DE69732204T2

DE69732204T2 - Tank und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69732204T2
Application number: DE69732204T
Authority: DE
Inventors: Clifford C. Bampton
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1997-09-23
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2017-09-24
Also published as: JPH10160097A; JP3892119B2; EP0833097B1; EP0833097A2; CN1184905A; KR100505347B1; KR19980025021A; US5697511A; EP0833097A3; DE69732204D1; CN1080851C; CA2215121A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf das Schweißen von Tanks. Sie bezieht sich insbesondere auf den Zusammenbau von unter Druck stehenden Tanks aus einer Aluminiumlegierung unter Benutzung von Reibrührschweißtechnologie.
Hintergrundtechnik
Die US-A-5,262,252 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters, wobei ein Schweißring zwischen jedem Ende der Hülle positioniert wird. Eine Schweißnaht wird hergestellt, welche den Schweißring mit dem Kopf und der Hülle verbindet. Der automatische Druckbehälter enthält eine Vielzahl von Zellenmodulen für eine Metalloxid-Wasserstoffbatterie.
Schweißtechnologie ist wohlbekannt. Beispielsweise wurden Festkörperschweißverfahren wie Diffusionsschweißen als spezialisierte Verfahren für bestimmte einzigartige metallurgische Anwendungen benutzt. Reibschweißen ist ein Festkörperverbindungsverfahren, welches ein Zusammenwachsen durch die Hitze, welche sich zwischen zwei Oberflächen durch eine mechanisch induzierte Reibbewegung entwickelte, hervorruft. Reibschweißen weist bestimmte grundlegende Beschränkungen auf, unter welchen die Vorbereitung und die Ausrichtung der Werkstücke, welche kritisch sein kann, um gleichförmiges Reiben und Aufheizen insbesondere bei großen Durchmessern zu entwickeln, sind. Daher sind trotz der vielen verschiedenen Arten von Schweißtechnologieverfahren, welche in der Vergangenheit und Gegenwart benutzt wurden, technische Probleme beim Verbinden von hochfesten Aluminiumlegierungen als primäre Beschränkung sowohl für die breitere Implementierung von Aluminium in Automobilstrukturen als auch bei der weiteren Verbesserung von Kosten- und Gewichtsersparnissen bei Aluminiumstrukturen in der Luftfahrt erkannt.
Ein neues als Reibrührschweißen bezeichnetes Verfahren bietet ein einzigartiges und revolutionäres Verfahren zum Verbinden von Aluminiumlegierungen, was eine neue Ausgestaltung bei Produktionsschweißgelegenheiten insbesondere für niedrigpreisige Hochleistungsaluminiumstrukturen bietet. Im Wesentlichen verbindet Reibrührschweißen Aluminiumlegierungen (und Kupferlegierungen) durch Plastifizieren und folgendes Verfestigen des Materials um die Verbindungslinie. Dieser Vorgang wird durch Senken eines nicht verbrauchbaren Stiftes in den Beginn der Verbindung erreicht. Dieser Stift eines nicht verbrauchbaren Materials wie Stahl, und härter als das Werkstückmaterial, macht das Aluminium weich und plastifiziert es durch Reiberhitzen. Der Stift wird dann gedreht und in Richtung des Schweißens bewegt. Wenn der Stift gedreht wird, heizt die Reibung ein ringförmiges Gebiet von Aluminiumlegierung um den Stift auf. Wenn der Stift in die Richtung des Schweißens bewegt wird, zwingt der durch die führende Fläche des Stiftes bereitgestellte Druck heißes plastifiziertes Material auf die Rückseite des Stiftes, wo es die durch den sich bewegenden Stift zurückgelassene Lücke füllt. Kein Schmelzen tritt auf, und die Schweißverbindung wird in einem feinkörnigen heißbearbeiteten Zustand ohne eingefangene Oxide oder Gasporosität zurückgelassen.
Die Techniken des Reibrührschweißens sind im US-Patent 5,460,317 beschrieben.
Reibrührschweißen wird wegen seiner vielen Vorteile als attraktives Verfahren zum Zusammenbau von Aluminiumtanks, insbesondere von großen unter Druck stehenden Aluminiumlegierungstanks wie diejenigen, welche für Tieftemperatursauerstoffspeicherung bei Raumfahrtstartsystemen benutzt werden, betrachtet. Wegen der großen Kompressionskräfte, welche Reibrührschweißen mit sich bringt, weisen die schlussendlichen Schweißnähte in diesen Tankstrukturen ein Problem auf, wie man adäquat Verstärkungsstützen im Inneren des Tanks bereitstellen kann, insbesondere wenn Zugriff auf das Innere des Tanks beschränkt ist.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Stützstrukturelement in einem zylindrischen Tankkörper, insbesondere einem aus Aluminium, zum Stützen der Wände des Tankkörpers bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, das Stützstrukturelement bereitzustellen, um als steife Verstärkungsstütze für die geschweißten Verbindungen zu dienen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, dass das Stützstrukturelement zudem als integraler Teil des lasttragenden Druckbehälters des fertigen Tanks arbeitet, so dass die Stützstruktur nicht auseinandergebaut und aus dem fertigen Tank entfernt werden muss.
Es ist noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, dass das Stützstrukturelement einer Expansion des Tanks nach außen unter den pneumatischen Kräften des unter Druck stehenden Gases in dem Tank widersteht.
Es ist eine andere Aufgabe dieser Erfindung, eine Stützstruktur bereitzustellen, welche ausgestaltet ist, Gewichtsersparnisse in dem fertigen Tank genauso wie Kostenersparnisse bei der Herstellung des Tanks zu optimieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Verfahren zum Bilden eines Tankbehälters in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist durch die in Anspruch 1 spezifizierten Schritte gekennzeichnet. Ein Tankbehälter in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist durch die in Anspruch 8 dargestellten Merkmale gekennzeichnet.
Die vorliegende Erfindung bietet eine allgemeine Lösung für das Verstärkungsstützenproblem während dem schlussendlichen Reibrührschweißen von Verbindungen in einer Aluminiumtankanordnung. Eine interne Aluminiumstruktur wird benutzt, welche nicht nur ein Werkzeug für eine Verstärkungsstütze während dem Reibrührschweißprozess bietet, sondern zudem als integraler Teil des Tankdruckbehälters in dem schließlichen Produkt wirkt, so dass das Auseinanderbauen der Stützstruktur und ihr Entfernen aus dem vervollständigten Tank vermieden werden. In ihrem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine „Wagenrad"-Anordnung als das interne integrale Werkzeug und als Tankstütze benutzt. Das Wagenrad ist bevorzugt aus derselben Aluminiumlegierung wie die Tankhülle gefertigt. Somit überlappt für die letzte Umfangsschweißnaht, um ein halbkugelkuppelförmiges Tankende mit einem zylindrischen Tankkörper zusammenzubauen, der Rand des Wagenrades bevorzugt die Stoßverbindung zwischen der Tankkuppel und dem Tankzylinder und stützt diese.
Das Wagenrad kann durch Schrumpfeinpassen mit Tieftemperaturkühlung des Wagenrades vor dem Einpassen in das Innere des teilweise zusammengebauten Tanks dazu gebracht werden, eng anliegend zu passen. Die Verbindung wird dann durch Reibrührschweißen hergestellt, so dass die drei Elemente, die Kuppel, der Zylinder und das Wagenrad, simultan zu einer Dreikörperverbindung geschweißt werden. Während dem Reibrührschweißprozess wirkt das Wagenrad als eine steife Verstärkungsstütze für die umfangsmäßige Stoßverbindung von der Kuppel zum Zylinder. In dem fertigen Tank wirkt das Wagenrad als integraler Teil des lasttragenden Druckbehälters, indem es der Expansion des Tanks nach außen unter den pneumatischen Kräften des unter Druck stehenden Gases in dem Tank durch die Dreikörperschweißnaht widersteht.
Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebauten Tanks,
2 ist eine ausgeschnittene perspektivische zusammengebaute Ansicht,
3 ist ein axialer Querschnitt durch die Umfangsschweißnaht und die Unterstützungsplatte,
4 ist ein tangentialer Querschnitt durch Schweißnaht-Nummer 18.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Die vorliegende Erfindung stellt einen geschweißten Tankbehälter, generell von zylindrischer Anordnung, bereit, welcher in der Lage ist, einer Expansion nach außen unter den pneumatischen Kräften des darin vorliegenden unter Druck stehenden Gases zu widerstehen. Die Ausgestaltung, Konstruktion und Merkmale dieses Behälters und das Verfahren seiner Herstellung werden vollständiger unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, welche bestimmte beispielhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt, verstanden werden.
Bezug nehmend nun auf 1 und 2 der Zeichnung ist dort ein bevorzugter Tank 2 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Eine Tankkuppel 4 ist geeignet mit einem Tankkörper 6 durch eine Umfangsschweißnaht 16 verbunden, was entweder entfernbare Stützwerkzeuge oder eine integrale Stützplatte erfordert. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Tankkörper 6 als einheitliche Struktur mit der Tankkuppel 4 als ein integraler Teil davon gebildet sein, insbesondere wenn der Tank relativ klein ist. Alternativ kann der Tankkuppelverschluss 4 als der letzte Schritt beim Zusammenbau des Tankbehälters mit dem Tankkörper 6 verbunden werden.
In ihren bevorzugten Aspekten wird ein Körperende 8 des Tanks 2 zusammen mit einer Stützplatte 10 und einem Kuppelkopf 12 in einer dreiteiligen Umfangsschweißnaht 18 miteinander verbunden. Als Beispiel kann für die schlussendliche Umfangsschweißnaht 18, welche benutzt wird, einen halbkugelförmigen Kuppeltank 12 mit dem zylindrischen Ende 8 des Tankkörpers 6 zu verbinden, die Platte 10 in der Form eines Wagenradaufbaus vorliegen, welcher als das interne integrale Werkzeug und als Tankstütze dient. Das Wagenrad 10 ist bevorzugt aus derselben Aluminiumlegierung wie der Tank 6 gefertigt. Der Rand des Aluminiumwagenrads 10 überlappt bevorzugt die Stoßverbindung zwischen der Tankkuppel 12 und dem Tankzylinderende 8 und stützt sie. Das Wagenrad 10 kann dazu gebracht werden, eng anzuliegen, indem es mit Tieftemperaturkühlung vor dem Einpassen in das Innere des teilweise zusammengebauten Tanks schrumpfeingepasst wird. Die Schweißnaht 18 wird dann durch Reibrührschweißen gemacht, damit die drei Elemente, die Kuppel 12, das Zylinderkörperende 8 und die Stützplatte oder das Wagenrad 10, gleichzeitig in eine dreiteilige Verbindung unter Benutzung eines Reibrührschweißwerkzeugs 20 geschweißt werden. Aufgrund des während des Reibrührschweißprozesses ausgeübten Drucks wirkt das Wagenrad 10 als steife Verstärkungsstütze für die Umfangsstoßverbindung zwischen der Kuppel und dem Zylinder. In dem fertigen Tank wirkt das Wagenrad als integraler Teil des lasttragenden Druckbehälters, indem es einer Expansion des Tanks nach außen unter den pneumatischen Kräften des unter Druck stehenden Gases in dem Tank folgend der Dreikörperschweißnaht widersteht. Das Wagenrad ist daher ausgelegt, Gewichtsersparnisse in dem fertigen Tank ebenso wie Kostenersparnisse bei der Herstellung des Tanks zu optimieren.
Bezug nehmend auf 3 und 4 der Zeichnung, wo gleiche Bezugszeichen sich auf ähnliche Teile beziehen, ist eine sich drehende Werkzeugspindel 22 als in einem Reibungsstift 24 endend gezeigt, wobei die Richtung 26 die Richtung der Spindel- und Stiftdrehung darstellt. Eine Richtung 28 stellt die Richtung des Schweißfortschrittes dar. Wie in 3 und 4 bemerkt, wird eine umfangsmäßige Dreiteileschweißnaht 18 hierdurch durch die von dem Reibrührschweißwerkzeug 20 gezeigte Bewegung erreicht.
Es ist einzusehen, dass die primäre Funktion des Stützstrukturelements 10 ist, als Stützplatte oder -werkzeug während dem Reibrührschweißvorgang zu dienen. Seine anschließende Funktion für bestimmte Anwendungen als integraler Teil der Druckbehälterstruktur vermeidet die Notwendigkeit, ein massives Werkzeug aus dem zusammengebauten Tank zu entfernen. Dies kann dort von besonderer Wichtigkeit sein, wo der unter Druck stehende Tank für die Speicherung von Tieftemperatursauerstoff bei Raumfahrtstartsystemen benutzt wird, wo Gewichtsbeschränkungen bedeutend sind, insbesondere wenn Zugriff auf das Innere des Tanks begrenzt ist. Wenn der Tank einmal zusammengebaut wurde, kann abhängig von der Anwendung, wie bei Raumfahrtstartsystemen, Sauerstoff zu dem Inneren des Tanks durch (nicht gezeigte) Öffnungen, welche dann anschließend versiegelt werden, hinzugefügt werden.
Es wird natürlich realisiert werden, dass verschiedene Modifikationen bei der Ausführung und dem Betrieb des in der vorliegenden Erfindung gebildeten Tanks gemacht werden können, ohne den Bereich der angehängten Ansprüche zu verlassen, innerhalb dessen die Erfindung anders als spezifisch dargestellt und beschrieben praktiziert werden kann.

Claims

Verfahren zur Bildung eines Tankbehälters, umfassend Bereitstellen eines teilweise zusammengebauten Tanks, enges Einpassen eines Stützstrukturelements (10) in den Tankkörper, Stoßverbinden eines zylindrischen Kuppelendes (12) mit dem Tankkörper, und Zusammenbauen des Tanks durch Benutzung von Reibrührschweißen, so dass der zylindrische Körper, das Stützstrukturelement und die Kuppel gleichzeitig zu einer Dreikörperverbindung geschweißt werden, während das Stützstrukturelement für den Reibrührschweißprozess benutzt wird, wobei der Tankbehälter widerstandsfähig gegenüber einer Ausdehnung des Tanks nach außen unter den pneumatischen Kräften eines darin enthalten unter Druck stehenden Gases ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Stützstrukturelement in Form einer Wagenradkonfiguration ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Wagenrad durch Schrumpfeinpassen eng in den zylindrischen Körper eingepasst wird, indem es vor dem Einpassen in das Innere des teilweise zusammengebauten Tanks abgekühlt wird und es dann dem Wagenrad ermöglicht wird, sich thermisch auszudehnen, um sich eng in den Tank einzupassen.
Prozess nach Anspruch 3, wobei ein Tieftemperaturgas für das Abkühlen des Wagenrades benutzt wird, um ein eng anliegendes Schrumpfeinpassen des Wagenrades innerhalb des Tankzylinders zu ermöglichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Rand des Wagenrades die Stoßverbindung zwischen der Tankkuppel und dem zylindrischen Tankkörper überlappt und stützt und wobei das Wagenrad, die Tankkuppel und der zylindrische Tankkörper dann gleichzeitig durch Benutzung von Reibrührschweißen in eine Dreikörperverbindung geschweißt werden, was eine stabile, steife unterstützende Stützstruktur erfordert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei vor dem Reibrührschweißen das Tankgefäß, die Kuppel und das Wagenrad aus einer oder mehreren Aluminiumlegierungen hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Tankbehälter, die Kuppel und das Wagenrad aus derselben Aluminiumlegierung hergestellt werden.
Tankbehälter einer vorgegebenen Länge mit einem zylindrischen Körper und zumindest einem kuppelförmigen Tankendeelement, welcher gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gebildet ist, wobei der Tank in der Lage ist, seiner Expansion nach außen unter den pneumatische Kräften eines darin enthaltenen unter Druck stehenden Gases zu widerstehen, umfassend einen langgestreckten zylindrischen Tankkörper mit einem darin enthaltenen Stützstrukturelement zum Stützen der Wände des Tankkörpers, ein kuppelförmiges Tankendelement, welches mit dem Körper des Tanks und mit dem Stützstrukturelement in Kontakt steht und welches eine zylindrische Stoßverbindung mit dem zylindrischen Tankkörper bildet, wobei der Rand des Stützstrukturelements die Stoßverbindung zwischen der Tankkuppel und dem Tankzylinderkörper überlappt und stützt, wobei alle drei Elemente gleichzeitig in eine Dreikörperverbindung miteinander verschweißt werden, so dass das Stützstrukturelement als steifer Stützträger für die kuppelförmige umfangsmäßige Zylinderstoßverbindung wirkt und dann als integraler Teil des lasttragenden Druckbehälters des fertigen Tanks dient, wodurch es einer Expansion des Tanks nach außen unter den pneumatischen Kräften des unter Druck stehenden Gases in dem Tank widersteht.