DE2812884A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbindung zweier teile, insbesondere rohrfoermiger teile - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur verbindung zweier teile, insbesondere rohrfoermiger teileInfo
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Description
Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke
Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber
Dr.-Ing. H. Liska
S MÜNCHEN 86, DEN ρ Ο ^r2 1978
POSTFACH 860 820 C · ' '
MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22
COMMISSARIAT A L1ENERGIE ATOMIQUE
29, rue de la Federation
F-75015 Paris, Frankreich
29, rue de la Federation
F-75015 Paris, Frankreich
Verfahren und Vorrichtung zur Verbindung zweier Teile, insbesondere rohrförmiger Teile
809839/1023
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbindung zweier Metallteile und insbesondere zur Verbindung
eines aus einem harten Metall bestehenden Metallteiles und eines aus einem weichen oder verformbaren
Metall bestehenden Metallteiles. Das erstgenannte Teil kann beispielsweise aus gewöhnlichem Stahl oder rostfreiem
Stahl bestehen, und das zweite Teil kann aus Aluminium oder aus einer der Aluminiumlegierungen bestehen.
Diese beiden Teile können irgendeine Form besitzen, obwohl gemäß einer bevorzugten Ausführungsform diese
beiden Teile eine Rohrform zumindest in ihren Verbindungszonen besitzen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf den Fall, daß zwei Metallteile gemeinsam nach einmal erfolgtem
Zusammenbau eine Rohrleitung bilden, die gegenüber Helium dicht ist und die erhöhten Drucken widersteht.
Es sind bereits viele Verfahren bekannt, die eine dichte Verbindung zwischen zwei Metallteilen herzustellen gestatten.
Zu diesen Verfahren können die folgenden Verfahren aufgeführt werden:
Die Vereinigung durch Reibung. Diese Vereinigung der Einzelteile wird unter der kombinierten Wirkung der Reibung
und der Druckausübung erzielt- Es handelt sich dabei um ein Verschweißen in einer festen Phase, da die Verbindung
das Ergebnis einer Fließpreßoperation ist. Diese Art der Verbindung führt zu guten mechanischen Qualitäten
und zu guter elektrischer Leitfähigkeit (im Falle der Aluminium-Kupfer-Verbindung). Die Möglichkeiten hinsichtlich
der Abmessungen können durch die Leistung der
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Spezialmaschinen begrenzt sein, die man einzusetzen hat, um eine derartige Verbindung zu bewirken, überdies muß
man eine Anzahl von Vorversuchen unternehmen, um die Parameter der Verschweißens zu bestimmen, und zwar entsprechend
jeder Abmessung der Verbindungsteile oder entsprechend dem jeweiligen Material.
- Die VerSinterungen, die dadurch vorgenommen werden, daß
man unter Last ein bestimmtes Profilteil bei Umgebungstemperatur in ein weiches Metallteil eindringen läßt,
welches auf einer relativ hohen Temperatur gehalten ist (bei 5000C im Falle einer Aluminiumlegierung A5, die
einem Aluminium von 99,5% entspricht). Im Augenblick des Erstarrens fließt das weiche Materialindasaus einem
harten Metall bestehende Teil fest ein. Die erzielten Verbindungen sind gegenüber Helium dicht; ihre Druckbeständigkeit
ist jedoch sehr variabel. Sie ist gut bei der A5-Legierung, und sie wird mittelmäßig bei AG3- und
AG5-Legierungen, die 3% bzw. 596 Magnesium enthalten.
Zum anderen hängt die Qualität der Verbindung (mechanische und geometrische Festigkeit) tatsächlich von der
möglichen Verformung des aus einem harten Metall bestehenden Teiles ab. Diese zufällige Verformung ist
abhängig zum einen von den Eindringungskräften und zum anderen von der Anlagegenauigkeit der beiden Teile.
- D.as magnetische Fo rmungs verfahr en. Durch dieses Verfahren
erzielt man das Plattieren eines weichen Metalls auf einem harten Metall unter Ausnutzung starker elektromagnetischer
Felder, die mit Hilfe von Spulen erzeugt werden, in denen die in einem Kondensator gesammelte
Energie entladen wird.
- Djas Reduzieren. Dieses Verfahren kann bei Wärme oder
Kälte mit Hilfe von Spezialmaschinen ausgeführt werden, die eine Oberflächenverformung unter Drehung der Teile
sicherstellen und die deshalb eine Durchmesserreduktioa
bewirken. Die Verbindungen zeigen eine ausgezeichnete Qualität hinsichtlich mechanischer Festigkeit. Dennoch
ist ein sehr spezielles Material erforderlich, um dieses
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Verfahren anzuwenden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Verbindung zweier Metallteile
anzugeben, deren eines aus einem harten Material besteht und deren anderes aus einem weichen oder verformbaren
Material besteht, wobei durch das betreffende Verfahren eine gegenüber Helium dichte Verbindung erzielbar werden
soll, die einen hohen Druck auszuhalten imstande ist, ohne daß irgendeine besondere Vorrichtung zur Ausführung
erforderlich ist. Die verwendete Vorrichtung bzw. Anordnung beschränkt sich auf eine Vorrichtung bzw. Anordnung,
die man üblicherweise in einer mechanischen Werkstatt findet. Genauer gesagt umfaßt dieses Verfahren
eine erste Phase der Bearbeitung des zu verbindenden Endes des aus einem harten Metall bestehenden Teiles
und eine zweite Phase der genauen Verbindung der beiden Teile durch Zusammenschmieden bzw. Verformen.
Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch,
daß in der ersten Stufe das Ende des ersten Teiles in folgender Weise bearbeitet wird: Der Außendur chxae sser
des Endes des betreffenden ersten Teiles wird über eine
durch die Verbindungslänge gegebene Länge vermindert; das betreffende Ende wird in dem Verbindungsbereich
zwischen dem gewöhnlichen Bereich des ersten Teiles und der Verbindungslänge derart bearbeitet, daß das Verbindungsprofil
eine Umlaufoberfläche um die betreffende Verbindungsachse aufweist und einen Einschnitt bildet,
wobei die betreffende Oberfläche, die einen ersten Bereich einer kegelförmigen Fläche^ deren Spitze dem
ersten Teil zugewandt ist und einen Spitzenwinkel von (x besitzt. Außerdem besitzt die kegelförmige Fläche
einen zweiten Teil, dessen Scheitelpunkt dem dem ersten Teil zugewandt ist und dessen Spitzenwinkel gleich /3
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ist. Die beiden Bereiche der kegelförmigen Fläche sind durch eine Hohlkehle miteinander verbunden. Die beiden
Teile werden einer Druckwirkung ausgesetzt, um das Eindringen
der Kante des zweiten Teiles in die Ausnehmung zu erzielen, die in dem ersten Teil vorgesehen ist.
Vorzugsweise ist der Winkel λ größer als der Winkel β
Zur Verbesserung der Verbindung über die Verbindungslänge des ersten Teiles wird vorzugsweise zumindest eine ringförmige
Auskehlung bzw. Nut vorgesehen.
In dem Fall, daß das das zweite Teil bildende relativ weiche Material bei Zimmertemperatur nicht gestaltungsfähig
ist, ist es erforderlich, einen Erwärmungsschritt vor dem Formungsschritt vorzusehen. Demgemäß werden die
beiden Teile auf eine Temperatur erwärmt, bei der das zweite Teil seine Formgebungstemperatur erreicht.
Die Erfindung betrifft in gleicher Weise die Verbindung zweier Teile durch ein Formtreiben des Teiles aus einem
harten Material über die Verbindungslänge, wobei die oben angegebenen äußeren Bearbeitungen vorgenommen weT-den.
Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, auf das
die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.
Fig. 1 zeigt in einem Vertikalschnitt zwei Rohre, die
den Bearbeitungen gemäß der ersten Phase des Verfahrens gemäß der Erfindung unterworfen worden sind.
Fig. 2 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine Anordnung gemäß einer zweiten Phase des Bearbeitungsverfahrens.
Wie bereits dargelegt, umfaßt das Verfahren gemäß der
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Erfindung tatsächlich zwei unterschiedliche und aufeinanderfolgende
Phasen: zum einen umfaßt es die Bearbeitung (im wesentlichen durch Automatenarbeit) des
einen Endes des aus einem harten Metall bestehenden Teiles, und zum anderen umfaßt es die Durchführung der
genannten genauen Verbindung unter Ausübung eines Drucks und unter gegebenenfalls erfolgender Ausübung von Wärme.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 werden die bevorzugten Arbeitseinsätze beschrieben. In Fig. 1 sind zwei Teile
in einer Stellung gezeigt, in.der sie gemäß dem Verfahren nach der Erfindung zusammengesetzt sind. Dabei
handelt es sich insbesondere um ein erstes Rohr A, welches aus einem harten Metall hergestellt ist,
und aus einem zweiten Rohr B, welches . aus einem weichen Metall hergestellt ist. Gemäß diesem Verfahren
erfolgt die Bearbeitung allein an dem Ende, das mit dem aus einem harten Metall bestehenden Rohr A zu verbinden
ist. Das Teil A besitzt einen Innendurchmesser 0^ und einen Außendurchmesser 0_. Dabei wird der Außendurchmesser
0O über die gesamte Verbindungslänge an dem betreffenden
Ende ausgenutzt, die mit C bezeichnet ist. Es läßt sich generell sagen, daß an dem Verbindungsende
C das Teil A derart bearbeitet wird, daß ihm ein Außendurchmesser 0· gegeben wird, der unterhalb des
gewöhnlichen Außendurchmessers 0O des übrigen Bereichs des Teiles A liegt. Dieser Bereich des Außendurchmessers
0' verbindet den normalen Bereich des Teiles A mit dem Außendurchmesser 0a mit einer Verbindungsfläche,
die das Bezugszeichen S trägt. Diese Fläche S ist durch zwei umgekehrte Kegelbereiche begrenzt, deren Achse XX'
mit der Verbindungsachse zusammenfällt. Diese Kegelbereiche sind über einen Bereich mit einer hohlzylindrischen
Fläche tangential miteinander verbunden. In Richtung zu dem Teil A mit dem Außendurchmesser 0. hin findet
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man« .einen Hohlkegel-Spitzenwinkel :λ . In Richtung zu dem
Bereich des Teiles A mit dem verminderten Außendurchmesser 0· findet man einen kegelförmigen Flächenteil
mit einem Spitzenwinkel ,3 . Diese beiden Bereiche der kegelförmigen Fläche sind durch eine Zylinderfläche T
oder durch eine Auskehlung miteinander verbunden, und die Achse XX1 ist mit diesen beiden kegelförmigen Flächen,
deren Spitzenwinkel ^ und ß beträgt, tangential verbunden. Damit kann festgestellt werden, daß die Verbindungsfläche
S zwischen dem Bereich mit dem Außendurchmesser 0e des Teiles A und der Verbindungslänge C
desselben Teiles eine das Bezugszeichen 0 tragende Hohlkehle schafft. Vorzugsweise ist der Spitzenwinkel .χ
größer als der Spitzenwinkel ß . Der freie Rand des Verbindungsbereichs C des Teiles A ist durch eine erste
kegelförmige Fläche C, und durch eine zweite volle kegelförmige Fläche C2 begrenzt. In seinem übrigen Teil
ist der Verbindungsbereich C des Teiles A mit Umlaufhohlkehlen um die Achse XX1, vie mit der Hohlkehle G,
versehen. Diese Hohlkehlen sind vorzugsweise durch zwei umgedrehte kegelförmige Flächen G^ bzw. G^ festgelegt.
Von diesen beiden Flächen verläuft die Fläche G2 deutlich
rechtwinklig zur Achse XX1, d.h., daß dieser vorliegenden
kegelförmigen Fläche ein Spitzenwinkel gegeben ist, der sehr nahe bei 90° liegt.
Wie weiter unten noch ersichtlich werden wird, wird nach dem Erwärmungsvorgang und dem Druckausübungsvorgang das
Verbindungsende des zweiten verformbaren Teiles B völlig den entfernten Raum bei dem Teil A in der Verbindungszone C ausfüllen.
Der Grund für das besondere Interesse an einerderartigeη
Verbindungsart kann unter anderem in geeigneter Weise in der sehr einfachen Realisierung angegeben werden. Wenn
die Verbindung auf der Innenseite einem Druck ausgesetzt
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wird, d.h. auf der Innenseite der Rohre, die durch die
zusammenzusetzenden Teile A und B gebildet sind, dann bilden sich in Längsrichtung und in tangentialer Richtung
Radialspannungen aus. Die Radialspannungen werden zum einen in dem übrigen Bereich der Teile durch eine
richtige Bemessung der Dicken aufgenommen und zum anderen in Höhe der Verbindung, d.h. über die Länge C,
durch die gegenseitige Umschnürung der Teile bei der Verbindung unter Wärme. In Längsrichtung sind die Belastungen
(insbesondere die Hauptwirkungen) in folgender Weise aufgenommen:
- Durch die Reibungswirkungen, die sich aufgrund der Reibung des Teiles A auf dem Teil B ergeben* wobei
die Reibung unterschiedliche Ausdehnungswirkungen hervorruft;
- durch die Abscherwirkungen der Metallränder, die gegenüber dem Teil B freiliegen, welches in die
ringförmigen Einkerbungen G eingelagert ist, die in dem Teil A vorgesehen sind;
- durch die Biegescherwirkungen, die in Höhe der Einkerbung S entstehen, welche durch die Kegelspitzenwinkel
λ und β festgelegt ist. Tatsächlich wirkt
diese Anordnung und insbesondere der dem Kegelspitzenwinkel * entsprechende äußere Rand wie eine Zange,
deren Öffnung durch die Anordnung blockiert ist, die durch den Kegelspitzenwinkel β festgelegt ist. Diese
Anordnung erscheint daher als wesentliche Anordnung.
Gemäß einem bezeichnenden Ausführungsbeispiel halten Teile mit einem Durchmesser von 32 mm nach Ausführung dieses
Verfahrens einen inneren Druck von 600 Bar aus. Die Untersuchungen mit Helium hinsichtlich der Dichtigkeit
und der Röntgenuntersuchungen sind ausgezeichnet ausgefallen.
Aufgrund von Zerreißversuchen, die an gemäß dem Verfahren
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der Erfindung miteinander verbundenen Teilen durchgeführt worden sind, hat sich gezeigt, daß der Beginn der Zerstörung
nicht in Höhe der Verbindung zwischen den Teilen auftritt, sondern in dem normalen Bereich dieser Teile.
In Fig. 2 ist die zweite Phase des Verfahrens veranschaulicht, die die Bearbeitungs- oder Automatenarbeitsoperation
zeigt. Die beiden zusammenzufügenden Teile A und B werden, wie oben ausgeführt, in einem Ofen einer
Temperatur in der Größenordnung von 4620C unterworfen.
Dabei dürfte ersehtlich sein, daß diese Temperatur von
der Eigenschaft des verformbaren Metalls abhängt} aus welchem das Teil B besteht.Wenn die Teile-Temperatur gleichmäßig
ist, wird die gesamte Anordnung in einer Presse aufgenom«
men, die in Fig. 2 symbolisch durch die Platte P dargestellt ist, und die Pfeile F veranschaulichen die Wirkung
der beweglichen Platte der Presse unter Verbindung der Teile miteinander» Die bevorzugte Arbeitsweise soll schnell
sein im Falle von Teilen mit kleinen. Abmessungen* um
einen zu großen Wärmeverlust zn vermeiden«
Wie bereits ausgeführt, ist die Erwärmungsstufe nicht
notwendig. Wenn das erste Teil beispielsweise aus rost=
freiem Stahl besteht und wenn das zweite Teil aus Blei besteht, wird der Formungsvorgang unmittelbar ausgeführt«
Andererseits können andere Metallpaare verwendet werden»
So können gewöhnlicher Stahl mit Magnesium oder Aluminium, Molybdän und Magnesium erwähnt werden.
Bei Teilen, die unter den normalen Gebrauchsbedingungen starken Beanspruchungen untenvorfen sein werden, ist es
von Vorteil, eine Stahlarmierung H auf dem Teil aus einem weichen Metall anzuordnen9 d.h. auf dem Teil B, und die
Anordnung einem schwachen Druck am Ende der Verbindungsoperation
auszusetzen. In sämtlichen Fällen wird die
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Abkühlung an der Atmosphäre bei Zimmertemperatur bewirkt.
Diese Abkühlung kann dadurch beschleunigt werden, daß das Teil mit der höchsten Leitfähigkeit unter thermischem
Gesichtspunkt in Wasser eingetaucht wird.
Die so erhaltene Anordnung zeigt sehr gute Dichtigkeitseigenschaften gegenüber einer Druckdifferenz zwischen
Fluids, die innerhalb und außerhalb der miteinander verbundenen rohrförmigen Teile vorhanden sind. Genauer
gesagt ist die Dichtigkeit für den Fall sichergestellt, daß das in den rohrförmigen Teilen zirkulierende Fluid
mit einem sehr hohen Druck in bezug auf die Außenseite auftritt oder daß umgekehrt im Innern ein stark verminder
ter Druck in bezug auf die Außenseite vorhanden ist.
Ein derartiges Verbindungsverfahren zur Verbindung
zweier metallischer Teile kann insbesondere bei der Schaffung einer Abstrahlungsvorrichtung verwendet werden,
in der eine Aluminiumhülse (Teil B), die bei einem hohen Druck und bei einer hohen Temperatur arbeitet, mit einer
Anschlußanordnung aus rostfreiem Stahl (Teil A) verbunden sein muß. Es dürfte einzusehen sein, daß andere
Arten der Verbindung in dem Augenblick realisiert werden bzw. sein können, daß die beiden Teile aus Metall sind,
wobei das eine Metallteil weich und das andere Metallteil hart ist. Eine derartige Verbindung ist in sofern von
besonderem Interesse, als sie keine Klammern oder den Preis erhöhende Anschlußverbindungen erfordert. Die betreffende
Verbindung empfiehlt sich insbesondere bei der industriellen Behandlung von zu lösenden Problemen bei
der Zirkulation von Gas, Dampf oder einer Flüssigkeit oder bei der Behandlung von Problemen, die auf dem Gebiet
der Supraleittechnik liegen. Die erfindungsgemäße Verbindung bringt in gleicher Weise den Vorteil mit sich,
daß sie eine Verbindung durch Schweißung mit den damit verbundenen Nachteilen vermeidet.
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Claims (12)
- 2912884Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. FinckeDipl.-Ing. F. AAVeιckmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska8 MÜNCHEN 86, DENPOSTFACH S60S20MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 9S 39 21/22PatentansprücheVerfahren zur Verbindung zweier Teile, insbesondere rohrförmiger Teile, deren erstes aus einem harten Material, insbesondere Metall, besteht und deren zweites aus einem verformbaren Material, insbesondere Metall, besteht, wobei die beiden Teile eine gemeinsame Verbindungsachse besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Stufe das erste Teil (A) an seinem einen Ende über eine durch eine Verbindungslänge (C) gegebene Länge in seinem Außendurchmesser derart vermindert wird, daß das betreffende Ende im Übergangsbereich zu dem übrigen Bereich des ersten Teiles (A) ein Verbindungsprofil mit einer Umlauffläche um die Verbindungsachse (XXf) und eine Ausnehmungsanordnung (G) erhält, wobei die Umlauffläche durch einen ersten kegelförmigen Flächenteil, dessen Spitze dem ersten Teil (A) zugewandt ist und dessen Spitzenwinkel eine Größe von 7\ besitzt, und durch einen zweiten kegelförmigen Flächenteil begrenzt wird, dessen Spitze dem ersten Teil (A) zugewandt ist und dessen Spitzenwinkel eine Größe von β besitzt, und wobei die beiden kegelförmigen Flächenteile über eine Hohlkehle (0) miteinander verbunden sindjund daß in einer zweiten Stufe die beiden Teile (A,B) einer solchen Druckwirkung ausgesetzt werden, daß der Rand des zweiten Teiles (B) in die in dem ersten Teil (A) gebildete Hohlkehle (0) eingedrückt wird.809839/1023
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel cX größer als der Winkel /3 gemacht wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungslänge (C) bei dem ersten Teil (A) zumindest mit einer ringförmigen Ausnehmung (G) versehen wird.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die über die Verbindungslänge vorgesehenen Ausnehm_ungen (G) durch zwei Bereiche mit nach innen gerichteten kegelförmigen Flächen begrenzt werden.
- 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spitzenwinkel des einen kegelförmigen Flächenteiles ein Wert von ca.90°gegeben wird.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor einer Druckausübung auf die Teile (A,B) diese Teile (A,B) derart erwärmt werden, daß das zweite Teil (B) auf seine Verformungstemperatur gebracht wird.
- 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil (A) aus Stahl hergestellt wird und daß das zweite Teil (B) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt wird.
- 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.zum Verbinden zweier rohrförmiger Teile, deren erstes Teil aus einem harten Material besteht und deren zweites Teil aus einem verformbaren Material besteht, wobei die beiden Teile eine gemeinsame Verbindungsachse609839/1023besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (0O) des ersten Teiles (A) über eine durch einen Verbindungsbereich (C) gegebene Länge im Durchmesser vermindert ist, daß der übrige Bereich des ersten Teiles (A) mit dessen Verbindungsbereich (C) mit einem Verbindungsprofil versehen ist, welches durch eine Verbindungsfläche gebildet ist und eine Ausnehmungsanordnung (G) aufweist, daß die Verbindungsfläche durch einen erstenmit
Bereich/einer kegelförmigen Fläche, deren Spitze dem ersten Teil (A) zugewandt ist und deren Spitzenwinkel eine Größe von <x besitzt,und durch einen zweiten kegelförmigen Flächenteil begrenzt ist, dessen Spitze dem ersten Teil (A) zugewandt ist und dessen Spitzenwinkel ß beträgt, daß die beiden kegelförmigen Flächenbereiche über eine Ausnehmung (O) miteinander verbunden sind und daß das Yerbindungsende des zweiten Teiles (B) den gesamten Raum ausfüllt, der durch Bearbeitung des Verbindungsbereichs (C) des ersten Teiles (A) geschaffen ist. - 9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel <x größer ist als der Winkel β .
- 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil (A) über seine Verbindungslänge (C) zumindest eine äußere ringförmige Ausnehmung (G) aufweist.
- 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die über die Verbindungslänge (C) jeweils vorgesehenen ringförmigen Ausnehmungen (G) durch zwei nach innen gerichtete kegelförmige Flächen (QI,52) gebildet sind.809839/1023
- 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenvrinkel des einen kegelförmigen Flächenbereichs nahe bei 90° liegt.809839/1023
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