DE4436016C2

DE4436016C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Befüllen und Verschließen von Druckbehältern

Info

Publication number: DE4436016C2
Application number: DE19944436016
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl Ing Simanowski
Original assignee: KUKA Schweissanlagen GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 1994-10-08
Filing date: 1994-10-08
Publication date: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2014-10-09
Also published as: DE4436016A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Befüllen und Verschließen von Druckbehältern mit einem Fluid und den Merkmalen im Oberbegriff des Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruches.

Aus der US 2,685,383 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Befüllen einer Gaspatrone unter Druck und zum anschließenden Verschließen der Füllöffnung mittels eines angeschweißten Verschlusses bekannt. Der Verschluß liegt während des Füllvorganges lose auf der Gaspatrone auf und befindet sich in der Einfüllöffnung. Die Befüllung muß durch den Verschluß hindurch erfolgen, der zu diesem Zweck mehrere Distanzstege aufweist. Durch diese Anordnung des Verschlusses soll die zentrische Verschlußlage sichergestellt werden, damit die Verschlußränder nirgends über den Patronenhals vorstehen. Der Verschluß wird nach dem Befüllen durch ein Kontaktschweißverfahren mit elektrischem Strom unter Einsatz zweier Elektroden mit der Patrone verbunden. Die vorerwähnten Stege an der Verschlußkappe sind außer zum Zentrieren und Befüllen auch für die Schweißverbindung wichtig. Sie bringen die für das Kontaktschweißen notwendige Flächen- und Stromkonzentration. Die Befüllung des Druckbehälters erfolgt durch eine Druckkammer, die während des gesamten Füll- und Schweißvorganges am Druckbehälter verbleibt und dort fest angepreßt wird. Die Druckkammer besitzt einen seitlichen Stichkanal, der in einen großen Freiraum oberhalb des Patronenhalses mündet. Der Stichkanal wird durch separate Ventile geöffnet und geschlossen.

Die DE 28 11 786 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einfüllen eines Gases in einen Behälter mit anschließendem Zuschweißen der Füllöffnung. Hierbei ist kein separater Verschluß vorhanden. Ein Stück der Behälterwand ist an der Füllstelle abgetrennt und ausgebogen. Es wird nach dem Befüllen wieder zugedrückt und angeschweißt. Zum Befüllen des Druckbehälters ist ebenfalls eine Druckkammer vorhanden, die während des gesamten Füll- und Schweißvorganges an den Druckbehälter angepreßt wird. Die Gaszufuhr erfolgt durch einen seitlichen Stichkanal, der in einen großen Freiraum der Druckkammer mündet und durch separate Ventile geöffnet und geschlossen wird. Das Zuschweißen des Druckbehälters erfolgt durch eine angepreßte Elektrode mit einem Kontaktschweißverfahren. Hierbei besteht das Problem, daß die beim Freischneiden der Füllöffnung bzw. des ausgebogenen Behälterteils entstehenden Spalte beim Schweißen verschlossen werden müssen.

In der Praxis ist es ferner bekannt, in die Füllöffnung des Druckbehälters ein Gewinde zu schneiden und einen Schraubverschluß einzusetzen. Der Schraubverschluß ist mit einem Ventil ausgestattet, durch das anschließend der Druckbehälter befüllt werden kann. Diese Anordnung ist bau- und kostenaufwendig.

In DE-Z: KUKA Schweißtechnik 10. 1975, Nr. 19 sind Voraussetzungen und Möglichkeiten des Reibstumpfschweißens anhand von unterschiedlichen Bauteilen beschrieben.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zum Befüllen und dichten Verschließen eines Druckbehälters aufzuzeigen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruch.

Der Druckbehälter wird zuerst mit dem Fluid befüllt und anschließend mit dem Verschluß versehen, wobei der Verschluß durch Reibschweißen befestigt wird. Diese Technik ist einfach, schnell und kostengünstig. Das Reibschweißen gestattet es, den Behälter während des Verschließens abzudichten und den Innendruck aufrecht zu erhalten. Dies ist besser als mit anderen Schweißverfahren möglich. Der Druckbehälter ist am Ende dauerhaft dicht, was sich auch zielsicher prüfen läßt. Von Vorteil ist, daß die Befüllung und das Verschließen des Druckbehälters in der gleichen Maschine und in einem Arbeitsgang durchgeführt werden können. Durch das Reibschweißen sind besonders kurze und schnelle Arbeitsabläufe möglich.

Die Reibschweißvorrichtung weist eine Druckkammer auf, durch die sowohl die Befüllung des Druckbehälters erfolgt, als auch der Verschluß mit einem zum Reibschweißwerkzeug gehörigen Halter zugeführt wird. Die Druckkammer hält die Druck- und Fluidverluste sehr gering. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann sie sehr klein und wenig bauaufwendig sein. Während des Reibschweißvorganges erfolgt die Abdichtung des Druckbehälters durch den eingesetzten und angepreßten Verschluß.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine schematische Übersichtsdarstellung einer Reibschweißvorrichtung mit einer Füllvorrichtung für das Fluid und

Fig. 2 bis 6 die einzelnen Verfahrensschritte beim Befüllen und Verschließen des Druckbehälters in abgebrochener und vergrößerter Detailansicht.

Fig. 1 zeigt eine Reibschweißvorrichtung (1) mit einer Füllvorrichtung (11), die zum Befüllen und Verschließen von Druckbehältern (2) mit einem Fluid dient. Die Druckbehälter (2) können beliebig ausgestaltet und für beliebige Fluide vorgesehen sein. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich um flaschenförmige Gasgeneratoren für Airbags, die mit einem Gas unter hohem Druck von z. B. 270 bar befüllt werden.

Der Druckbehälter (2) ist bis auf eine vorzugsweise stirnseitige Füllöffnung (3) allseitig geschlossen. Er ist in der Reibschweißvorrichtung (1) in einem Spannfutter (18) gehalten und bleibt während des Reibschweißvorganges vorzugsweise stehen. Durch die Füllöffnung (3) wird das Fluid mittels der Füllvorrichtung (11) zugeführt. Danach wird die Füllöffnung (3) durch einen eingesetzten oder aufgesetzten Verschluß (4) verschlossen, der durch Reibschweißen am Druckbehälter (2) befestigt wird.

Der Verschluß (4) hat vorzugsweise eine Stufenform und besitzt einen vorstehenden zylindrischen Ansatz (5) mit einer stirnseitigen Fase und einen breiteren Bund (6). Der Ansatz (5) ist an die Form und Größe der Füllöffnung (3) angepaßt. Er hat für den Reibschweißvorgang im Durchmesser ein gewisses Übermaß und erlaubt einen formschlüssigen Einsatz des Verschlusses (4) in der Füllöffnung (3).

Die Reibschweißverbindung entsteht am Ansatz (5), der in die Füllöffnung (3) ein kleines Stück eintaucht und mit der schrägen Fase an den Öffnungsrand gepreßt und in der bekannten Reibschweißtechnik durch Drehung unter Entwicklung von Reibungswärme plastifiziert und eingerieben wird. Dabei weitet der Ansatz (5) die Füllöffnung (3) trichterförmig auf, wodurch sich eine breitflächige dichte Anlage und Schweißverbindung ergibt. Anschließend erfolgt im Stillstand des Verschlusses (4) ein Stauchdruck. Der Schweißwulst kann unter dem Bund (6) aufgenommen werden.

Wie Fig. 2 verdeutlicht, wird der Verschluß (4) durch eine geeignete und nichtdargestellte Zuführvorrichtung in einen Halter (7) eingesetzt, der mit der Spindel (9) der Reibschweißvorrichtung (1) verbunden ist. Die Spindel (9) führt im gezeigten Ausführungsbeispiel die Dreh- und Stauchbewegung gegenüber dem stehenden Druckbehälter (2) aus. Die Kinematik kann alternativ auch vertauscht sein.

Der Halter (7) weist am stirnseitigen Ende eine geeignete Aufnahme zur lösbaren Befestigung des Verschlusses (4) auf. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine prismatische Fassung, in die der Verschluß (4) mit seinem ebenfalls prismatischen Bund (6) formschlüssig eingesetzt wird. Die Aufnahme kann ansonsten aber auch beliebig anders gestaltet sein.

Die Reibschweißvorrichtung (1) weist ferner eine Druckkammer (12) auf, die z. B. die Form eines Zylinderrohres hat und koaxial zur Füllöffnung (3) ausgerichtet ist. Durch die Innenbohrung (13) der Druckkammer (12) erstreckt sich der Halter (7) mit einem vorzugsweise zylindrischen Schaft (8). Der Schaft (8) ist drehbeweglich und axialbeweglich in der Druckkammer (12) geführt. Die Druckkammer (12) weist außerdem einen Antrieb (nicht dargestellt) auf, mit dem sie axial gegenüber dem Druckbehälter (2) vor- und zurückbewegt werden kann.

An der Stirnseite der Druckkammer (12) ist rund um die Innenbohrung (13) eine ringförmige Dichtung (15) angeordnet, die mit dem Boden des Druckbehälters (2) zusammenwirkt. Am rückwärtigen Ende ist im Innenbohrungsbereich eine weitere ringförmige Dichtung (16) angeordnet, die mit dem Schaft (8) zusammenwirkt. Der Schaft (8) hat am rückwärtigen Ende eine konusartige Verjüngung (10), die in gewissen Halterstellungen die Dichtung (16) freigibt.

Am vorderen Ende weist die Druckkammer (12) einen quer durch den Mantel verlaufenden Stichkanal (14) auf. Er steht über eine geeignete Leitung (17) mit der Füllvorrichtung (11) in Verbindung und dient zur Einspeisung des Fluids.

Nach dem in Fig. 2 bis 6 gezeigten Verfahrensablauf wird zunächst der Verschluß (4) in die Aufnahme des Halters (7) eingesteckt. Dabei ragt der Halter (7) nach vorne aus der Druckkammer (12) heraus. Fig. 2 verdeutlicht diese Anfangsstellung.

Alternativ kann der Halter (7) auch nach hinten aus der Druckkammer (12) gefahren und extern mit dem Verschluß bestückt werden. Gegebenenfalls kann der Halter (7) am Vorderende ebenfalls eine konusartige Verjüngung aufweisen.

Gemäß Fig. 3 werden dann die Druckkammer (12) und der Halter (7) an den Boden des Druckbehälters (2) herangeführt. Der vorstehende Halter (7) kann mit seinem Schaft (8) den Stichkanal (14) überdecken und verschließen.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Füllstellung bleibt zunächst der Halter (7) mit dem Verschluß (4) stehen und ist von der Füllöffnung (3) distanziert. Die Druckkammer (12) wird gegenüber dem Halter (7) vorgeschoben und steht mit ihrer stirnseitigen Dichtung (15) am Behälterboden dichtend an. In dieser Stellung ist der Stichkanal (14) frei. Der Schaft (8) liegt dichtend an der hinteren Ringdichtung (16) an. Das Fluid wird von der Füllvorrichtung (11) über den Stichkanal (14) und den vorderen freien Bereich der Innenbohrung (13) durch die Füllöffnung (3) in den Druckbehälter (2) gespeist. Die rund um die Füllöffnung (3) liegende Dichtung (15) und die hintere Dichtung (16) verhindern Druck- und Fluidverluste.

Sobald der Füllvorgang beendet ist, schiebt die Spindel (9) den Halter (7) gemäß Fig. 5 vor, wobei der Verschluß (4) mit seinem Ansatz (5) bzw. der Fase in die Füllöffnung (3) formschlüssig eingeführt wird und in der vorbeschriebenen Weise bereit ist für den Reibschweißvorgang.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird gemäß Fig. 6 vor Beginn des Reibschweißvorganges die Druckkammer (12) zurückgezogen. Dies ist vorteilhaft, um die Dichtung (16) zu entlasten. Bei der in Fig. 6 gezeigten Rückzugsstellung wird der Druckbehälter (2) durch den eingesetzten und angepreßten Verschluß (4) abgedichtet.

Im nächsten Schritt startet der Reibschweißprozeß, wobei sich der Halter (7) in der Druckkammer (12) in der eingangs beschriebenen Weise dreht und anschließend auch den Stauchhub ausführt. Mit Beginn der Drehung und der Plastifizierung der Werkstoffe erfolgt über die Formanpassung und Anlage von Ansatz (5) und Füllöffnung (3) sofort ein hochdichter Abschluß des Druckbehälters (2). Der Reibschweißvorgang benötigt sehr wenig Zeit im Millisekundenbereich, was ebenfalls zur Minimierung der Druckverluste beiträgt.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Stellung des Halters (7) befindet sich die Verjüngung (10) wieder im Bereich der rückwärtigen Dichtung (16), so daß bei der Reibschweißdrehung und dem Stauchhub kein Kontakt zwischen Schaft (8) und Dichtung (16) besteht und Verschleiß sowie Beschädigung vermieden werden.

Nach Beendigung des Reibschweißprozesses fahren die Druckkammer (12) und der Halter (7) in die in Fig. 2 gezeigte Ausgangsstellung zurück. Der fertig befüllte und verschlossene Druckbehälter (2) wird gegen einen leeren Behälter ausgetauscht und ein neuer Verschluß (4) in den Halter (7) eingesetzt. Danach startet der Füll- und Verschlußvorgang wieder von neuem.

Abwandlungen des gezeigten Ausführungsbeispiels sind in verschiedener Weise möglich. Zum einen kann der Druckbehälter (2) statt der gezeigten Flaschenform auch eine beliebige andere Gestalt haben, wobei sich die Füllöffnung auch an einer anderen Stelle als am Behälterboden befinden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Verschluß (4) als massiver Stopfen ausgeführt. Er kann alternativ auch einen Auslaß, ein Ventil oder dergleichen besitzen. In oder am Verschluß können auch andere Vorrichtungen angeordnet sein, z. B. eine Zünd- oder Sprengvorrichtung. Der Verschluß kann außerdem in der äußeren Form variieren und z. B. plan am Behälterboden angesetzt und angeschweißt werden. Abwandlungen sind auch in der Gestaltung des Halters, seines Schaftes oder der Spindel sowie der Druckkammer möglich.

Bezugszeichenliste

1

Reibschweißvorrichtung

2

Druckbehälter, Gasgenerator

3

Füllöffnung

4

Verschluß

5

Ansatz

6

Bund

7

Halter

8

Schaft

9

Spindel

10

Verjüngung, Konus

11

Füllvorrichtung

12

Druckkammer

13

Innenbohrung

14

Stichkanal

15

Dichtung stirnseitig

16

Dichtung Innenbohrung

17

Schlauch

18

Spannfutter

Claims

1. Verfahren zum Befüllen und Verschließen von Druckbehältern mit einem Fluid, wobei der mit einer Füllöffnung versehene Druckbehälter aus einer den Verschluß und die Füllöffnung dichtend umgebenden beweglichen Druckkammer mit dem Fluid unter Druck befüllt wird und anschließend der Verschluß durch eine Schweißverbindung in der Füllöffnung befestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß (4) in der Füllöffnung (3) durch Reibschweißen befestigt wird, wobei der Druckbehälter (2) zunächst bei dichtend anstehender Druckkammer (12) und zurückgezogenem Verschluß (4) befüllt wird, der Verschluß (4) anschließend dichtend auf die Füllöffnung (3) gesetzt wird und die Druckkammer (12) dann beim Reibschweißen von der Füllöffnung (3) entfernt wird.

2. Vorrichtung zum Befüllen und Verschließen von Druckbehältern mit einem Fluid, wobei der mit einer Füllöffnung versehene Druckbehälter, eine die Füllöffnung umgebende bewegliche Druckkammer und ein Verschluß in einer Schweißvorrichtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißvorrichtung als Reibschweißvorrichtung (1) ausgebildet ist und einen relativ zum Druckbehälter (2) axial und drehbeweglichen angetriebenen Halter (7) zur Führung des Verschlusses (4) aufweist, wobei die Druckkammer (12) eine Innenbohrung (13) aufweist, in der der Halter (7) mit dem Verschluß (4) beweglich und dichtend geführt ist und die Druckkammer (12) einen seitlichen Stichkanal (14) zur Fluideinspeisung besitzt, der vom Halter (7) in der Füllstellung geöffnet und in der Schweißstellung verschlossen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stichkanal (14) am vorderen Ende der Druckkammer (12) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (7) eine Aufnahme zur lösbaren Befestigung des Verschlusses (4) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (7) einen in der Innenbohrung (13) dichtend geführten Schaft (8) aufweist, der am rückwärtigen Ende eine konusartige Verjüngung (10) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß (4) einen an die Füllöffnung (3) angepaßten Ansatz (5) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß (4) einen Bund (6) zur drehschlüssigen Aufnahme am Halter (7) aufweist.