DE2515672C3 - Rohrverbindung - Google Patents
RohrverbindungInfo
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Description
20
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 Einsatztemperaturbereich
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.
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.
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-
709 611/390
I ί
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.
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)
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
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4094174A JPS5412903B2 (de) | 1974-04-15 | 1974-04-15 | |
JP4094174 | 1974-04-15 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2515672A1 DE2515672A1 (de) | 1975-10-23 |
DE2515672B2 DE2515672B2 (de) | 1976-08-05 |
DE2515672C3 true DE2515672C3 (de) | 1977-03-17 |
Family
ID=
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