DE3929491A1 - Verfahren zur konstruktion von werkzeugen fuer das arbeiten mit stosswellen erzeugenden energiequellen - Google Patents

Description

Stoßwellen-Energiequellen, wie Explosivstoffe, Schießpulver, explosive Gase, elektrische Funkenentladungen oder magnetische Felder werden in einer Anzahl bekannter Verfahren benutzt, um nützliche Arbeit zu leisten, wie beispielsweise das Schweißen, das Formen oder das Zusammenpressen von Metallen und anderen Materialien.

Eines der ernstesten Probleme bei all diesen Arbeitsmethoden besteht darin, daß das Werkzeug eine kurze Nutzungsdauer hat.

Das Material, aus dem das Werkzeug hergestellt ist, ermüdet schnell als Ergeb­ nis der Stoßwellen, die in das Werkzeug eindringen und die von den freien Ober­ flächen des Werkzeugs in Form von Zugkraftwellen reflektiert werden.

Obwohl die Mehrheit der Materialien, aus denen solche Werkzeuge hergestellt werden, sehr hohe Druckkräfte aushalten können, sind sie gegenüber Zugkräften empfindlicher.

Die Erfindung schafft ein Verfahren, das die Wirkung reflektierter Stoßkraftwellen vermeidet oder wenigstens vermindert, wodurch die Nutzungsdauer des Werkzeugs wesentlich verlängert wird.

Der Erfinder hat festgestellt, daß beim Eindringen von Stoßwellen in poröses Material die Wellen durch Interferenz und Reflexion von den Wänden der in dem Material vorhandenen Hohlräume gebrochen werden. Eine Reflexion von der freien Oberfläche des porösen Materials tritt fast niemals auf. Wenn man eine solche Reflexion theoretisch betrachtet, sieht man, daß die Druckamplitude sehr niedrig ist und daß die Impuls-Anstiegszeit sehr lang ist in Vergleich zu entsprechenden Werten, die man bei einem homogenen Material erhält. Diese Phänomene beruhen auf dem auftretenden Energieverlust und der radikal auf­ gebrochenen Wellenform. Dies wird beispielsweise durch die Tatsache veran­ schaulicht, daß man keinen Erfolg erreicht, wenn man poröse Materialien mit Ultraschall testet, und zwar aufgrund der Tatsache, daß man keine Reflexion erhält.

Eine Druckwelle, die in ein homogenes Material eintritt, wird durch die freie Oberfläche des Materials in Form einer Zugkraftwelle reflektiert, d. h. von der Grenzfläche gegen ein leichteres Material. Wenn das Material an ein Material angrenzt, das die gleiche Stoßwellenimpedanz (Dichte × Lichtge­ schwindigkeit) hat, wandert die Druckwelle auf natürliche Weise weiter und geht in das Material hinein, wobei keine Reflexion stattfindet.

Die Erfindung beruht auf dem Konzept, mit dem Werkzeugmaterial ein poröses Material in Berührung zu bringen, das etwa die gleiche Dichte hat wie das Werkzeugmaterial, so daß die Druckwelle in das poröse Material eindringt und dort zusammenbricht.

Dies verhindert das Auftreten von Reflexion und Bewegung oder von Zugkräften in dem Werkzeugmaterial.

Durch Konstruktion eines Material-Laminats, das eine sich allmählich ver­ ändernde Stoßwellenimpedanz aufweist, ist es möglich, eine kraftvolle oder energiereiche Reflexion der Welle von der freien Oberfläche zu eliminieren und statt dessen eine Sequenz oder Reihe von Reflexionen mit niedriger Amplitude zu erhalten.

Dieses Verfahren ist jedoch teuer, und es ergibt eine sehr viel klobigere oder massivere Konstruktion als nach der Erfindung.

Erfindungsgemäß weist das verwendete poröse Material mehrere Schichten von Kugeln oder sphärischen Körpern auf, die aus dem gleichen Material wie oder aus einem schwereren Material als das Material hergestellt sind, aus dem das Werkzeug hergestellt ist. Wenn z. B. das Werkzeug aus Stahl hergestellt wird, können Stahlkugeln verwendet werden.

Ein ähnlicher Effekt kann erreicht werden durch Verwendung einer Schichtkon­ struktion aus vielen Drähten anstelle der Kugeln.

Es wurde jedoch gefunden, daß eine Konstruktion, in der Kugeln verwendet wurden, eine bessere Wirksamkeit ergab.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschrei­ bung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.

Fig. 1 veranschaulicht die Erfindung bei der Anwendung auf Explosions­ schweißtechniken;

Fig. 2 veranschaulicht die Erfindung bei der Anwendung auf Formtechniken.

Fig. 1 veranschaulicht die prinzipielle Anwendung der Erfindung beim Explo­ sionsschweißen (inneres Verkleiden oder Beschichten von Rohren). Die Bezugs­ ziffer 1 bezeichnet das eigentliche Werkzeug, die Bezugsziffer 2 bezeichnet das Ausgangsrohrmaterial, und die Bezugsziffer 3 bezeichnet die Rohraus­ kleidung. Eine explosive Ladung 4 beschleunigt die Rohrauskleidung 3 gegen das Rohrmaterial 2, um so eine Explosionsschweißverbindung zu erzielen. Mehrere Lagen von Stahlkugeln 5 sind in einem Behälter 6 enthalten.

Fig. 2 veranschaulicht die Erfindung bem Explosionsformen. Ein Werkstück 7 ist oberhalb eines Werkzeugs 8 angeordnet. Mit Hilfe einer Wassermasse 9, die in einem Wassergefäß 10 enthalten ist, wird ein Stoßwellenimpuls von einer explosiven Ladung 11 auf das Werkstück 7 übertragen, das infolgedessen nach unten in den Formhohlraum des Werkzeugs 8 gedrückt oder gedrängt wird. In einem Behälter 13 sind Stahlkugeln 12 angeordnet.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Stahlkugeln in die Be­ hälter 6 bzw. 13 gepackt, und die zwischen benachbarten Kugeln gebildeten Hohlräume sind mit Luft gefüllt.

Alternativ können die Stahlkugeln in ein Kunststoffmaterial eingebettet sein oder in ein anderes Material, das eine niedrige Stoßwellenimpedanz hat. Je leichter jedoch das in den Hohlräumen zwischen den Kugeln enthaltene Medium ist, desto wirksamer wird Energie von der Stoßwelle abgezogen. Dies trifft besonders auf ein gasförmiges Medium zu, das zusammengedrückt wird und das Druckenergie in Wärme umwandelt.

In Fig. 1 ist die explosive Ladung 4, die anfänglich die ganze innere Oberfläche des Auskleidungsrohrs bedeckte, bereits etwas von rechts nach links in Fig. 1 abgebrannt.

Claims (6)

1. Verfahren zum Konstruieren und zum Herstellen eines Werkzeugs für das Arbeiten mit Stoßwellen erzeugenden Energiequellen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein poröses Material in Berührung mit dem eigentlichen Werkzeugmaterial gebracht wird, so daß eine in das Werkzeugmaterial eingeleitete Stoßwelle in das poröse Material übertreten kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material etwa die gleiche Stoßwellenimpedanz hat wie das Werkzeugma­ terial und Körper aufweist, die so gestaltet sind, daß sie zwischen sich Hohlräume bilden, wenn sie zusammengepackt sind.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume in dem porösen Material mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt sind.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume in dem porösen Material mit einem Kunststoffmaterial oder irgendeinem anderen festen Material gefüllt sind, das eine ge­ ringere Dichte hat als das Material, aus dem die Körper bestehen oder gebildet sind.

5. Werkzeug für das Arbeiten mit Stoßwellen, dadurch gekennzeichnet, daß in Berührung mit dem Werkzeugmaterial ein poröses Material angeordnet ist.

6. Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material aus Kugeln, insbesondere Stahlkugeln, besteht.