DE3507293C2

DE3507293C2 - Verfahren zur Festigkeitssteigerung von einwandigen rohrförmigen Bauteilen, sowie Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE3507293C2
Application number: DE19853507293
Authority: DE
Inventors: Christof Liezen Rabofsky
Original assignee: Voestalpine AG
Current assignee: Ravensburg-Maschinen Ag Flurlingen Ch
Priority date: 1984-03-14
Filing date: 1985-03-01
Publication date: 1987-04-09
Also published as: GB8506584D0; DE3507293A1; GB2155836B; ATA85184A; GB2155836A; AT380417B

Abstract

Zur Festigkeitssteigerung und zum Erhöhen der Innendruckbeständigkeit von einwandigen rohrförmigen Bauteilen wird an der Außenseite des Rohres über einen begrenzten Axialbereich eine Erwärmung vorgenommen, wobei die Erwärmung in Achsrichtung des Rohres fortschreitend durchgeführt wird. Gleichzeitig wird an der Innenseite des Rohres ein radial nach außen gerichteter Druck angewendet, wobei vorzugsweise gleichzeitig mit der Druckbeaufschlagung eine Kühlung der Innenwand des Rohres erfolgt. Zur Erwärmung wird eine Hochfrequenzinduktionsspule in der Längsrichtung des Rohres verschoben. Mit der Innenwand des Rohres wirkt ein in das Rohr eingeschobener zylindrischer Füllkörper (5) zusammen, dessen Mantel zwischen den Dichtungen (6) tragenden Stirnenden auf geringeren Durchmesser abgesetzt ist. Der auf diese Weise gebildete Ringraum (7) wird mit Wasser gefüllt und gekühlt und/oder mit Druckflüssigkeit beaufschlagt (Fig. 1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Festigkeitssteigerung und zum Erhöhen der Innendruckbeständigkeit von einwandigen rohrförmigen Bauteilen wie z. B. Hydraulikzylindern bei dem der äußeren Wandzone eine bleibende Zugspannung und der inneren Wandzone bleibende Druckspannung durch eine in Achsrichtung begrenzte axial weiterbewegte Erwärmung der Außenseite des rohrförigen Bauteiles aufgeprägt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei einem unter Innendruck stehenden Rohr erreichen die Tangentialspannungen an der Innenoberfläche ihren Höchstwert, während die Tangentialspannungen an der Außenfläche mit zunehmender Wandstärke geringer werden. Insbesondere bei dickwandigen Rohren kann somit die Festigkeit des Werkstoffes in den Außenzonen nicht voll ausgenützt werden.
Zur Verbesserung der Werkstoffausnutzung wurde bereits vorgeschlagen, mehrere Rohre ineinander zu schieben, wobei das jeweils äußere Rohr vorgewärmt über ein inneres Rohr geschoben wird. Nach dem Abkühlen schrumpft das äußere Rohr auf das innere Rohr auf und es entstehen im äußeren Rohr Tangentialzugspannungen, wohingegen im inneren Rohr Druckspannungen entstehen. Auf diese Weise können die im Betriebszustand auftretenden Spannungen über den Querschnitt besser verteilt werden. Es ist weiters bereits bekannt, die Innen, zone eines Rohres durch mechanische Verformung, insbesondere durch Flüssigkeits- bzw. Gasdruckbelastung über die Streckgrenze des Werkstoffes hinaus zu belasten und bleibend zu verformen. Bei einer derartigen mechanischen Verformung der Innenzone eines Rohres erfährt die Außenzone eine Aufweitung. Die Spannungen in der Außenzone bleiben meist knapp unter der Streckgrenze und die elastisch verformte Außenzone bewirkt in der Folge eine Druckvorspannung der bleibend verformten Innenzone. Zur Aufbringung der Druckbelastung in der Innenzone des Rohres ist im besonderen bereits ein Rollieren der Innenfläche mit einem speziellen Werkzeug, ein Durchpressen eines Pfropfen mit Übermaß oder ein hydraulisches Kaltrecken durch hohe Drücke im Rohrinneren bekanntgeworden. Für größere Wandstärken sind hierbei insbesondere das hydrauliche Kaltrecken durch Anwendung hoher Drücke oder das Durchpressen eines Pfropfens mit Übermaß geeignet, wobei diesen Verfahren jedoch der Nachteil anhaftet, daß sehr hohe Kräfte bzw. Drücke erforderlich sind, welche einen relativ großen apparativen Aufwand erfordern. Bei Rohren mit abgesetzter bzw. abgestufter Wandstärke lassen sich diese Verfahren jedoch nur mit erhöhtem Aufwand anwenden, da bei derartigen Rohren für die verschiedenen Rohrabschnitte mit gesonderten Drücken bzw. mit unterschiedlichen Pfropfen oder Innenbohrungsanstufung gearbeitet werden muß.
Aus der DE-OS 30 04 872 ist bereits ein Verfahren zur Festigkeitssteigerung und zum Erhöhen der Innendruckbeständigkeit von einwandigen Hochdruckflüssigkeitsrohren bekannt, das von der Grundüberlegung ausgeht, die Druckfestigkeitssteigerung durch die Ausbildung einer bleibenden Zugspannung in der äußeren Wandzone und einer bleibenden Druckspannung in der inneren Wandzone herbeizuführen. Diese dem rohrförmigen Bauteil in seinem Ruhezustand aufgeprägte Vorspannung wird durch eine in Achsrichtung begrenzte axial weiterbewegte Erwärmung der Außenseite des rohrförmigen Bauteiles bewirkt.
Aus der US-PS 29 31 744 ist bereits ein Verfahren bekannt, wonach die Innenseite eines rohrförmigen Bauteiles zur Druckfestigkeitssteigerung einer radial nach außen gerichteten Druckbeanspruchung unterworfen wird, wobei diese Druckbeanspruchung im wesentlichen bei Raumtemperatur vorgenommen wird und eine gesamtheitliche Erwärmung erst nach Abschluß der Innendruckbeanspruchung vorgesehen ist.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem der gewünschte Spannungsverlauf über die Querschnittsfläche der Wand des Rohres besser gesteuert werden kann und bei Addition der Vorspannungen, die durch das Verfahren eingebracht werden, mit den nachfolgenden Betriebsspannungen eine noch gleichmäßigere Spannungsverteilung über den Querschnitt der Wand des Rohres erzielt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemäße Verfahren im wesentlichen darin, daß hierzu gleichzeitig die Innenseite des rohrförmigen Bauteiles über seine gesamte Länge oder über einen Teilbereich derselben einer radial nach außen gerichteten Druckbeanspruchung unterworfen wird. Dadurch, daß die Außenseite des Rohres über einen axial begrenzten Bereich einer Erwärmung unterworfen wird, erfolgt bei der Erwärmung eine Behinderung der Volumenzunahme in Längsrichtung. Die Volumenzunahme durch die Erwärmung wirkt sich somit vorwiegend in einer Vergrößerung des Außendurchmessers aus. Hat diese Vergrößerung des Außendurchmessers bei gleichzeitig vorhandenem Innendruck ein Überschreiten des elastischen Formänderungsvermögens des Werkstoffes in der Innenzone zur Folge, so bewirkt dies eine bleibende Verformung, die beim Abkühlen in der Außenzone zweiachsige Zugspannungen und in der Innenzone zweiachsige Druckspannungen aufbaut. Durch die gleichzeitige Anwendung einer radial nach außen gerichteten Druckbeanspruchung an der Innenseite des Rohres kann die Wärmebeanspruchung an der Außenseite gering gehalten werden, so daß die Erwärmung keine metallurgischen Nachteile mit sich bringt. Grundsätzlich kann die Erwärmung der Außenzone ohne Überschreitung der Elastizitätsgrenze in dieser erfolgen, wobei durch den von innen aufgebauten, radial nach außen gerichteten Druck eine Zugspannung in der Rohrwand aufgebaut wird, welche sich je nach Eindringtiefe der von außen vorgenommenen Erwärmung mehr oder minder weit über den Wandquerschnitt aufbauen läßt. Es läßt sich somit durch gleichzeitige Anwendung von Erwärmung an der Außenseite des Rohres und Druckbeanspruchung an der Innenseite des Rohres eine Vorspannung über die gesamte Wandstärke einstellen, die unter Betriebsdruck eine weitgehend gleichmäßige Belastung der gesamten Wandstärke sicherstellt. Vorzugsweise wird das Verfahren hierbei so durchgeführt, daß die Innenseite des rohrförmigen Bauteiles gleichzeitig mit der Druckbeanspruchung gekühlt wird, wodurch eine weitere Steuerbarkeit der Eindringtiefe der Druck- bzw. Erwärmungsbehandlung gegeben ist. Eine Kühlung der Innenwand während der Erwärmung der Außenwand ist ohne gleichzeitige Druckbeaufschlagung der DE-OS 30 04 872 zu entnehmen.
Die Erwärmung an der Außenseite kann im Temperaturbereich von 100°C bis 600°C, vorzugsweise von 100°C bis 350°C gewählt werden, womit sichergestellt wird, daß keine unerwünschten Gefügeänderungen im Material der Rohrwand auftreten. Zur besseren Steuerbarkeit der Eindringtiefe der Erwärmung wird vorzugsweise die Erwärmung in an sich bekannter Weise induktiv vorgenommen, womit die Möglichkeit geschaffen wird, durch Variation von Stromfrequenz bzw. Induktionsspulenvorschubgeschwindigkeit eine mehr oder minder große Eindringtiefe der Erwärmung vorzugeben. In vorteilhafter Weise wird hierbei die Eindringtiefe auf 20-50% des Materialquerschnittes des rohrförmigen Bauteiles von außen nach innen begrenzt.
In besonders einfacher Weise kann der Innendruck unter gleichzeitiger Kühlung der Innenwand dadurch erzeugt werden, daß Wasser im Inneren des Rohres aufgefroren wird. Die Verwendung von frierendem Wasser zum Erzeugen einer Druckbeanspruchung ist prinzipiell bereits der JP-OS 57-1 77 924 zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist im wesentlichen gekennzeichnet durch eine Hochfrequenzinduktionsspule mit dem Außendurchmesser des rohrförmigen Bauteiles im wesentlichen entsprechendem Innendurchmesser und einem mit der Innenwand dichtend verbindbaren, im wesentlichen zylindrischen, Füllkörper, dessen Mantel zwischen den beiden die Dichtungen tragenden Stirnenden auf geringeren Durchmesser abgesetzt ist, wobei der gebildete Ringrau mit Wasser füllbar und kühlbar und/oder mit Druckflüssigkeit beaufschlagbar ist. Ein derartiger zylindrischer Füllkörper erlaubt die Anwendung des gewünschten Innendruckes über eine vorgegebene axiale Länge des Rohres, so daß in einfacher Weise unterschiedlichen Wandstärken über die axiale Länge des Rohres auch durch Variation des Innendruckes Rechnung getragen werden kann. Eine weitere Möglichkeit der Berücksichtigung unterschiedlicher Wandstärken über die axiale Länge des Rohres wird durch die Verwendung einer Induktionsspule geboten, deren induktiver Erwärmungseffekt im wesentlichen auf die axiale Länge der Spule begrenzt ist, wodurch auch hier über die axiale Länge des Rohres eine unterschiedliche Einstellbarkeit der Erwärmung geboten wird.
In besonders einfacher Weise ist die Vorrichtung so gestaltet, daß die Zuführung für die Druckflüssigkeit als axiale, ein Stirnende durchsetzende Bohrung ausgebildet ist, an welche wenigstens eine radiale, in den auf geringeren Durchmesser abgesetzten Bereich des Mantels mündende Bohrung angeschlossen ist, wobei mit einer derartigen Vorrichtung Druckmittel über einen axial begrenzten Bereich eingepreßt werden kann.
Für die Anwendung des Innendruckes durch Affrieren von Wasser ist die Vorrichtung in besonders vorteilhafter Weise so ausgebildet, daß an beiden Stirnenden des Füllkörpers im Querschnittsbereich außerhalb der Mantelfläche des auf geringeren Durchmesser abgesetzten Bereiches mündende, axial gerichtete Bohrungen für die Zufuhr von Wasser und die Entlüftungdes Ringraumes vorgesehen sind, und daß eine im wesentlichen zentrale, axiale Bohrung für das Durchleiten eines Kühlmediums vorgesehen ist.
In allen Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Stromquelle für die Hochfrequenzinduktionsspule in ihrer Stromstärke und/oder der Frequenz einstellbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und an Hand von Diagrammen über den Zug- und Druckspannungsverlauf über die Wandstärke des Rohres näher erläuert.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine der Darstellung in Fig. 1 analoge Darstellung einer abgewandelten Ausführung der erfindungsgemäßgen Vorrichtung,
Fig. 3 den durch eine Induktionsspule über die Wandstärke erzielbaren Temperaurverlauf,
Fig. 4 bis 8 den Tangentialspannungsverlauf bei Anwendung verschiedener Behandlungsmaßnahmen und
Fig. 9 einen auf diese Weise erzielbaren Tangentialspannungsverlauf unter Betriebsdruck.
In Fig. 1 ist mit 1 die Wand eines Rohres bezeichnet. An der Außenseite dieses Rohres ist eine Induktionsspule 2 angeordnet, welche in Richtung des Pfeiles 3 längs der Achse des Rohres verschiebbar ist. Die Leitungen zur Hochfrequenzquelle sind mit 4 bezeichnet, wobei die Hochfrequenzquelle in an sich bekannter Weise in Stromstärke und Frequenz einstellbar ist.
In das Innere des Rohres 1 ist ein Füllkörper 5 eingeführt, welcher unter Vermittlung von Dichtungen 6 dichtend an der Innenwand des Rohres 1 anliegt. Der Füllkörper ist über einen axialen Bereich a auf einen geringeren Durchmesser b abgesetzt, wodurch ein Ringraum 7 geschaffen wird. Der Füllkörper 5 weist eine axiale Zuführungsbohrung 8 für Drucköl auf, welche über eine radiale Bohrung 9 in den Ringraum 7 mündet. Durch Einpressen von Drucköl in die axiale Bohrung 8 und damit in den Ringraum 7 wird an der Innenseite des Rohres 1 ein Druck aufgebracht und die sich auf Grund dieses Druckes ergebende Kaltverformung der Innenwand des Rohres erstreckt sich über einen Querschnittsbereich der Wand des Rohres 1, welcher durch Anwendung verschiedener Stromstärken bzw. verschiedener Frequenzen in der Hochfrequenzspule 2 weitgehend gesteuert werden kann.
Bei der Ausbildung nach Fig. 2 weist der Füllkörper 5 eine durchgehende axiale Bohrung 10 auf, über welche Kühlmittel durch den Füllkörper 5 hindurchgeleitet werden kann. Der Ringraum 7 ist über zwei, die Stirnwände 11 des Füllkörpers durchsetzende Bohrungen 12 mit einer Wasserzuleitung bzw. einer Wasserableitung oder Entlüftung verbindbar. Der Ringraum 7 läßt sich somit über eine der Bohrungen bzw. Zuleitungen 12 mit Wasser füllen. Nach dem Füllen des Ringraumes 7 mit Wasser kann durch Durchleiten von Kühlmittel über die zentrale Bohrung 10 ein Auffrieren des Wassers bewirkt werden, wodurch der radiale Druck bei gleichzeitiger Kühlung der Innenwand des Rohres erzielt werden kann. Die Induktionsspule ist wiederum mit 2 bezeichnet und im Sinne des Pfeiles 3 mit einstellbarer Vorschubgeschwindigkeit verschiebbar.
Der Innendruck kann auch durch Durchpressen eines Pfropfens mit einem gegenüber dem Bohrungsdurchmesser geringfügigen Übermaß aufgebracht werden. Der Pfropfen und die Induktionsspule müssen dabei synchron vorwärts bewegt werden. Bei geringen Wandstärkenabstufungen kann dabei auf abgestufte Passungsunterschiede in der Bohrung verzichtet werden.
In Fig. 3 ist die Einwirkung der induktiven Erwärmung von der Außenseite des Rohres her veranschaulicht. Über den Wandquerschnitt c wird innerhalb der Wandstärke des Rohres 1 durch die Anwendung von Hochfrequenz ein Temperaturgradient erzielt, welcher zu einer Erwärmung der Außenhaut des Rohres mit entsprechend einstellbarer Eindringtiefe von außen nach innen her verbunden ist. Der entsprechende Tangentialspannungsverlauf im Zustand der Erwärmung, jedoch ohne Anwendung von Druck, ist in Fig. 4 dargestellt. Fig. 5 stellt eine plastische Dehnung im inneren Teilbereich der Wand des Rohres 1 dar und erläutert damit schematisch die Verhältnisse, die sich bei Anwendung von Druck ohne Erwärmung ergeben. Die Verhältnisse, die sich bei gleichzeitiger Erwärmung und Anwendung von Druck bezüglich der Tangentialspannung ergeben, sind in Fig. 6 dargestellt. Die Fig. 7 zeigt den Tangentialspannungsverlauf nach Abkühlung unter Druck, wohingegen die Fig. 8 den durch die Vorbehandlung erzielten Tangentialspannungsverlauf im abgekühlten und drucklosen Zustand darstellt. Wenn nun an der Innenseite des Rohres Betriebsdruck angelegt wird, ist die unter Druckspannung stehende Innenseite des Rohres in hohem Maße in der Lage, dem Betriebsdruck standzuhalten, wobei sich insgesamt der in Fig. 9 dargestellte gleichmäßige Tangentialspannungsverlauf über die gesamte Wandstärke c des Rohres 1 ergibt.

Claims

1. Verfahren zur Festigkeitssteigerung und zum Erhöhen der Innendruckbeständigkeit von einwandigen rohrförmigen Bauteilen, wie z. B. Hydraulikzylinder, bei dem der äußeren Wandzone eine bleibende Zugspannung und der inneren Wandzone eine bleibende Druckspannung durch eine in Achsrichtung begrenzte axial weiterbewegte Erwärmung der Außenseite des rohrförmigen Bauteiles aufgeprägt wird, dadurch gekennzeichnet daß hierzu gleichzeitig die Innenseite des rohrfömigen Bauteiles über seine gesamte Länge oder über einen Teilbereich derselben einer radial nach außen gerichteten Druckbeanspruchung unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite des rohrförmigen Bauteiles gleichzeitig mit der Druckbeanspruchung gekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung an der Außenseite im Temperaturbereich von 100°C bis 600°C gewählt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung induktiv vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe der Erwärmung von außen durch Änderung von Stromstärke und/oder Frequenz und/oder Spulenvorschubgeschwindigkeit einer Hochfrequenzinduktionsspule auf 20-50% des Materialquerschnittes des rohrförmigen Bauteiles begrenzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendruck durch Flüssigkeitsdruck, durch Auffrieren von Wasser oder durch das Durchpressen eines Pfropfens aufgebracht wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Hochfrequenzinduktionsspule (2) mit dem Außendurchmesser des rohrförigen Bauteiles im wesentlichen entsprechenden Innendurchmesser und einem mit der Innenwand dichtend verbindbaren, im wesentlichen zylindrischen Füllkörper (5), dessen Mantel zwischen den beiden die Dichtungen (6) tragenden Stirnenden auf geringeren Durchmesser abgesetzt ist, wobei der gebildete Ringraum (7) mit Wasser füllbar und kühlbar und/oder mit Druckflüssigkeit beaufschlagbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichet, daß die Zuführung für die Druckflüssigkeit als axiale, ein Stirnende durchsetzende Bohrung (8) ausgebildet ist, an welche wenigstens eine radiale, in den auf geringeren Durchmesser abgesetzten Bereich des Mantels mündende Bohrung (9) angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Stirnenden des Füllkörpers im Querschnittsbereich außerhalb der Mantelfläche des auf geringeren Durchmesser abgesetzten Bereiches mündende, axial gerichtete Bohrungen (12) für die Zufuhr von Wasser und die Entlüftung des Ringraumes (7) vorgesehen sind und daß eine im wesentlichen zentrale, axiale Bohrung (10) für das Durchleiten eines Kühlmediums vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle für die Hochfrequenzinduktionsspule (2) in ihrer Stromstärke und/oder der Frequenz einstellbar ist.