DE2805545C3

DE2805545C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Druckverschweißen mindestens eines Rohres mit einer Platte

Info

Publication number: DE2805545C3
Application number: DE2805545A
Authority: DE
Inventors: Johannus J. Breskens Broodman
Original assignee: SCHELDE NV
Current assignee: SCHELDE NV
Priority date: 1977-10-12
Filing date: 1978-02-10
Publication date: 1982-04-29
Also published as: DE2805545A1; NL167615B; NL167615C; GB1592845A; NL7711204A; DE2805545B2; US4183558A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Druckverschweißen mindestens eines Rohres mit einer Platte, bei dem das Rohr eine bestimmte Strecke in eine Bohrung in der Platte eingeschoben und dann das Material des Rohres mit Hilfe eines Dornes, der in das Rohr eingebracht ist, unter hohem Druck über die Wandfläche der Bohrung verteilt und, eine Schweißverbindung bildend, gegen die Wand gedrückt wird.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art werden das Rohr und der in dieses geschobene Dorn von einer Seite her in die Bohrung eingeschoben. Das Rohr ist in seinem äußeren Endteil, der sich in der Bohrung befindet, mit einem nach innen gerichteten, konisch vergrößerten Rand versehen. Wenn der Dom weiter in das Rohr eingeschoben wird, wird das Material dieses Randes verformt und gegen die Innenwand der Bohrung gedrückt, so daß eine Druckverschweißung entsteht. Ein erheblicher Nachteil besteht im Falle eines nach innen gerichteten konischen Randes am Ende des Rohres darin, daß der Dom von dem Rohrende aus durch das Rohr geschoben werden muß, das von der Platte abgewandt ist In der Praxis ist dies nur bei sehr kurzen Rohrstücken möglich. Bei langen oder gebogenen Rohren, wie sie beispielsweise für Wärmeaustauscher und Kaskadenrohrsysteme benutzt werden, mit denen Ultrazentrifugen in sogenannten Anreicherungsanlagen verbunden wercien, ist es schwierig, nach diesem Verfahren zu arbeiten, weil der Dorn nicht von der Seite der Platte aus in das Rohr eingeschoben und durch die volle Rohrlänge geschoben werden kann.

Es ist jedoch auch ohne den nach innen gerichteten konischen Rand möglich, eine Verschweißung zu bewirken, beispielsweise durch Verwendung eines Profildomes, um den das Material herum verformt wird, wenn der Dorn zurückgefahren wird, um eine Verschweißung zu bewirken (FU-PS 6 33 615). Mit einem Profildom ist es möglich, diesen von der Seite der Platte aus in das Rohr einzubringen. Dieses Verfahren des Durchführens des Materials durch die Bohrung hat jedoch den Nachteil, daß der Dorn durch das anhaftende Material stark verschmutzt wird oder daß Verschweißungen am Dorn dessen regelmäßiges Reinigen erfordern. In beiden Fällen entsteht der Druck während des Verformungsvorganges aufgrund der Tatsache, daß

so der Dorn das Material gegen das Plattenmaterial treibt. In beiden Fällen erfolgt jedoch auch eine erhebliche Verringerung der Wandstärke des Rohres. Versuche haben gezeigt, daß die Wandstärke des Rohres im Bereich der Verschweißung erheblich verringert wird.

Bei einem Aluminiumrohr mit einer Wandstärke von einem Millimeter wird diese auf etwa 0,3 mm im Bereich der Verschweißung reduziert. Selbst wenn als Ausgangsmaterial ein Rohr mit einer Wandstärke von 2 bis 3 mm gewählt wird, überschreitet die Wandstärke des verformten Rohres im Bereich der Verschweißung den Wert von etwa OJ mm nicht viel. 1st eine Vergrößerung der Wandstärke erforderlich, so ist es unmöglich, nach diesem Verfahren zu arbeiten, Dieses bekannte Verfahren ist jedoch in vielen Fällen brauchbar, Bezüglich der Festigkeit wird aber ein Verfahren bevorzugt, bei dem nur eine minimale Verringerung der Wandstärke entsteht.
Bei einem anderen bekannten Verfahren zum

Kaltpreßverschweißen zweier metallischer Bauteile (DE-AS 22 64 613) wird der Druck während des Verformungsvorganges dadurch erreicht, daß durch Niederhalter auf die die Bohrung umgebende Oberfläche der Platte eine Kraft ausgeübt wird, durch die infolge einer radialen Komponente eine Reibwirkung zwischen der metallischen Oberfläche des einen Bauteils mit der Wandung der Bohrung ergibt Die radial gerichtete Kraft und die axial gerichtete Reibung zwischen Zapfen und Bohrung führen zu einer Verschweißung zwischen dem Zapfen und der Platte. Ein derartiges Verfahren läßt sich jedoch nur dann anwenden, wenn es sich um Zapfen und nicht um Rohre handelt, die mit der Platte verschweißt werden sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzusehen, durch das die genannten Probleme beseitigt werden

Dieses Verfahren ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Platte und das eine bestimmte Strecke in die Bohrung eingeschobene Rohr in einen Stempel und in ein Formwerkzeug eingesetzt werden, die die Platte an fast allen Seiten abstützen, wobei der Stempel und das Formwerkzeug mit gegenüberliegenden fluchtenden Durchtrittsöffnungen für das Rohr und den Dorn versehen sind und wobei der Dorn einen solchen Durchmesser hat, daß er in die Platte mit einer engen Toleranz eine solche Strecke einschiebbar ist, daß das Ende des Dornes im Rohr innerhalb der Durchtrittsöffnung im Stempel liegt, anschließend durch das Formwerkzeug und den Stempel ein Druck auf die Platte ausgeübt wird, derart, daß diese und der Endteil des Rohres verformt werden, wobei in der Nähe der Bohrung liegendes Material der Platte und das Materia! des sich in der Bohrung befindenden Endteiles des Rohres mit erheblicher Kraft unter Verformung gegen den Dorn gepreßt werden und schließlich der Dorn unter Aufrechterhaltung des auf die Platte ausgeübten Druckes aus der Bohrung heraus zurückgezogen wird, 10 daß das Material des Endteiles des Rohres über die Wandfläche der Bohrung in Rückzugsrichtung des Dornes, eine Schweißverbindung bildend, verteilt wird.

Ein typisches Merkmal von Schweißstellen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, besteht darin, daß die Schweißverbindung eine erhebliche Länge hat. Bei Rohren mit einem Durchmesser von etwa 10 mm und einer Wandstärke von 1 mm kann die Länge der Schweißverbindung st. gar bis zu 20 mm betragen, was die Betriebssicherheit erhöht und was im Falle von schnellen Temperaturänderungen, denen die Rohrwand über ein Medium im Rohr ausgesetzt wird, nicht zu Spannungen führt, die in einem Bruch enden. Wenn auf die Platte fast kein Druck ausgeübt wird, erfolgt ebenfalls eine Verringerung der Rohrwandstärke, ehe das Verschweißen beginnt. Zur Beseitigung dieses Nachteils kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung tier Druck derart aufrechterhalten werden, daß während des Zurückziehens des Dornes in Abhängigkeit vom Material keine Verringerung der Wandstärke des Rohres im Anfangsbereich der Schweißverbindung erfolgt.

Eine Erhöhung der Temperatur der Platte und des Rohres kann den VerschweißUngsVörgang beschleunigen, d, h, mit einer Temperaturerhöhung kann der Druck auf die Platte und das Rohr geringer sein und die Kraft, durch die der Dorn aus der Bohrung herausgezo« gen wird, reduziert sich. Gute Ergebnisse werden z. B. dadurch erreicht, daß das Material, Wenn es sich um Aluminium handelt, tii·/ 300 bis 500⁰C während des Verschweißens erwärmt wird.

Das Verfahren ist besonders zur Herstellung einer großen Zahl von Rohren in einer Platte in einem einzigen Arbeitsgang geeignet, wobei der Vorteil besteht, daß die Schweißstellen der verschiedenen Rohre sich nicht gegenseitig beeinflussen.

Erforderlichenfalls kann die Bohrung in der Platte zuvor im Bereich des eingesetzten Endteiles des Rohres vergrößert werden. Dabei muß der Endteil des Rohres stramm in den vergrößerten Bereich der Bohrung in der Platte passen. Die Stirnfläche des Endteiles des Rohres legt sich dann gegen die Schulter, die durch den nicht vergrößerten Bereich der Bohrung gebildet isL

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Diese Vorrichtung ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch ein Formwerkzeug mit einem durch einen hochgezogenen Rand gebildeten Formraum zur Aufnahme einer Platte, wobei der Boden des Formwerkzeuges mit mindestens einer Durchtrittsöffnung zum Einstecken eines Endteiles eines Rohres bzw. eines Dornes in das Formwerkzeug und in eine mit der Durchtritt., /fnung 4 fluchtende Bohrung der Platte versehen ist, einen i' lempel mit einer mit der Durchtrittsöffnung 4 im Formwerkzeug fluchtenden Durchtrittsöffnung zum Einstecken eines Dornes bzw. eines Endteiles eines Rohres in den Stempel und in die Bohrung der Platte, wobei der Dorn mit enger Toleranz durch die Durchtrittsöffnung im Stempel in den Formraum einschiebbar ist. Einrichtungen zum Pressen der Platte und des Endteiles des in diese eingesetzten Rohres zwischen dem Stempel und dem Formwerkzeug und durch Einrichtungen zum Zurückziehen des Dornes aus dem Endteil des Rohres unter Aufrechterhaltung des Druckes.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in der eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens teilweise im Schnitt und teilweise in Ansicht dargestellt ist.

Eine runde Platte 1 ist in einem Formwerkzeug eingelegt, das durch einen zylindrischen Teil 12 und einen flachen Teil 2 gebildet ist. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel bildet die Platte 1 einen Flansch für ein Rohr 3. das an der Platte 1 zu befestigen ist. Die Platte 1 und das Rohr 3 können aus Aluminium oder einem anderen Material oder aus Verbindungen von Werkstoffen bestehen, die sich schwer verbinden lassen oder durch Schmelzverschweißung überhaupt nicht verbunden werden können.

Soll das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden von Rohren mit einer als Flansch dienenden Platte verwendet werdet;, die mit Ultrazentrifugen in Urananreicherungsanlagen zu verbinden sind, werden im allgemeinen drei Rohre an einem runden Flansch angt-biacht, der anschließend mit der Zentrifuge zu verbinden ist. Die bisher verwendeten Verfahren sind entweder zu teuer oder zu unzuverlässig. Ein erheblicher Nachteil dieser bekannten Verfahren besteht darin, daß der Abstand zwischen den mit der Platte zu verbindenden Rohren zu groß sein muß. Selbst bei Wärmetauschern kann eine Verringerung des Teilkreises, d. h. des Abstandes zwischen den Röhren sicherlich den Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers verbessern. Der Nachteil bei den bekannten Verfahren Hegt in dem Abstand zwischen den einzelnen Rohren, der zur Ausübung der Verfahren erforderlich ist

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Verschweißung selbst dann vorgenommen werden,

wenn nur ein schmales Band von etwa 1,5 bis 2 mm zwischen den Bohrungen vorhanden ist, ohne daß irgendeine Qualitätsminderung der Verschweißung erfolgt. Druckverschweißungen zwischen dem Rohr 3 und der Platte 1 sind in sehr einfacher und schneller Weise und mit hoher Güte möglich, wobei der Abstand zwischen den Rohren sehr klein sein kann.

Das Formwerkzeug 2,12 ist mit einer Durchtrittsöffnung 4 versehen, die mit einer Bohrung 5 in der Platte 1 fluchtet und die einen kleineren Durchmesser als die Bohrung 5 hat. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Platte Ϊ mit einer Bohrung 5 und das Formwerkzeug mit einer Durchtrittsöffnung 4 versehen. Bei dem vorgenannten Beispiel, bei dem drei Rohre mit einer Platte zu verbinden sind, liegen die Bohrungen beispielsweise in den Ecken eines gedachten gleichseitigen Dreiecks, sind jedoch auch in Abhängigkeit vom Zweck, für den sie vorgesehen sind, in einer Linie möglich.

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bestimmte Strecke eingeschobene Rohr 3 in das Formwerkzeug 2, 12 eingelegt, wird ein Stempel 8 auf die Oberseite der Platte 1 gesetzt. Dieser Stempel ist mit einer Durchtrittsöffnung 9 versehen, die eng um das Rohr 3 paßt, um zu verhindern, daß Material der Platte 1 zwischen den Stempel 8 und das Rohr 3 gedrückt wird.

Ein Dorn 10 wird aufwärts in den flachen Formwerkzeugteil 2 durch die Durchtrittsöffnung 4 hindurch in die Platte 1 und durch die Bohrung 5 geschoben, bis sein vorderer Teil ausreichend weit in den Teil des Rohres 3 hineinragt, der in der Durchtrittsöffnung 9 des Stempels 8 liegt. Vorzugsweise paßt der Dorn gleitend, jedoch ohne Spiel in die Durchtrittsöffnung 4 des Formwerkzeuges 2, um zusätzlich zu verhindern, daß Material der Platte 1 zwischen dem Dorn 10 und das Formwerkzeug 2 gedruckt wird. Außerdem soll ein möglichst geringes Spiel zwischen der Mantelfläche des Domes 10 und der Innenwand des Rohres 3 vorhanden sein.

Der flache Teil 2 des Formwerkzeuges ruht auf einem isolierring U. der auf einem Tisch 13 aufliegt um eine übermäßige Erwärmung des Tisches zu verhindern, wenn das Material der Vorrichtung erhitzt wird. Ein Druckelement 14 drückt auf den Stempel 8.

Die Verbindung des Rohres mit der Platte 1 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt wie nachstehend beschrieben:

Der Stempel 8 wird durch das Druckelement gegen die Platte 1 unter Abstützung des Formwerkzeuges 2,12 auf den Tisch 13 mit einer solchen Kraft gedrückt, daß das Material der Platte 1 und der Teil des Rohres 3 in der Bohrung der Platte einer Belastung unterworfen werden, die irn zur plastischen Verformung des Materials der Platte 1 und des Rohres 3 führt

Während der plastischen Verformung der Platte 1 wird deren Material so lange in den Raum- gepreßt, der zwischen dem Dorn 10 und der Innenwand der Bohrung 5 verbleibt, bis dieser ringförmige Hohlraum mit dem Material der Platte gefüllt worden ist. Unter der Matefialbelasfung und Materiälverformung wird unter Aufrechterhaltung eines von der Art des Werkstoffes abhängigen Druckes der Dorn 10 anschließend nach unten aus der Bohrung 5 in der Platte 1 herausgezogen. Dabei wird ein Teil des Materials des Rohres von dessen Endteil in der Platte 1 mit abwärts gezogen und über das Material der Platte 1 ausgebreitet, während der Streckpunkt des Rohr- und Plattenmaterials überschritten wird, und das Rohrmaterial wird nun gegen den Dorn 10 irrt zuvor ringförmigen Raum zwischen den Dorn 10 und der Innenwand 6 der Bohrung S gedrückt. Dabei wird das Material der Platte 1 wieder zurückgedrückt. Die Begrenzung zwischen dem Material der Platte 1 und demjenigen des Rohres 3 ist durch die unterbrochene Linie 15 angedeutet.

Die Schweißverbindung zwischen dem Rohr 3 und der Platte 1 verläuft von einem Bereich in der Nähe des

2Ö unicTcn rliHuCS uCS SiCn ΪΠ SCinCT rAÜSganHSiagC befindenden Rohres 3 abwärts zu der auf dem flachen Teil 2 des Formwerkzeuges aufliegenden Oberfläche der Platte 1 hin. Das Rohr 3 ist somit mit der Platte 1 über eine verhältnismäßig lange Strecke verbunden worden. Auf diese Weise liegt der Spalt zwischen dem Rohr 3 und der Bohrung 5 in der Platte 1, der in der Zeichnung an der oberen Seite der Platte 1 dargestellt ist, nicht an der Seite, die mit irgendwelchen Substanzen in Vvfbindung kommen kann, die in den Spalt eindringen könnten. Somit ist die Gefahr einer Korrosion vermieden. An der in der Zeichnung unten dargestellten Seile entsteht kein Spalt, so daß die dort vorhandenen Substanzen keine Möglichkeit zum Eindringen haben. Folglich ist diese Verbindung besonders für Hochvakuumsysteme geeignet.

Bei bestimmten Materialarten kann zusätzlich eine Ultraschallvibration auf den Dorn 10 ausgeübt werden, durch die eine Oxidhaut, die sich bilden könnte, zerstört wird, so daß ein Verschweißen bei niedrigeren Drücken

« vorgenommen werden kann. Um eine ordnungsgemäße Verbindung zwischen dem Rohr und der Platte entstehen zu lassen, ist eine saubere Fläche der aneinanderliegenden Teile zweckdienlich, jedoch nicht für alle Werkstoffe erforderlich. In der Zeichnung ist der zylindrische Teil 12 des Formwerkzeuges an der Innenseite nach oben hin etwas konisch erweitert, um das Material der Platte 1 während des Pressens aufnehmen zu können. Durch die konische Erweiterung kann der Flansch leichter aus dem Formraum des Formwerkzeuges herausgenommen werden.

Es ist klar, daß anstelle der im Ausführungsbeispiel beschriebenen Rohre auch nichtzylindrische Röiue nach demselben Verfahren mit einer Platte verschweißt werden können, die Bohrungen hat, die an den Querschnitt der Rohre angepaßt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!.Verfahren zum Druckverschweißen mindestens eines Rohres mit einer Platte, bei dem das Rohr eine bestimmte Strecke in eine Bohrung in der Platte eingeschoben und dann das Material des Rohres mit Hilfe eines Domes, der in das Rohr eingebracht ist, unter hohem Druck, über die Wandfläche der Bohrung verteilt, gegen die Wandfläche der Bohrung gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte und das eine bestimmte Strecke in die Bohrung eingeschobene Rohr in einen Stempel und in ein Formwerkzeug eingesetzt werden, die die Platte an fast allen Seiten abstützen, wobei der Stempel und das Formwerkzeug mit gegenüberliegenden fluchtenden Durchtrittsöffnungen für das Rohr und den Dorn versehen sind und wobei der Dorn einen solchen Durchmesser hat, daß «r mit einer engen Toleranz in die Platte eine solche Strecke eirschiebbar ist, daß das Ende des Domes im Rohr mnerhalb der Durchtrittsöffnung im Stempel liegt, anschließend durch das Formwerkreug und den Stempel ein Druck auf die Platte ausgeübt wird derart, daß diese und der Endteil des Rohres verformt werden wobei in der Nähe der Bohrung liegendes Material der Platte und das Material des sich in der Bohrung befindenden Endteiles des Rohres mit erheblicher Kraft unter Materialverformung gegen den Dorn gepreßt werden und schließlich der Dorn unter Aufrechterhaltung des auf die Platte ausgeübten Druckes aus der Bohrung zurückgezogen wird, so daß das Material des Endtedes d-a Rohres über die Wandfläche der Böhm,ig in Rückzugsrichtung des Domes, eine Schweißverbind· ig bildend, verteilt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennteichnet, daß der Druck derart aufrechterhalten wird, daß während des Zurückziehens des Domes in Abhängigkeit vom Material keine Verringerung der Wandstärke des Rohres im Anfangsbereich der Schweißverbindung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennreichnet, daß die Bohrung im voraus im Bereich des «inzusetzenden Endteiles des Rohres vergrößert Wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet <lurch ein Formwerkzeug (2) mit einem durch einen hochgezogenen Rand (12) gebildeten Formraum zur Aufnahme einer Platte (1), wobei der Boden des Formwerkzeuges (2) mit mindestens einer Durch Irittsöffnung (4) zum Einstecken eines Endteiles eines Rohres (3) und eines Domes (10) in das Formwerkzeug und in eine mit der Durchtrittsöffnung (4) fluchtende Bohrung (5) in der Platte (1) versehen ist. einen Stempel (8) mit einer mit der Durchtrittsöffnung (4) im Formwerkzeug (2) fluchtenden Durchtrittsöffnung (9) zum Einstecken eines Domes (10) und eines Endteiles eines Rohres (3) in dem Stempel (8) Und in die Bohrung (5) der Platte (1), wobei der Dorn (10) mit enger Toleranz- durch die Durchtrittsöffnung (9) im Stempel (8) in den Förmraum einschiebbar ist, Einrichtungen zum Pressen der Platte (i) und des Endteiles des in diese eingesetzten Rohres (3) zwischen dem Stempel (8) und dem Formwerkzeug (2) und durch Mittel zürn Zurückziehen des Dornes aus dem Endteil des Rohres (3) unter Aufrechterhaltung des Druckes.