DE3604830C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Befesti­ gen eines ein Loch in einer Wand durchsetzenden Rohres an der Wand durch Widerstandsschweißen, bei dem das Rohr zur Bildung eines Kragens aufgeweitet und mit dem Kragen gegen die Wand gedrückt wird, worauf das Wider­ standsschweißen unter Verwendung einer das Rohr umgrei­ fenden, am Kragen anliegenden Elektrode und einer Gegen­ elektrode erfolgt, wobei dem Kragen bei seiner Formung eine Stirnfläche gegeben wird, die der Wandoberfläche entspricht und daher vom Schweißbeginn an eine im wesent­ lichen flächige Anlage erlaubt.

Ein solches Verfahren ist aus der DE-OS 20 03 382 be­ kannt. Allerdings sind hier die Materialien von Wand und Rohr nicht angegeben. Es wird lediglich erwähnt, daß sie aus Metall bestehen.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren (Abstract der JP-OS 55-8 377 in "Patent Abstracts of Japan" Vol. 4 Nr. 33 vom 21. 3. 1985, Seite 148) besteht der Kragen aus einem flachen Wulst, der beim Schweißbeginn längs einer Linie an der Kante der Wandöffnung anliegt und dann beim Schweißen axial zusammengedrückt und dadurch flächig an die Wand angelegt wird. Die Materialien von Rohr und Wand sind nicht angegeben.

Bestünde das Rohr aus Kupfer und die Wand aus Stahl, ergäbe sich keine dichte und feste Verbindung.

Wenn bisher Kupferrohre durch eine Wand hindurchgeführt und dicht an ihr befestigt werden sollten, wurde eine Lötung mittels Silberlot vorgenommen. Dieses Vorgehen ist jedoch teuer, nicht zuletzt wegen des Materialprei­ ses des Silberlots.

JP-OS 60-1 08 183 beschreibt die Befestigung eines Kup­ ferrohres an einer Stahlwand. Zu diesem Zweck erhält das Kupferrohr einen Kragen zur Anlage an der Wand. Zwischen beide Teile muß aber ein aus Messingfolie be­ stehender Ring als Lötmaterial gelegt werden. Die Erwär­ mung erfolgt mit Hilfe einer Heizplatte aus Spezialstahl mit hohem elektrischen Widerstand. Beim Anlegen der Elektroden wird Wärme hauptsächlich in der Heizplatte in der Messingfolie erzeugt, wodurch letztere schmilzt und der Kragen durch Preßschweißung an der Wand befestigt wird. Demnach wird Kupfer hier nicht unmittelbar mit Stahl verschweißt, sondern es ist eine Lötfolie zusätz­ lich erforderlich.

Sudasch, "Schweißtechnik", 1950, Seiten 235 und 318/319 erläutert, daß Punktschweißverbindungen zwischen Stahl und Kupfer bzw. Messing möglich sind, wenn die verschie­ denen Werkstoffe miteinander legiert werden können. Ist das nicht der Fall, kann eine Schweißpunktverbindung durch Zwischenlegen eines Verbindungsmetalls, das mit beiden Stoffen legiert werden kann, geschaffen werden.

Gönner, "Die elektrische Widerstands-Schweißung und ihre praktische Anwendung", Seiten 51, 52 und 72 be­ schreibt, daß sich Kupfer und Stahl gut durch Wider­ standsschweißen verbinden lassen. Außerdem wird zum Punktschweißen von Kupfer eine Elektrode aus Wolfram empfohlen, um ein Ankleben der Elektrode am Blech zu verhindern.

Aus "Resistance Welding Manual", 3. Ausgabe, Vol. I, USA, Seite 241 ist es bekannt, Wolfram oder Molybdän­ elektroden zum Punktschweißen von Kupfer zu verwenden, um zu verhindern, daß die Elektroden mit dem Werkstück verschweißen oder verkleben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren derart abzuwandeln, daß es zum dichten Befestigen eines Kupferrohres an einer Wand aus Eisen oder Stahl geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Verwendung eines Rohres aus Kupfer und einer Wand aus Eisen oder Stahl die Elektrode mit einer Flächenpres­ sung auf den Kragen gedrückt wird, die über der Fließ­ spannung des Kupfers liegt, und ein Abfluß der vom Schweißstrom im Kupferrohr erzeugten Wärme über die Elektrode behindert wird.

Durch die flächige Anlage ergibt sich von Schweißbeginn an eine ringförmige Schweißfläche mit einer definierten Breite. Das bedeutet, daß sich eine Materialschmelze bildet, bei der der innere und der äußere Rand eine Dichtung gegen den Zutritt von Sauerstoff über die Rest­ breite der Schweißfläche bilden. Damit ergibt sich eine Verbindungsstelle, die praktisch keine Oxyde enthält, ähnlich einer in einem Vakuum-Ofen hergestellten Kupfer­ lot-Verbindung. Demzufolge entsteht eine sehr innige, dichte und feste Verbindung. Ein Abfluß der vom Schweiß­ strom im Kupferrohr erzeugten Wärme über die Elektrode wird dabei behindert. Durch diese Behinderung kann die im Kupfer durch den Schweißstrom entstehende Wärme nicht oder nicht so schnell über die Elektrode abfließen.

Es genügen geringere Schweißströme, um das Material an der Übergangsstelle Kupfer-Stahl zum Schmelzen zu bringen. Obwohl die Schweißfläche verhältnismäßig groß ist, genügen Ströme, die das Kupferrohr selbst noch nicht zum Schmelzen bringen. Insbesondere läßt sich der Schweißstrom sehr genau auf den optimalen Wert ein­ stellen.

Außerdem wird die Elektrode mit einer Flächenpressung auf den Kragen gedrückt, die über der Fließspannung des Kupfers liegt. Durch Fließverformung paßt sich die Stirnfläche des Kragens noch besser der Wandoberfläche an, so daß praktisch überhaupt keine Luft mehr zwischen diesen beiden Flächen vorhanden ist, wenn der Schweißvor­ gang beginnt. Außerdem ist dann die Stromverteilung an der Kontaktfläche außerordentlich gleichmäßig.

Insbesondere kann die Flächenpressung etwa 200 Pa oder mehr betragen.

Der Kragen wird vorzugsweise durch Stauchen hergestellt. Auf diese Weise bleibt die Wanddicke des Rohres weit­ gehend erhalten und es besteht keine Gefahr, daß der Kragen schmilzt, bevor die Schweißung erfolgt ist.

Gute Ergebnisse bringt es, wenn ein Kragen mit dem 1,4 bis 1,6fachen Durchmesser des Rohres verwendet wird. Dies gilt insbesondere für Rohre mit einem Durchmesser zwischen 5 und 15 mm.

Es empfiehlt sich, einen Kragen zu verwenden, dessen der zu verschweißenden Stirnfläche gegenüberliegende Stirnfläche eine Konusfläche ist. Hierbei sollte der Konuswinkel etwa 90° betragen. Die Konusfläche bietet eine sichere Anlagefläche für die Elektrode. Die Umbie­ gung am äußeren Rand des Kragens ist nicht so stark, daß ein Reißen des Kupferrohres zu befürchten ist.

Günstig ist es auch, daß ein Kragen verwendet wird, dessen der zu verschweißenden Stirnfläche gegenüberlie­ gende Stirnfläche mit einem Krümmungsradius von minde­ stens 0,8 mm, vorzugsweise 1 mm, in das Rohr übergeht. Dieser allmähliche Übergang fördert ebenfalls die Festig­ keit des Rohres.

Bei einem bevorzugten Anwendungszweck ist dafür gesorgt, daß zur Befestigung eines Ölkühlrohrs in einer Verdich­ terkapsel die beiden Rohrenden vom Kapselinneren her durch zwei Öffnungen in der Kapselwand nach außen gescho­ ben, dort mit den Kragen versehen, bis zur Anlage der Kragen an der Kapselwand zurückgeschoben und dann durch Widerstandsschweißen befestigt werden. Auf diese Weise läßt sich ein Kältemittelverdichter mit gekühltem Öl­ sumpf herstellen, dessen Kapsel nach außen hin herme­ tisch dicht ist.

Vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren eine Elektrode verwendet, die wenigstens teilweise aus schlecht wärme­ leitendem Material besteht. Damit wird der Abfluß der vom Schweißstrom im Kupferrohr erzeugten Wärme über die Elektrode in einfacher Weise behindert.

Insbesondere kann die Elektrode einen das Rohr und/oder den Kragen kontaktierenden Einsatz aus Molybdän auf­ weisen. Molybdän hat eine ausreichende elektrische Leit­ fähigkeit, aber ein sehr geringes Wärmeleitvermögen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Rohr und eine Wand vor dem Schweißvorgang,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Teile der Fig. 1 nach dem Schweißvorgang,

Fig. 3 einen Schnitt in Höhe der Schweißfläche und durch das Rohr der Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch die Elektroden, die an die zu verschweißenden Teile angelegt sind, und

Fig. 5 einen Teilschnitt durch eine Verdichterkapsel.

Gemäß Fig. 1 ist ein Rohr 1, hier ein Rohrstutzen, aus Kupfer mit einem Kragen 2 versehen, der das Rohr in einen äußeren Abschnitt 3 und einen inneren Abschnitt 4 unterteilt. Das Rohr ist in ein Loch 5 einer Wand 6 aus Stahl oder Eisen gesteckt, so daß eine Stirnfläche 7 des Kragens 2 an der Wandoberfläche 8 im Anschluß an den Lochumfang anliegt.

Der Kragen 2 ist durch Stauchen erzeugt. Seine Stirn­ fläche 4 ist der Wandoberfläche 8 angepaßt. Bei einer ebenen Wand ist auch die Stirnfläche 7 eben. Wenn die Wand 6 einfach oder zweifach gekrümmt ist, soll auch die Stirnfläche 7 eine solche Krümmung besitzen. Die der Stirnfläche 7 abgewandte Seite des Kragens 2 ist eine Konusfläche 9 mit einem Konuswinkel α von 90°. Der Übergang von der Konusfläche 9 zum äußeren Abschnitt 3 des Rohres weist einen Krümmungsradius R von beispiels­ weise 1 mm auf. Der Außendurchmesser d ₁ des Kragens 2 beträgt das 1,4- bis 1,6fache, hier das 1,5fache, des Durchmessers d₀ des Rohres 1.

Zum Schweißen werden zwei Elektroden benutzt. Die untere Elektrode 10 liegt an der Wand 6 an. Die obere Elektrode 11 besitzt einen Einsatz 12 aus Molybdän, also einem elektrisch zwar gut leitenden, Wärme aber schlecht lei­ tenden Material. Diese Elektrode weist einen Hohlraum 13 zur Aufnahme des äußeren Abschnitts 3 des Rohres 1 auf und wird axial mit einer Kraft P in Richtung auf die ortsfest angeordnete Gegenelektrode 10 belastet. Hierbei drückt die profilierte Stirnfläche 14 auf die Konusflä­ che 9 des Kragens 2. Die Kraft ist so bemessen, daß sich eine Flächenpressung von 20 kp/mm² ergibt. Dies führt zu einem leichten Fließen des Kupfers im Bereich der Druckzone, also auch an der Stirnfläche 7. Diese paßt sich daher noch besser der Wandoberfläche 8 an. Nun wird der Schweißstrom eingeschaltet. Dieser tritt im wesentlichen über die Konusfläche 9 in den Kragen 2 ein und an der Stirnfläche 7 in das Material der Wand­ fläche 6 über. Die dabei im Kupferrohr entstehende Wärme kann wegen des Molybdäneinsatzes 12 nicht abfließen. Der Wärmestau erleichtert es, daß am Übergang zwischen der Stirnfläche 7 und der Wandoberfläche 8 mit einem für die Kontaktfläche verhältnismäßig geringen Strom eine Materialverflüssigung und damit das Schweißen ein­ tritt.

Das Ergebnis zeigt Fig. 2. Der Kragen 2 ist etwas in die Oberfläche 8 der Wand 6 eingedrückt und hat sich unter dem Einfluß der Kraft der Elektrode 11 verformt. Die Verschweißung erfolgte längs einer Ringfläche 15 mit einer verhältnismäßig großen Ringbreite. Ein metal­ lurgischer Schliff zeigt, daß der Bindungsmechanismus eine Kombination eines Kupferlots, einer Diffusions­ schweißung und einer Einschmelzung von Stahlteilchen in das Kupfer ist. Die Oxydbildung ist fast so gering wie bei Anwendung von Kupferlot in einem Vakuum-Ofen. Offenbar kann kein Sauerstoff mehr an die Schweißfläche gelangen, wenn an ihr praktisch in einem Augenblick das Material verflüssigt wird; und die zuvor an dieser Stelle befindliche Sauerstoffmenge war vernachlässigbar gering.

Insgesamt ergibt sich eine feste und dichte Verbindung. Bei einem Ausführungsbeispiel mit einem Rohrdurchmesser d₀ von 8 mm war die Zugfestigkeit größer als 26 kp/mm². Die Befestigungsstelle war absolut dicht.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist ein Ölkühlrohr 16 im Innern einer Verdichterkapsel 17 angeordnet. Es besitzt zwei Enden 18, von denen lediglich das eine zu sehen ist, weil sich das andere in der Projektion dahinter befindet. Die beiden Enden 18 werden in der Nähe des Bodens von innen her durch Löcher 19 in der Verdichterwand 20 gesteckt. Dann werden sie außerhalb der Kapsel mit dem Kragen 21 versehen und anschließend so weit wieder zurückgezogen, bis der Kragen an der Kapselwand 20 anliegt. Dann erfolgt die in Verbindung mit den Fig. 1 bis 4 beschriebene Schweißung.

Claims (8)

1. Verfahren zum Befestigen eines ein Loch in einer Wand durchsetzenden Rohres an der Wand durch Wider­ standsschweißen, bei dem das Rohr zur Bildung eines Kragens aufgeweitet und mit dem Kragen gegen die Wand gedrückt wird, worauf das Widerstandsschweißen unter Verwendung einer das Rohr umgreifenden, am Kragen anliegenden Elektrode und einer Gegenelektrode erfolgt, wobei dem Kragen bei seiner Formung eine Stirnfläche gegeben wird, die der Wandoberfläche entspricht und daher vom Schweißbeginn an eine im wesentlichen flächige Anlage erlaubt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Verwendung eines Rohres aus Kupfer und einer Wand aus Eisen oder Stahl die Elektrode mit einer Flächenpressung auf den Kragen gedrückt wird, die über der Fließspannung des Kupfers liegt, und ein Abfluß der vom Schweißstrom im Kupferrohr erzeugten Wärme über die Elektrode behindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenpressung etwa 200 Pa oder mehr beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Kragen verwendet wird, dessen der zu verschweißenden Stirnfläche gegenüberliegende Stirn­ fläche eine Konusfläche ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel etwa 90° beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kragen verwendet wird, des­ sen der zu verschweißenden Stirnfläche gegenüberlie­ gende Stirnfläche mit einem Krümmungsradius von minde­ stens 0,8 mm, vorzugsweise 1 mm, in das Rohr übergeht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung eines Ölkühlrohrs in einer Verdichterkapsel die beiden Rohrenden vom Kapselinneren her durch zwei Öffnungen in der Kapsel­ wand nach außen geschoben, dort mit den Kragen verse­ hen, bis zur Anlage der Kragen an der Kapselwand zurückgeschoben und dann durch Widerstandsschweißen befestigt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode verwendet wird, die wenigstens teilweise aus schlecht wärmeleitendem Material besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode einen das Rohr und/oder den Kragen kontaktierenden Einsatz aus Molybdän aufweist.