DE904332C

DE904332C - Verfahren zur Herstellung von zur Oberflaechenvergroesserung dicht mit stabfoermigen Elementen versehenen Koerpern, wie Waermeaustauschern u. dgl.

Info

Publication number: DE904332C
Application number: DEA13531A
Authority: DE
Inventors: David Dalin; Hans J U Waengsjoe
Original assignee: Svenska Maskinverken AB
Current assignee: Svenska Maskinverken AB
Priority date: 1951-06-20
Filing date: 1951-06-20
Publication date: 1954-03-08

Description

Verfahren zur Herstellung von zur Oberflächenvergrößerung dicht mit stabförmigen Elementen versehenen Körpern, wie Wärmeaustauschern u. dgl. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum elektrischen Schweißen, im besonderen auf ein Verfahren zur Herstellung von Wärmeaustauschern und anderen Körpern, bei welchen auf eine Grund- oder Trägerwandung, die ein Rohr oder eine ebene Platte sein kann, eine Vielzahl von dicht nebeneinander vorspringend angeordneten stabförmigen Elementen ähfgeschweißt ist; ein derartiges Verfahren ist bereits Gegenstand einer älteren Erfindung D 1439 VIII d / 21 h vom 15. März 195o. Nach diesem Verfahren wird das direkte Anschweißen dieser Elemente an die Trägerwandung auf wirtschaftlich rationelle Weise ermöglicht, unbeschadet des Umstandes, daß diese Elemente aus einem Metall von hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen und daß die Trägerwand aus Metall von wesentlich niedrigerer Leitfähigkeit bestehen kann.
Im besonderen bezieht sich das Verfahren auf das Verschweißen von stabförmigen Elementen hoher Leitfähigkeit mit einer Grund- oder Trägerwand, die ebenfalls aus einem Metall von hoher Wärmeleitfähigkeit besteht; dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren auch unter so schwierigen Verhältnissen Anwendung finden, wie sie bei der Vereinigung von Aluminium und Stahl herrschen.
Jedes stabförmige Element erhält an dem Verbindungsende einen erweiterten Fuß, zu dem Zweck, die erforderliche Festigkeit an der Verbindungsstelle zu erhalten, für den Fall, daß das stabförmige Element und die Trägerwand aus dem gleichen Metall bestehen, und zu dem Zweck; eine gleichförmige Verteilung der Wärme über die Trägerwand zu erreichen, wenn letztere aus einem Metall von geringerer Leitfähigkeit besteht als die stabförmigen Elemente.
Bei der erwähnten älteren Erfindung wird der erweiterte Fuß am Verbindungsende eines jeden Elementes automatisch während des Schweißprozesses geformt. In den meisten Fällen genügt dies. Bei der Vereinigung bestimmter Metalle hingegen, z. B. Kupfer mit Kupfer, Aluminium mit Aluminium undAluminium mit Stahl; treten hierbei Schwierigkeiten auf.
Die Erfindung bezweckt, das Verfahren der älteren Erfindung dahin zu verbessern, daß es mit zuverlässig voraussehbarem Erfolg zum Zusammenschweißen irgendwelcher für die Herstellung von oberflächenvergrößerten Wärmeaustauschern geeigneten Metallen nutzbar gemacht werden kann.
Die Figuren erläutern die Erfindung an Ausführungsbeispielen. Es stellt dar Fig. i einen Querschnitt durch einen Wärmeaustauscher, wie er hauptsächlich für Dampfkessel Verwendung findet, Fig. 2 den Grundriß zu Fig. i, Fig.3 den Querschnitt durch eine zweite Ausführungsforen eines Wärmeaustauschers; Fig. q: den Schnitt nach Linie 4-4 zu Fig. i in vergrößertem Maßstab, Fig. 5 die Ansicht des unteren Teiles eines stabförmigen Elementes vor der Verschweißung mit der Trägerwand, Fig. 6 eine schematische Darstellung des Schweißprozesses vor Beginn der Schweißung, Fig. 7 eine der Fig. 6 ähnliche Darstellung während des Schweißprozesses, Fig. 8 eine der Fig. 7 ähnliche Darstellung nach Beendigung des Schweißprozesses.
In den Figuren bezeichnet 5 die Grund- oder Trägerwand, die, wie in den Beispielen der Fig. i, 2 und 6, ein Rohr oder aber eine ebene Platte sein kann wie in Fig.3. Bei allen Ausführungsformen werden stabförrnige Elemente auf die Oberfläche der Grund- oder Trägerplatte aufgeschweißt.
Wenn der mit dem stabförnügen Element zu besetzende Körper ein Rohr ist, werden die Stäbe gleichmäßig auf dem Rohrumfang verteilt und nahe der Verbindungsstelle umgebogen, so daß die Stäbe untereinander im wesentlichen parallel verlaufen.
Dieselbe Anordnung wird getroffen, wenn als Grund-oder Trägerwand eine ebene Platte dient, an welcher die Elemente nur auf einer Seite angebracht sind; selbstverständlich entfällt hier das Umbiegen der Stäbe. Bei der Ausführungsform der Fig.3 ist die ebene Platte beidseitig mit oberflächenvergrößernden stabförmigen Elementen besetzt; die Elemente beider Seiten sind axial aufeinander eingedeckt. Diese Ausführungsform eignet sich besonders für Wärmeaustauscher.
Da das erfindungsgemäße Verfahren in erster Linie darauf abgestellt ist, ein Element von hoher Wärmeleitfähigkeit mit einer Grundplatte zu verschweißen, die ebenfalls eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, so sind erfindungsgemäß Mittel vorgesehen, die die Erzielung der Schweißtemperatur im Schweißpunkt gewährleisten, unbeschadet der hohen elektrischen Leitfähigkeit der Grund- oder Trägerwandung. Zu diesem Zweck erhält jedes stabförmige Element an seinem Verbindungsende einen vorgeformten, sich erweiternden Fuß 7, an dessen Grundfläche ein Kontaktteil oder eine Kontaktspitze 8 angesetzt ist; dieser Kontaktteil hat im wesentlichen denselben Querschnitt wie das: stabförmige Element selbst und läuft in eine Spitze oder einen Kontaktpunkt am äußeren Ende aus. Die Bodenfläche des erweiterten Fußes ist zwischen zwei- und viermal größer als der Querschnitt des stabförmigen Elementes selbst.
Die Länge L (Fig. 5) des Kontaktteiles und dessen Volumen sind ein wichtiger Faktor; er ist, wie gefunden wurde, richtig gewählt, wenn der Kontaktteil in eine stumpfwinkelige Spitze ausläuft, deren stumpfer Winkel nicht weniger als =2o° beträgt, und wenn die Erzeugende des stumpfwinkeligen Kegels unter einem Winkel von 3o° zur Horizontalen verläuft und die Umfangskante des Bodens des Fußes 7 schneidet, wie in Fig. 5 zur Darstellung gebracht. Bei Erfüllung dieser Bedingungen beträgt die Länge L ungefähr zwischen 38 und 58 °/o des Durchmessers des stabförmigen Elementes.
ZurDurchführung des eigentlichen Schweißvorganges wird das stabförmige Element in einem Futter 9 (Fig. 6) gefaßt, das Ausnehmungen =o für den Durchgang eines zirkulierenden Kühlmittels besitzt; mit Hilfe des Futters 9 wird der Kontaktteil gegen die Grund- öder Trägerwandung 5 gedrückt.
Gleichzeitig läßt man einen elektrischen Strom von niedriger Spannung und hoher Stärke durch die Verbindungsstelle zwischen dem Kontaktteil 8 und der Grund- oder Trägerwandung 5 strömen. Zu diesem Zweck werden die beiden Hälften des Futters mit dem einen Pol einer Stromquelle =i durch eine Leitung i2 verbunden; der andere Pol der Stromquelle ist über eine Leitung =q. an einen Kontaktsattel 13 der im Fall der Fig. 6 als Rohr ausgebildeten Trägerwandung 5 angeschlossen.
Wenn die stabförmigen Elemente an beiden Seiten einer Trägerwand angeschlossen werden sollen, wie in Fig. 3 gezeigt, wird an Stelle des Kontaktsattels ein zweites Futter 9' zum Ansetzen und Anpressen des jeweils auf der anderen Seite der Trägerwand anzuschweißenden stabförmigen Elementes verwendet. i Die Grund- oder Trägerwandung wird zwischen den einander gegenüberstehenden Futtern in beliebiger Weise gehalten.
Dadurch, daß die stabförmigen Elemente in der oben angegebenen Weise am Verbindungsende je einen j erweiterten Fuß erhalten, wird erreicht, daß die Temperatur des Kontaktteiles des stabförmigen Elementes und des direkt von demselben berührten Teiles der Grund- oder Trägerwandung rasch auf die Schmelztemperatur steigt, unbeschadet des Umstandes, daß sowohl die Grund- oder Trägerwandung wie das mit ihr zu verschweißende stabförmige Element aus einem Metall von hoher Wärmeleitfähigkeit besteht.
Mit steigender Temperatur werden der Kontaktteil 8 und der ihm direkt benachbarte Teil der Wandung 5 zum Erweichen gebracht; der Kontaktteil wird mehr oder weniger flüssig, mindestens plastisch. Druck und Stromdurchgang werden so lange aufrechterhalten, bis das Metall des Kontaktteiles 8 an der Grund- oder Trägerwandung im wesentlichen auf die ganze Fläche der Unterseite oder des Bodens des erweiterten Fußes 7 aufgebracht ist. In diesem Augenblick sind der Boden des erweiterten Fußes und die Trägerwandung durch das Metall des Kontaktteiles verschweißt. Der Stromdurchgang wird unterbrochen, der Preßdruck ebenfalls; die Schweißung ist vollendet. Infolge des vorgeformten erweiterten Fußes wird die Schweißstelle ebenso fest und widerstandsfähig wie das Metall des stabförmigen Elementes selbst.
Ein weiterer Vorteil des vorgeformten erweiterten Fußes besteht darin, daß die Keilwirkung zwischen dem sich konisch gegen die Trägerwandung zu erweiternden Fuß und dem entsprechend konisch ausgenommenen Futter den elektrischen Kontakt zwischen dem Futter und dem stabförmigen Element verbessert. Mit anderen Worten, die Güte des Kontaktes hängt nicht davon ab, mit welcher Passung das Futter den Stab umgreift.
Überdies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Maximum an Hitzeübertragung zwischen dem stabförmigen Element und der Grund- oder Trägerwandung erzielt, was wiederum zur Folge hat, daß über die ganze Trägerwandung hinweg eine gleichmäßige Wärmeverteilung stattfindet.
Bei der Durchführung des Schweißprozesses müssen verschiedene Faktoren kontrolliert werden. Zunächst ist es wichtig, daß die zu verschweißenden Flächen gereinigt werden; besonders gilt dies im Fall der Verwendung von Aluminium. Da während der Anwendung des Preßdruckes der Boden des Futters gegen den sich konisch erweiternden Fuß abstützt, ist die Länge, um welche das stabförmige Element über das Futter vorsteht, automatisch gegeben, vorausgesetzt, daß die Abmessungen des erweiterten Fußes richtig gewählt wurden.

Berücksichtigt müssen folgende Faktoren werden 1. Die Schweißzeit, 2. der Strom, 3. der Preßdruck. Zur Erhaltung der richtigen Werte dieser Faktoren bedient man sich folgender Formeln: wobei

A = Querschnitt des stabförmigen

Elementes ................ mm2

t = Schweißzeit................ Sekunden

I = Schweißstrom ............. Ampere

Cl = elektrische Leitfähigkeit des

stabförmigen Elementes ..... % von Kupfer

C2 = elektrische Leitfähigkeit der

Grund- oder Trägerwandung . % von Kupfer

F = Preßdruck................. kg

und wobei die Konstanten für Cl und C2 sind:

Kupfer............................. Zoo

Aluminium ........................ 65

Aluminiumlegierungen ............... 40

Stahl........... ................. 15

Rostfreier Stahl 18/8 ................ 2

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Herstellung von zur Oberflächenvergrößerung dicht mit stabförmigen Elementen aus Metall hoher Wärmeleitfähigkeit versehenen Körpern, dadurch gekennzeichnet, daß jedes stabförmige Element an dem Verbindungsende eine Erweiterung von beträchtlichem Volumen und einen von dem Boden dieser Erweiterung vorstehenden, zweckmäßig sich verjüngenden Kontaktteil erhält, daß es mit anfänglich kleiner Kontaktfläche auf die Trägerwandung senkrecht aufgesetzt und gegen dieselbe, unter gleichzeitigem Durchgang eines Schweißtemperatur erzeugenden Stromes niedriger Spannung und hoher Stärke durch die Berührungsstelle, gepreßt wird und daß der Preßdruck und der Stromdurchgang so lange aufrechterhalten werden, bis sich das Metall des Kontaktteiles an der Wandung im wesentlichen auf die ganze Bodenfläche der Erweiterung ausbreitet und diese mit der Wandung verschweißt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes stabförmige Element an dem Verbindungsende einen gegen die Trägerwandung zu sich konisch erweiternden Ansatz und einen sich zweckmäßig verjüngenden Kontaktteil am Boden dieses Ansatzes erhält.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterung am Verbindungsende jedes Elementes so geformt wird, daß die Bodenfläche mindestens das Zweifache des Querschnittes des Elementes selbst beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Boden der Erweiterung am Verbindungsende jedes stabförmigen Elementes vorspringende Kontaktteil im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie das stabförmige Element selbst und eine Gesamtlänge von ungefähr 40 °/o des Elementdurchmessers hat.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterung am Verbindungsende jedes Elementes so geformt wird, daß die Bodenfläche mindestens das Zweifache des Querschnittes des Elementes selbst beträgt und daß der von dem Boden der Erweiterung am Verbindungsende jedes stabförmigen Elementes vorspringende Kontaktteil im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie das stabförmige Element selbst und eine Gesamtlänge von ungefähr 40 0/0 des Elementdurchmessers hat.
6. Verfahren nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige Element zur Durchführung des Schweißprozesses in ein Futter eingesetzt wird, wobei die konische Erweiterung des stabförmigen Elementes am Verbindungsende in eine entsprechend konische unterseitige Ausnehmung des Futters sich einpaßt, daß die Grund-oder Trägerwandung und dieses Futter an die entgegengesetzten Pole einer Stromquelle niedriger Spannung und großer Stromstärke angeschlossen werden, so daß Strom durch die Verbindungsstelle zwischer_ dem Kontaktteil des stabförmigen Elementes und der Grund- oder Trägerwandung fließt, daß gleichzeitig das Futter und damit der Kontaktteil des stabförnnigen Elementes gegen die Grund-oder Trägerwandung gepreßt werden, wobei zufolge des konischen Eingriffes der Erweiterung des stabförmigen Elementes in die konische Ausnehmung des Futters der elektrische Kontakt verbessert wird, und daß der Preßdruck und der Stromdurchgang so lange aufrechterhalten werden, bis der Kontaktteil im wesentlichen über die ganze Bodenfläche der Erweiterung des stabförnügen Elementes durch Erweichen ausgebreitet und mit der Grund- oder Trägerwandung verschweißt ist.
7. Verfahren nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Verbindungsstelle auftretende elektrische Widerstand die Temperatur des Kontaktteiles des stabförmigen Elementes und des benachbarten Teiles der Grund- oder Trägerwandung erhöht. B.
Verfahren nach Anspruch i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die am Verbindungsende eines jeden stabförmigen Elementes angeformte konische Erweiterung bodenseitig einen vorspringenden Kontaktteil erhält, der wesentlich kleineren Querschnitt besitzt als die Bodenfläche der Erweiterung.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenfläche der konischen Erweiterung am Verbindungsende eines jeden stabförmigen Elementes zwischen dem Zwei- und Vierfachen des Stabquerschnittes beträgt. io. Verfahren nach Anspruch i bis g, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Anpreßdruck nach der Formel während einer Zeitspanne nach der Formel bei einer Stromstärke nach der Formel gearbeitet wird, wobei bedeuten A = Querschnitt des stab- förmigen Elementes .... mm2 t = Schweißzeit ........... Sekunden Z = Schweißstrom ......... Ampere Cl = elektrische Leitfähigkeit des stabförmigen Ele- mentes ............... 0/0 von Kupfer C2 = elektrische Leitfähigkeit der Grund- oder Träger- wandung ............. % von Kupfer F = Anpreßdruck .......... kg

und wobei die Konstanten für Cl und C2 sind: Kupfer ......................... ioo Aluminium ...................... 65 Aluminiumlegierungen ............ 40 Stahl........................... 15 Rostfreier Stahl 18/8............. 2

ii. Verfahren nach Anspruch i bis io zur Herstellung einer Wärmeaustauschereinheit, dadurch gekennzeichnet, daß zur Oberflächenvergrößerung einer metallischen Grund- oder Trägerwandung stabförmige Elemente aus einem Metall, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen ioo und 3004 der elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer beträgt, aufgeschweißt werden.