DE69620787T2

DE69620787T2 - Elektromagnetisches verbinden oder schweissen von metallischen objekten

Info

Publication number: DE69620787T2
Application number: DE69620787T
Authority: DE
Inventors: Oren Gafri; Yuri Livshiz
Original assignee: Pulsar Welding Ltd
Current assignee: Pulsar Welding Ltd
Priority date: 1995-12-20
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2016-12-13
Also published as: AU722503B2; WO1997022426A3; AU7708096A; ATE216292T1; DE69620787D1; CN1073478C; CN1207695A; BR9612083A; JP2000507159A; ES2177818T3; EP0868233B1; DK0868233T3; WO1997022426A2; EP0868233A2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung liegt im allgemeinen im Gebiet von Metallarbeiten und betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von metallischen Werkstücken. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Bearbeiten von metallischen. Werkstücken durch eine Magnetimpulsenergie.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Magnetimpulsformgebung (PMF) ist ein Prozeß, bei dem ein Metallwerkstück oder ein Teil desselben durch ein Impulsmagnetfeld, das bewirkt, daß sich das Werkstück verformt, in eine schnelle Bewegung versetzt wird. Ein Vorteil des PMF-Prozesses besteht darin, daß der Energieverlust bei diesem Prozeß minimal ist und folglich kein oder sehr wenig Erhitzen des Werkstücks stattfindet. Außerdem hat dieser Prozeß nicht den Nachteil, daß er Werkzeugabdrücke hinterläßt, wie es bei einer Vielfalt von anderen Verfahren der Fall ist (siehe M. Cenanovic, Magnetic Metal Forming by Reverse Electromagnetic Forces. In proceedings of the Fourth IEEEE Pulse Power Conference, Institute of Electrical and Electronic Engineering, 1983).
Der PMF-Prozeß verwendet einen Entladungskondensator oder eine Reihe von Kondensatoren, eine Formgebungsspule und häufig einen Feldformer zum Erzeugen eines starken Magnetfeldes. Das sehr starke Magnetfeld, das für den PMF- Prozeß erforderlich ist, ist ein Ergebnis einer sehr schnellen Entladung von elektrischer Energie, die im Kondensator gespeichert ist, in die Formgebungsspule. Die resultierenden Wirbelströme, die im Werkstück induziert werden, ergeben eine magnetische Abstoßung zwischen dem Werkstück und der Formgebungsspule und dies bewirkt, daß sich das Werkstück verformt.
Wenn sich die Werkstückoberfläche unter dem Einfluß der Abstoßungskraft bewegt, nimmt sie Energie vom Magnetfeld wahr. Um das meiste der verfügbaren Energie auf die Formgebung anzuwenden und Energieverluste aufgrund von Energieverschwendung durch Widerstandsheizung zu verringern, muß der Formgebungsmagnetimpuls auch sehr kurz sein. Bei den meisten PMF-Anwendungen weisen die Impulse eine Dauer zwischen etwa 10 und etwa 250 us (Dauer der ersten Welle des Entladungsstroms) auf.
Einen Hintergrund über Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik zum Bearbeiten von Metallwerkstücken durch den PMF-Prozeß sind in den folgenden US-Patenten zu finden: 3 654 787 (Brower), 3 961 739 (Leftheris), 4 170 877 (Baranov), 4 531 393 (Weir), 4 807 351 (Berg et al.), 5 353 617 (Cherian et al.) und 5 442 846 (Snaper).
US-A-5 442 846, welches Dokument die Kombination von Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 offenbart, offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kaltverbinden von Metallrohren durch eine Überbrückungshülse unter Verwendung eines Magnetformgebungsverfahrens. Das beschriebene Verfahren umfaßt die Schritte des Anordnens von zu verbindenden Stücken in vorbestimmten und gegenseitig abhängigen Positionen im Raum, um die zuverlässige Verbindung sicherzustellen. Die Stücke werden in ihren Oberflächen mit speziellen Nuten versehen und mit Klebstoffen beschichtet, um bessere Ergebnisse zu erhalten.

ALLGEMEINE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Im folgenden Text wird mit dem Ziel der Rationalisierung der Beschreibung und der Erleichterung des besseren Verständnisses der Erfindung manchmal von den folgenden Begriffen Gebrauch gemacht:
Werkstück: Ein Metallgegenstand, der gemäß der Erfindung durch an dessen Oberflächen angewendete Bearbeitung verformt wird.
Sich bewegende Oberfläche: Eine Oberfläche eines Werkstücks, die durch eine Magnetimpulskraft in eine abrupte und schnelle Bewegung versetzt wird. Gemäß der Erfindung ist die sich bewegende Oberfläche ein Festkörper, der auf eine andere Oberfläche (die eine sich bewegende Oberfläche sein kann, die sich in eine entgegengesetzte Richtung bewegt) mit einer kinetischen Energie aufprallen lassen wird, die bewirkt, daß die zwei Oberflächen verbunden oder verschweißt werden (bezüglich "Verbinden" und "Verschweißen" - siehe nachstehend).
Bearbeitung: Ein Prozeß, der ein Ergebnis von Arbeit ist, die auf ein Werkstück oder auf einen Teil desselben aufgebracht wird und die bewirkt, daß sich das Werkstück oder der Teil verformt. Die Bearbeitung gemäß der Erfindung geschieht durch PMF und zusätzlich dazu, daß sie eine Formänderung des Werkstücks verursacht, veranlaßt sie die Verbindung einer Oberfläche eines bearbeiteten Werkstücks oder Teils mit einer anderen Oberfläche.
Verbinden: Bearbeiten eines Gegenstandes oder Teils desselben, um zu bewirken, daß eine Oberfläche desselben mit einer anderen Oberfläche in sehr engen Kontakt kommt. Verbinden kann beispielsweise ein Vorgang des Quetschens eines im wesentlichen röhrenförmigen Werkstücks gegen einen anderen zylindrischen Gegenstand innerhalb des Inneren des Werkstücks sein, um gegenüberliegende Oberflächen der zwei Gegenstände sehr stark und im wesentlichen dauerhaft aneinander zu drücken. Der Zweck des Verbindens kann beispielsweise darin bestehen, einen engen elektrischen Kontakt, d. h. mit einem minimalen elektrischen Widerstand, zwischen zwei Gegenständen sicherzustellen.
Schweißen: Formen eines ersten Werkstücks in einer Weise, so daß die zwei anfänglich getrennten, gegenüberliegenden Oberflächen ineinander integriert werden. Beim Schweißen werden zwei solche Oberflächen tatsächlich geschmolzen und dann miteinander verfestigt, um einteilig zu werden.
Bearbeiteter Teil: Teil oder Bereich eines Werkstücks, der bearbeitet wird, d. h. durch eine PMF-Kraft in eine schnelle Bewegung versetzt wird, um ihn mit einem anderen Teil eines Werkstücks zu verbinden oder zu verschweißen. Im Fall eines Kabelschuhs oder eines Verbindungssteckers besteht der bearbeitete Teil beispielsweise aus dem Teil, der einen hohlen Behälter umfaßt, der das Kabel aufnimmt und der dann durch die PMF-Kraft gequetscht wird, um ihn mit dem darin enthaltenen Kabel zu verbinden oder zu verschweißen. Der bearbeitete Teil besteht aus einem elektrisch leitenden Material oder weist zumindest eine mit einem elektrisch leitenden Material beschichtete Oberfläche auf. Das elektrisch leitende Material kann beispielsweise aus Metall oder einem elektrisch leitenden Polymer bestehen.
Gegenstück: Ein Teil eines Werkstücks, der mit dem bearbeiteten Teil verbunden oder verschweißt wird. Das Gegenstück kann in einem anderen Werkstück als jenem mit dem bearbeiteten Teil enthalten sein (z. B. im Fall des Verbindens des Kabels in einem Kabelschuh ist der bearbeitete Teil der Teil mit dem Behälter des Kabelschuhs, wie vorstehend angemerkt, und das Gegenstück ist der Teil des Kabels, der den Behälter enthält, der mit dem bearbeiteten Teil verbunden oder verschweißt wird), obwohl das Gegenstück manchmal in demselben Werkstück enthalten sein kann wie der bearbeitete Teil (z. B. Verschweißen von zwei Flanschen eines Werkstücks miteinander, Quetschen eines Rohrs zum Verbinden oder Verschweißen seiner Wände miteinander, um das Ende eines Rohrs zu versiegeln, usw.). Das Gegenstück kann manchmal auch ein bearbeiteter Teil sein, wobei dies beispielsweise der Fall ist, wenn zwei Teile in eine schnelle Bewegung zueinander versetzt werden, um sie zu veranlassen, sich miteinander zu verbinden oder zu verschweißen (z. B. ist dies beim Quetschen von Wänden eines Rohrs, um ein Rohrende zu versiegeln, der Fall).
Erstes Werkstück: Ein Werkstück, das den bearbeiteten Teil umfaßt, der mit einem Gegenstück in einem anderen, zweiten Werkstück (siehe nachstehend) verbunden oder verschweißt werden muß.
Zweites Werkstück: Ein Werkstück mit dem Gegenstück in dem Fall, in dem sich der bearbeitete Metallteil in einem anderen Werkstück befindet.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung des PMF- Prozesses zum Verbinden oder Verschweißen von Oberflächen von Werkstücken oder Teilen von Werkstücken miteinander. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies erreicht, indem bewirkt wird, daß mindestens ein Werkstück oder ein Teil eines Werkstücks mit einer der zu verbindenden oder zu verschweißenden Oberflächen (der bearbeitete Teil) sich schnell in Richtung eines anderen Werkstücks oder eines Teils eines Werkstücks mit der anderen zu verbindenden oder zu verschweißenden Oberfläche (das Gegenstück) bewegt. Die schnelle Bewegung ergibt sich aus einer PMF-Kraft, die auf den bearbeiteten Teil aufgebracht wird, der entweder aus einem elektrisch leitenden Material besteht oder zumindest eine Oberfläche aufweist, die mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet ist. Die Bedingungen der PMF-Kraft werden derart gesteuert, daß, nachdem die zwei Oberflächen aufeinander aufprallen, sie miteinander verbunden oder verschweißt werden. Die Steuerung der PMF-Kraft ist typischerweise derart, daß die Geschwindigkeit der sich bewegenden Oberfläche dem bearbeiteten Teil vor dem Aufprall eine kinetische Energie verleiht, die größer ist als die Summe der plastischen Verformung des bearbeiteten Teils und der elastischen Verformung des Gegenstücks.
Die Erfindung stellt einen neuen Prozeß zum Verbinden oder Verschweißen von Gegenständen miteinander sowie Strukturen, die durch solches Verbinden oder Verschweißen erhalten werden, bereit. Der Prozeß der Erfindung ermöglicht die Herstellung von z. B. einer Verbindungsstelle zwischen einem Kabel und einem Verbindungsstecker wie z. B. einem Kabelschuh, in dem die Fasern oder Drähte mit einem sehr geringen Leerraum (nahe Null) fast auf ein Maximum zusammengedrückt werden, d. h. die Fasern oder Drähte füllen im wesentlichen den gesamten Hohlraum, in dem sie enthalten sind; oder ein Supraleiterkabel mit einem in einem Kabelmantel oder einer Matrix eingebetteten Draht mit sehr geringem Leerraum; Verbindungsstellen zwischen zwei Supraleiterkabeln; ein neues Erdungskabel oder ein Erdungspol; usw.
Die Erfindung stellt somit ein Verfahren zum Verbinden oder Verschweißen von mindestens zwei festen Teilen miteinander, wie in Anspruch 1 definiert, bereit, umfassend das Einleiten einer Bewegung in zumindest einem der festen Teile, der entweder aus einem elektrisch leitenden Material besteht oder zumindest eine Oberfläche aufweist, die mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet ist, durch eine Magnetimpuls- Formgebungskraft, um auf zumindest einen anderen festen Teil aufzuprallen, wobei die Bewegung dem zumindest einen festen Teil eine kinetische Energie verleiht, um zu bewirken, daß sich die zumindest zwei festen Teile miteinander verbinden oder verschweißen.
Die zwei zu verbindenden oder zu verschweißenden festen Teile können beide aus demselben Material bestehen oder können beide aus einem unterschiedlichen Material bestehen. Beide können beispielsweise aus Stahl, aus rostfreiem Stahl, aus Messing, aus Kupfer usw. bestehen. Alternativ kann einer aus einer von solchen beispielhaften Legierungen oder aus einem elektrisch leitenden Polymer bestehen und der andere kann aus einem anderen Material bestehen, wie z. B. Metall, einem elektrisch nicht-leitenden Material, usw.
Die zwei festen Teile, die miteinander verbunden oder verschweißt werden sollen, sind a priori einander zugewandt oder werden so angeordnet, daß gegenüberliegende Oberflächen entweder einander berühren oder zueinander nahe liegen. Die PMF-Kraft wird dann von einer Formgebungsspule aufgebracht, die nahe einer Oberfläche des bearbeiteten Teils gelegen ist, die eine andere als jene ist, die einer entsprechenden Oberfläche im Gegenstück gegenüberliegt, und veranlaßt somit eine Bewegung des bearbeiteten Teils. (Es sollte beachtet werden, daß, selbst wenn die zwei Teile einander berühren, ein ausreichender Abstand zwischen den zwei Oberflächen auf einer mikroskopischen Ebene vorhanden ist, um eine Beschleunigung und einen Aufbau von kinetischer Energie durch den bearbeiteten Teil zu ermöglichen.)
Wie bereits vorstehend dargelegt, können sich der bearbeitete Teil und das Gegenstück beide am gleichen Werkstück befinden. Dies kann beispielsweise der Fall sein beim Quetschen eines Endes eines Rohrs, z. B. eines Metallrohrs, um die Innenwände miteinander zu verbinden oder zu verschweißen, um das Rohr zu versiegeln. Wie auch vorstehend bereits dargelegt, kann sich der bearbeitete Teil alternativ an einem Gegenstand befinden und das Gegenstück kann sich an einem anderen Gegenstand befinden: wie beispielsweise im Fall des Verbindens eines Verbindungssteckers mit einem elektrischen Kabel. In den meisten Fällen ist einer der zu verbindenden oder zu verschweißenden festen Teile stationär und der andere ist ein bearbeiteter Teil, der durch eine PMF-Kraft in eine schnelle Bewegung versetzt wird. In einigen Fällen werden jedoch beide festen Teile in eine Bewegung zueinander versetzt, wobei dies beispielsweise beim Versiegeln eines Endes eines Metallrohrs der Fall ist, was bereits vorstehend bemerkt wurde. Im letzteren Fall, in dem alle zu verbindenden oder zu verschweißenden festen Teile zu einer schnellen Bewegung gebracht werden, sind tatsächlich beide bearbeitete Teile sowie Gegenstücke.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die zwei zu verbindenden oder zu verschweißenden festen Teile, die sich jeweils an einem separaten Gegenstand befinden (ein erstes und ein zweites Werkstück), beide unabhängig voneinander ein langgestreckter Teil. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist zumindest der bearbeitete feste Teil ein hohles, langgestrecktes Element und die Abmessungen der zwei Teile sind anfänglich derart, daß sie ineinander passen können. Das Verfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfaßt:
(a) Einsetzen von einem der zwei Teile in ein hohles Inneres des anderen;
(b) Bewirken, daß sich die Oberflächen eines ersten langgestreckten bearbeiteten Teils eines ersten Werkstücks zu gegenüberliegenden Oberflächen des anderen langgestreckten Gegenstücks eines zweiten Werkstücks hin bewegen, durch eine Magnetimpulskraft, um zu bewirken, daß die Oberflächen des bearbeiteten Teils auf die gegenüberliegenden Oberflächen des Gegenstücks mit einer Geschwindigkeit aufprallen, so daß die kinetische Energie des sich bewegenden bearbeiteten Teils des ersten Werkstücks vor dem Aufprall größer ist als eine Kombination der Energie der plastischen Verformung des sich bewegenden Teils und der Energie der elastischen Verformung des Gegenstücks nach dem Aufprall; wodurch die zwei Teile miteinander verbunden oder verschweißt werden.
Beispiele des Ausführungsbeispiels sind die Verbindung eines elektrischen Kabels mit einem zylindrischen Werkstück oder einem Teil des Werkstücks, z. B. die Verbindung eines Kabels mit einem Kabelschuh oder mit einer anderen Art Verbindungsvorrichtung; die Verbindung oder Verschweißung von zwei langgestreckten Gegenständen, z. B. zwei elektrischen Kabeln oder zwei Stangen, durch ein röhrenförmiges Verbindungselement; das Verschweißen von zwei Rohren miteinander, usw.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die zwei zu verbindenden oder zu verschweißenden Teile im wesentlichen planar. Beispiele dieses Ausführungsbeispiels sind die Verbindung oder Verschweißung von einer Metallplatine, -platte oder -folie mit einer anderen, die Verschweißung eines Endes eines Metallbandes oder einer Metallfolie mit dem Ende eines anderen Metallbandes oder einer anderen Metallfolie, usw.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft die Herstellung von Supraleiterkabeln oder -drähten. Solche Kabel weisen eine Matrix, eine Umhüllung oder einen Mantel auf, der aus einer Legierung, z. B. Aluminium oder Kupfer, besteht, und weisen Drähte auf, die innerhalb Hohlräumen oder Längsbohrungen im Kabel enthalten sind und die aus einer anderen Legierung, z. B. Niob oder Titan-Niob-Legierungen, bestehen. Ein solches Verbundkabel oder ein solcher Verbunddraht wird durch Einfügen von Fasern in Längsbohrungen oder einen Hohlraum eines Kabels oder Drahts, der dann durch einen PMF-Prozeß zusammengeschnürt wird, hergestellt. Folglich wird ein sehr dichtes Verbundkabel oder eine sehr dichte Verbundfaser mit einem sehr geringen Leerraum von fast Null erhalten. Manchmal sind die Fasern allein eine Verbundstruktur und können auch durch einen PMF-Prozeß gemäß der Erfindung hergestellt werden.
Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft die Herstellung eines Erdleiters oder -kabels, insbesondere ein solches mit einem inneren Metallkern, der mit einem Isolationsmaterial ummantelt ist und manchmal innerhalb eines weiteren Metallmantels eingekapselt ist.
Ein zusätzliches Ausführungsbeispiel betrifft das Quetschen und Verschweißen von Wänden eines Metallrohrs, um eine gasdichte Versiegelung zu bilden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft das Quetschen eines Rohrs, das aus Metall oder einem elektrisch leitenden Polymer besteht, auf einen Gegenstand, der aus einem elektrisch nicht-leitenden Material besteht, um das Verbinden des Rohrs mit dem Gegenstand zu veranlassen.
Der PMF-Prozeß der Erfindung kann auch gemäß anderen Ausführungsbeispielen zum Verbinden oder Verschweißen eines ersten, planaren Werkstücks mit einem zweiten, kugelförmigen Werkstück verwendet werden.
Die Gesamtform und -abmessungen der Formgebungsspule in der Vorrichtung, die beim Durchführen der Erfindung verwendet wird, bestimmt den bearbeiteten Metallteil, der sich mit dem Metallgegenstück verbindet oder verschweißt, sowie manchmal die Endform des bearbeiteten Teils. Im Fall des Verbindens oder Verschweißen von zwei planaren Werkstücken bestimmt die Größe und Form der planaren Formgebungsspule beispielsweise die Größe und Form des Teils des ersten Werkstücks, der bearbeitet wird und der sich dann mit dem Gegenstück im zweiten Werkstück verschweißt. Im Fall des Verbindens oder Verschweißens von zwei langgestreckten Teilen bestimmt die Länge der Spule die Länge des bearbeiteten Teils, der sich mit dem Gegenstück verschweißt oder verbindet. Ferner ist die Form der Formgebungsspule, d. h. die Form des von der Spule verfolgten Weges, ein Faktor, der die Endquerschnittsform des bearbeiteten Teils nach dessen Bearbeitung beeinflußt. Beim Verbinden von zwei röhrenförmigen Gegenständen miteinander weist eine Formgebungsspule beispielsweise eine hexagonale Form auf und kann eine hexagonale Endform des bearbeiteten Teils ergeben.
Die Art und Weise der Durchführung der Erfindung wird nun weiter mit Bezug auf ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert, welches die Verbindung oder Verschweißung von zwei im wesentlichen zylindrischen Gegenständen miteinander betrifft.
Der bearbeitete (erste) Teil gemäß dem obigen speziellen Ausführungsbeispiel ist vorzugsweise zylindrisch, obwohl er auch prismatisch sein kann, eine elliptische oder ovale Querschnittsform aufweisen kann, usw. Das Gegenstück (der zweite Teil) ist vorzugsweise auch zylindrisch, aber er kann ebenso wie der erste Teil auch eine Vielfalt von anderen als kreisförmigen Querschnittsformen aufweisen. Der zweite Teil kann eine Querschnittsform ähnlich zum ersten Werkstück aufweisen, d. h. beide weisen eine kreisförmige Querschnittsform auf, beide weisen eine hexagonale Querschnittsform auf, usw. Der erste und der zweite Teil können jedoch auch verschiedene Querschnittsformen aufweisen, z. B. ist der erste Teil zylindrisch und der zweite Teil ist prismatisch, usw.
In jedem Fall sollten die jeweiligen Abmessungen der zwei Teile derart sein, daß entweder das Einsetzen des zweiten Teils in den Hohlraum des ersten Teils oder das Einsetzen des ersten Teils in den Hohlraum des zweiten Teils ermöglicht wird.
Der erste Teil wird durch eine Magnetimpulskraft, die durch eine Spule nahe einer seiner Oberflächen, die anders ist als die Oberfläche, die sich mit der gegenüberliegenden Oberfläche im zweiten Teil verschweißt oder verbindet, erzeugt wird, zu einer schnellen Bewegung verleitet. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der zweite Teil in den ersten Teil eingesetzt und der erste Teil wird dann durch eine Formgebungsmagnetspule, die seine Außenfläche umgibt, auf den zweiten Teil gequetscht. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der erste Teil in einen Hohlraum des zweiten Teils eingesetzt und dann durch eine Magnetkraft von einer Spule benachbart zu seiner Innenfläche aufgeweitet, um zu bewirken, daß er auf die Wände des umgebenden zweiten Teils aufprallt und sich dann mit diesen verbindet.
Die Kanten eines prismatischen hohlen Gegentandes sind gegen das Quetschen etwas widerstandsfähiger als andere Teile der Wände des prismatischen Gegenstandes. Im Fall eines prismatischen Gegenstandes kann die PMF-Kraft folglich etwas eingestellt werden müssen, um diesen zusätzlichen Widerstand zu berücksichtigen. Der Widerstand gegen das Quetschen an den Kanten des Gegenstandes nimmt mit der Zunahme des zugehörigen Winkels ab, der mit der Zunahme der Anzahl der Seiten des prismatischen Gegenstandes korreliert ist. Folglich sind die Kanten von oktagonalen Gegenständen gegen Quetschkräfte weniger widerstandsfähig als die Kanten eines hexagonalen Gegenstandes (unter der Annahme derselben Wanddicke und derselben Metallegierung in beiden Fällen), und die Kanten von hexagonalen Gegenständen sind wiederum weniger widerstandsfähig gegen das Quetschen als jene von einem pentagonalen oder rechteckigen Gegenstand. Es ist klar, daß, wenn die Anzahl von Seiten des prismatischen hohlen Gegenstandes erhöht wird, die PMF-Kraft, die zum Quetschen erforderlich ist, sich jener eines zylindrischen Gegenstandes nähert. Die zusätzliche Kraft, die im Fall eines prismatischen hohlen Gegenstandes (im Vergleich zu einem hohlen zylindrischen Gegenstand) erforderlich ist, kann auch durch Abrunden der Kanten verringert werden. Der Handwerker sollte ohne unangemessene Schwierigkeiten eine PMF- Vorrichtung mit einer Formgebungsspule entwerfen können, um eine bestimmte gewünschte Vorschrift zu erfüllen.
Im folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem sowohl der erste als auch der zweite Teil zylindrisch sind. Im Moment des Aufpralls des sich schnell bewegenden ersten Teils auf den zweiten Teil ist die kinetische Energie des ersten Teils mindestens gleich der Summe der Energie der plastischen Verformung des sich bewegenden ersten Teils nach dem Aufprall und der Energie der elastischen Verformung des zweiten, stillstehenden Teils. Dies kann durch die folgende Näherungsgleichung (1) dargestellt werden:
U ≥ (1)
wobei U die Geschwindigkeit der sich bewegenden Oberfläche des ersten Teils vor dem Aufprall ist,
m&sub1; die Masse des ersten Teils ist, und
A&sub1; und A&sub2; die Energie der plastischen Verformung des ersten Teils bzw. die Energie der elastischen Verformung des zweiten Teils sind, die gemäß den folgenden Näherungsgleichungen (2) und (3) berechnet werden können:
A&sub1; = σ&sub1;V&sub1;eln(1/(1+δ1))/(r&sub0;&sub1;/r&sub1; - 1) (2)
A&sub2; = σ&sub2;V&sub2;eln(1/(1+δ2))/(r&sub0;&sub2;/r&sub2; - 1) (3)
wobei
r&sub0;&sub1; und r&sub0;&sub2; jeweils die Radien des ersten und des zweiten Teils vor der Verformung sind,
r&sub1; und r&sub2; jeweils die Radien des ersten und des zweiten Teils nach der Verformung sind,
σ&sub1; und σ&sub2; die Zugfestigkeit der Legierungen ist, aus denen der erste und der zweite Teil bestehen,
V&sub1; und V&sub2; jeweils die innerhalb des ersten und innerhalb des zweiten Teils eingeschlossenen Volumina nach der Verformung sind, und
δ&sub1; und δ&sub2; die relative Dehnung des ersten bzw. des zweiten Teils sind, die gemäß den folgenden Gleichungen (4) und (5) berechnet werden:
Auf der Basis der obigen Energieanforderungen (A&sub1; und A&sub2;) kann die Arbeitsspannung (V) durch die folgenden Gleichungen (6) und (7) berechnet werden:
W = km&sub1;U²L1&sub1;/4πu&sub0;r&sub0;&sub1;h (6)
wobei W die in der Kondensatorbatterie gespeicherte Energie ist,
V = (7)
k ein Koeffizient ist, der von den Parametern der PMF-Vorrichtung (einschließlich Kapazität und Eigeninduktivität) und den Parametern der Arbeitsspule abhängt,
L die Gesamtinduktivität der elektrischen Entladungsschaltung (der Spule, des Impulserzeugungsschalters und der Kondensatorbatterie) ist,
l die Länge der Arbeitsspule ist (und auch die Länge des Verformungsabschnitts des Werkstücks),
u&sub0; der magnetische Leitwert im Vakuum ist,
h die Dicke des Raums zwischen der Arbeitsspule und dem Werkstück ist,
U, m und r&sub0;&sub1; wie vorstehend definiert sind.
Wenn der Gegenstand anders als zylindrisch ist, kann es manchmal erforderlich sein, etwas geänderte Parameter der Magnetimpulsenergie zu verwenden. Für solche Gegenstände ist es erforderlich, A&sub1; und A&sub2; zu definieren, und anschließend können die Geschwindigkeit und die Spannung unter Verwendung der Gleichungen (6) und (7) bestimmt werden. Wenn beispielsweise ein prismatischer hohler Gegenstand auf einen zylindrischen Gegenstand in seinem Inneren gequetscht wird, ist typischerweise eine etwas stärkere Magnetkraft angesichts des erhöhten Widerstandes der Kanten gegen eine Verformung erforderlich. Wie zu erkennen ist, sind die obigen Gleichungen außerdem für eine Situation anwendbar, in der die Länge des Teils, der verformt wird, größer ist als der Durchmesser des Rohrs; wenn der Teil kleiner ist als der Durchmesser des Rohrs, sollten einige Korrekturen angesichts des Widerstandes gegen Verformungen an einem oder beiden Enden des verformten Teils in Betracht gezogen werden.
Die kinetische Energie, die dem ersten Teil verliehen wird, bestimmt, ob das erste und das zweite Werkstück sich miteinander verbinden oder verschweißen. Im allgemeinen führt eine größere kinetische Energie zum Verschweißen und eine kleinere zum Verbinden. Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit der Oberflächen des ersten Werkstücks geringer als 300 Meter/Sekunde ist, werden das erste und das zweite Werkstück typischerweise miteinander verbunden. Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit der Oberflächen des ersten Werkstücks mehr als 300 Meter/Sekunde ist, können die Oberflächen des ersten und des zweiten Werkstücks, die in Kontakt kommen, miteinander verschweißt werden. Zum Verschweißen ist es gewöhnlich bevorzugt, einen gewissen kleinen Abstand zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen des ersten und des zweiten Werkstücks aufrechtzuerhalten, um zu ermöglichen, daß sich die Oberfläche des ersten Werkstücks beschleunigt und die gewünschte Geschwindigkeit zum Verschweißen erreicht. Zum Verschweißen ist es manchmal erwünscht, daß das sich nicht bewegende, zweite Werkstück stabil unbeweglich gemacht wird, damit es zum Zeitpunkt des Aufpralls des ersten Werkstücks auf dieses im wesentlichen bewegungslos bleibt.
Manchmal kann es erwünscht sein, eine Bewegung des bearbeiteten Teils vielmehr durch mehrere Magnetimpulse nacheinander als durch einen einzelnen Magnetimpuls einzuleiten. Dies kann beispielsweise in einer Vorrichtung mit einer Vielzahl von Stromentladungsschaltungen, von denen jede zu verschiedenen Zeitpunkten aktiviert wird, erreicht werden. Eine solche Vorrichtung ist neu und bildet auch einen Aspekt der Erfindung.
Im folgenden wird die Erfindung durch nicht-begrenzende spezielle Ausführungsbeispiele veranschaulicht, wobei gelegentlich auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. Die veranschaulichten Ausführungsbeispiele betreffen hauptsächlich die Bearbeitung von Teilen von Metallwerkstücken. Es ist jedoch zu erkennen, daß die Erfindung im allgemeinen und viele der beschriebenen Ausführungsbeispiele insbesondere auch mutatis mutandis auf die Bearbeitung von Teilen anwendbar sind, die aus einem anderen elektrisch leitenden Material als Metall, z. B. aus einem leitenden Polymer, bestehen. Ein aus einem elektrisch leitenden Polymer bestehendes Rohr kann beispielsweise in einer ähnlichen Weise wie in Fig. 1-5 oder 16 dargestellt bearbeitet werden. Anstatt daß er vollkommen aus einem elektrisch leitenden Material besteht, kann der bearbeitete Teil der veranschaulichten Ausführungsbeispiele außerdem eine oder mehrere Oberflächen aufweisen, die mit einem leitenden Material beschichtet sind. Auf der Basis der Lehre dieser Erfindung hat der Handwerker keine Schwierigkeiten beim Ausführen der Erfindung mit bearbeiteten Teilen, die aus einem anderen elektrisch leitenden Material als Metall bestehen, oder mit solchen, die nur eine oder mehrere Oberflächen umfassen, die aus einem elektrisch leitenden Material bestehen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1-5 zeigen eine Sequenz zum Verbinden eines Mehr-Faser- Kabels und eines Kabelschuhs miteinander;
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Anordnung, die aus einem Kabel und einem Kabelschuh besteht, nach dem Einsetzen des Endes des Kabels in den Hohlraum des Kabelschuhs;
Fig. 2 ist eine obere, teilweise Querschnittsansicht der Anordnung von Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Querschnitt durch die Linien 3-3 in Fig. 2;
Fig. 4 ist eine obere, teilweise Querschnittsansicht der Anordnung nach der Zusammenschnürung des zylindrischen Teils des Kabelschuhs und der Ausbildung einer stabilen Verbindungsstelle zwischen dem Kabel und dem Kabelschuh;
Fig. 5 ist ein Querschnitt durch die Linien 5-5 in Fig. 4;
Fig. 6A ist eine isometrische Ansicht einer PMF-Vorrichtung, die unter anderem für die Herstellung einer Verbindungsstelle zwischen einem Kabel und einem Kabelschuh nützlich ist, wie in Fig. 1-5 gezeigt;
Fig. 6B ist eine Seitenansicht einer PMF-Spule;
Fig. 7 zeigt eine Vorrichtung;
Fig. 8 zeigt eine Verbindungsstelle zwischen einem zylindrischen Gegenstand und einem Rohr, die unter Verwendung einer Vorrichtung hergestellt wird, wie z. B. der in Fig. 7 gezeigten;
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung der Art und Weise zum Verbinden von zwei Polen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung der Art und Weise der Verbindung von zwei Supraleiterkabeln miteinander gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung zum Verbinden von zwei Supraleiterkabeln;
Fig. 12 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Art und Weise zur Herstellung eines Erdungskabels;
Fig. 13 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Art und Weise zur Herstellung eines Supraleiterkabels;
Fig. 14 zeigt eine Heizspule, wobei die Spule und ein elektrischer Stift durch eine Metallhülse, die auf der Spule durch einen erfindungsgemäßen PMF-Prozeß zusammengeschnürt wird, miteinander verbunden oder verschweißt werden;
Fig. 14A ist eine Seitenansicht dieser Vorrichtung;
Fig. 14B zeigt einen Querschnitt durch die Linien 14b-14b in Fig. 14a;
Fig. 15 zeigt eine Vorrichtung;
Fig. 15A zeigt eine Art und Weise zur Verwendung der Vorrichtung zum Verbinden oder Verschweißen von zwei hohlen zylindrischen Gegenständen, wobei ein Einsatz oder eine korrekte Positionierung der zwei Gegenstände verwendet wird und die Wände abgestützt werden;
Fig. 15B zeigt eine weitere Art und Weise zur Verwendung der Vorrichtung zum Verbinden oder Verschweißen von zwei hohlen zylindrischen Gegenständen ohne die Verwendung eines solchen Einsatzes;
Fig. 15C zeigt einen Längsschnitt durch eine Verbindungsstelle zwischen zwei Rohren mit unterschiedlichem Durchmesser, die durch die Vorrichtung von Fig. 15A oder 15B miteinander verschweißt wurden;
Fig. 16 zeigt die Art und Weise zum Quetschen und Verschweißen von Wänden eines Metallrohrs miteinander, um eine luftdichte Versiegelung zu erzielen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 17 zeigt die Einrichtung zum Verschweißen von zwei planaren Metallgegenständen;
Fig. 18 ist ein Querschnitt durch die Linien 18-18 in Fig. 16;
Fig. 19 und 20 zeigen zwei Ausführungsbeispiele zum Verschweißen eines anfänglich planaren Metallwerkstücks mit einem kugelförmigen Metallwerkstück;
Fig. 21 ist eine schematische Darstellung der Magnetleiterschaltung, die in einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung arbeitet; und
Fig. 22 zeigt die Magnetleiterschaltung in einer Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

BESCHREIBUNG DER SPEZIELLEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Zuerst wird auf Fig. 1-5 Bezug genommen, die die Art und Weise zum Verbinden eines Kabels mit einem Kabelschuh gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen. Der Kabelschuh 22 umfaßt eine Befestigungsbasis 24 zur Befestigung an einem anderen Körper und einen im wesentlichen röhrenförmigen Teil 25 mit einem Hohlraum 26. Das Kabel 28 umfaßt eine Vielzahl von Leiterfasern 30 mit jeweils einem im wesentlichen zylindrischen Querschnitt.
Das Kabel 28 und der Kabelschuh 22 werden durch Einsetzen des Endteils 32 des Kabels in den Hohlraum 26 des Kabelschuhs kombiniert, wie in Fig. 1-3 zu sehen ist. Der zylindrische röhrenförmige Teil 25 weist einen ursprünglichen Radius r&sub0;&sub1; auf und das Kabel weist einen ursprünglichen Radius r&sub0;&sub2; auf.
Um das Kabel mit dem Kabelschuh zu verbinden, wird eine Magnetimpulskraft auf den röhrenförmigen Teil 25 aufgebracht und folglich wird der röhrenförmige Teil 25 gequetscht, wodurch dessen Innenflächen mit dem Endteil 32 des Kabels 28 verbunden werden, wie in Fig. 4 zu sehen ist.
Infolge dieser Quetschung, wie in Fig. 5 gezeigt, werden die Fasern 30 zusammengedrückt, so daß sie hexagonal werden. Nach dem Quetschen weist der röhrenförmige Teil 25 einen Radius r&sub1; auf und das Kabel weist einen Radius r&sub2; auf. Im Anschluß an das Quetschen besteht eine gewisse Verdickung der Wände des zusammengeschnürten röhrenförmigen Teils 25.
Bei einem typischen Kabel füllen die Fasern etwa 65% seines Innenraums. Nach einem vollständigen Zusammendrücken, wodurch die Fasern hexagonal werden, füllen die Fasern im wesentlichen 100% des Innenraums des Kabels. Dies bedeutet, daß das Kabel nach vollständigem Zusammendrücken sich auf etwa 80% seines ursprünglichen Durchmessers zusammenschnürt.
Indem man r&sub0;&sub2; kennt, kann folglich r&sub2; als gleich etwa 80% von r&sub0;&sub2; berechnet werden. r&sub2; ist gleich dem Innenradius des Teils 25 nach der Zusammenschnürung, und indem die ursprüngliche Wanddicke des Teils 25 bekannt ist, kann die Wanddicke nach der Zusammenschnürung berechnet werden und daraus kann r&sub1; (der Radius des zylindrischen Teils 25 (nach der Zusammenschnürung)) abgeleitet werden. Durch Verwendung der obigen Gleichungen 1-5 können dann die für diesen Prozeß erforderlichen magnetischen Parameter berechnet werden.
Das Verbinden eines Kabels mit einem Kabelschuh ist ein Beispiel für die Verbindung eines Kabels mit einem zylindrischen Werkstück. Andere Beispiele sind das Verbinden von zwei Kabeln miteinander durch die Verwendung eines langgestreckten Verbindungssteckers mit zwei hohlen Behältern an beiden seiner Enden oder durch die Verwendung eines hohlen Rohrs, usw.
Nun wird auf Fig. 6A Bezug genommen, die in schematischer Weise eine Vorrichtung zeigt, die sich zur Ausführung des Prozesses, wie in Fig. 1-5 beschrieben, eignet. Die allgemein mit 40 bezeichnete Vorrichtung umfaßt ein Steuermodul 42, das eine schnelle, starke Stromentladung liefern kann, elektrische Zuleitungen 43 und 44 für die Übertragung des Stroms und eine Formgebungsspule 46. Die elektrischen Zuleitungen 43 und 44 sind mit der Spule 46 durch Verbindungsstecker 47 und 47a und 48 und 48a elektrisch verbunden. Typischerweise ragt die Formgebungsspule 46 von einer Oberfläche, z. B. einem Arbeitstisch, der hier durch eine Oberfläche 49 in einer gestrichelten Linie dargestellt ist, hervor, wobei der Rest der Vorrichtungsbestandteile hinter der Oberfläche verborgen ist. Die Formgebungsspule 46 weist einen Hohlraum 50 auf, in den ein zusammenzuschnürendes Werkstück eingesetzt wird. Die Innenwände der Spule 46 sind typischerweise mit einem isolierenden Auskleidungsmaterial 51 ausgekleidet.
Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel wird die Vorrichtung 40 zum Erzeugen einer Verbindungsstelle zwischen einem Kabel und einem Kabelschuh, was in Fig. 1-5 dargestellt ist, verwendet. Wie zu erkennen ist, kann die Vorrichtung auch für eine Vielfalt von anderen Zwecken verwendet werden, z. B. die Herstellung eines Erdungskabels, eines Supraleiterkabels, die Verbindung von zwei Supraleiterkabeln, und eine Vielfalt von anderen Zwecken, von denen einige nachstehend beschrieben werden. Die Breite der Spule 46 bestimmt die Länge des Teils, der gequetscht wird, wenn der Strom durch die Spule 46 entladen wird.
Bei diesem speziellen Beispiel wird eine Anordnung 52, die einen Kabelschuh 53 und ein Kabel 54 umfaßt, die miteinander in losem Zusammenhang stehen, in den Hohlraum 50 in einer Weise eingesetzt, daß der zylindrische Teil 55 des Kabelschuhs 53 sich im wesentlichen vollständig innerhalb des Hohlraums 50 befindet. Dann wird ein starker Strom schnell durch die Spule 46 entladen und die PMF-Kraft, die infolgedessen entsteht, veranlaßt das Quetschen der Wände des zylindrischen Teils 55 auf das Ende des Kabels 54, wodurch die beiden fest miteinander verbunden werden.
Fig. 6B zeigt eine Formgebungsspule, die allgemein mit 56 bezeichnet ist, die einem ähnlichen Zweck dienen kann wie die in Fig. 6A gezeigte Spule. Für eine leichte Beschreibung wurde Elementen mit einer ähnlichen Funktion wie jenen des Ausführungsbeispiels von Fig. 6A gleiche Bezugsziffern mit einer Strichindizierung gegeben und der Leser wird für Erläuterungen ihrer Funktion auf die obige Beschreibung verwiesen. Wie zu sehen ist, besteht der Hauptunterschied der Spule 56 zur Spule 46 in Fig. 6A darin, daß sie eine rippenartige Struktur aufweist. Der Vorteil bei einer solchen Struktur besteht darin, daß einerseits der Strom auf einen engeren Raum eingeschränkt wird, und er somit bei der Formgebung wirksamer ist, und andererseits die Rippen die für eine solche Spule erforderliche Festigkeit vorsehen.
Fig. 7 zeigt eine Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, die bei diesem speziellen Beispiel zum Verschweißen oder Verbinden eines Rohrs mit einem Stab verwendet wird. Ähnlich wie bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist klar, daß diese Vorrichtung auch für eine Vielfalt von anderen Zwecken verwendet werden kann. Die Vorrichtung, die allgemein mit 57 bezeichnet ist, umfaßt eine Formgebungsspule 58 mit einer Vielzahl von Windungen (bei diesem speziellen Beispiel 7) um ein Rohr 59, das aus einem Isolationsmaterial wie z. B. Kunststoff besteht. Die Vorrichtung umfaßt ferner eine Stromversorgung 60, die mit einer Kondensatorbatterie 61 parallel geschaltet ist, und einen Schalter 62. Der Stromgenerator 60 lädt den Kondensator 61 auf und im Anschluß an die Betätigung durch den Schalter 62 wird ein Strom durch die Formgebungsspule 58 entladen.
Die zwei miteinander zu verbindenden Werkstücke, die bei diesem Beispiel aus einem Metallrohr 63 und einem Metallstab 64 bestehen, werden in den Hohlraum 65 des Isolationsrohrs 59 eingesetzt. Um die zwei Werkstücke miteinander zu verschweißen, sollte vorzugsweise ein gewisser Abstand 66 zwischen den zwei Werkstücken vorhanden sein, typischerweise etwa 5-20% des Innendurchmessers des Rohrs 63.
Wie zu erkennen ist, besteht bei der Entladung des Kondensators 61 ein schneller und starker Stromfluß durch die Spule 58, der Wirbelströme im Rohr 63 verursacht, und der resultierende magnetische Druck verursacht dann, daß es sich schnell auf den Stab 64 quetscht und sich mit diesem verschweißt. Die Länge des Teils des Rohrs 63, der gequetscht wird, entspricht der Länge der Spule 58.
Fig. 8 zeigt eine Verbindungsstelle 69 zwischen einem Rohr 67 und einem Stab 68, die in einer mit Bezug auf Fig. 7 beschriebenen Weise hergestellt wird. In Abhängigkeit von der Intensität des magnetischen Drucks, der zum Erzeugen der Verbindungsstelle verwendet wird, und folglich der Bewegungsgeschwindigkeit des Zylinders vor dem Aufprall auf den Stab, findet entweder ein Verschweißen zwischen den zwei Werkstücken oder nur eine enge Verbindung statt.
Fig. 9 zeigt die Art und Weise der Verbindung von zwei Enden von langgestreckten Metallgegenständen miteinander gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Enden 70 und 71 der langgestreckten Gegenstände 72 bzw. 73 werden abgeschnitten oder abgeschrägt, um zwei komplementäre schräge Oberflächen mit einem relativ stumpfen Winkel zur Längsachse des Körpers zu erzeugen. Die zwei Gegenstände werden so angeordnet, daß ihre abgeschrägten oder abgeschnittenen Enden einander berühren, wobei ihre Achse relativ zueinander leicht verschoben ist. Im Anschluß an das Aufbringen einer starken Magnetimpulskraft, wie durch die Pfeile in Fig. 9A schematisch gezeigt, prallen die zwei Endsegmente 70 und 71 dann aufeinander auf und werden miteinander verschweißt, d. h. einteilig.
Fig. 10 zeigt eine Art und Weise zum Verbinden von Enden von zwei Supraleiterkabeln gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zwei Supraleiterkabel 76 und 77, von denen nur der Endteil dargestellt ist, umfassen jeweils eine Metallmatrix 78, die aus einer Metallegierung besteht, und Drähte 79, die aus einer anderen Metallegierung bestehen. Damit eine zweckmäßige elektrische Kontinuität vorhanden ist, ist es erforderlich, zwei Enden so zu verbinden, daß die Drähte flächengleich sind. Für diesen Zweck werden die Enden 76 und 77 der zwei Kabel ähnlich wie im Fall der Stäbe in Fig. 8 diagonal abgeschnitten und innerhalb des Hohlraums 80 des zylindrischen Werkstücks 82 miteinander in Kontakt gebracht (Fig. 10B). Durch das Aufbringen einer Magnetimpulskraft, die durch die Pfeile in Fig. 10B schematisch dargestellt ist, wird dann das zylindrische Werkstück 82 auf das Supraleiterkabel zusammengeschnürt und folglich wird die enge Verbindung zwischen den zwei Kabeln erhalten, wie in Fig. 10C gezeigt.
Die Art und Weise zum Verbinden von zwei Supraleiterkabeln gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 11 gezeigt. Die Stirnflächen 84 und 85 der Kabel 86 bzw. 87 werden gebohrt, um eine Vielzahl von Bohrungen 88 zu erhalten, die jeweils einem Draht 89 des Supraleiterkabels entsprechen, wie in Fig. 11B zu sehen ist. Ein Verbindungselement 90 mit Vorsprüngen 92, die den Bohrungen 88 entsprechen, wird mit den zwei Enden der Supraleiterkabel kombiniert, wie in Fig. 11C gezeigt, und dann wird ein Zylinder 94 über dieser Anordnung angeordnet. Dann wird eine Magnetkraft aufgebracht, wie durch die Pfeile in Fig. 10C schematisch gezeigt, und folglich wird der Zylinder 94 auf dem Kabel zusammengeschnürt und folglich wird eine stabile Verbindung erhalten, wie in Fig. 11D gezeigt.
Die Art und Weise zur Herstellung eines Erdkabels oder -leiters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 12 gezeigt. Ein in Fig. 12A gezeigter Leiter 100 besteht aus einem Kern 102, der aus einer Legierung, z. B. Eisen, besteht, und einem Mantel 104, der aus einer anderen Legierung, z. B. Kupfer, besteht. Der Leiter 100 kann wie in Verbindung mit Fig. 7 und 8 erläutert hergestellt werden. Ein Zylinder oder eine Umhüllung, die aus einem Isolationsmaterial wie z. B. Polyethylen, einem Keramikmaterial, usw., besteht, wird über dem Leiter angeordnet, wobei über den Zylinder oder die Umhüllung ein Metall, z. B. ein Kupferzylinder, gelegt wird, wie in Fig. 12B zu sehen ist. Im Anschluß an das Aufbringen einer Magnetkraft, wie durch die Pfeile in Fig. 12B schematisch dargestellt, wird der Metallzylinder 108 zusammengeschnürt, was auch eine Zusammenschnürung des Isolators 106 verursacht, um die in Fig. 12C gezeigte dichte Struktur zu erreichen.
Nun wird auf Fig. 13 Bezug genommen, die die schematische Darstellung der Art und Weise zum Herstellen eines Supraleiterkabels gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Eine Längsmatrix 110, die aus einer Legierung, z. B. Kupfer, besteht, umfaßt eine Vielzahl von Längsbohrungen 112, und Drähte 114, die aus einer anderen Legierung bestehen, werden in jede der Bohrungen eingeführt, wie in Fig. 13A gezeigt. Im Anschluß an das Aufbringen einer Magnetimpulskraft, wie durch die Pfeile in Fig. 13A dargestellt, wird das ganze Kabel zusammengeschnürt und folglich verbinden sich die Wände von jeder der Bohrungen mit den Drähten, um ein Supraleiterkabel mit praktisch keinem Leerraum zu ergeben, wie in Fig. 13B zu sehen ist.
Nun wird auf Fig. 14 Bezug genommen, die ein Heizelement 115 darstellt, das aus einer Spule 116 und einer Stiftanordnung 117 besteht. Die Spule 116 ist spiralförmig und erstreckt sich zwischen den zwei Stiften. Die Stiftanordnung 117 besteht aus einem Isolationselement 118, das aus Kunststoff, einem keramischen Stoff usw. besteht, und einem elektrischen Stift 119, der sich durch das Isolationselement 118 erstreckt und an einem Teil 120 endet, der mit dem Endteil der Spule 116 in Kontakt steht.
Das Element umfaßt ferner zwei Metallhülsen 121, die die Enden der Spule 116, die den Teil 120 des Stifts 119 überlappen, umhüllen. Die Hülse 121 wird auf der Struktur, die aus dem Teil 120 und der Spule 116 besteht, zusammengeschnürt und verursacht die enge Verbindung der zwei Elemente miteinander, die einen elektrischen Kontakt hoher Qualität sicherstellt, der gegen Erosion hochbeständig ist, die während eines fortgesetzten Betriebs auftreten kann.
Eine Vorrichtung zur Verwendung beim Verbinden oder Verschweißen von langgestreckten Gegenständen miteinander ist in Fig. 15 (in Längsschnitten) gezeigt. Die Vorrichtung, die allgemein mit 122 bezeichnet ist, umfaßt eine Formgebungsspule 123, die aus einer Vielzahl von Windungen besteht, die durch ein Isolationsmaterial 124 voneinander getrennt sind. Die Vorrichtung umfaßt auch einen Feldformer 126.
Infolge des Aufbringens der Magnetimpulskraft ergibt sich ein starker magnetischer Druck im Hohlraum 128 des Feldformers und folglich wird ein zylindrischer Gegenstand innerhalb des Hohlraums zusammengeschnürt.
Fig. 15A zeigt zwei Beispiele der Art und Weise der Verwendung der Vorrichtung zum Verbinden von zwei hohlen röhrenförmigen Werkstücken miteinander, die aus einem ersten röhrenförmigen Werkstück 130 mit einem relativ breiteren Durchmesser und einem zweiten röhrenförmigen Werkstück 132 mit einem schmäleren Durchmesser bestehen. Diese zwei Werkstücke weisen jeweils einen Teil 134 und 136 auf, die miteinander verschweißt werden sollen. Ein Problem bei einem solchen Verschweißen besteht darin, zuerst die zwei Werkstücke korrekt zu positionieren, so daß sie koaxial sind, und ferner ist es erforderlich, Bedingungen zu schaffen, so daß beim Aufprall zwischen den zwei Werkstücken der Teil 136 des zweiten Werkstücks 132 im wesentlichen bewegungslos bleibt und somit mit dem Teil 134 des ersten Werkstücks verschweißt wird. Bei dem in Fig. 15A gezeigten Beispiel werden diese beiden Meisterleistungen durch die Verwendung eines Einsatzes 138 erreicht, der den ersten Teil 140 mit einem Durchmesser gleich dem Innendurchmesser des röhrenförmigen Werkstücks 130 aufweist und einen zweiten Teil 142 aufweist, der einen Durchmesser gleich dem Innendurchmesser des röhrenförmigen Werkstücks 132 aufweist. Die zwei Teile 140 und 142 sind koaxial und folglich sind das erste Werkstück 130 und das zweite Werkstück 132 auch koaxial. Ferner stützt der Teil 142 des Einsatzes 138 den Teil 136 ab, so daß beim Aufbringen einer Magnetkraft der Teil 134 sich schnell in Richtung des Teils 136 bewegt, der während des Aufpralls im wesentlichen bewegungslos bleibt, so daß die zwei Teile miteinander verschweißt werden.
Die Abstützung der Innenwände eines röhrenförmigen Werkstücks während des Aufpralls durch ein äußeres röhrenförmiges Werkstück kann auch durch eine Vielfalt von anderen Einrichtungen erreicht werden. Diese umfassen beispielsweise das Füllen des gesamten Zylinders mit einer nichtkomprimierbaren Flüssigkeit wie z. B. Wasser; das Einleiten einer magnetischen Flüssigkeit wie z. B. Quecksilber, Öl mit suspendierten Metallteilchen usw. in das Rohr, und dann Anlegen eines konstanten Magnetfeldes vor der PMF, um die magnetische Flüssigkeit an einem Teil zu konzentrieren, an dem die Abstützung erforderlich ist; durch an einem jeweiligen Teil gefrorenes Eis; usw. Solche Lösungen für die Abstützung sind beispielsweise erforderlich, wenn der innere Zylinder lang ist und es somit nicht möglich ist, einen Einsatz wie z. B. den in Fig. 15A gezeigten einzusetzen.
Fig. 15B zeigt die Art und Weise zur Verwendung derselben Vorrichtung ohne Verwendung eines Einsatzes. In Fig. 15B wird beispielsweise durch die Verwendung von zwei ringförmigen Elementen 143 und 144 bewirkt, daß die zwei Werkstücke koaxial sind. Diese zwei ringförmigen Elemente können aus derselben Legierung bestehen wie die Werkstücke 130 und 132 oder aus einer anderen Legierung bestehen. Diese zwei ringförmigen Elemente unterstützen etwas bei der Formung des Magnetfeldes und dienen auch zum Verbessern der Qualität der Schweißung: beim dem Aufbringen der PMF-Kraft, der schnellen inneren Bewegung des Teils 134 vereinigen sich die zwei ringförmigen Elemente 143 und 144 mit den Teilen 134 und 136. Um optimale Bedingungen sicherzustellen, d. h. daß keine Zusammenschnürung des Teils 136 beim Aufprall stattfindet, muß die PMF in einem sehr kurzen Impuls aufgebracht werden, typischerweise für eine Zeit, die gleich etwa oder geringfügig oberhalb T/4 (T = 2π LC) ist. Die folgende Gleichung 8 stellt ein Beispiel einer ungefähren Beziehung zwischen den verschiedenen Parametern bereit, die es ermöglichen, daß sie die notwendige Anforderung erfüllt:
wobei
l die Länge der Arbeitsspule ist
n die Anzahl von Windungen der Arbeitsspule ist,
L die Gesamtinduktivität der Entladungsschaltung ist.
Eine Verbindungsstelle zwischen zwei röhrenförmigen Werkstücken mit einem unterschiedlichen Durchmesser ist in Fig. 15C gezeigt.
Nun wird auf Fig. 16 Bezug genommen, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, das das Quetschen von Wänden eines Metallrohrs und das Verschweißen der Innenflächen miteinander betrifft. Ein Beispiel der Verwendung dieses Ausführungsbeispiels liegt im Abdichten von Metallrohren, die ein Kühlgas enthalten, das in Kühl- oder Heizsystemen, z. B. in Kühlschränken oder Klimaanlagensystemen verwendet wird, oder im Abdichten von Rohren, die ein entflammbares Gas (z. B. Kochgas usw.) enthalten.
Fig. 16A ist ein schematischer Längsschnitt, der ein Metallrohr 145 zeigt, von welchem ein Teil 146 von einer Metallspule 147 umgeben ist. Bei einer schnellen Entladung des Stroms durch die Spule 147, wie in Fig. 16B gezeigt, quetscht die Magnetimpulsformgebung die Wände des Teils 146 und veranlaßt das Verschweißen der Innenwände dieses Teils miteinander. Wie in Fig. 16B zu sehen ist, besteht nach dem Quetschen eine Verdickung der Wände des Teils 146. Der Teil 146 kann dann in seiner Mitte geschnitten werden, was somit ein versiegeltes Ende 148 ergibt, was eine Ausströmung von Gas aus dem Rohr (durch die Pfeile dargestellt) verhindert.
Eine Einrichtung zum Verschweißen von zwei planaren Metallwerkstücken ist in einer perspektivische Ansicht in Fig. 17 und in einem Querschnitt in Fig. 18 gezeigt (in Fig. 17 wurde die Stützstruktur der Spule für den Zweck einer leichten Darstellung entfernt). Um zwei planare Werkstücke zu verbinden, wird eine im wesentlichen planare Spule verwendet. Die in Fig. 17 gezeigte planare Spule 150 weist eine Gesamtform und eine Größe auf, die im wesentlichen dieselben sind wie die Form und Größe der Fläche des ersten Werkstücks 152, das mit dem zweiten Werkstück 154 verbunden werden soll. Wie in Fig. 18 zu sehen ist, werden die Spulenwindungen 156 durch die Stützwand 158, die auf einem Arbeitstisch durch ein Verankerungselement 160 verankert ist, an der Stelle gehalten. Beim Leiten eines Stromimpulses in die Spule 150 bewegt sich das planare Werkstück 152 schnell nach unten, und wenn es auf das Werkstück 154 ausreichend schnell aufprallt, z. B. mit einer Geschwindigkeit oberhalb 300 m/s, werden die zwei Metallwerkstücke miteinander verschweißt. Für diesen Zweck wird eine Magnetkraft von der Richtung aufgebracht, wie durch die Pfeile in diesen Figuren gezeigt.
Nun wird auf Fig. 19 und 20 Bezug genommen, die schematisch das Verschweißen eines planaren Werkstücks 162 und 162' mit Gegenständen 164 und 164' zeigen, die jeweils ein zylindrischer und ein prismatischer Gegenstand sind (im Querschnitt gezeigt).
Nun wird auf Fig. 21 Bezug genommen, die ein Blockdiagramm der elektrischen Schaltung für die Bereitstellung einer Magnetimpulskraft in einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Die Vorrichtung umfaßt einen Stromgenerator 170, der wie beim dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere Kanäle aufweisen kann, und eine oder eine Vielzahl von Stromschaltungen 174 (bei diesem Ausführungsbeispiel sind drei dargestellt) und einen Feldformer 182. Jede solche Schaltung 174 umfaßt eine Kondensatorbatterie 176, eine Formgebungsspule 178 und einen Impulsentladungsschalter 180. Jeder der Schalter 180 steht unter der Steuerung eines Mehrkanal-Auslösegenerators 172.
Der elektrische Strom, der von der Stromversorgung 170 geliefert wird, sammelt sich in einem Kondensator oder in einer Reihe von Kondensatoren 176 an und im Anschluß an einen vom Generator 172 gelieferten Auslöser entlädt sich das angesammelte Potential über die Spule 180. Eine Vorrichtung, die eine Vielzahl von Magnetformgebungsschaltungen umfaßt, wird einzigartig von der Erfindung bereitgestellt. Der Vorteil einer solchen Vorrichtung besteht darin, daß durch zweckmäßige Zeitsteuerung der Auslöser für jeden der Schalter 180 eine Reihe von Magnetimpulskräften aufgebracht werden kann, die für eine Anzahl von Anwendungen vorteilhaft sein kann.
Ein Blockdiagramm einer Schaltung ist in Fig. 22 gezeigt. In Fig. 22 wurde gleichen Elementen wie jenen von Fig. 21 gleiche Zahlen mit einer Strichindizierung gegeben. Dies ist besonders nützlich zum Bereitstellen von sehr starken Energien. Die Vorrichtung umfaßt einen Transformator 184 für jede der Schaltungen 174', der eine Primärspule 186 mit einer Vielzahl von Windungen und eine Sekundärspule 188 mit einer einzelnen Windung umfaßt. Alle Sekundärspulen 188 sind mit der Formgebungsspule 190 parallel geschaltet.

Claims

1. Verfahren zum Verbinden oder Verschweißen von mindestens zwei festen Teilen (22 und 28; 53 und 54; 63 und 64; 67 und 68; 70 und 71; 76, 77 und 82; 86, 87, 90 und 94; 100, 106 und 108, 110 und 114; 142, 134 und 136; 134, 136, 143 und 144; 152 und 154, 162 und 164, 162' und 164'), umfassend das Drücken der festen Teile gegeneinander durch Einleiten einer schnellen Bewegung in zumindest einem der festen Teile, um zu bewirken, daß zumindest eine Oberfläche derselben auf die anderen festen Teile aufprallt, wobei der zumindest eine der festen Teile aus mindestens einer Oberfläche besteht oder diese umfaßt, welche aus einem elektrisch leitenden Material besteht, und die Bewegung durch eine Magnetimpuls-Formgebungskraft eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetimpuls-Formgebungskraft bei einer Größe liegt, so daß die Geschwindigkeit U der Oberfläche des zumindest einen der festen Teile vor dem Aufprall auf die anderen festen Teile durch die folgende Gleichung (1) dargestellt wird:

U ≥ (1)

wobei U die Geschwindigkeit der sich bewegenden Oberfläche des zumindest einen der festen Teile vor dem Aufprall ist,

m&sub1; die Masse des zumindest einen der festen Teile ist, und

A&sub1; und A&sub2; die Energie der plastischen Verformung des zumindest einen der festen Teile bzw. die Energie der elastischen Verformung der anderen festen Teile sind, die gemäß den folgenden Gleichungen (2) und (3) berechnet werden können:

A&sub1; = σ&sub1;V&sub1;eln(1/(1+δ1))/(r&sub0;&sub1;/r&sub1; - 1) (2)

A&sub2; = σ&sub2;V&sub2;eln(1/(1+δ2))/(r&sub0;&sub2;/r&sub2; - 1) (3)

wobei

r&sub0;&sub1; und r&sub0;&sub2; jeweils die Radien des zumindest einen der festen Teile und der anderen festen Teile vor der Verformung sind,

r&sub1; und r&sub2; jeweils die Radien des zumindest einen der festen Teile und der anderen festen Teile nach der Verformung sind,

σ&sub1; und σ&sub2; die Zugfestigkeit des Materials ist,

V&sub1; und V&sub2; jeweils die innerhalb des zumindest einen der festen Teile und innerhalb der anderen festen Teile eingeschlossenen Volumina nach der Verformung sind, und

δ&sub1; und δ&sub2; die relative Dehnung des zumindest einen der festen Teile bzw. der anderen festen Teile sind, die gemäß den folgenden Gleichungen (4) und (5) berechnet werden:

2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Verbinden oder Verschweißen von zwei festen Teilen (22 und 28; 53 und 54; 63 und 64; 76, 77 und 82; 86, 87, 90 und 94; 100, 106 und 108; 110 und 114, 142, 134 und 136); wobei jeder ein langgestreckter Teil an einem separaten Werkstück ist; wobei zumindest ein erster Teil, der ein bearbeiteter Teil ist, hohl ist (22, 53, 63, 82, 94, 108 und 106, 110, 134 und 136), wobei die Abmessungen der zwei festen Teile anfänglich derart sind, daß sie ineinander passen können; wobei das Verfahren folgendes umfaßt:

(a) Einsetzen von einem der zwei festen Teile in ein hohles Inneres des anderen;

(b) Bewirken, daß sich die Oberflächen eines ersten langgestreckten bearbeiteten Teils eines ersten Werkstücks zu entgegengesetzten Oberflächen des anderen langgestreckten Gegenstücks des zweiten Werkstücks hin bewegen, durch eine Magnetimpulskraft, um zu bewirken, daß die Oberflächen des bearbeiteten Teils auf die entgegengesetzten Oberflächen des Gegenstücks mit einer Geschwindigkeit U, die durch die Gleichung (1) dargestellt ist, aufprallen; wodurch die zwei Teile miteinander verbunden oder verschweißt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der bearbeitete Teil ein zylindrischer Behälter (22, 53, 82, 94, 108, 110) ist und das Gegenstück ein Kabel (28, 54, 77, 76, 87, 86, 90, 100, 114) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Metallkabel mit einem Verbindungsstecker verbunden oder verschweißt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das erste Werkstück eine Umhüllung oder Matrix (82, 94, 110) eines Supraleiterkabels ist, die aus einer Legierung besteht, und das zweite Werkstück (76, 77, 86, 87, 90, 114) ein oder mehrere Drähte sind, die aus einer zweiten Legierung bestehen, welche in einen Hohlraum oder Längsbohrungen des Supraleiterkabels eingesetzt werden; wobei das Verfahren das Einsetzen des Drahts in den Hohlraum oder die Bohrungen und dann das Zusammenschnüren der Matrix oder Umhüllung mittels der Magnetimpulskraft umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 2 für die Herstellung eines Erdleiters (100, 106 und 108).

7. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Quetschen von Wänden eines Rohrs (145, 146) und das Verbinden oder Verschweißen von dessen Innenflächen miteinander (148).

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Arbeitsspannung V durch die folgenden Gleichungen (6) und (7) berechnet wird:

W = km&sub1;U²L1&sub1;/4πu&sub0;r&sub0;&sub1;h (6)

V = (7)

wobei W die in der Kondensatorbatterie gespeicherte Energie ist,

k ein Koeffizient ist, der von den Parametern der PMF-Vorrichtung und den Parametern der Arbeitsspule abhängt,

l die Länge der Arbeitsspule ist,

u&sub0; der magnetische Leitwert im Vakuum ist,

h die Dicke des Raums zwischen der Arbeitsspule und dem Werkstück ist,

L die Gesamtinduktivität der elektrischen Entladungsschaltung (der Spule, des Impulserzeugungsschalters und der Kondensatorbatterie) ist, und

U, m und r&sub0;&sub1; wie in Anspruch 1 definiert sind.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Teile (152 und 154, 162' und 164') im wesentlichen planar sind und aneinander geschweißt werden.