DE2805545B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Druckverschweißen mindestens eines Rohres mit einer Platte - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Druckverschweißen mindestens eines Rohres mit einer PlatteInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Druckverschweißen
mindestens eines Rohres mit einer Platte, bei dem das Rohr eine bestimmte Strecke in eine Bohrung
in der Platte eingeschoben und dann das Material des Rohres mit Hilfe eines Domes, der in das Rohr
eingebracht ist, unter hohem Druck über die Wandfläche
der Bohrung verteilt und, eine Schweißverbindung bildend, gegen die Wand gedrückt wird.
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art werden
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art werden
is das Rohr und der in dieses geschobene Dom von einer
Seite her in die Bohrung eingeschoben. Das Rohr ist in
seinem äußeren Endteil, der sich in der Bohrung
befindet, mit einem nach innen gerichteter., konisch
vergrößerten Rand versehen. Wenn der Dom weiter in
das Rohr eingeschoben wird, wird das Material dieses
Randes verformt und gegen die Innenwand der Bohrung gedrückt, so daß eine Druckverschweißung entsteht Ein
erheblicher Nachteil besteht im Falle eines nach innen gerichteten konischen Randes am Ende des Rohres
darin, daß der Dom von dem Rohrende aus durch das Rohr geschoben werden muß, das. von der Platte
abgewandt ist In &2Γ Praxis ist dies nur bei sehr kurzen
Rohrstücken möglich. Bei langen oder gebogenen Rohren, wie sie beispielsweise für Wärmeaustauscher
und Kaskadenrohrsysteme benutzt werden, mit denen Ultrazentrifugen in sogenannten Anreicherungsanlagen
verbunden werden, ist es schwierig, nach diesem Verfahren zu arbeiten, weil der Dom nicht von der Seite
der Platte aus in das Rohr eingeschoben und durch die volle Rohrlänge geschoben werden kann.
Es ist jedoch auch ohne den nach innen gerichteten konischen Rand möglich, eine Verschweißung zu
bewirken, beispielsweise durch Verwendung eines Profildornes, um den das Material >erum verformt wird,
wenn der Dom zurückgefahren wird, um eine Verschweißung zu bewirken (FR-PS 6 33 615). Mit
einem Profildorn ist es möglich, diesen von der Seite der Platte aus in das Rohr einzubringen. Dieses Verfahren
des Durchführen des Materials durch die Bohrung hat jedoch den Nachteil, daß der Dorn durch das anhaftende
Material stark verschmutzt wird oder daß Verschweißungen am Dom dessen regelmäßiges Reinigen
erfordern. In beiden Fällen entsteht der Druck während des Verformungsvorganges aufgrund der Tatsache, daß
so der Dom das Material gegen das Plattenmaterial treibt. In beiden Fällen erfolgt jedoch auch eine erhebliche
Verringerung der Wandstärke des Rohres. Versuche haben gezeigt daß die Wandstärke des Rohres im
Bereich der Verschweißung erheblich verringert wird.
Bei einem Aluminiumrohr mit einer Wandstärke von einem Millimeter wird diese auf etwa 03 mm im Bereich
der Verschweißung reduziert. Selbst wenn als Ausgangsmaterial ein Rohr mit einer Wandstärke von 2 bis
3 mm gewählt wird, überschreitet die Wandstärke des verformten Rohres im Bereich der Verschweißung den
Wert von etwa 0,3 mm nicht viel. Ist eine Vergrößerung der Wandstärke erforderlich, so ist es unmöglich, nach
diesem Verfahren zu arbeiten. Dieses bekannte Verfahren ist jedoch in vielen Fällen brauchbar.
Bezüglich der Festigkeit wird aber ein Verfahren bevorzugt, bsi dem nur eine minimale Verringerung der
Wandstärke entsteht.
Bei einem anderen bekannten Verfahren zum
Bei einem anderen bekannten Verfahren zum
Kaltpreßverschweißen zweier metallischer Bauteile
(DE-AS 2264613) wird der Druck während des
Verformungsvorganges dadurch erreicht, daß durch Niederhalter auf die dfe Bohrung umgebende Oberfläche
der Platte eine Kraft ausgeübt wird, durch die infolge einer radialen Komponente eine Reibwirkung
zwischen der metallischen Oberfläche des einen Bauteils
mit der Wandung der Bohrung ergibt Die radial gerichtete Kntft und die axial gerichtete Reibung
zwischen Zapfen und Bohrung führen zu einer VerschweiQung zwischen dem Zapfen und der Platte.
Ein derartiges Verfahren läßt sich jedoch nur dann anwenden, wenn es sich um Zapfen und nicht um Rohre
handelt, die mit der Platte verschweißt werden sollen.
Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzusehen, durch das die genannten
Probleme beseitigt werden.
Dieses Verfahren ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Platte und das eine bestimmte
Strecke in die Bohrung eingeschobene Rohr in einen Stempel und in ein Formwerkzeug eingesetzt werden,
die die Platte an fast allen Seiten abstützen, wobei der Stempel und das Formwerkzeug mit gegenüberliegenden
fluchtenden Durchtrittsöffnungen für das Rohr und den Dorn versehen sind und wobei der Dorn einen
solchen Durchmesser hat, daß er in die Platte mit einer engen Toleranz eine solche Strecke einschiebbar ist, daß
das Ende des Domes im Rohr innerhalb der Durchtrittsöffnung im Stempel liegt, anschließend durch
das Formwerkzeug und den Stempel ein Druck auf die Platte ausgeübt wird, derart, daß diese und der Endteil
des Rohres verformt werden, wobei in der Nähe der Bohrung liegendes Material der Platte und das Material
des sich in der Bohrung befindenden Endteiles des Rohres mit erheblicher Kraft unter Verformung gegen
den Dorn gepreßt werden und schließlich der Dorn unter Aufrechterhaltung des auf die Platte ausgeübten
Drucke$_aus der Bohrung heraus zurückgezogen wird, so daß das Material des Endteiles des Rohres über die
Wandflächc der Bohrung in Rückzugsrichtung des Domes, eine Schweißverbindung bildend, verteilt wird.
Ein typisches Merkmal von Schweißstellen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden,
besteht darin, daß die Schweißverbindung eine erhebliche Länge hat Bei Rohren mit einem Durchmesser von
etwa 10 mm und einer Wandstärke von 1 mm kann die Länge der Schweißverbindung sogar bis zu 20 mm
betragen, was die Betriebssicherheit erhöht und was im Falle von schnellen Temperaturänderungen, denen die
Rohrwand über ein Medium im Rohr ausgesetzt wird, nicht zu Spannungen führt, die in einem Bruch enden.
Wenn auf die Platte fast kein Druck ausgeübt wird, erfolgt ebenfalls eine Verringerung der Rohrwandstärke,
ehe das Verschweißen beginnt. Zur Beseitigung dieses Nachteils Vann nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung der Druck derart aufrechterhalten werden, daß während des Zurückziehens des Domes in
Abhängigkeit vom Material keine Verringerung der Wandstärke des Rohres im Anfangsbereich der
Schweißverbindung erfolgt
Eine Erhöhung der Temperatur der Platte und des Rohres kann den Verschweißungsvorgang beschleunigen,
d. h. mit einer Temperaturerhöhung kann der Druck auf die Platte und das Rohr geringer sein und die
Kraft, durch die der Dorn aus der Bohrung herausgezogen wird, reduziert sich. Oute Ergebnisse werden z. B.
dadurch erreicht, daß (Ί\ Material, wenn es sich um
Aluminium handelt, auf 300 bis 5000C während des
Das Verfahren ist besonders sur Herstellung einer
großen Zahl von Rohren in einer Platte in einem einzigen Arbeitsgang geeignet, wobei der Vorteil
besteht, daß die Schweißstellen der verschiedenen Rohresich nicht gegenseitig beeinflussen.
Erforderlichenfalls kann die Bohrung in der Platte zuvor im Bereich des eingesetzten Endteiles des Rohres
vergrößert werden. Dabei muß der Endteil des Rohres stramm in den vergrößerten Bereich der Bohrung in der
Platte passen. Die Stirnfläche des Endteiles des Rohres legt sich dann gegen die Schulter, die durch den nicht
vergrößerten Bereich der Bohrung gebildet ist
Die Erfindung betrifft femer eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens. Diese Vorrichtung ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch ein
Formwerkzeug mit einem durch einen hochgezogenen Rand gebildeten Formraum zur Aufnahme einer Platte,
wobei der Boden des Formwerkzeuges mit mindestens einer Durchtrittsöffnung zum Einstr^n eines Endteiles
eines Rohres bzw. eines Domes in das Formwerkzeug und in eine mit der Durchtrittsöffnung 4 fluchtende
Bohrung der Platte versehen ist einen Stempel mit einer mit der Durchtrittsöffnung 4 im Formwerkzeug
fluchtenden Durchtrittsöffnung zum Einstecken eines Domes bzw. eines Endteiles eines Rohres in den
Stempel und in die Bohrung der Platte, wobei der Dom mit enger Toleranz durch die Durchtrittsöffnung im
Stempel in den Formraum einschiebb^r ist Einrichtungen
zum Pressen der Platte und des Endteiles des in diese eingesetzten Rohres zwischen dem Stempel und
dem Formwerkzeug und durch Einrichtungen zum Zurückziehen des Domes aus dem Endteil des Rohres
unter Aufrechterhaltung des Druckes.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert, in der eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens teilweise im Schnitt und teilweise in Ansicht
dargestellt ist
Eine runde Platte 1 ist in einem Formwerkzeug eic gelegt, das durch einen zylindrischen Teil 12 und
einen flachen Teil 2 gebildet ist Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel bildet die
Platte 1 einen Flansch für ein Rohr 3, das an der Platte 1 zu befestigen ist Die Platte 1 und das Rohr 3 können aus
Aluminium oder einem anderen Material oder aus Verbindungen von Werkstoffen bestehen, die sich
schwer verbinden lassen oder durch Schmelzverschweißung überhaupt nicht verbunden werden können.
Soll das erfindungsgemääc Verfahren zum Verbinden
von Rohren mit >iiner als Flansch dienenden Platte verwendet werden, die mit Ultrazentrifugen in Urantnreicherungsanlagen
zu verbinden sind, werden im allgemeinen drei Rohre an einem runden Flansch angebracht, der anschließend mit der Zentrifuge zu
verbinden ist Die bisher verwendeten Verfahren sind entweder zu teuer oder zu unzuverlässig. Ein erheblicher
Nachteil dieser bekannten Verfahren besteht darin, daß der Abstand zwischen den mit der Platte zu
verbindenden Rohren zu groß sein muß. Selbst bei Wärmetauschern kann eine Verringerung des Teilkreises,
d. h. des Abstandes zwischen den P.ohrtn sicherlich den Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers verbessern.
Der Nachteil bei den bekannten Verfahren liegt in dem Abstand zwischen den einzelnen Rohren, der zur
Ausübung der Verfahren erforderlich ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Verschweißune selbst dann vorgenommen werden,
wenn nur ein schmales Band von etwa 1,5 bis 2 mm zwischen den Bohrungen vorhanden ist, ohne daß
irgendeine Qualitätsminderung der Verschweißung erfolgt. Druckverschweißungen zwischen dem Rohr 3
und der Platte 1 sind in sehr einfacher und schneller Weise und mit hoher Güte möglich, wobei der Abstand
zwischen den Rohren sehr klein sein kann.
Das Formwerkzeug 2,12 ist mit einer Durchtrittsöffnung
4 versehen, die mit einer Bohrung 5 in der Platte 1 fluchtet und die einen kleineren Durchmesser als die
Bohrung S hat. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist die Platte I mit einer Bohrung S
und das Formwerkzeug mit einer Durchtrittsöffnung 4 versehen. Bei dem vorgenannten Beispiel, bei dem drei
Rohre mit einer Platte zu verbinden sind, liegen die Bohrungen beispielsweise in den Ecken eines gedachten
gleichseitigen Dreiecks, sind jedoch auch in Abhängigkeil
vom Zweck, für den sie vorgesehen sind, in einer
1 inip mnplirh
Ist die Platte 1 und das in die Bohrung S in dieser eine
bestimmte Strecke eingeschobene Rohr 3 in das Formwerkzeug 2, 12 eingelegt, wird ein Stempel 8 auf
die Oberseite der Platte 1 gesetzt. Dieser Stempel ist mit einer Durchtrittsöffnung 9 versehen, die eng um das
Rohr 3 paßt, um zu verhindern, daß Material der Platte 1 zwischen den Stempel 8 und das Rohr 3 gedrückt wird.
Ein Dorn 10 wird aufwärts in den flachen Formwerkzeugteil
2 durch die Durchtrittsöffnung 4 hindurch in die Platte I und durch die Bohrung 5 geschoben, bis sein
vorderer Teil ausreichend weit in den Teil des Rohres 3 hineinragt, der in der Durchtrittsöffnung 9 des Stempels
8 liegt. Vorzugsweise paßt der Dorn gleitend, jedoch ohne Spiel in die Durchtrittsöffnung 4 des Formwerkzeuges
2. um zusätzlich zu verhindern, daß Material der Platte I zwischen dem Dorn 10 und das Formwerkzeug
2 gedruckt wird. Außerdem soll ein möglichst geringes
Spiel zwischen der Mantelfläche des Domes 10 und der !r.ner.wand des Rohres 3 vorhanden sein.
Der flache Teil 2 des Formwerkzeuges ruht auf einem Isolierring 11. der auf einem Tisch 13 aufliegt, um eine
übermäßige Erwärmung des Tisches zu verhindern, wenn das Material der Vorrichtung erhitzt wird. Ein
Druckelement 14 drückt auf den Stempel 8.
Die Verbindung des Rohres mit der Platte 1 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt wie nachstehend
beschrieben:
Der Stempel 8 wird durch das Druckelement gegen die Platte 1 unter Abstützung des Formwerkzeuges 2,12
auf den Tisch 13 mit einer solchen Kraft gedrückt, daß das Material der Platte 1 und der Teil des Rohres 3 in
der Bohrung der Platte einer Belastung unterworfen werden, die bis zur plastischen Verformung des
Materials der Platte 1 und des Rohres 3 führt.
Während der plastischen Verformung der Platte 1 wird deren Material so lange in den Raum gepreßt, der
zwischen dem Dom 10 und der Innenwand der Bohrung 3 verbleibt, bis dieser ringförmige Hohlraum mit dem
Material der Platte gefüllt worden ist. Unter der Materialbelastung und Materialverformung wird unter
Aufrechterhaltung eines von der Art des Werkstoffes abhängigen Druckes der Dorn 10 anschließend nach
unten aus der Bohrung 3 in der Platte 1 herausgezogen. Dabei wird ein Teil des Materials det Rohres von dessen
Endteil in der Platte 1 mit abwärts gezogen und über das Material der Platte 1 ausgebreitet, während der
Streckpunkt des Rohr- und Plattenmaterials überschritten wird, und das Rohrmaterial wird nun gegen den
Dorn 10 im zuvor ringförmigen Raum zwischen den Dorn 10 und der Innenwand 6 der Bohrung 5 gedruckt.
Dabei wird das Material der Platte 1 wieder zurückgedrückt. Die Begrenzung zwischen dem Material
der Platte 1 und demjenigen des Rohres 3 ist durch die unterbrochene Linie 15 angedeutet.
Die Schweißverbindung zwischen dem Rohr 3 und der Platte 1 verläuft von einem Bereich in der Nähe des
unteren Endes des sich in seiner Ausgangslage befindenden Rohres 3 abwärts zu der auf dem flachen
Teil 2 des Formwerkzeuges aufliegenden Oberfläche der Platte I hin. Das Rohr 3 ist somit mit der Platte I
über eine verhältnismäßig lange Strecke verbunden worden. Auf diese Weise liegt der Spalt zwischen dem
Rohr 3 und der Bohrung 5 in der Platte 1. der in der
Zeichnung an der oberen Seite der Platte 1 dargestellt ist. nicM an der Seite, die mit irgendwelchen Substanzen
in Verbindung kommen kann, die in den Spalt eindringen könnten. Somit ist die Gefahr einer
Korrosion vermieden. An der in der Zeichnung unten dargestellten Seite entsteht kein Spalt, so daß die dort
vorhandenen Substanzen keine Möglichkeit zum Eindringen haben. Folglich ist diese Verbindung besonders
für Hochvakuumsysteme geeignet.
Bei bestimmten Materialarten kann zusätzlich eine Ultraschallvibration auf den Dorn 10 ausgeübt werden,
durch die eine Oxidhaut, die sich bilden könnte, zerstört wird, so daß ein Verschweißen bei niedrigeren Drücken
vorgenommen werden kann. Um eine ordnungsgemäße Verbindung zwischen dem Rohr und der Platte
entstehen zu lassen, ist eine saubere Fläche der aneinanderliegenden Teile zweckdienlich, jedoch nicht
für alle Werkstoffe erforderlich. In der Zeichnung ist der zylindrische Teil 12 des Formwerkzeuges an der
Innenseite nach oben hin etwas konisch erweitert, um das Material der Platte 1 während des Pressens
aufnehmen zu können. Durch die konische Erweiterung kann der Flansch leichter aus dem Formraum des
Formwerkzeuges herausgenommen werden.
Es ist klar, daß anstelle der im Ausführungsb^spiel
beschriebenen Rohre auch nichtzylindrische Rohre nach demselben Verfahren mit einer Platte verschweißt
werden können, die Bohrungen hat die an den Querschnitt der Rohre angepaßt sind.
Claims (4)
1. Verfahren sum Druckverschweißen mindestens
eines Rohres mit einer Platte, bei dem das Rohr eine
bestimmte Strecke in eine Bohrung in der Platte eingeschoben und dann das Material des Rohres mit
Hilfe eines Domes, der in das Rohr eingebracht ist, unter hohem Druck, über die Wandfläche der
Bohrung verteilt, gegen die Wandfläche der Bohrung gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Platte und das eine bestimmte Strecke in die Bohrung eingeschobene Rohr in einen
Stempel und in ein Formwerkzeug eingesetzt werden, die die Platte an fast allen Seiten abstützen,
wobei der Stempel und das Formwerkzeug mit gegenüberliegenden fluchtenden Durchtrittsöffnungen
für das Rohr und den Dorn versehen sind und wobei der Dorn einen solchen Durchmesser hat, daß
er mit ei«=: engen Toleranz in die Platte eine solche
Strecke etnsehiebbar ist, daß dzs Ende dss Domes
im Rohr innerhalb der Durchtrittsöffnung im Stempel liegt, anschließend durch das Formwerkzeug
und den Stempel ein Druck auf die Platte ausgeübt wird derart, daß- diese und der Endteil des
Rohres verformt werden, wobei in der Nähe der Bohrung liegendes Material" der Platte und das
Material des sich in der Bohrung befindenden Endteiles des Rohres mit erheblicher Kraft unter
Materialverformung gegen den Dom gepreßt werden und schließlich der Dom unter Aufrechterhaltung
des auf die Platte ausgeübten Druckes aus der Bohrung zurückgezogen wird, so daß das
Material des Endteftes des Rohres über die Wandfläche der Bohrung in Rjckzugsrichtung des
Domes, eine Schweißverbindung bildend, verteilt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Druck derart aufrechterhalten wird, daß während des Zurückziehens des Domes in
Abhängigkeit vom Material keine Verringerung der Wandstärke des Rohres im Anfangsbereich der
Schweißverbindung erfolgt
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung im voraus im Bereich des
einzusetzenden Endteiles des Rohres vergrößert wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet
durch ein Formwerkzeug (2) mit einem durch einen hochgezogenen Rand (12) gebildeten Formraum zur
Aufnahme einer Platte (1), wobei der Boden des Formwerkzeuges (2) mit mindestens einer Durch*
trittsöffnung (4) zum Einstecken eines Endteiles eines Rohres (3) und eines Domes (10) in das
Formwerkzeug und in eine mit der Durchtrittsöffnung (4) fluchtende Bohrung (5) in der Platte (1)
versehen ist, einen Stempel (8) mit einer mit der Durchtrittsöffnung (4) im Formwerkzeug (2) fluchtenden
Durchtrittsöffnung (9) zum Einstecken eines Domes (10) und eines Endteiles eines Rohres (3) in
dem Stempel (8) und in die Bohrung (5) der Platte (1), wobei der Dorn (10) mit enger Toleranz durch die
Durchtrittsöffnung (9) im Stempel (8) in den Formraum einschiebbar ist, Einrichtungen zum
Pressen der Platte (1) und des Endteiles des in diese eingesetzten Rohres (3) zwischen dem Stempel (8)
und dem Formwerkzeug (2) und durch Mittel zum Zmflck?iehen des Dornes aus dem Endteif des
Rohrcs(3)HnterAufrechterhaItungdes Druckes,
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