DE2515672C3 - Rohrverbindung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Rohrverbindung zwischen einem Aluminiumrohr und einem Rohr aus rostfreiem Stahl.

Allgemein liegt das Gebiet der Erfindung also auf dem Gebiet der Verbindung von Rohren aus verschiedenen Metallen, und zwar insbesondere auf dem Gebiet der Rohrübergangsverbindungen zwischen Rohren aus verschiedenen Metallen in Vorrichtungen zum Transport oder zum Speichern von Flüssigkeiten bei ungewöhnlich tiefen Temperaturen oder in ahnliehen Anlagen.

Es ist bekannt, durch Explcsionsverbinden hergestellte Metallverbundscheiben oder Metallverbundrohre in Reaktoren, Wärmeaustauschern und anderen Teilen chemischer Anlagen einzusetzen. Verbundmaterialien haben sich ganz allgemein als überlegenes Material zur Herstellung von Veibindungsübergängen zwischen verschiedenen Metallen bewährt. Verbundgußbleche und Verbundgußrohre sind in vielen Bereichen der Technik eingesetzt worden, beispielsweise in folgenden:

1. Aluminium-Stahl-Verbindungselemente zur Ver bindung kugelförmiger aus Aluminium bestehender Speicherbehälter mit Stahlgerüsten,

2. Aluminium-Stahl-Verbindungselemente zur Verbindung eines Schiffrumpfes aus Stahl mit einem Deck oder anderen Strukturelementen aus Aluminium,

3. Aluminium-Stahl-Übergangsstücke zum Verbinden von Fahrzeugrahmen mit aus Aluminium bestehenden Karosserieteilen,

4. Aluminium-Stahl-Rohrstücke zum Verbinden eines

Stahlrohres mit einem Aluminiumrohr in einer Anlage zum Transport kalter Flüssigkeiten in Kühlschiffen, Kühlwagen oder anderen Kühlanlagen,

5. Kupfer-Aluminium-Lsiterschienen zum Verbinden von Transformatoranschlüssen aus Kupfer oder anderen Geräteanschlüssen oder Steckern an Aluminiumleiterschienen,

6. Leiteranschlüsse aus Kupfer-Aluminium-Leiterschienen,

7. elektrische Kontakte aus Kupfer-Silber, Kupfer-Aluminium, Platin-Kupfer und anderen Kombinationen in elektronischen Schaltkreisen der verschiedensten elektrischen und elektronischen Geräte,

8. eine Aluminium-Stahl-Verbindung zum Verbinden einer Stahlelektrode aus elektrolytischen Quecksilberzellen mit einer Aluminiumleiterschiene,

9. röhrenförmige oder schienenförmige Verbindungen aus Titan-Kupfer zum Anschließen einer Titanelektrode elektroiytischer Zellen für das Diaphragmaverfahren an Kupferleiterschienen,

10. manschettenförmige Kupfer-Aluminium-Verbindungsschellen und

11. Kupfer-Aluminium-Rohrverbindungsstücke in verschiedenen Tieftemperaturanlageteilen für Kühlschränke, Kühlanlagen oder Klimaanlagen.

Eine Reihe der genannten Verbindungs- und Übergangsstücke sind zwar durchaus in der Lage, die Anforderungen ihres speziellen Einsatzbereiches zu erfüllen, jedoch ist praktisch keines der bekannten Elemente wirklich vollkommen zufriedenstellend. Insbesondere im Bereich der Tieftemperaturindustrie, wie beispielsweise in Anlagen für verflüssigtes Naturgas oder für flüssigen Stickstoff, treten auf Grund unzureichender Übergangsbedingungen immer wieder Erschwernisse beim Betrieb der Anlagen auf. Die gebräuchlichen Verbindungen zwischen Aluminiumrohren und Rohren aus rostfreiem Stahl sind durch Venlanschen, Verschrauben, Vergießen, Hartlöten, Sintern, Warmverformen, Kaltverschweißen oder Einspannen hergestellt. Solche Verbindungen werden auch in Anlagen zum Transport von Tieftemperaturflüssigkeiten verwendet. Zur Verbesserung der bei all diesen Verbindungen auftretenden Nachteile sind auch bereits aus Aluminium, Titan und rostfreiem Stahl bestehende, durch Explosionsverbinden hergestellte Übergangs- und Verbindungsstücke bekannt (DT-OS 21 31 211). Diese bekannten Aluminium-Titan-Stahl-Übergangsstücke der Anmelderin weisen eine verbesserte Druckfestigkeit der Schweißstellen und eine verbesserte Gasdichtigkeit durch die Technik der Explosionsverbindung auf und arbeiten im Einsatztempe^raturbereich von Raumtemperatur bis zu - 130⁰C vollkommen einwandfrei. Die durch Explosionsverbinden hergestellten Aluminium-Titan-Stahl-Übcrgangsstücke weisen jedoch den spürbaren Nachteil auf, daß sie unterhalb von - 13O⁰C einen spürbaren Abfall der Schlagfestigkeit zeigen.

Im Verlauf von Untersuchungen zur Entwicklung verbesserter Verbindungsstücke, die auch bei Temperaturen unterhalb von - !30⁰C gute und sehr gute Kenndaten für die Schlagfestigkeit aufweisen, konnte die Anmelderin feststellen, daß die schwache Stelle der bekannten Übergangsstücke in der Kombination der Metalle Titan und rostfreiem Stahl liegt.

Ausgehend von dieser Ernenntnis hat die Anmelderin zur Lösung dieses Problems den ihr bekannten Stand der Technik analysiert, wobei die folgenden Druckschriften berücksichtigt wurden: JA-AS 17 427/67 (US-PS 31 37 937; GB-PS 9 23 746), JA-AS 20 101/68 (USSN 3 87 715), GB-PS 12 15 384, 1168 264, 10 78 556, 10 42 952 (Zusatz zu GB-PS 9 23 746) und 10 17 059 (JA-AS 21 206/63) sowie CH-PS 4 41 951 (US-PS 33 05 922).

So ist beispielsweise aus der JA-AS 17 427/67 (US-PS 31 37 937; GB-PS 9 23 746) ein mehrschichtiges Verbundblech aus verschiedenen Materialien bekannt, jedoch werden lediglich zahlreiche Kombinationen verschweißbarer Materialien aufgezählt, ohne daß begleitende und orientierende Daten mitgeteilt sind, aus denen Kenndaten über die Druckverschweißbarkeit, die Warmfestigkeit, die Schlagfestigkeit oder die Gasdichtigkeit erkennbar wären. Auch ist diesen Druck-

Schriften nichts über die Kenndaten der Druckverschweißbarkeit von Metallverbundschichten zu entnehmen, die Titan als metallische Zwischenschicht enthalten. Diesen Druckschriften kann also zur Lösung des Problems kein Hinweis entnommen werden.

Aus der GB-PS 1078 556 ist ein Verfahren zum Eyplosionsverbinden eines Eisensystems mit der Oberfläche von Aluminiumwerkstücken durch Schmelzaufsprühen eines dritten Metalls, wie beispielsweise Molybdän, Titan, Kobalt oder Nickel, auf die Oberfläche des Aluminiumwerkstückes vor dem Aufbringen des Eisenwerkstückes bekannt, jedoch sind keine Kenndaten hinsichtlich der Schlagfestigkeit oder der Gasdichtigkeit der so hergestellten Verbindungen bei tiefen Temperaturen angegeben. Insbesondere da- t₅ durch, daß das bekannte Verfahren auf die Herstellung einer Metallschichtstruktur durch Schmelzsprühen gerichtet ist, vermag es nichts zur Lösung des vorgenannten Problems beizutragen.

In der US-PS 33 05 922 sind eine Reihe vui Metallen aufgezählt, die als Zwischenschicht in Laminaten verwendbar sind, jedoch ist auch dieser Druckschrift kein Hinweis über die erforderliche Ausgestaltung von Verbundmaterial für Rohrübergangsstücke, insbesondere zum Verbinden von Aluminiumrohren mit Rohren aus rostfreiem Stahl, zu entnehmen. Auch fehlen Angaben über die Gasdichtigkeit und über die mechanische Festigkeit, vor allem über die mechanische Festigkeit bei tiefen Temperaturen. Auch fehlen Angaben über die Bedingungen und leitenden Parameter zur Auswahl der Zwischenschichten.

Entsprechendes gilt für die anderen genannten Druckschriften. Auch dem kombinierten Stand der Technik sind keine leitenden Hinweise zur Lösung des beschriebenen Tieftemperatur-Übergangsproblems zu entnehmen.

Die Anmelderin hat daher eigene Untersuchungen zur Lösung des Problems unternommen, die Verschlechterung der Tieftemperaturschlagfestigkeit von Werkstücken aus einem Titan-Stahl-Verbund, insbesondere einem Verbund mit Edelstahl oder rostfreiem Stahl, zu umgehen. So wurden Übergangsstücke aus Verbundstrukturen, wie beispielsweise Aluminium-Kupfer-rostfreier Stahl, Aluminium-Tantal-rostfreier Stahl und Aluminium-Zirkon-rostfreier Stahl, initKupfer, Tantal und Zirkonium an Stelle von Titan als Zwischenschicht untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigten jedoch, daß die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Festigkeitseigenschaften, dieser Übergangsstücke bei tiefen Temperaturen nicht gegenüber der Verwendung von Titan als Zwischenschicht verbessert werden konnten.

Der weitere Verlauf der Untersuchungen zielte darauf ab, andere geeignete Materialien für die Ausbildung einer Zwischenschicht zu finden, die sowohl mit Aluminium als auch mit rostfreiem Stahl eine gute Druckschweißbarkeit aufweisen, gleichzeitig ausreichend gasdicht und bei tiefen Temperaturen schlagfest und mechanisch fest sind. Solche Werkstoffe konnten nicht ermittelt werden.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Rohrverbindung zum Verbinden eines Aluminiumrohres mit einem Rohr aus rostfreiem Stahl zu schaffen, die mechanisch fest, insbesondere schlagfest, gasdicht und druckverschweißbar ist und vor allem auch bei Temperaturen unterhalb von - 130⁰C gasdicht und schlagfest bleibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nun eine Rohrverbindung der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch eine mehrschichtige Dichtungsscheibe aus Aluminium, Titan, Nickel und rostfreiem Stahl in dieser Reihenfolge, wobei die einzelnen Schichten der Verbundstruktur in der axialen Richtung der Rohrverbindung durch Explosionsverbinden miteinander verschweißt sind.

Die Erfindung betrifft also eine Vorrichtung zum Verbinden eines Aluminiumrohres mit einem Edelstahlrohr, insbesondere für Tieftemperaturanlagen, wobei als Übergangs- oder Verbindungsstück eine Dichtungs-Verbundscheibe aus den Schichten Aluminium, Titan, Nickel und rostfreiem Stahl in dieser Reihenfolge, gesehen vom Aluminiumrohr aus, eingesetzt wird. Die einzelnen Schichten sind in axialer Richtung der herzustellenden Rohrverbindung durch ExploMonsverbinden zu einer einheitlichen und integrierten Struktur miteinander verbunden.

Der Kern der Erfindung liegt also darin, daß die mechanischen Tieftemperaturunzulinglichkeiten des Titan-Edelstahl-Verbundes durch Einfügen einer Zwischenschicht aus Nickel oder einer weichen Nickellegierung behoben werden können.

Die einzelnen Schichten oder Scheiben, aus denen die Verbund- oder Übergangsstruktur zusammengesetzt ist, sind durch Explosionsverbinden unter Druckeinwirkunp in axialer Richtung miteinander ?u einer Einheit verbunden.

In der Kälteindustrie wird als Aluminiumwerkstoff in der Hauptsache ein korrosionsbeständiges Aluminium eingesetzt. Solches korrosionsfestes Aluminium wird in Rohrleitungen für den Transport tiefgekühlter Flüssigkeiten, Tür die Herstellung von Verflüssigungsanlagen oder Speicherbehältern, insbesondere für flüssigen Sauerstoff, flüssigen Stickstoff, flüssiges Helium oder verflüssigtes Erdgas, verwendet. Aus diesem Grund wird vorzugsweise das gleiche korrosionsfeste Aluminium auch als äußerste Aluminiumdichtungsschicht der Rohrverbindung der Erfindung verwendet. Es ist jedoch ausgesprochen schwierig, dieses korrosionsfeste Aluminium durch Explosionsverbinden iTiit anderen Werkstoffen, insbesondere anderen Metallen, zu verbinden. Lediglich zu Aluminium sind einwandfreie Verbindungen herstellbar. Aus diesem Grund besteht die Rohrverbindung nach einer Weiterbildung der Erfindung aus einem Verbundmaterial aus 5 Dichtungsschichten, nämlich aus korrosionsfestem Aluminium, reinem Aluminium, Titan, Nickel und rostfreiem Stahl. Als Stahlkomponente wird vorzugsweise ein austenitischer rostfreier Stahl eingesetzt, der bei tiefen Temperaturen nicht versprödet.

Die Rohrverbindung der Erfindung, insbesondere die aus den 5 Dichtunsscheiben oder Dichtungsschichten aufgebaute Rohrverbindung, zeichnet sich durch gute Gasdichtigkeit, eine überraschend gute Schlagfestigkeit selbst bei - 198°C und durch gute mechanische Festigkeit aus. Im Vergleich zur besten aus dem Stand der Technik bekannten Rohrverbindung, nämlich der aus Aluminium, Titan und rostfreiem Stahl bestehenden dreischichtigen Rohrverbindung, die be- *5|ts bei unterhalb etwa - 130⁰C eine spürbare Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften zeigt, weist die Rohrverbindung der Erfindung wesentlich verbesserte mechanische Eigenschaften bis in einen Temperaturbereich auf, der rund 70⁰C tiefer liegt als die untere Temperaturgrenze für den bekannten Verbundwerkstoff, wobei selbst der fünfschichtige Ver-

bund der Erfindung die unverändert guten mechanischen Eigenschaften bis in einen Bereich unterhalb des Siedepunktes von Stickstoff beibehält.

Es konnte bislang noch nicht einwandfrei crkl rt werden, worauf die überraschend hohe Verbundfestigkeit mit sehr guter Schlagfestigkeit bei Temperaturen selbst noch im Bereich des flüssigen Stickstoffs für die Verbundstrukturen, die eine Nickelschichl zwischen der Titanschicht und der Schicht aus rostfreiem Stahl aufweisen, zurückzuführen sind. Diese überraschenden mechanischen Eigenschaften des Verbundes bleiben selbst bei der beachtlichen Wärmeeinwirkung erhalten, wie sie beispielsweise beim Zusammenschweißen der Anlagen unvermeidbar ist. Nickel ist zwar als Tieftemperaturwerkstoff durchaus bekannt, überraschend ist jedoch seine ungewöhnlich gute Verbindbarkeit mit anderen Metallen, beispielsweise beim Walzlaminieren, und zwar sowohl beim Heißwalzen als auch beim Kaltwalzen. Bei der Herstellung solcher metallischer Verbundstrukturen kann Nickel überraschenderweise ausgesprochen als Bindemittel eingesetzt werden. Seine Verschweißbarkeit unter Druck mit Titan und rostfreiem Stahl ist beim Verfahren des Explosionsverbindens, nach dem die Rohrverbindungsstücke der Erfindung hergestellt werden, unerwartet gut. An den Phasengrenzflächen der mit dem Nickel auf beiden Seiten verbundenen Metalle werden keine spröden oder mechanisch schwachen Legierungen beim Explosionsverbinden gebildet. Entsprechend werden auch bei Wärmeinwirkung, etwa beim Schweißen, an den Verbundflächen keine Legierungen ausgebildet. Eine Verminderung der Verbundfestigkeit wird auch beim Schweißen in unmittelbarer Nähe der Verbindungsstelle nicht beobachtet. An den Verbundstellen zwischen Titan und Stahl treten die doch beachtlichen Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Titan und rostfreiem Stahl in Erscheinung. An der Phasengrenzfläche solcher Verbundstrukturen treten daher nicht zu vernachlässigende Scherkräfte bei der Einwirkung von Wärme, beispielsweise beim Schweißen, oder bei der Einwirkung besonders tiefer Temperaturen, beispielsweise beim Einsatz in Kälteanlagen, auf. Eine rasche Verschlechterung der mechanischen Kenndaten solcher Titan-Stahl-Übergänge ist daher unausbleiblich. Durch die erfindungsgemäße Einfügung einer Nickelschicht zwischen der Titanschicht und die Schicht aus rostfreiem Stahl werden diese Scherkräftejedoch in ganz beachtlichem Ausmaß abgepuffert.

Es ist bekannt, daß Verbundstrukturen mit unregelmäßig oder kompliziert profilierten Verbundgrenzflächen wesentlich bessere Verbundeigenschaften aufweisen als Verbundstrukturen mit ebenen Verbundgrenzflächen. Irregulär verworfene Verbundflächen besitzen insbesondere eine höhere Zugfestigkeit, eine höhere Scherfestigkeit und eine höhere Schlagfestigkeit Durch die Wahl der Werkstoffe und ihre Verbindung in axialer Richtung durch Explosionsverbindung weist die Rohi verbindung der Erfindung eine so ausgeprägt unebene Struktur der Verbindungsgrenzflächen zwischen den einzelnen Verbundschichten auf, daß die Verbundstruktur insgesamt durch diese zusätzliche Verzahlung überraschend gute mechanische Kenndaten erhält.

Die bei der bekannten dreischichtigen Rohrverbiridung aus Aluminium, Titan und rostfreiem Stahl auftretenden Schwierigkeiten an der Verbundstelle zwischen dem Titan und dem rostfreiem Stahl werden durch die Rohrverbindung der Erfindung also durch Einfügen einer Nickelschicht zwischen der Titanschicht und der Schicht aus rostfreiem Stahl aufgehoben. Durch die Einfügung der Nickelschicht werden aber außerdem die Druckverschweißbarkeit, der metallurgische Verbund/ustand und die metallurgische Ausbildung der einzelnen Verbindung, die Differenzen zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Wellung der Phasengrenzflächen der Verbundstruktur gegenüber dem Stand der Technik verbessert. Auf diese Weise wird vollkommen überraschend eine vier- bzw. fünfschichtige Rohrverbindung geschaffen, deren mechanische Festigkeit, vor allem deren Schlagfestigkeit, im Tieftemperaturbereich bislang unerreicht sind.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt die Figur ein Ausrührungsbeispiel eines Rohrverbindungsstückes der Erfindung im Querschnitt.

Das in der Figur im Querschnitt gezeigte Übergangsstück besteht aus einer Dichtungsschicht 1 aus korrosionsfestem Aluminium, einer Schicht 2 aus reinem Aluminium, einer Titanschicht 3, einer Nickelschicht 4 und einem dichtenden Ring oder einer Scheibe 5 aus rostfreiem Stahl. Die fünf Elemente der Rohrverbindung sind durch Explosionsverbinden fest miteinander verschweißt.

Zur Herstellung der vier- oder fünfschichtigen Rohrverbindung der Erfindung wird zunächst in an sich bekannter Weise durch Explosionsverbinden ein entsprechendes Verbundblech hergestellt. Aus diesem Verbundblech, das von vornherein kreisringförmig ausgebildet sein kann, wird dann in der gewünschten Abmessung beispielsweise die in der Figur gezeigte Flanschform ausgedreht. Gegebenenfalls kann auch die Bohrung nachträglich aus der Verbundplatte ausgebohrt werden. In der in der Figur gezeigten Struktur aus korrosionsfestem Aluminium, reinem Aluminium, Titan, Nickel und rostfreiem Stahl ist die Festigkeit des reinen Aluminiums von allen fünf Werkstoffen am geringsten. Sie beträgt etwa nur ein Drittel der Festigkeit des korrosionsbeständigen Aluminiums. Der aus der Rohrverbindung aus den fünf Dichtungsschichten ausgedrehte Flansch zum Verbinden mit dem Aluminiumrohr bzw. dem Rohr aus rostfreiem Stahl muß also eine Wandstärke haben, die für das reine Aluminium mindestens dreimal so dick ist wie die Wandstärke des korrosionsfesten Aluminiumrohres. Unter Einhaltung dieser Bedingung werden Rohrver bindungsstücke, beispielsweise der in der Figur dargestellten Art, erhalten, deren mechanische Festigkeit allen Anforderungen genügt

Zur weiteren Verbesserung der mechanischen Festigkeit der Rohrverbindung sind vorzugsweise durch den Flanschteil der Rohrverbindung der Erfindung axiale Bohrungen gebohrt, um eine zusätzliche axiale Verflanschung durch Schraubbolzen zu ermöglichen.

Die Dichtungsschichten aus dem korrosionsfesten Aluminium und dem rostfreien Stahl der fünfschichtigen Rohrverbindung, wie sie in der Figur dargestellt ist, werden dem Explosionsverbinden in der Weise ausgesetzt daß ihre Wandstärke zur Flanschbildung in der in der Figur gezeigten Weise ausreicht. Gleichzeitig müssen die fünf Dichtungsschichten in ihrer Dicke jedoch auch so bemessen sein, daß die druckverschweißten Teile der Rohrverbindung ohne einen Festigkeitsverlust die beim Anschweißen der Rohrverbindung an das korrosionsfeste Aluminiumrohrund

das rostfreie Stahlrohr auftretende Wärmebelastung aufnehmen können.

Im einzelnen Fall hängt der Grad der Wärmebelastung beim Schweißen selbstverständlich von der Art des Schweißverfahrens und vom Geschick des Schweißers ab. Vorzugsweise wird jedoch kurzfristig und bei Temperaturen unterhalb von 430⁰C geschweißt.

Die Dicke des aus korrosionsfestem Aluminium bestehenden Teils und des aus rostfreiem Stahl be- ίο stehenden Teils des Übergangsstückes der Erfindung beträgt in diesem Fall vorzugsweise mindestens 20 mm.

Das fünfschichtige Übergangsstück ist nicht auf die in der Figur dargestellte Ausformung beschränkt. Die Struktur kann kreisringförmig durch einfaches Ausschneiden aus einer durch Explosionsverbinden hergestellten Mehrschichtenmetallplatte hergestellt werden. Auch können die Verbindungen in Form von Übergangsstücken mit nur einem Flansch an einer Seite oder in anderen Gestaltungen ausgebildet sein. Die Formgebung der Fünfschichtenverbundstruktur der Rohrverbindung der Erfindung ist also prinzipiell freibleibend. Wenn beim Herstellen der Verbindungen zu dem miteinander zu verbindenden Rohrenden durch das Schweißen eine höhere Temperaturbelastung, die die Verbundfestigkeit beeinträchtigen könnten, vorherzusehen ist, werden vorzugsweise bereits herstellerseitig Rohransatzstücke aus korrosionsfestem Alumimium auf der einen Seite und erforderlichenfalls auch aus rostfreiem Stahl auf der anderen Seite an das Rohrverbindungsstück der Erfindung angeformt oder vorzugsweise angeschweißt, wobei das korrosionsfeste Aluminiumrohransatzstück auf der aus korrosionsfestem Aluminium bestehenden Schicht des Übergangsstückes der Erfindung und das aus rostfreiem Stahl bestehende Rohransatzstück auf der aus rostfreiem Stahl bestehenden Schicht der Rohrverbindung angebracht werden. Durch diese herstellerseitige Maßnahme ist dann auch bei weniger sachgemäßem Einbau der Rohrverbindung in die Anlage gewährleistet, daß die Verbundstruktur nicht unnötig hohem Wärmeeinfluß ausgesetzt wird. Anwenderseitig wird dann die Verbindung zwischen den Rohrenden durch Verschweißen der Rohransatzstücke, die an der Rohrverbindung der Erfindung herstellerseitig bereits angebracht sind, hergestellt. Der Anwender braucht dann beim Aufbau seiner Anlage nur noch die übliche Sorgfalt beim Schweißen walten zu lassen.

Die mehrschichtige Melallverbundplatte kann beispielsweise so hergestellt werden, daß die einzelnen Schichten durch aufeinanderfolgendes Explosionsverbinden miteinander verbunden und dadurch allmählich die Mehrschichtenplatte aufgebaut wird. Die Herstellung kann jedoch auch in der Weise erfolgen, daß die Gesamtheit der vier oder fünf Schichten durch eine einzige Explosion in einem Arbeitsgang miteinander verbunden wird. Außerdem können Kombinationen dieser beiden Verfahren zum Aufbau der Metallverbundstruktur in der Weise durchgeführt werden, daß man durch getrenntes Explosionsverbinden zunächst Unterstrukturen herstellt und dann erst diese Unterstrukturen aus zwei oder mehr Schichten zur fertigen Verbundstruktur durch eine Explosionsverbindung miteinander verbindet Die Rohrverbindung der Erfindung kann aus Metallverbundplatten hergestellt werden, die nach einer prinzipiell beliebigen Kombination dieser Verfahrensweisen hergestellt sind.

Beispiel

Eine Platte aus rostfreiem Stahl als Matrixplatte und eine Nickelplatte als erste Schichtplatte der Verbundstruktur aus dem in Tabelle I bezeichneten Material und mit den in Tabelle I angegebenen Abmessungen werden so planparallel einander gegenüberliegend angeordnet, daß zwischen ihnen der in Tabelle II, Zeile 1 angegebene Abstand verbleibt. Zum Explosionsverbinden wird ein SprengstolTpulver verwendet, das aus IOGe\v.-% Penthrit, 3Gew.-% Stärke und 87 Gew.-% Ammoniumnitrat besteht. Das Sprengstoffpulver wird über die gesamte Oberfläche der Schichtplatte in der in Tabelle II angegebenen Menge verteilt. Die Zündung zum Explosionsverbinden erfolgt elektrisch im Zentrum der Sprengstoffschicht. Auf diese Weise wird eine Verbundplatte aus rostfreiem Stahl und Nicke! hergestellt.

Tabelle I

Material	Kurzbe	Dicke Flüche	500X500
	zeichnung	(mm) (mm2)	530X530
Rostfreier Stahl	SUS 304	30	530X530
Nickel	Ni	15	530X530
Titan	Ti	20	530X530
Reines Aluminium	A 1050	12
Korrosionsfestes	A 5083	40
Aluminium			Absland Spreng-
Tabelle Il			(mm) r'°^'
Reihenfoigc der Explosionsverbindung	menge
	(kg/nr)

SUS304 + Ni 3 14

(SUS3O4 + Ni) + Ti 4 21

(SUS304+ Ni+Ti) +A 1050 6 21

(SUS304 + Ni + Ti + A1050) + A5083 4 40

Anschließend wird die Verbundplatte aus dem rostfreien Stahl und dem Nickel als Matrixplatte eingespannt und als Schichtplatte ein Titanblech der in Tabelle I gezeigten Abmessungen aufgesetzt. Der Abstand und die verwendete Sprengstoffmenge sind in der Tabelle Il angegeben. Das Explosionsverbinden erfolgt in der gleichen Weise, wie zuvor beschrieben.

Anschließend wird dann die so erhaltene Dreischich tenstruktur als Matrixplatte eingesetzt und als vierte Schichtplatte das in der Tabelle I spezifizierte Aluminiumblech unter den aus Tabelle Π ersichtlichen Be dingungen in der zuvor beschriebenen Weise durch Explosionsverbinden aufgebracht Als letzter Schritt des Aufbaus der Schichtstruktur wird dann auf die Vierschichtenmatrixplatte durch Explosionsverbinden die Platte aus dem korrosionsfesten Aluminium befestigt

Aus der so erhaltenen funfschichtigen Metallverbundstruktur wird dann eine Rohrverbindung mit kreisringförmigem Querschnitt ausgeschnitten, die einen Außendurchmesser von 89 mm, einen Innendurchmesser von 78 mm und einer Dicke von 8541mm hat.

Auf die rostfreie Stahlschicht des Verbundstückes wird dann ein Rohransatz aus rostfreiem Stahl mit einem Außendurchmesser von 89mm, einem Innen-

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durchmesser von 78 mm und einer Lunge von 300mm stumpf verschweißt. Auf der Seite der aus korrosionsfestem Aluminium bestehenden Schicht des Übergangsstückes wird ein ebenfalls aus korrosionsfestem Alumimium bestehender Rohransatz mit einem .s Außendurchmesser von 89 mm und einem Innendurchmesser von 78mm sowie einer Länge von 300mm ebenfalls stumpf verschweißt.

Bei diesem Stumpfverschweißen erreicht die Stoßstelle, an der der Rohransatz auf der Verbundkstruktur aufsitzt, eine Temperatur von etwa 450°C. Trotz dieser hohen Temperatur bleibt der durch das Explosionsverbinden hergestellte Verbund der Schichtstruktur in seiner Festigkeit und in seinen übrigen Eigenschaften unverändert. Gleichzeitig werden unter diesen Bedingungen zu den Rohransätzen einwandfreie Schweißverbindungen erhalten.

Zur Prüfung der auf diese Weise mit den Rohransatzstücken verschweißten Rohrverbindung der Erfindung werden die beiden einander gegenüberliegenden Öffnungen auf der Seite des korrosionsfesten Aluminiumrohres und des rostfreien Stahlrohres durch Aufschweißen einer Platte aus korrosionsfestem Aluminium bzw. rostfreiem Stahl dichtend verschlossen. Durch die rostfreie Stahlplatte wird dann eine kleine Bohrung zum Innenraum des Prüflings hergestellt. Mittels eines Helium-Lecksuchers wird dann die Undichügkeit an den Nahtstellen der Explosionsverbindung geprüft. Die Rohrverbindungen der Erfindung weisen dabei eine Gasdichtigkeit von mindestens 1,013-10'⁷bar-cm³s"'auf.

Weiterhin wird die Rohrverbindung einer Zugbeanspruchung in axialer Richtung ausgesetzt. Dabei reißt der Aluminiumrohransatz im Bereich der Stumpfschweißverbindung, ohne daß die durch Explosionsverbinden hergestellten Verbundflächen der Rohrverbindung irgendeine Veränderung oder Beeinträcht gung zeigen.

Zur weiteren Prüfung wird der nach dem Ausschnei den der Rohrverbindung verbliebene Rest der fünf schichtigen Verbundplatte auf 450°C erhitzt. Aus den Material werden Prüflinge für den Schlagversuch ge schnitten. Die mikroskopische Untersuchung der Prüf finge zeigt, daß durch die Wärmebehandlung lediglich an der Explosionsverbundstelle zwischen der Titanschicht und der Nickelschicht eine geringfügige Diffusion eingetreten ist, ohne daß dabei jedoch eine die mechanischen Eigenschaften der Verbundstruktur beeinträchtigende Legierungsbildung auftritt. Die übrigen Grenzflächen zwischen den einzelnen Metallschichten der Struktur zeigen keine Veränderung. Die mikroskopische Untersuchung zeigt weiterhin, daß die durch das Explosionsverbinden hergestellten Verbundgrenzflächen zwischen den einzelnen Metallen in erwünschter Weise mit einer guten Welligkeit ausgebildet sind. Insbesondere werden an den Grenzflächen zwischen Titan und Nickel sowie zwischen Nickel und rostfreiem Stahl kompliziert ausgebildete, ineinandergreifende und gegenseitig Einschlüsse bildende Grenzflächenausbildungen der in dem Grenzflächenbereich ineinandergreifenden Metalle beobachtet. Diese Grenzflächenaiisbildungen sind die Ursache und die Grundlage für die hohe mechanische Festigkeit der Rohrverbindung der Erfindung.

Die Ergebnisse der Schlagfestigkeitsprüfung sind in der Tabelle III zusammengestellt. Zum Vergleich sind die Werte für eine Aluminium-Titan-Edelstahl-Rohrverbindung nach dem Stand der Technik angegeben. Ein Vergleich der Daten zeigt die überraschend hohe, um eine Größenordnung verbesserte Schlagfestigkeit der Rohrverbindung der Erfindung bei sehr tiefen Temperaturen, hier bei - 198 ⁰C.

Tabelle III

Prüfling Vers.-Temp. Schlagfestigkeit der einzelnen Schichtverbindungen der Struktur

(⁰C) Al/Ti Ti/Ni Ni /SUS Ti/SUS

Al/Ti/SUS-Verbindung	- 130	7,5	9,5	—	—	—	—	10,0	11,0
(Stand der Technik)	- 198	3,5	4,0	-	-	-	-	0.5	0.8
Verbindung	-130	8,0	7,5	14,5	16,5	14,0	15,0	-	-
gemäß Erfindung	- 198	4,5	3,5	15,5	14,0	14.0	13,0	-	-

Auf Grund der außerordentlich festen Verbindung der einzelnen Schichten der Rohrverbindung durch das Explosionsverbinden wird die aus Aluminium, Titan, Nickel und rostfreiem Stahl aufgebaute Verbundstruktur auch durch den beim Schweißen unvermeidbaren Wärmeeinfluß praktisch nicht beeinflußt. Gleichzeitig wird durch die hohe Verzahntheit und Festigkeit der Schichtenverbindung auch eine verläßliche Gasdichtigkeit und Flüssigkeitsdichtigkeit erzielt. Die Verläßlichkeit der Rohrverbindung wird beim Einsatz in Tieftemperaturanlagen weiterhin durch die hohe Schlagfestigkeit selbst bei Temperaturen im Bereich des flüssigen Stickstoffs weiter erhöht Auf Grund dieser Eigenschaften wird die Rohrverbindung

der Erfindung vorzugsweise in Tieftemperaturanlagen als verbindendes Übergangsstück zum Anschließen einer Aluminiumrohrieitung an eine Rohrleitung aus rostfreiem Stahl verwendet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

2δ 15 Patentansprüche:

1. Rohrverbindung zwischen einem Aluminiumrohr und einem Rohr aus rostfreiem Stahl, gekennzeichnet durch eine mehrschichtige Dichtungsscheibeaus Aluminium,Titan,Nickel und rostfreiem Stahl in dieser Reihenfolge, wobei die einzelnen Schichten der Verbundstruktur in der axialen Richtung der Rohrverbindung durch Explosionsverbinden miteinander verschweißt smd.

2. Rohrverbindung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß außen auf der Aluminiumschicht der VerDundscheibe zusätzlich eine Dichtungsschicht aus korrosionsfestem Aluminium als äußerste Schicht angeordnet ist