WO2006131220A1 - Schweissverbund - Google Patents

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WO2006131220A1
WO2006131220A1 PCT/EP2006/005063 EP2006005063W WO2006131220A1 WO 2006131220 A1 WO2006131220 A1 WO 2006131220A1 EP 2006005063 W EP2006005063 W EP 2006005063W WO 2006131220 A1 WO2006131220 A1 WO 2006131220A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
inner part
connecting flange
collar
exhaust manifold
welding
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/005063
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wilfried Bien
Jan-Peter Elfeldt
Michael Halves
Thomas Hülsberg
Uwe KLÜSSMANN
Holger Nuhn
Ralf Pünjer
Olav Reinhardt
Dirk Riewert
Alfred Riggers
Thorsten Sternal
Original Assignee
Daimlerchrysler Ag
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Filing date
Publication date
Application filed by Daimlerchrysler Ag filed Critical Daimlerchrysler Ag
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/12—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to investigating the properties, e.g. the weldability, of materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
    • F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
    • F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds
    • F01N13/102—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds having thermal insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/18—Construction facilitating manufacture, assembly, or disassembly
    • F01N13/1838—Construction facilitating manufacture, assembly, or disassembly characterised by the type of connection between parts of exhaust or silencing apparatus, e.g. between housing and tubes, between tubes and baffles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2430/00—Influencing exhaust purification, e.g. starting of catalytic reaction, filter regeneration, or the like, by controlling engine operating characteristics
    • F01N2430/10—Influencing exhaust purification, e.g. starting of catalytic reaction, filter regeneration, or the like, by controlling engine operating characteristics by modifying inlet or exhaust valve timing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2450/00—Methods or apparatus for fitting, inserting or repairing different elements
    • F01N2450/22—Methods or apparatus for fitting, inserting or repairing different elements by welding or brazing

Definitions

  • the invention relates to a welded joint of an air gap-insulated exhaust manifold with a connecting flange according to the preamble of claim
  • a generic welded joint is known from DE 199 52 648 C2.
  • an air gap-insulated shell manifold is described, which is welded in various ways with a connecting flange to form a welded joint.
  • This connection flange is designed as a block flange, which is connected together with all cylinder head side ends of the shell manifold.
  • On the cylinder head side facing away from the block flange of the shell manifold is welded to this in a ternary connection, that is, that a connection is to be achieved, in which the connecting flange, the outer shell and the inner part of the shell manifold are joined together in a common weld.
  • several variants are executed.
  • the outer shell has at least one radial recess at its ends in the region of the weld to be produced on a part of its circumference, so that the inner part of the shell manifold can be seen from the outside.
  • the welding takes place over the recess, with the inner part is only detected in the area of the recess, so that only there is a three-part welding. Due to this partial connection of the inner part, however, strength disadvantages for the welded composite arise, so that the resistance of the exhaust manifold in engine operation against mechanical and thermal loads is not very large. Furthermore, the welding is associated with great expense, since their execution is difficult due to the reduced accessibility in the immediate vicinity of the connecting flange.
  • the outer shell is formed such that the end edges of the ends of the outer shell to form a circumferential weld gap from the side facing away from the cylinder head
  • Connecting flange are set back.
  • the accessibility for the weld is difficult here, in addition, a highly accurate positioning of the end edges of the outer shell ends is required, which otherwise leads to insufficient welding of the inner part with the other two Sch spaverbundpartnern, the connecting flange and the outer shell, or the connecting flange with its two welded composite partners, the outer shell and the inner part, leads. With this exact positioning a very high production effort is connected.
  • the invention is based on the object to develop a generic welding composite to the effect that with a simplified production the best possible strength of the welded composite partners is guaranteed to each other.
  • the object is achieved by the features of claim 1 and by the features of claim 2.
  • the welded joint of the air gap-insulated exhaust manifold according to the invention has a single flange as a connecting flange, which is assigned only to a single end of the exhaust manifold, the attachment of a circumferential weld is considerably easier, since the accessibility is improved.
  • the connecting flange also has a collar pointing to the exhaust manifold, at which the welding takes place, the location of the weld is set back from the flange plane containing the sealing surface which is difficult to access for a weld, whereby the accessibility is considerably facilitated, in the same way the production of the welded joint very particularly simplified.
  • the displacement of the location of the weld from the aforementioned flange plane also offers the advantage that the sealing surface of the connecting flange is not influenced by the welding heat due to the distance to the welding location and can not distort as a result. A subsequent associated with great expense straightening the sealing surface thus eliminated in a simple manner. Even with the welded joint according to the invention reach in its production no spatter in the interior of the exhaust manifold, on the walls of which could accumulate. This is simply prevented by the fact that the welding of cylinder-side facing away from the connecting flange and thus is not directed to the opening of the ends, let alone executed within the bore of the connecting flange.
  • the end of the outer jacket strikes in a blunt impact on the front side of the collar.
  • the positioning of the exhaust manifold is defined to the single flange in a simple manner clearly, the relative position is found by the stop on the front side of the collar automatically in the preparatory assembly of the welding composite partner for the weld.
  • the inner part of the exhaust manifold is completely covered radially outwardly by its outer jacket, however, the formation of a ternary connection between the individual flange, the inner part and the outer jacket of the exhaust manifold is achieved in that at the point of the stop, the inner part via a through-welding of the outer shell of this and the connecting flange is welded.
  • the through-welding can be carried out circumferentially continuously, so that a high strength of the composite partners is ensured together. Furthermore, a complete gas-tightness of the welded joint is achieved because, as a result of the continuous welding, no exhaust gas can get between the inner part and the outer jacket of the exhaust manifold. An entry of exhaust gas into the otherwise open gap would dissipate heat at an early stage from the exhaust gas flow to the outside into the environment, but which heat is urgently needed for an early start of an exhaust gas converter integrated into the exhaust gas system.
  • the outer shell at its end edge and / or the collar at least one axially projecting punctiform spacer, which also provides automatically when pushing the exhaust manifold with the connecting flange for a defined relative position between connecting flange and exhaust manifold. Due to the spacer, which depending on the mounting location either on the terminal edge or the front side of the opposite connection partner stands up, the end edge of the outer shell over the remaining circumference away from the front side of the collar of
  • Connecting flange to form a welding gap which remains at least substantially equal width in the circumferential direction, spaced.
  • the inner part, the connecting flange and the outer jacket are welded in a simple manner to form a uniformly extending weld. Due to the welding gap, a penetration welding of the outer jacket is not required here.
  • the spacer which exceeds the manufacturing tolerances of the connecting flange or the outer jacket of the exhaust manifold, the formation of a sufficient welding gap is always ensured.
  • the width of the weld area ie its extent in the axial direction, can be adjusted in a simple manner to the length and location of the high-precision spacer, so that the weld can always be placed in the right place, so that the welding automated without abandoning the process safety can be. Furthermore, it is ensured that the inner part and the outer jacket of the exhaust manifold are welded in the circumferential direction at any point with the collar and thus with the connecting flange, resulting in an optimal strength of the welded composite partners together. Exceptions to this is of course the spacer itself, which represents an interruption of the weld.
  • the single flange consists of a deep-drawn sheet metal part.
  • the deep-drawing of the single flange allows almost any three-dimensional design possibilities, so that the collar and the flange bore contour can be matched exactly to the dimensions of the inner part and the outer jacket of the exhaust manifold already during the production of the flange. Reworking such as grinding the bore wall eliminated in a simple manner completely. It is only necessary to create a through hole of the bore of the connecting flange only a downstream punching process necessary.
  • the production of the single flange from a deep-drawn sheet metal part is also to the effect that starting from a sheet metal blank very small wall thicknesses are displayed, which give the single flange a low weight.
  • the collar of the single flange is integraltulpt on a portion to form an extension of the collar cross-section, wherein the end of the inner part of the exhaust manifold is disposed in the extension and has a larger inner diameter than that of the non- flared collar section.
  • the bulge which is accompanied by a cross-sectional enlargement of the collar, is relatively easy to perform by deep drawing.
  • the expansion of the collar cross-section and the arrangement of the inner part in this enlarged space is achieved that the end edge of the inner part is displaced out of the flow path of the exhaust gas, whereby the exhaust gas can flow freely through the exhaust manifold.
  • the acoustics of the exhaust line and the engine performance in engine operation is improved.
  • the spacer is formed in a knob shape before the welding and dissolved in the molten pool of the weld thereafter.
  • the weld is not only carried out in the welding gap, but also welded away over the spacer, which is designed so little massive that it dissolves under the welding heat. This results in a complete circumferential welding of inner part, outer shell and the collar of the connecting flange. In this way, the optimum strength of the welded composite partners is guaranteed to each other without compromising.
  • the spacer is formed by a wave crest of a wavy course of the end edge of the outer shell or the collar.
  • the wave crest it is possible to form the spacer solid and at the same time only selectively, with a real point contact between the collar and the outer shell is made.
  • a weld is achieved, which almost completely along the End edge of the collar or the outer sheath end runs.
  • an optimal strength of the welded composite partners to each other and the above-mentioned gas-tightness is ensured.
  • the welding gap decreases in width in the area of the wave crest, however, the welding is still complete, if the width of the molten bath and thus the intended weld corresponds to the width of the remaining remaining equal width welding gap. Due to the fact that the welding area is matched to the equally wide welding gap section of greater width, the narrower welding gap on the wave peak is recorded during the circumferential welding. The production of such a shaped end edge is carried out in a simple manner by a parabolic or wavy trimming the collar or the end of the outer jacket.
  • FIG. 1 is a perspective view of a sectional view of a welded composite according to the invention with a through-welding of the outer jacket of the exhaust manifold,
  • FIG. 2 shows in a longitudinal section the welded joint of FIG. 1, the left half of the figure reflecting the state of the welded joint before the welding and the right half of the figure the state of the welded joint after the welding
  • FIG. 3 shows in a longitudinal section a welded joint according to the invention, the state of the welded joint before welding being shown spaced apart from the outer jacket to the connecting flange and the right-hand side of the figure is the state of the welded joint after welding in the figure.
  • FIG. 4 shows a perspective view of a welded joint according to the invention before welding with a spacer formed on the outer jacket of the exhaust pencil
  • FIG. 5 shows a perspective view of a welded joint according to the invention prior to welding with
  • FIG. 1 shows a welded joint 1 of an air gap-insulated Abgaskrummers 2 is shown with a connecting flange 3, wherein the Abgaskrummer 2 consists of a hot gas leading inner part 4 and an outer shell 5 spaced therefrom.
  • the connecting flange 3, which is here to attach the Abgaskrummer 2 to an engine cylinder head is formed as a single flange, which is associated with only one end 6 of the exhaust manifold 2.
  • the connecting flange 3, which consists of a deep-drawn sheet metal, has on its side facing the Abgaskrummer 2 side 7 to this extending towards collar 8.
  • the collar 8 surrounds a central bore 9 of the connecting flange 3, which forms the passage for the exhaust gas from the cylinder head into the Abgaskrummer 2.
  • the collar 8 is furtheronsitetulpt on a curved end portion 10, whereby the portion 10 with respect to the remaining collar 8 with the formation of a queried paragraph 11 is cross-sectional widened.
  • the inner part 4 and the outer jacket 5 of the exhaust manifold 2 and the connecting flange 3 the exhaust manifold 2 is joined to the connecting flange 3 for the subsequent welding.
  • the end 12 of the inner part 4 is inserted into the collar 8, this end 12 lying in the bulged extension of the collar 8.
  • the end 12 has a larger inner diameter than that of the non-bulged collar portion 13 and is spaced with its terminal edge 14 axially from the shoulder 11 of the end portion 10.
  • the inner part 4 and the outer jacket 5 are each formed by two deep-drawn and then welded shells, wherein the inner part 4 is positioned in the outer jacket 5 so that an air gap 15 is formed by suitable radial spacing of the inner part 4 to the outer shell 5, the inner part. 4 almost completely surrounds and largely prevents the exhaust heat is released after exiting the cylinder head to the environment.
  • the inner part 4 and the outer jacket 5 may also consist of one or more tubes, which are formed by positive pressure forming in accordance with.
  • the outer jacket 5 and the inner part 4 are now welded together with the connecting flange 3 on the exhaust manifold 2 facing side 7 of the connecting flange 3 outside its bore 9 at the location of the stop of the outer jacket 5 on the front side 18 of the collar 8 ,
  • the outer jacket 5 is welded through.
  • the weld seam 19 thus extends through the outer jacket 5 into the inner part 4.
  • the outer shell 20 does not strike the front side 21 of the collar 22, but is of this to form a welding gap
  • an axially projecting punctual spacer 25 is formed or arranged at the end edge 24 of the outer shell 20.
  • the spacer 25 may be at the trailing edge
  • the Welding composite reflects 26 before welding in its inserted position, the spacer 25 is formed knob-shaped.
  • the spacer 25 is detected by the weld and dissolved in the weld pool of the weld.
  • the welding gap 23 is closed by the weld 27 and the inner part 28 of the exhaust manifold 29, the connecting flange 30 and the outer shell 20 of the exhaust manifold 29 welded together at the location of the welding gap 23.
  • a punctual spacer 31 may be formed. This is illustrated in Figure 5, wherein the spacer 31 is formed by a wave crest of a wavy course of the end face 21 forming the end edge of the collar 22.
  • the spacer 25 of the outer jacket 20 may likewise be designed as a wave crest, with the terminal edge 24 being trimmed in a parabolic or wave-like manner.
  • the connecting flange 3, 30 may also be an output flange, that is, a flange which connects the exhaust manifold 2, 29 with the remaining exhaust gas line.
  • the connecting flange 3, 30 may also consist of a forged or cast solid material, wherein the collar 8, 22 is machined from the solid material. The same applies to the formation of the cross-sectional widening of the collar 8, 22, which is created by milling or turning an exhaust manifold to the open annular groove.
  • the deep-drawn connecting flange 3, 30 due to the deep drawing adjustable small wall thickness for welding is particularly well suited because the collar can be melted quickly at the point of the stop or the welding gap and thus results in a weld, through which the connection between the inner part, the outer shell and the connecting flange can happen faster.
  • the welding heat can not be dissipated as quickly from the site of the weld as in a thick cast or forged flange, so that time and energy can be saved thereby also in the welding for the production of the welded joint.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schweißverbund (1, 26) eines luftspaltisolierten Abgaskrümmers (2, 29) mit einem Verbindungsflansch (3, 30), wobei der Abgaskrümmer (2, 29) aus einem Heißgasführenden Innenteil (4, 28) und einem von diesem beabstandeten Außenmantel (4, 20) besteht. Ein Ende (12) des Innenteils (4, 28) ist in einer Bohrung (9) des Verbindungsflansches (3, 30) angeordnet, während die Abschlusskante (16, 24) des entsprechenden Endes (17) des Außenmantels (5, 20) außerhalb der Bohrung (9) gelegen ist. Der Außenmantel (5, 20) und das Innenteil (4, 28) sind gemeinsam mit dem Verbindungsflansch (3, 30) auf der dem Abgaskrümmer (2, 29) zugewandten Seite (6) außerhalb der Bohrung (9) des Verbindungsflansches (3, 30) umlaufend verschweißt. Um mit einer vereinfachten Herstellung des Schweißverbundes (1, 26) eine möglichst optimale Festigkeit der Schweißverbundpartner aneinander zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, dass der Verbindungsflansch (3, 30) ein Einzelflansch ist, der nur einem Ende (6) des Abgaskrümmers (2, 29) zugeordnet ist und der einen zum Abgaskrümmer (2, 29) weisenden Kragen (8, 22) aufweist, in den das Ende (12) des Innenteils (4, 28) eingesteckt ist. In einer Variante der Erfindung schlägt das Ende (17) des Außenmantels (5) in einem stumpfen Stoß an der Stirnseite (18) des Kragens (8) an. An der Stelle des Anschlages ist der Verbindungsflansch (3) mit dem Außenmantel (5) und dem Innenteil (4) verschweißt, wobei das Innenteil (4) über eine Durchschweißung des Außenmantels (5) an diesem und dem Verbindungsflansch (3) angeschweißt ist.

Description

Schweißverbünd
Die Erfindung betrifft einen Schweißverbund eines luftspaltisolierten Abgaskrümmers mit einem Verbindungsflansch gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
Ein gattungsgemäßer Schweißverbund ist aus der DE 199 52 648 C2 bekannt. Darin ist ein luftspaltisolierter Schalenkrümmer beschrieben, der auf verschiedenerlei Arten mit einem Verbindungsflansch zu einem Schweißverbund verschweißt wird. Dieser Verbindungsflansch ist als Blockflansch ausgeführt, welcher gemeinsam mit allen zylinderkopfseitigen Enden des Schalenkrümmers verbunden ist. Auf der zylinderkopfabgewandten Seite des Blockflansches wird der Schalenkrümmer mit diesem in einer Dreistoffverbindung verschweißt, das heißt, dass eine Verbindung erreicht werden soll, bei der der Verbindungsflansch, die Außenschale und das Innenteil des Schalenkrümmers in einer gemeinsamen Schweißung miteinander verbunden werden. Hierzu werden mehrere Varianten ausgeführt. Beispielsweise weist die Außenschale an ihren Enden im Bereich der zu erzeugenden Schweißnaht auf einem Teil ihres Umfanges mindestens eine radiale Aussparung auf, so dass der Innenteil des Schalenkrümmers von außen zu sehen ist. Wie aus der Figur 5 zu sehen ist, erfolgt die Schweißung über die Aussparung hinweg, wobei das Innenteil lediglich im Bereich der Aussparung miterfasst wird, so dass nur dort eine Dreistoffverschweißung besteht. Durch diese nur teilweise Anbindung des Innenteils entstehen jedoch Festigkeitsnachteile für den Schweißverbund, so dass die Widerstandsfähigkeit des Abgaskrümmers im Motorbetrieb gegenüber mechanischen und thermischen Belastungen nicht sehr groß ist. Des Weiteren ist die Schweißung mit hohem Aufwand verbunden, da deren Ausführung auf Grund der herabgesetzten Zugänglichkeit in unmittelbarer Nähe des Verbindungsflansches schwierig ist.
Bei einer weiteren Variante des bekannten Schalenkrümmers, die in Figur 7 verdeutlicht wird, ist die Außenschale derart ausgebildet, dass die Abschlusskanten der Enden der Außenschale unter Bildung eines umlaufenden Schweißspaltes von der zylinderkopfabgewandten Seite des
Verbindungsflansches zurückversetzt gelegen sind. Wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel ist auch hier die Zugänglichkeit für die Schweißung schwierig, wobei zusätzlich noch eine hochgenaue Positionierung der Abschlusskanten der Außenschalenenden erforderlich ist, was anderenfalls zu einer unzureichenden Verschweißung des Innenteils mit den beiden anderen Schweißverbundpartnern, dem Verbindungsflansch und der Außenschale, oder des Verbindungsflansches mit seinen beiden Schweißverbundpartnern, der Außenschale und dem Innenteil, führt. Mit dieser genauen Positionierung ist ein sehr hoher Fertigungsaufwand verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gattungsgemäßen Schweißverbund dahingehend weiterzubilden, dass mit einer vereinfachten Herstellung eine möglichst optimale Festigkeit der Schweißverbundpartner aneinander gewährleistet wird. Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und durch die Merkmale des Patentanspruches 2 gelöst.
Schon auf Grund der Tatsache, dass der erfindungsgemäße Schweißverbund des luftspaltisolierten Abgaskrümmers einen Einzelflansch als Verbindungsflansch aufweist, der nur einem einzigen Ende des Abgaskrümmers zugeordnet ist, wird die Anbringung einer umfänglichen Schweißnaht erheblich einfacher, da die Zugänglichkeit verbessert wird. Dadurch dass der Verbindungsflansch zudem noch einen zum Abgaskrümmer weisenden Kragen aufweist, an dem die Verschweißung erfolgt, wird der Ort der Schweißung aus der die Dichtfläche beinhaltenden für eine Schweißung schwer zugänglichen Flanschebene zurückversetzt, wodurch die Zugänglichkeit in erheblichem Umfang erleichtert wird, was in gleicher Weise die Herstellung des Schweißverbundes ganz besonders vereinfacht. Die Versetzung des Ortes der Verschweißung aus der erwähnten Flanschebene heraus bietet des Weiteren den Vorteil, dass die Dichtfläche des Verbindungsflansches auf Grund des Abstandes zum Schweißort nicht von der Schweißhitze beeinflusst wird und sich dadurch nicht verziehen kann. Ein nachträgliches mit großem Aufwand verbundenes Richten der Dichtfläche entfällt somit in einfacher Weise. Auch bei dem erfindungsgemäßen Schweißverbund gelangen bei dessen Herstellung keine Schweißspritzer in den Innenraum des Abgaskrümmers, an dessen Wänden diese sich festsetzen könnten. Dies wird einfach dadurch verhindert, dass die Schweißung von zylinderkopfabgewandter Seite des Verbindungsflansches erfolgt und somit nicht auf die Öffnung der Enden gerichtet ist, geschweige denn innerhalb der Bohrung des Verbindungsflansches ausgeführt wird. Schweißspritzer, die sich sonst an den Wänden des Innenraums des Innenteils des Abgaskrümmers festsetzen würden, lösen sich auf Grund von Vibrationen und thermischen Einflüssen im Motorbetrieb, wonach sie durch die Abgasströmung wie Geschosse einem im Abgasstrang integriertem Abgaskonverter und/oder einem Abgasturbolader zugeführt werden und nach Kollision mit diesen dort schwere Schäden anrichten, die unter Umständen zur völligen Funktionsuntauglichkeit führen.
In der einen Variante der Erfindung nach Anspruch 1 schlägt das Ende des Außenmantels in einem stumpfen Stoß an der Stirnseite des Kragens an. Hierdurch wird die Positionierung des Abgaskrümmers zum Einzelflansch in einfacher Weise klar definiert, wobei die Relativlage durch den Anschlag an der Stirnseite des Kragens selbsttätig bei der vorbereitenden Montage der Schweißverbundpartner für die Schweißung aufgefunden wird. Das Innenteil des Abgaskrümmers ist zwar von dessen Außenmantel vollständig radial nach außen abgedeckt, jedoch wird das Zustandekommen einer Dreistoffverbindung zwischen dem Einzelflansch, dem Innenteil und dem Außenmantel des Abgaskrümmers dadurch erreicht, dass an der Stelle des Anschlages das Innenteil über eine Durchschweißung des Außenmantels an diesem und dem Verbindungsflansch angeschweißt wird. Die Durchschweißung kann umfänglich durchgängig erfolgen, so dass eine hohe Festigkeit der Verbundpartner aneinander gewährleistet ist. Weiterhin wird eine vollständige Gasdichtigkeit des Schweißverbundes erreicht, da in Folge der durchgängigen Verschweißung kein Abgas zwischen das Innenteil und den Außenmantel des Abgaskrümmers gelangen kann. Ein Eintritt von Abgas in den sonst offenen Spalt würde Wärme bereits zu einem frühen Zeitpunkt aus dem Abgasstrom nach außen in die Umgebung abführen, welche Wärme jedoch für ein frühzeitiges Anspringen eines in den Abgasstrang integrierten Abgaskonverters dringend erforderlich ist. In der anderen Variante der Erfindung nach Anspruch 2 weist der Außenmantel an seiner Abschlusskante und/oder der Kragen zumindest einen axial abstehenden punktuellen Distanzhalter auf, der ebenfalls beim Zusammenschieben des Abgaskrümmers mit dem Verbindungsflansch selbsttätig für eine definierte Relativlage zwischen Verbindungsflansch und Abgaskrümmer sorgt. Durch den Distanzhalter, der je nach Anbringungsort entweder auf der Abschlusskante oder der Stirnseite des gegenüberliegenden Verbindungspartners aufsteht, wird die Abschlusskante des Außenmantels über den restlichen Umfang hinweg von der Stirnseite des Kragens des
Verbindungsflansches unter Ausbildung eines Schweißspaltes, der in Umfangsrichtung zumindest im Wesentlichen gleichbreit bleibt, beabstandet. An der Stelle des Schweißspaltes werden das Innenteil, der Verbindungsflansch und der Außenmantel in einfacher Weise unter Ausbildung einer gleichmäßig verlaufenden Schweißnaht verschweißt. Auf Grund des Schweißspaltes ist eine Durchschweißung des Außenmantels hier nicht erforderlich. Durch eine entsprechende axiale Länge des Distanzhalters, die die Fertigungstoleranzen des Verbindungsflansches oder des Außenmantels des Abgaskrümmers übersteigt, ist die Ausbildung eines ausreichenden Schweißspaltes immer gesichert. Die Breite des Schweißbereiches, also dessen Erstreckung in axialer Richtung, kann in einfacher Weise auf die Länge und die Lage des hochpräzise ausbildbaren Distanzhalters abgestimmt werden, wodurch die Schweißnaht immer an die richtige Stelle gesetzt werden kann, so dass die Schweißung ohne Aufgabe der Prozesssicherheit automatisiert werden kann. Des Weiteren wird gewährleistet, dass das Innenteil und der Außenmantel des Abgaskrümmers in Umfangsrichtung an jeder Stelle mit dem Kragen und somit mit dem Verbindungsflansch schweißverbunden sind, woraus sich eine optimale Festigkeit der Schweißverbundpartner aneinander ergibt. Hiervon ausgenommen ist natürlich der Distanzhalter selbst, der eine Unterbrechung der Schweißverbindung darstellt. Da der Distanzhalter jedoch in seiner Breite, das heißt in Umfangsrichtung des Kragens beziehungsweise der Abschlusskante des Außenmantels des Abgaskrümmers nahezu beliebig klein gestaltet werden kann, wirkt sich diese Unterbrechung auf die Festigkeit und Gasdichtigkeit des Schweißverbundes praktisch nicht aus und ist dahingehend vernachlässigbar .
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schweißverbundes nach Anspruch 3 besteht der Einzelflansch aus einem tiefgezogenen Blechteil. Im Gegensatz zum Schmieden oder Stanzen lässt das Tiefziehen des Einzelflansches nahezu beliebige dreidimensionale Gestaltungsmöglichkeiten zu, so dass der Kragen und die Flanschbohrungskontur schon bei der Herstellung des Flansches exakt auf die Abmessungen des Innenteils und des Außenmantels des Abgaskrümmers abgestimmt werden können. Nacharbeiten wie beispielsweise Schleifen der Bohrungswandung entfallen in einfacher Weise vollständig. Es ist lediglich zur Schaffung einer Durchgangsöffnung der Bohrung des Verbindungsflansches lediglich ein nachgeordneter Stanzvorgang notwendig. Die Herstellung des Einzelflansches aus einem tiefgezogenen Blechteil ist zudem dahingehend von Vorteil, dass ausgehend von einem Blechrohling sehr geringe Wandstärken darstellbar sind, die dem Einzelflansch ein geringes Gewicht verleihen.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 ist der Kragen des Einzelflansches auf einem Abschnitt unter Ausbildung einer Erweiterung des Kragenquerschnitts aufgetulpt, wobei das Endes des Innenteils des Abgaskrümmers in der Erweiterung angeordnet ist und einen größeren Innendurchmesser aufweist als der des nicht- aufgetulpten Kragenabschnittes. Die Auftulpung, die mit einer Querschnittvergrößerung des Kragens einhergeht, ist mittels des Tiefziehens relativ einfach auszuführen. Durch die Erweiterung des Kragenquerschnitts und die Anordnung des Innenteils in diesem erweiterten Raum wird erreicht, dass die Abschlusskante des Innenteils aus dem Strömungsweg des Abgases herausversetzt wird, wodurch das Abgas ungehindert durch den Abgaskrümmer strömen kann. Auf Grund dessen wird die Akustik des Abgasstranges und die Motorleistung im Motorbetrieb verbessert.
In einer weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 ist der Distanzhalter vor der Schweißung noppenförmig ausgebildet und im Schmelzbad der Schweißung danach aufgelöst. Hierzu wird nicht nur im Schweißspalt die Schweißung ausgeführt, sondern auch über den Distanzhalter hinweggeschweißt, wobei dieser so wenig massiv ausgestaltet ist, dass er sich unter der Schweißhitze auflöst. Daraus resultiert eine vollständige umfängliche Verschweißung von Innenteil, Außenmantel und dem Kragen des Verbindungsflansches. In dieser Weise wird die optimale Festigkeit der Schweißverbundpartner aneinander ohne Abstriche gewährleistet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 ist der Distanzhalter durch einen Wellenberg eines gewellten Verlaufes der Abschlusskante des Außenmantels oder des Kragens gebildet. Mit dem Wellenberg ist es möglich, den Distanzhalter massiv und zugleich nur punktuell auszubilden, wobei ein echter Punktkontakt zwischen dem Kragen und dem Außenmantel hergestellt wird. Durch die Punktkontaktierung, die die kleinstmögliche Anlage der Verbindungspartner aneinander ermöglicht, wird eine Verschweißung erzielt, die quasi vollumfänglich entlang der Abschlusskante des Kragens beziehungsweise des Außenmantelendes verläuft. Auch hier wird eine optimale Festigkeit der Schweißverbundpartner aneinander und die oben erwähnte Gasdichtigkeit gewährleistet. Der Schweißspalt nimmt in seiner Breite im Bereich des Wellenberges ab, jedoch wird die Verschweißung trotzdem vollständig, wenn die Breite des Schmelzbades und damit der vorgesehenen Schweißnaht der Breite des restlichen gleichbreit gebliebenen Schweißspaltes entspricht. Dadurch, dass der Schweißbereich auf den gleichbreit gebliebenen Schweißspaltabschnitt größerer Breite abgestimmt ist, wird der schmalere Schweißspalt am Wellenberg während der umlaufenden Schweißung miterfasst. Die Herstellung einer derartig geformten Abschlusskante wird in einfacher Weise durch einen parabel- oder wellenförmigen Beschnitt des Kragens beziehungsweise des Ende des Außenmantels ausgeführt.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert .
Dabei zeigt:
Figur 1 in perspektivischer Ansicht eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Schweißverbundes mit einer Durchschweißung des Außenmantels des Abgaskrümmers,
Figur 2 in einem Längsschnitt den Schweißverbund aus Figur 1, wobei die linke Hälfte der Figur den Zustand des Schweißverbundes vor der Schweißung und die rechte Hälfte der Figur den Zustand des Schweißverbundes nach der Schweißung widerspiegelt, Figur 3 in einem Längsschnitt einen erfindungsgemaßen Schweißverbund, wobei in der Figur linkshalftig der Zustand des Schweißverbundes vor dem Schweißen mit Abstand des Außenmantels zum Verbindungsflansch und rechtshalftig der Figur der Zustand des Schweißverbundes nach der Schweißung dargestellt ist,
Figur 4 in einer perspektivischen Ansicht einen erfindungsgemäßen Schweißverbund vor der Schweißung mit am Außenmantel des Abgaskrummers ausgebildetem Distanzhalter,
Figur 5 in einer perspektivischen Ansicht einen erfindungsgemaßen Schweißverbund vor der Schweißung mit am
Verbindungsflansch ausgebildetem Distanzhalter.
In Figur 1 ist ein Schweißverbund 1 eines luftspaltisolierten Abgaskrummers 2 mit einem Verbindungsflansch 3 dargestellt, wobei der Abgaskrummer 2 aus einem Heißgas fuhrenden Innenteil 4 und einem von diesem beabstandeten Außenmantel 5 besteht. Der Verbindungsflansch 3, der hier dazu da ist, den Abgaskrummer 2 an einen Motorzylinderkopf zu befestigen, ist als Einzelflansch ausgebildet, welcher jeweils nur einem einzigen Ende 6 des Abgaskrümmers 2 zugeordnet ist. Der Verbindungsflansch 3, der aus einem tiefgezogenen Blech besteht, weist auf seiner dem Abgaskrummer 2 zugewandten Seite 7 einen zu diesem sich hinerstreckenden Kragen 8 auf. Der Kragen 8 umgibt eine zentrale Bohrung 9 des Verbindungsflansches 3, die den Durchlass für das Abgas aus dem Zylinderkopf in den Abgaskrummer 2 bildet. Der Kragen 8 ist des Weiteren auf einem krummmerzugewandten Endabschnitt 10 aufgetulpt, wodurch der Abschnitt 10 gegenüber dem restlichen Kragen 8 unter Ausbildung eines angeschragten Absatzes 11 querschnittserweitert ist. Zur Erreichung der Positionierung der Schweißverbundpartner, des Innenteils 4 und des Außenmantels 5 des Abgaskrümmers 2 sowie des Verbindungsflansches 3, zueinander wird für die nachfolgende Verschweißung der Abgaskrümmer 2 mit dem Verbindungsflansch 3 zusammengesteckt. Hierbei ist, wie besonders in Figur 2 verdeutlicht ist, das Ende 12 des Innenteils 4 in den Kragen 8 eingesteckt, wobei dieses Ende 12 in der aufgetulpten Erweiterung des Kragens 8 liegt. Das Ende 12 weist einen größeren Innendurchmesser auf als der des nichtaufgetulpten Kragenabschnittes 13 und ist mit seiner Abschlusskante 14 axial von dem Absatz 11 des Endabschnittes 10 beabstandet. Dieser Abstand erlaubt dem Innenteil 4 während des Motorbetriebs vibrations- und thermikbedingte Bewegungen in Richtung des Verbindungsflansches 3 auszuführen ohne auf einen Widerstand zu geraten, der infolge von dann auftretenden Zugkräften auf die Schweißnaht 19 zwischen dem Innenteil 4, dem Verbindungsflansch 3 und dem Außenmantel 5 und damit auf die Festigkeit des Schweißverbundes 1 einen schädigenden Einfluss hätte. Infolge des Einsteckens des Innenteils 4 in den Kragen 8 ist das Ende 12 des Innenteils 4 in der Bohrung 9 des Verbindungsflansches 3 angeordnet. Das Innenteil 4 und der Außenmantel 5 sind jeweils durch zwei tiefgezogene und dann verschweißte Schalen gebildet, wobei das Innenteil 4 im Außenmantel 5 so positioniert ist, dass durch geeignete radiale Beabstandung des Innenteils 4 zum Außenmantel 5 ein Luftspalt 15 ausgebildet wird, der das Innenteil 4 nahezu vollständig umgibt und weitgehend verhindert, dass die Abgaswärme schon nach Austritt aus dem Zylinderkopf an die Umgebung abgegeben wird. Das Innenteil 4 und der Außenmantel 5 können jedoch auch aus einem oder mehreren Rohren bestehen, die durch Innenhochdruckumformen formentsprechend ausgebildet werden.
Während das Ende 12 des Innenteils 4 in den Kragen 8 eingesteckt ist, ist die Abschlusskante 16 des entsprechenden Endes 17 des Außenmantels 5 außerhalb der Bohrung 9 gelegen. Hierbei schlägt das Ende 17 mit einem stumpfen Stoß an der Stirnseite 18 des Kragens 8 an.
In der Stecklage der Schweißverbundpartner wird nun der Außenmantel 5 und das Innenteil 4 gemeinsam mit dem Verbindungsflansch 3 auf der dem Abgaskrümmer 2 zugewandten Seite 7 des Verbindungsflansches 3 außerhalb seiner Bohrung 9 an der Stelle des Anschlages des Außenmantels 5 an der Stirnseite 18 des Kragens 8 verschweißt. Um das Innenteil 4, das vom Außenmantel 5 nach außen abgedeckt ist, in die Verschweißung zu integrieren, wird der Außenmantel 5 durchgeschweißt. Die Schweißnaht 19 erstreckt sich somit durch den Außenmantel 5 hindurch in das Innenteil 4 hinein.
In Abweichung zum vorigen Ausführungsbeispiel schlägt bei der aus Figur 3 bis 5 ersichtlichen Variante der Erfindung der Außenmantel 20 nicht an der Stirnseite 21 des Kragens 22 an, sondern ist von dieser unter Ausbildung eines Schweißspaltes
23 definiert beabstandet. Über den Schweißspalt 23 wird der nachfolgenden Schweißung ein ungehinderter Zugriff auf das Innenteil 24 des Abgaskrümmers 25 verliehen, was die Schweißung der drei Schweißverbundpartner aneinander vereinfacht und eine Durchschweißung des Außenmantels 20 nicht mehr erforderlich macht. Um einen definierten Schweißspalt 23 in einfacher Weise zu erzielen, ist an der Abschlusskante 24 des Außenmantels 20 ein axial abstehender punktueller Distanzhalter 25 ausgebildet beziehungsweise angeordnet. Der Distanzhalter 25 kann an der Abschlusskante
24 angeformt, durch mechanische Verbindungen befestigt oder durch geeignete Beschneidung der Abschlusskante 24 geschaffen sein. An der Abschlusskante 24 können ein oder mehrere in Umfangsrichtung der Abschlusskante 24 versetzt angeordnete Distanzhalter 25 angebracht sein. Gemäß Figur 4, die den Schweißverbund 26 vor der Schweißung in seiner Stecklage widerspiegelt, ist der Distanzhalter 25 noppenförmig ausgebildet. Obwohl es denkbar ist, die Schweißung im Anschluss an den Distanzhalter 25 vorzunehmen, wird hier der Distanzhalter 25 durch die Schweißung miterfasst und im Schmelzbad der Schweißung aufgelöst. Bei der Schweißung, die wie im vorigen Ausführungsbeispiel umlaufend verläuft, wird der Schweißspalt 23 durch die Schweißnaht 27 geschlossen und das Innenteil 28 des Abgaskrümmers 29, der Verbindungsflansch 30 und der Außenmantel 20 des Abgaskrümmers 29 an der Stelle des Schweißspaltes 23 miteinander verschweißt. In Abwandlung zu dem Distanzhalter 25 kann wahlweise oder zusätzlich an der Stirnseite 21 des Kragens 22 des Verbindungsflansches 30 ein punktueller Distanzhalter 31 ausgebildet sein. Dies wird in Figur 5 verdeutlicht, wobei der Distanzhalter 31 durch einen Wellenberg eines gewellten Verlaufes der die Stirnseite 21 bildenden Abschlusskante des Kragens 22 gebildet ist. Der Distanzhalter 25 des Außenmantels 20 kann im Übrigen ebenfalls als Wellenberg ausgebildet sein, wobei die Abschlusskante 24 dazu parabel oder wellenförmig beschnitten ist.
An dieser Stelle sei noch abschließend erwähnt, dass der Verbindungsflansch 3, 30 auch ein Ausgangsflansch sein kann, das heißt ein Flansch, der den Abgaskrümmer 2, 29 mit dem restlichen Abgasstrang verbindet. Der Verbindungsflansch 3, 30 kann auch aus einem geschmiedeten oder gegossenen Vollmaterial bestehen, wobei der Kragen 8, 22 aus dem Vollmaterial spanend ausgearbeitet ist. Entsprechendes gilt für die Ausbildung der Querschnittserweiterung des Kragens 8, 22, wobei diese durch Fräsen oder Drehen einer zum Abgaskrümmer hin offenen Ringnut geschaffen wird. Des Weiteren sei noch betont, dass der tiefgezogene Verbindungsflansch 3, 30 auf Grund der beim Tiefziehen einstellbaren geringen Wandstärke für die Schweißung, insbesondere die Durchschweißung besonders gut geeignet ist, da der Kragen an der Stelle des Anschlages beziehungsweise des Schweißspaltes schnell aufgeschmolzen werden kann und sich somit ein Schweißbad ergibt, über das die Verbindung zwischen dem Innenteil, dem Außenmantel und dem Verbindungsflansch schneller zustande kommen kann. Des Weiteren kann die Schweißhitze nicht so schnell vom Ort der Schweißung abgeführt werden wie bei einem dicken gegossenen oder geschmiedeten Flansch, so dass auch dadurch bei der Schweißung zur Herstellung des Schweißverbundes Zeit und Energie eingespart werden kann.

Claims

Patentansprüche
Schweißverbund eines luftspaltisolierten Abgaskrümmers mit einem Verbindungsflansch, wobei der Abgaskrümmer aus einem Heißgas führenden Innenteil und einem von diesem radial beabstandeten Außenmantel besteht, wobei ein Ende des Innenteils in einer Bohrung des Verbindungsflansches angeordnet und die Abschlusskante des entsprechenden Endes des Außenmantels außerhalb der Bohrung gelegen ist, und wobei Außenmantel und Innenteil gemeinsam mit dem Verbindungsflansch auf der dem Abgaskrümmer zugewandten Seite außerhalb der Bohrung des Verbindungsflansches umlaufend verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsflansch (3,30) ein Einzelflansch ist, der nur einem Ende (6) des Abgaskrümmers (2,29) zugeordnet ist und der einen zum Abgaskrümmer (2,29) weisenden Kragen (8,22) aufweist, in den das Ende (12) des Innenteils (4,28) eingesteckt ist, dass das Ende (17) des Außenmantels (5) in einem stumpfen Stoß an der Stirnseite (18) des Kragens (8) anschlägt, und dass an der Stelle des Anschlages der Verbindungsflansch (3) mit dem Außenmantel (5) und dem Innenteil (4) verschweißt ist, wobei das Innenteil (4) über eine Durchschweißung des Außenmantels (5) an diesem und dem Verbindungsflansch (3) angeschweißt ist.
2. Schweißverbund nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsflansch (3,30) ein Einzelflansch ist, der nur einem Ende (6) des Abgaskrümmers (2,29) zugeordnet ist und der einen zum Abgaskrümmer (2,29) weisenden Kragen (8,22) aufweist, in den das Ende (12) des Innenteils (4,28) eingesteckt ist, dass an der Abschlusskante (24,21) des Außenmantels (20) und/oder des Kragens (22) zumindest ein axial abstehender punktueller Distanzhalter (25,31) ausgebildet ist, der einen Schweißspalt (23) zwischen Außenmantel (20) und Kragen (22) bildet, und dass das Innenteil (28), der Verbindungsflansch (30) und der Außenmantel (20) an der Stelle des Schweißspaltes (23) miteinander verschweißt sind.
3. Schweißverbund nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einzelflansch aus einem tiefgezogenen Blechteil besteht.
4. Schweißverbund nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (8,22) des Einzelflansches (3,30) auf einem Abschnitt (10) unter Ausbildung einer Erweiterung des Kragenquerschnitts aufgetulpt ist, wobei das Ende (12) des Innenteils (4,28) des Abgaskrümmers (2,29) in der Erweiterung angeordnet ist und einen größeren Innendurchmesser aufweist als der des nicht-aufgetulpten Kragenabschnittes (13).
5. Schweißverbund nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Distanzhalter (25) vor der Schweißung noppenförmig ausgebildet ist und im Schmelzbad der Schweißung aufgelöst ist.
6. Schweißverbund nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Distanzhalter (31) durch einen Wellenberg eines gewellten Verlaufes der Abschlusskante (24,21) des Außenmantels (20) oder des Kragens (22) gebildet ist.
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