte 1. Fig. 6A veranschaulicht eine ringförmige Nut 2a, die in der öffnung 1b von der Oberfläche 1a ausgehend nach innen versetzt ist. Während des Einbringens des Werkzeuges 4 wird das Material des Rohrs 3 örtlich in die Nut 2a verdrängt. Man kann mehrere wahlweise Ausbildungen anstelle der Nut 2a vorsehen; beispielsweise läßt sie sich durch mehrere teil ringförmige Aussparungen oder durch in achsialer Richtung Verlängerte Nuten oder dergleichen ersetzen. Wie Fig. 6B zeigt, können auch eine Senköffnung 2 und eine ringförmige Nut 2a bei der gleichen öffnung einer Rohrplatte vorgesehen sei; zählreiche andere Kombinationen dieser Ausführungsformen mit anderen können gleichfalls in Betracht gezogen Werden.

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Zur Schwingungserregung finden bekannte Ultraschallschwinaer Verwendung, wie sie als elektromechanische übertrager üblich sind. Die genauen Abmessungen der öffnung 1b und der Senköffnung 2 in der Rohrplatte 1 und des Werkzeuges 4 werden durch Versuche bestimmt, die von der Größe und vom Material des Rohres sowie von der Ultraschallfrequenz und der Belastung abhängig sind. Wenngleich die bei einer Schicht verwendeten Werkstoffe normalerweise Metalle sind, können auch nichtmetallische Werkstoffe miteinander oder mit Metallen verbunden werden. Die Rohrabschnitte können jeden beliebigen Querschnitt aufweisen.

Es ist bei der Herstellung von Rohrplatten für Wärmeaustauscher üblich, daß die öffnungen in der gewünschten Anordnung durch numerisch gesteuerte Bohrwerke erzeugt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den besonderen Vorteil, daß das Werkzeug 4 sowie der zugehörige Ul traschall schwinger an eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine angeschlossen werden können, so daß sich die Rohrverbindungen mit einer vorhandenen Einrichtung und demgemäß verringerten Kosten herstellen lassen. Die numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine findet üblicherweise zum Bohren von öffnungen in den Rohrplatten in einer bestimmten Anordnung Verwendung; im.Anschluß daran kann die Werkzeugmaschine die Rohrverbindung mit Ultraschal!werkzeugen übernehmen, die in der entsprechenden Bohranordnung vorgesehen werden.

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Claims

2805403 Düsseldorf, den 8. 2. 1978 PL/Ja Reg.-Nr. 3247 SERCK INDUSTRIES LIMITED P.O. Box 598 B, Warwick Road, Birmingham B 11 2QY GROßBRITANNIEN Verfahren und Vorrichtung zum Befestigen eines Rohrabschnittes in der öffnung eines Gegenstandes PATENTANSPRÜCHE:

1.JVerfahren zum Befestigen eines Rohrabschnittes in einer öffnung eines Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrabschnitt in die öffnung innerhalb des Gegenstandes eingebracht und ein Ultraschall-Virbrationswerkzeug mit einer gegenüber der inneren größten Abmessung der öffnung im Rohrabschnitt etwas größeren Querabmessung achsial auf die öffnung ausgerichtet werden, und daß das Werkzeug, während der Rohrabschnitt achsial gehalten ist, mit einer achsialen Kraft beaufschlagt wird, wobei es Ultraschallschwingungen ausführt und in die

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öffnung im Rohrabschnitt unter Expandierung des Rohrabschnittes nach außen gegen die Öffnung des Gegenstandes hineinbewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Senköffnung auf der am Werkzeug liegenden Seite der öffnung des Gegenstandes vorgesehen und der Rohrabschnitt in diese Senköffnung expandiert wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Nut in der öffnung hergestellt wird, und daß der Rohrabschnitt in die Nut oder in die Nuten expandiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut oder die Nuten sich in Umfangsrichtung der öffnung erstrecken.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrabschnitt und die öffnung von kreisförmigem Querschnitt und die Nut oder die Nuten ringförmig ausgeführt werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug in achsialer Richtung die Ultraschal1schwingungen ausführt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschal!schwingungen des Werkzeuges beim Herausziehen des letzteren aus dem Rohrabschnitt aufrechterhalten werden.

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8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden des Rohrabschnittes mit entsprechenden Gegenständen verbunden werden, wobei entsprechende.Werkzeuge entgegengesetzt zueinander in die beiden Öffnungen des Rohrabschnittes derart eingeführt werden, daß jedes Werkzeug eine Reaktionskraft bezüglich der von anderen Werkzeug ausgeübten achsialen Kräfte ausübt.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohrabschnitt von im wesentlichem U-förmigem Verlauf verwendet wird, dessen beide Enden mit einem einzigen Gegenstand gleichzeitig oder aufeinanderfolgend verbunden werden.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrabschnitt beidendig mit entsprechenden Gegenständen verbunden wird, die in dem vorgesehenen Abstand voneinander gehalten werden, wobei eine einseitige Abstützung der Anordnung während des Einbringens des Werkzeuges in den Rohrabschnitt von der anderen Seite erfolgt, und daß die Anordnung gewendet und auf ihrer anderen Seite abgestützt .. wird, während das Werkzeug vom anderen Ende her in den Rohrabschnitt eingeführt wird.

11. Vorrichtung zum Befestigen eines Rohrabschnittes in der Öffnung eines Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halter zum Festhalten einer Rohrstütze in einer gegebenen Stellung und ein Aufnehmer (8,11) für einen Rohrabschnitt, der sich eihendig in einer Öffnung in der RohrstUtze befindet, vorgesehen sind, und daß ein

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mit einem Ul traschall schwinger (4A) versehenes Ultraschall-Vibrationswerkzeug (4) mit einer gegenüber der größten Querabmessung der öffnung im Rohrabschnitt (3) etwas größeren Querabmessung mit einer Kraft in Längsrichtung des Rohrabschnittes (3) beaufschlagbar ist, welches Werkzeug (4) einen Anschlag für einen Angriff am Rohrabschnitt (3) derart besitzt, daß eine Reaktionskraft bezüglich der Kraft besteht, die das Werkzeug (4) auf den Rohrabschnitt (3) zum Zwecke seiner Expandion ausübt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verbindung eines Rohrabschnittes mit entsprechenden öffnungen in einem Paar von achsial beabstandeten Gegenständen Abstandshalter {9,10) für die Abstützung der Gegenstände in der vorgesehenen achsialen Abstandslage während des Einbringens des Werkzeuges (4) in den Rohrabschnitt (3) vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12» dadurch gekennzeichnet, daß für die Verbindung des Rohrabschnittes (3) mit einem Flansch oder einer Platte eine Spannvorrichtung (11) zum Festklemmen des Rohrabschnittes (3) derart vorgesehen ist, daß letzteres auf die öffnung im Gegenstand ausgerichtet ist, wobei die Spannvorrichtung (11) in fester Verbindung mit dem Anschlag steht.

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