Gebiet der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vorbereitung der Stirnseiten dünnwandiger Ummantelungen zum Schweißen insbesondere von dünnwandigen Ummantelungen, Rohr-Rohlingen und Ähnlichem aus nicht rostenden Stählen.

Stand der Technik

Beim Schweißen von besonders dünnwandigen Produkten ist es ohne spezielle Vorbereitung der Teile aufgrund der Kommensurabilität der Rauigkeitsparameter und Parameter der Dickendifferenz der Stirnseitenverbindungen mit ihrer Dicke nicht möglich, ein qualitativ hochwertiges Schmelzschweißen von Stirnseitenverbindungen durchzuführen. Zum Durchführen des Schweißens von besonders dünnwandigen Werkstücken mit großen Querschnitten ist es nötig, eine völlige Kongruenz der Verbindungskanten der Werkstücke sowohl bezüglich der Dicke als auch bezüglich des Umfangs unter Berücksichtigung der Koaxialität und der Genauigkeit der Zentrierung der zu schweißenden Teile herzustellen.

Das ist dadurch bedingt, dass beim Verbindungs-Schmelzschweißen infolge des zufälligen Charakters der Bildung der Kontaktstellen an den Verbindungs-Stirnseiten unter der Einwirkung des fließenden Schweißstroms ein rasches Überhitzen des Metalls der Kontaktstellen und dessen Auswurf aus der Schweißzone erfolgt. Außerdem gelingt es angesichts der spezifischen Besonderheiten der Erhitzung des Metalls bei ununterbrochenem Schmelzen nicht, eine ausreichend breite Erhitzungszone zu erzielen, die für ein Qualitätsschweißen von Werkstücken mit großem Querschnitt erforderlich ist. Dazu ist hinzuzufügen, dass an Teilen mit Unregelmäßigkeiten der O- berfläche eine Adsorption unterschiedlicher Gase stattfindet, was außer zu den oben genannten Wirkungen zu beträchtlichen Schwierigkeiten beim Schweißen dünner Teile führt. Aus der RU 2 288 827 C1 ist die Verwendung von abnehmbaren Schneidwerkzeugen und Verformungsrollen bekannt, die fest in den Schneidwerkzeughaltern der Drehbänke zur Vorbereitung der Ränder von Rohren für das Schweißen angeordnet sind, bei der eine Drehbearbeitung und eine kalte Verformung der Stirnseite des Rohrs erfolgt, wobei an dessen oberem Rand ein aufgesetzter Vorsprung gebildet wird und wobei die Stirnseite eines der zu schweißenden Rohre dem Schneidwerkzeug in einem Winkel von 90° zur Achse des Rohres zugewandt ist und die Stirnseite des zweiten Rohrs von innen ebenfalls mit einem Schneidwerkzeug mit 90° bearbeitet wird, wobei im oberen Teil der Stirnseite ein ringförmiger Vorsprung mit einer Dicke und Länge von nicht mehr als 4 mm zurückbleibt, wobei anschließend dieser ringförmige Vorsprung mit einer Reibrolle in einem Winkel von 45 bis 90° bezüglich der Achse des Rohrs nach außen gebogen wird und der erzielte zurückgebogene Vorsprung gedreht wird, wobei sein Querschnitt die Form des aufgesetzten Vorsprungs, nämlich eines gleichschenkligen Dreiecks oder gleichschenkligen Trapezes oder eines Rechtecks bekommt, woraufhin in der Stirnseite unter dem aufgesetzten Vorsprung eine zylindrische Ebene mit einem Innendurchmesser, der gleich dem Außendurchmesser des Stirnseite des ersten Rohrs ist, gedreht wird.

Zur Verwirklichung einer solchen Vorbereitung der Kanten von Rohren zum Schweißen werden Standardgeräte der mechanischen Bearbeitung verwendet, wie abnehmbare Schneidwerkzeuge und Verformungsrollen, die fest in den Schneidwerkzeughaltern der Drehbänke angeordnet sind. Eine solche Bearbeitung der Ränder der Rohre unter Verwendung von Standardvorrichtungen kann jedoch nur bei Dicken der Wände der zu schweißenden Ummantelungen von mehr als 3 mm verwirklicht werden. Außerdem muss zu den Nachteilen der bekannten Vorrichtung zur Durchführung des betrachteten Verfahrens die Unmöglichkeit gezählt werden, die erforderliche Sauberkeit der Bearbeitung der Oberflächenschicht der Teile vor dem Schweißen zu erzielen.

Die Vorrichtungen, die bei den bekannten Verfahren zur Vorbereitung von Rändern von Rohren zum Schweißen vorgeschlagen werden, sind allgemein nicht für den Fall des Schweißens von besonders dünnwandigen Konstruktionen anwendbar, da die Verwendung von Standardvorrichtungen vom Typ eines Schneidwerkzeugs oder einer Rolle und der Einrichtungen zu ihrer Befestigung keine Vorbereitung von Stirnseiten im Fall von dünnwandigen Ummantelungen ermöglicht.

Es ist die Tatsache allgemein anerkannt, dass die Qualität der Vorbereitung der O- berflächenschicht (Rauheit, Welligkeit, Abnutzungsbeständigkeit, Mikrohärte, Restspannungen) der Teile sich auf die Qualität ihrer Schweißbarkeit auswirkt.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit konstruktiv einfachen Mitteln eineVor- richtung zur Vorbereitung der Stirnseiten dünnwandiger Ummantelungen zum Schweißen zu schaffen, mit der eine hohe Bearbeitungsgüte der Oberflächen der Teile für das Schweißen erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Vorbereiten der Stirnseiten von dünnwandigen Ummantelungen zum Schweißen gelöst, die ein Gehäuse umfasst, an dem ein ringförmiger Separator angebracht ist, in dem wenigstens zwei Gruppen von langgestreckten Verformungselementen angeordnet sind, wobei die Längsachsen der Verformungselemente einer ersten Gruppe radial zur Mittelachse des Separators ausgerichtet sind und die Längsachsen der Verformungselemente einer zweiten Gruppe in einem spitzen Winkel bezüglich einer Radialen durch die Mittelachse des Separators ausgerichtet sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 13.

Insbesondere umfasst eine bevorzugte Vorrichtung zum Vorbereiten von Stirnseiten im Wesentlichen biegsamer dünnwandiger Ummantelungen zum Schweißen ein Gehäuse, das in Form einer runden, horizontalen Stützplatte mit einem darauf angeordneten ringförmigen Separator ausgeführt ist, der mit langgestreckten Verformungselementen versehen ist, wobei in dem Separator entlang der Ringzone alternierend Sektoren mit einer Gruppe von Verformungselementen, deren Längsachse entlang dem Radius des ringförmigen Separators der Stützplatte ausgerichtet ist, und Sektoren mit einer Gruppe von Verformungselementen, deren Längsachse in einem spitzen Winkel α zu dem Radius des ringförmigen Separators ausgerichtet ist, ausgebildet sind. Unter einem spitzen Winkel im Sinne dieser Anmeldung ist ein Winkel von 10° bis 70° zu verstehen. Die Werte des Winkels α können auch Werte im Bereich von 20° bis 60° annehmen, am stärksten bevorzugt von 35° bis 50°. Die Beziehung der Zahl der Verformungselemente der ersten Gruppe zu der Zahl der Verformungselemente der zweiten Gruppe beträgt im Wesentlichen zwischen 3/1 und 6/1.

Zum Zweck einer gleichzeitigen Einwirkung über die gesamte Breite der dünnwandigen Ummantelung von der Seite ihrer Stirnseite übersteigt die Länge der Verformungselemente vorzugsweise die Dicke der dünnwandigen Ummantelung um ein Vielfaches. Die Verformungselemente können in Form von Nadelrollen ausgeführt sein. Es sind aber auch andere Formen von Rollen oder Walzen möglich. Grundsätzlich auch feststehende Verformungselemente.

Der Durchmesser der Nadelrollen ist zweckmäßigerweise nicht größer als das 3- bis 5-fache der Dicke der Stirnseite des Rohlings.

Der Rauigkeitsparameter der Verformungs-Nadelrollen erfüllt vorzugsweise die Bedingung Ra < 0,16 μm.

Der Härteparameter des Materials der Verformungs-Nadelrollen erfüllt vorzugsweise die Bedingung HRc > 65.

Der Durchmesser der Verformungselemente der ersten Gruppe ist bevorzugt um 0,02 bis 0,03 mm kleiner als der Durchmesser der Verformungselemente der zweiten Gruppe.

Der Rauigkeitsparameter der Stützplatte in der Zone des Kontakts mit den Verformungselementen erfüllt bevorzugt die Bedingung Ra ≤ 0,32 μm. Jeder Sektor mit radial angeordneten Rollen ist bevorzugt so ausgebildet, dass er 5 bis 12 % der Oberfläche der zu verformenden Stirnseite des Rohlings umschließen kann.

Die Vorrichtung kann zusätzlich einen zylindrischen Separator mit Rollen aufweisen, deren Achse entlang der Achse der Vorrichtung ausgerichtet ist, wobei der zylindrische Separator so ausgebildet ist, dass sein Innendurchmesser den Durchmesser eines Kreises übersteigt, der durch die Längsmittelpunkte der Verformungselemente des ringförmigen Separators hindurchgeht, oder er den ringförmigen Separator ganz umschließt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt eine schematische Stirnansicht der Vorrichtung von Fig. 1. Fig. 3 zeigt den Teilschnitt A-A von Fig. 2.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Fig. 5 zeigt den Schnitt A-A von Fig. 4.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Vorrichtung von Fig.1 bis 3 umfasst ein scheibenförmiges Gehäuse 1 mit einer koaxial auf der hinterer Stirnseite vorgesehenen Halterung 10. Angrenzend an den Außenumfang ist in der vorderen Stirnseite des Gehäuses 1 eine ringförmige Vertiefung konzentrisch zur Mittelachse des Gehäuses 1 ausgebildet. In dieser Vertiefung ist ein ringförmiger Separator 2 koaxial angeordnet. Der Separator umfasst eine Anzahl drehbar gelagerter Nadelrollen 4, deren Längsachsen radial in Richtung der Mittelachse in einer zur Mittelachse senkrechten Ebene verlaufen. Außerdem sind drehbar gelagerte Nadelrollen 6 vorgesehen, deren Längsachsen in der Ebene der Längsachsen der Nadelrollen 4 liegen und in einem spitzen Winkel zu einer Radialen durch die Mittelachse ausgerichtet sind. Der ringförmige Separator 2 mit den Nadel- rollen 4, 6 wird in der Vertiefung an seinem Innenumfang mittels des Randes eines Deckels 3 gehalten, der an der hinteren Stirnseite des Gehäuses koaxial anliegt und befestigt ist. Am Außenumfang wird der Separator 2 durch einen an der unteren Stirnseite des Gehäuses angebrachten Befestigungsring 5 gehalten, dessen Außenumfang dem Außenumfang des Gehäuses entspricht.

Durch eine Bearbeitung der Stirnflächen von zu schweißenden Teile durch plastischen Verformung mittels der Nadelrollen 4, 6 ist es möglich, eine hohe Bearbeitungsgüte zu erzielen. Durch die plastische Verformung der zu bearbeitenden Oberfläche wird eine Glättung ursprünglich vorhandener Unregelmäßigkeiten und die Erzeugung eines neuen Mikroreliefs der Oberfläche mit einer wesentlich geringeren Höhe von Unregelmäßigkeiten R ₂ bewirkt.

Die Ausbildung einer Oberflächenschicht erfolgt bei dem Verformungsglätten infolge einer plastischen Verformung der zu bearbeitenden Oberfläche. Unter Einwirkung einer radialen Kraft, die auf die Kontaktfläche des Verformungsinstruments mit dem Teil wirkt, entstehen Kontaktdrücke. Wenn ihre Größe die Fließgrenze des zu verformenden Teils überschreitet, entsteht eine plastische Verformung ihrer dünnen o- berflächennahen Schichten. Bei der plastischen Verformung hat die Oberflächenschicht einen spezifischen faserartigen Aufbau (Textur) mit einem kristallinen Netz, das bezüglich des ursprünglichen kristallinen Netzes verzerrt ist.

Die Vorrichtung funktioniert wie folgt. Mittels der Halterung 10 wird die Vorrichtung in einer Werkzeugmaschine so angeordnet, dass eine Drehbewegung um die Mittelachse des ringförmigen Separators 2 bzw. des Gehäuses 1 ermöglicht wird. Die zu bearbeitende dünnwandige metallische Ummantelung wird mit ihrer Stirnseite (nicht gezeigt) den verformenden Nadelrollen 4, 6 der Vorrichtung zugeführt und mit einer vorher bestimmten Kraft an diese angedrückt. Bei der Drehung der Vorrichtung um die Mittelachse verformen die radial ausgerichteten Nadelrollen 4 die Stirnseite der Ummantelung plastisch, und die Nadelrollen 6, die in einem Winkel zu der Radialen ausgerichtet sind, bewegen in Abhängigkeit von der Ausrichtung ihres Neigungswinkels zur Radialen das bei der plastischen Verformung entstandene Material zu der Seite der inneren oder äußeren Oberfläche der zu bearbeitenden Ummantelung und bilden darauf einen Wulst, der zu dem Inneren oder Äußeren des vorzubereitenden Rands der Ummantelung gebogen ist. Abhängig von der Anzahl der Umdrehungen werden die erforderlichen Abmessungen des entstehenden Wulstes gebildet. Dabei entspricht die Güte der Oberfläche der zu bearbeitenden Stirnseite der Ummantelung der Güte der Oberfläche der verformenden Nadelrollen. In der Praxis beträgt die erforderliche Kraft auf die Rollen 100 bis 200 N. Daher, und ausgehend von den Anforderungen zur Erzielung von plastischen Verformungen in dem Material der zu bearbeitenden Ummantelung, werden vorzugsweise Nadelrollen mit einem Durchmesser gewählt, der das 5-fache der Dicke der Stirnseite des Ummantelungsrohlings nicht übersteigt. Die Härte ihres Materials beträgt bevorzugt HRc > 65 und der Rau- igkeitsparameter der Oberfläche Ra < 0,16 μm.

Es ist zweckmäßig, die radial ausgerichteten Nadelrollen 4 und die in einem Winkel zu dem Radius angeordneten Nadelrollen 6 in getrennten, entlang des ringförmigen Separators 2 im Winkelabstand um die Mittelachse angeordneten Sektoren zu gruppieren, die die gesamte Stirnseite der zu bearbeitenden Ummantelung symmetrisch umschließen. Dabei ist jeder Sektor so ausgebildet, dass er 5 bis 12 % der Oberfläche der zu verformenden Stirnseite des Rohlings umschließen kann.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausfürhrungsform ist in dem Gehäuse 1 zusätzlich koaxial zu dem ringförmigen Separator 2 ein zylindrischer Separator 7 mit am Umfang angeordneten Nadelrollen 8 angebracht, die in axialer Richtung des ringförmigen Separators 2 angeordnet sind.

Dabei übersteigt der Durchmesser der von den Verformungselementen 8 des zylindrischen Separators 7 gebildeten Kreislinie den Durchmesser eines Kreises, der durch die Längsmittelpunkte der Nadelrollen 4, 6 des ringförmigen Separators 2 verläuft. Dadurch wird während der Bearbeitung der Stirnseite der Ummantelung durch die Nadelrollen 4, 6 des ringförmigen Separators 2 diese Ummantelung von außen stabilisiert und, wenn nötig, einer ergänzenden Bearbeitung mittels der Nadelrollen 8 des zylindrischen Separators 7 unterzogen. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ermöglicht es, die Stirnseiten dünnwandiger Ummantelungen qualitativ ausreichend für die Durchführung eines Schweißvorgangs vorzubereiten.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen bietet eine reale Möglichkeit, geschlossene Behälter in Form von dünnwandigen geschlossenen Liner- Ummantelungen zu schweißen. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung wurde an Beispielen für das Schweißen von Ummantelungen mit einer Wanddicke von 0,5 mm und Durchmessern von 213 und 322 mm getestet. Die Fertigung und Erprobung dieser dünnwandigen Liner-Ummantelungen, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Lösung hergestellt wurden, bestätigten ihre hohe Zuverlässigkeit und Wirksamkeit.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Die erfindungsgemäße Lösung findet breite Anwendung beim Schweißen von dünnwandigen Rohren, Empfängern, Ausdehnungsgefäßen, Ballons und anderen Produkten in den Bereichen Luftfahrt, Raumfahrt und Chemie.