DE102020000737A1

DE102020000737A1 - Dünnwandige Schweißverbindung

Info

Publication number: DE102020000737A1
Application number: DE102020000737.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Goodrich; Michael Nicholson
Original assignee: Flexible Metal Inc
Current assignee: Flexible Metal Inc
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2021-06-17
Also published as: US20210180503A1

Abstract

Ein Verfahren zum Verbinden eines Metallgussteils und einer Metallschlauchleitung umfasst: Bereitstellen eines Metallgussteils mit einem zylindrischen Abschnitt; Bereitstellen einer Metallschlauchleitung; Erwärmen der Metallschlauchleitung auf eine Temperatur zwischen 500 und 900 Grad Fahrenheit; Positionieren des Innendurchmessers der Metallschlauchleitung über dem Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts; Abkühlenlassen der Metallschlauchleitung, um den Spalt zwischen dem Innendurchmesser der Metallschlauchleitung und dem Außendurchmesser des Metallgussteils zu verringern; und Bilden einer ersten Schweißnaht entlang eines Außenumfangs der Metallschlauchleitung, wobei die Breite der ersten Schweißnaht an der Verbindung zwischen der Schlauchleitung und dem Metallgussteil 50 % oder weniger als die Metallschlauchwandstärke beträgt.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbindungskonstruktion und ein Verfahren zum Verbinden eines dünnwandigen Schlauches oder Rohrleitung mit einem Anbauteil, wie z.B. einem Guss- oder Metallformteil.
HINTERGRUND
Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren verwenden üblicherweise Schläuche und Rohre, um die Abgase aus dem Auspuffkrümmer eines Motors abzuleiten. Diese Schläuche enthalten üblicherweise Metallbälge, z.B. an oder in der Nähe von Anschlusspunkten, um Vibrationen zu absorbieren und zu reduzieren, die Installation zu verbessern und das thermische Ausdehnung zu kompensieren. In einigen Fällen werden die Bälge über eine Gewindeverbindung oder mit Hilfe von V-Klammern oder anderen Befestigungsmethoden an Schlauchleitungen angeschlossen. Alternativ können an der Verbindung Steckverbindungen oder FEY-Dichtring-Verbindungen verwendet werden.
Diese Arten von Verbindungen haben zahlreiche Nachteile. Beispielsweise halten diese Verbindungsarten nicht dauerhaft dicht und sind im Befestigungsbereich sehr anfällig für Undichtigkeiten.
Darüber hinaus erfordern bekannte Befestigungsmethoden einen relativ großen Einbauraum in axialer Richtung, was sich nachteilig auf die zu erreichende Flexibilität der zu verwendenden Schlauchleitung auswirkt. Insbesondere wenn diese als Balg bzw. Faltenbalg ausgebildet ist, begrenzt der für den Anschluss der Befestigung erforderliche Bauraum die Anzahl der möglichen Faltenbalgwellen nach oben. Damit verbunden sind ein relativ hoher Verschleiß und eine entsprechend kurze Lebensdauer der bekannten Anbauanschlüsse.
In einigen Fällen wird eine Schweißverbindung verwendet, um einen Faltenbalg am gegossenen Krümmer zu befestigen. Solche Schweißverbindungen erfordern jedoch in der Regel einen relativ großen Schweißverbindungsquerschnitt in Bezug auf die Balgwand. Diese Art der Verschweißung hat zahlreiche Nachteile, einschließlich einer hohen Wahrscheinlichkeit, dass die Schweißnaht durch die Porosität des Gussteils beeinträchtigt wird, und ein Potenzial für größere Schweißspritzer.
Zumindest aus diesen Gründen ist ein verbessertes Verbindungsverfahren erforderlich.
ZUSAMMENFASSUNG
Im Allgemeinen wird eine Befestigungsverbindung zwischen einem ersten Metallteil und einem zweiten Metallteil vorgestellt. Das erste Metallteil kann ein Metallgussteil mit einem in der Regel zylindrischen Teil sein. Das zweite Metallteil kann eine Metallschlauchleitung mit einem in der Regel zylindrischen Abschnitt sein, der um den in der Regel zylindrischen Abschnitt des ersten Metallteils herum angeordnet ist. Das erste und das zweite Metallteil können durch eine oder mehrere Schweißverbindungen zwischen ihnen verbunden werden. Die Schweißverbindungen können jeweils aus einer Schweißnaht bestehen, deren Dicke an der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Metallteil weniger als 50% der Wanddicke des zweiten Metallteils beträgt.
In einer Ausführungsform werden die Schweißnähte durch Laserschweißnähte gebildet, wie z.B. eine, zwei oder drei benachbarte Laserschweißnähte oder mehr. Der erste Teil kann einen gegossenen Auspuffkrümmer und der zweite Teil kann einen Metallbalg umfassen. Jede der Schweißnähte kann an der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Metallteil eine Dicke aufweisen, die mindestens das 0,3-fache der Wanddicke des zweiten Metallteils beträgt.
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Verbinden bzw. zur Befestigung eines Metallgussteils mit einem allgemein zylindrischen Abschnitt und einer Metallschlauchleitung mit einer Wandstärke vorgestellt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Metallgussteils mit einem zylindrischen Abschnitt mit einem Außendurchmesser; Bereitstellen einer Metallschlauchleitung mit einem Innendurchmesser und einer Wanddicke; Erwärmen der Metallschlauchleitung auf eine Temperatur zwischen 500 und 900 Grad Fahrenheit; Positionieren des Innendurchmessers der Metallschlauchleitung über dem Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts; Abkühlenlassen der Metallschlauchleitung, um den Spalt zwischen dem Innendurchmesser der Metallschlauchleitung und dem Außendurchmesser des Metallgussteils zu verringern; und Bilden einer ersten Schweißnaht entlang eines Außenumfangs der Metallschlauchleitung, wobei die Breite der ersten Schweißnaht an der Verbindung zwischen der Schlauchleitung und dem Metallgussteil 50 % oder weniger als die Metallschlauch-Wanddicke beträgt.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Verbinden des Metallgussteils und der Schlauchleitung den Schritt des Ausbildens einer zweiten Schweißnaht entlang eines Außenumfangs der Metallschlauchleitung, angrenzend an die erste Schweißnaht, wobei die Breite der zweiten Schweißnaht an der Verbindung zwischen der Schlauchleitung 12 und dem Gussmetallteil 50 % oder weniger als die Metallschlauch-Wanddicke beträgt.
Figurenliste
Die Funktionsweise der Erfindung kann unter Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den folgenden Abbildungen besser verstanden werden:

1 zeigt eine Seitenansicht einer Befestigungsverbindung zwischen einem Faltenbalg und einem gegossenen Motorkrümmer;
2 zeigt eine Seitenansicht einer Befestigungsverbindung zwischen einem Faltenbalg und einem gegossenen Motorkrümmer;
3 zeigt eine Schnittdarstellung von drei Schweißverbindungen, die eine Metallschlauchleitung mit einem Metallgussteil verbinden;
4 zeigt eine Schnittansicht von drei Schweißverbindungen, die eine Metallschlauchleitung mit einem Metallgussteil verbinden, mit Positionsangaben;
5 zeigt einen Ausschnitt einer einzelnen Schweißverbindung, die eine Metallschlauchleitung mit einem Metallgussteil verbindet;
6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Verbindung zwischen einem Balg und einem Metallgussteil; und
7 zeigt eine Verbindung zwischen einem Metallschlauch und einem Metallgussteil mit verkleinerten Schweißspritzern.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird nun ausführlich auf beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingegangen, die in den begleitenden Zeichnungen beispielhaft dargestellt sind. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen verwendet und strukturelle und funktionelle Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Darüber hinaus können Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen kombiniert oder verändert werden, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Die folgende Beschreibung dient daher nur der Veranschaulichung und soll die verschiedenen Alternativen und Modifikationen, die an den abgebildeten Ausführungsformen vorgenommen werden können und die sich dennoch im Rahmen im Umfang der Erfindung bewegen, in keiner Weise einschränken.
1 zeigt eine Befestigungsverbindung 10 zwischen einer dünnwandigen Schlauchleitung 12 und einem Gussteil 18. Bei der Schlauchleitung 12 kann es sich um einen beliebigen Metallschlauch oder eine Metallrohrleitung handeln, z.B. einen Metallbalg mit gewelltem Querschnitt 16. Die hier beschriebene geschweißte Befestigung kann entlang des nicht gewellten Teils des Balgs erfolgen. Das Gussteil 18 kann einen Teil eines Motorkrümmers 18 aus Gusseisen oder einem anderen geeigneten Gussmaterial umfassen.
Die Schlauchleitung 12 kann einen dünnwandigen Metallring, z.B. einen zylindrischen Teil, umfassen, der so konfiguriert ist, dass er das Gussteil des Krümmers 18 übergreift. Wie in 1 und 2 dargestellt, ist ein zylindrischer Teil der Schlauchleitung 12 mit einem Innendurchmesser über und um einen zylindrischen Teil des gegossenen Krümmers 18 mit einem Außendurchmesser angeordnet. Der Innendurchmesser der Schlauchleitung 12 kann geringfügig größer als der Außendurchmesser des Krümmers 18 sein, um den Spalt zwischen ihnen zu minimieren. Dieser Spalt kann durch das unten näher besprochene Verfahren weiter reduziert werden.
Während die vorliegende Konfiguration in den Zeichnungen dargestellt und hier als Verbindung zwischen einer Balgschlauchleitung 12 und einem Auspuffkrümmer 18 beschrieben wird, wird hier hervorgehoben, dass die beschriebenen Anschlüsse und das Verbindungsverfahren an jeder beliebige Verbindung zwischen einer Metallschlauchleitung und einem anderen Metall- oder Gussteil ausgebildet sein können.
Herkömmliche Befestigungslösungen verwenden eine Schweißnaht, die im Vergleich zur Wandstärke der Schlauchleitung vergleichsweise dick ist. Einige Lösungen verwenden zum Beispiel eine Schweißnaht, die mehr als die Hälfte der Dicke der Schlauchleitung 12 beträgt. Diese größeren Schweißnähte haben jedoch einen größeren Einfluss auf die Qualität der Schweißnaht durch die Gussporosität, die zu Löchern in der Schweißnaht führen kann. Die größeren Schweißnähte leiden auch unter größeren Schweißspritzern, die möglicherweise Spannungserhöhungen im Balg verursachen und zu Rissen führen können.
Um diese Nachteile zu vermeiden, kann eine Schweißnaht 20 mit reduzierter Dicke, wie z.B. eine Laserschweißnaht, zum Anschluss der Schlauchleitung 12 und eines Auspuffkrümmers 18 verwendet werden. Unter Bezugnahme auf 3 kann die Dicke 22 der Schweißnaht 20 als Breite der Schweißnaht 20 in der Ebene gemessen werden, in der sich die Schlauchleitung 12 und der Krümmer 18 treffen. Die Dicke der Schweißnaht 22 kann auf weniger als 50% der Dicke 24 der Schlauchleitung 12 begrenzt werden. Wie in 3 dargestellt, kann die Dicke 24 der Schlauchleitung 12 in dem an die Schweißnaht 20 angrenzenden Bereich der Schlauchleitung 12 gemessen werden.
Um eine Schweißnaht 20 mit der oben beschriebenen reduzierten Dicke zu erzeugen, kann eine Laserschweißung verwendet werden. Es sei jedoch hervorgehoben, dass alle bekannten Schweißtechniken verwendet werden können, um die Schweißnaht 20 mit einer Dicke 22 zu erzeugen, die weniger als 50% der Dicke 24 der Schlauchleitung 12 beträgt.
In einer Ausführungsform kann die Schweißnahtdicke 22 auf das 0,3- bis 0,5-fache der Dicke 24 der Schlauchleitung 12 begrenzt werden.
In einer Ausführungsform kann die Verbindung zwischen der Schlauchleitung 12 und dem Auspuffkrümmer 18 aus mehreren Schweißnähten 20 bestehen, z.B. aus drei benachbarten Schweißnähten. Jede der drei Schweißnähte 20 kann eine Dicke 22 aufweisen, die an jeder jeweiligen Schweißstelle weniger als 50% der Dicke 24 der Schlauchleitung 12 beträgt.
In einer in 4 dargestellten Ausführung kann die Mehrzahl der Schweißnähte 20 so positioniert werden, dass die Verbindung und der Schweißabstand optimiert werden. Zu diesem Zweck können verschiedene Parameter des Schweißabstands und der Größe, wie in 4 dargestellt, gesteuert werden, um die Leistung und Lebensdauer der Verbindung zu optimieren, wie im Folgenden dargelegt wird.
In einer Ausführungsform kann die Position der Schweißnahtmittellinie 30 von einem Ende der Schlauchleitung 12 bis zur Mitte der Schweißnaht gemessen werden. Die Position der Schweißnahtmittellinie 30 der Naht, die dem Rand der Schlauchleitung 12 am nächsten liegt, kann zwischen 2 mm und 8 mm von der Schlauchleitungskante entfernt gehalten werden.
Werden mehrere Schweißnähte 20 verwendet ist in einer Ausführungsform der Abstand 32 zwischen den Schweißnähten 20 definiert als der Abstand zwischen der Mittellinie benachbarter Schweißnähte 20. Der Raum 32 zwischen benachbarten Schweißnähten 20 kann auf einen Bereich zwischen 0,5 mm und 1,5 mm begrenzt werden.
In einer Ausführungsform kann die Breite 34 der Schweißnaht 20 an der Oberfläche der Schlauchleitung 12 auf das Ein- bis Dreifache der Dicke 24 der Schlauchleitung 12 begrenzt werden.
In einer Ausführungsform kann die Schweißnahttiefe 36 als die Breite definiert werden, in die sich die Schweißnaht 20 in den gegossenen Krümmer 18 hinein erstreckt. Die Schweißnahttiefe 36 kann auf das Zwei- bis Fünffache der Dicke 24 der Schlauchleitung 12 begrenzt werden.
Die oben beschriebene Schweißverbindung kann zahlreiche Vorteile gegenüber breiteren / dickeren Schweißnähten erzielen. Die hier beschriebene kleinere/dünnere Schweißnaht führt zunächst zu einer geringeren Auswirkung der Gussporosität auf die Qualität der Schweißnaht. Dadurch wird das Potenzial für Löcher oder Spalten innerhalb der Schweißnaht reduziert 20. Zweitens führt die kleinere Schweißnaht zu kleineren Schweißspritzern 40, wie in der Fig. dargestellt. Schweißspritzer, die auf der Schlauchleitung 12 landen, können Spannungserhöhungen verursachen, die zu Rissen an der Position des Spritzers führen und so die Dichtung beeinträchtigen. Drittens kann durch die Verwendung von zwei oder mehr Schweißnähten eine zusätzliche Dichtung zwischen der Schlauchleitung 12 und dem Verteiler 18 angebracht werden. Wenn eine erste Schweißnaht zwischen der Schlauchleitung 12 und dem Gussmaterial 18 undicht ist, kann die zweite oder dritte Schweißnaht immer noch die fehlende Dichtung liefern, um eine leckagefreie Verbindung zu gewährleisten.
In einer Ausführungsform ist eine Methode oder ein Verfahren zum Befestigen und Anschweißen einer Schlauchleitung 12, wie z.B. eines Faltenbalgs, an einen Verteiler oder Krümmer 18 vorgesehen. Das Verfahren ist so konfiguriert, dass der Spalt zwischen der Schlauchleitung 12 und dem Verteiler 18 minimiert wird. Die Minimierung des Spaltes ist entscheidend, um eine zuverlässige Schweißbefestigung zu erreichen.
Das Befestigungsverfahren umfasst die Erstellung eines Halses oder zylindrischen Teils eines Gussteils mit einer bestimmten Größe. Die Größe des Gussteilhalses kann innerhalb vorgegebener Toleranzen eingestellt werden. Eine Schlauchleitung 12 oder ein Faltenbalg kann so geformt werden, wie z.B. hydrogeformt, dass der Innenradius ungefähr gleich oder etwas kleiner als der Außenradius eines Gusshalses des Krümmers 18 ist. Vor dem Anschluss des Faltenbalgs an den Gusshals kann der Faltenbalg auf eine Temperatur von etwa 500 bis 900°F erhitzt werden. Die Erwärmung des Balgs vergrößert den Durchmesser des Balgs aufgrund der thermischen Ausdehnung. Der erwärmte Balg wird in gedehnter Form über den gegossenen Maschinenhals gelegt. Der Faltenbalg kann dann abkühlen und wieder auf die ursprüngliche Größe schrumpfen. Diese Schrumpfung erzeugt einen Presssitz für eine enge Nullspaltpassung mit dem Gussteil. Der Nullspaltsitz ist für eine erfolgreiche Laserschweißung von entscheidender Bedeutung.
Sobald die Schlauchleitung 12 oder der Faltenbalg und der Hals des Gusskrümmers angebracht sind, kann die Verbindung geschweißt werden, um eine Abdichtung zu gewährleisten und das Austreten von Abgasen zu verhindern. Wie oben beschrieben, können eine oder mehrere Laserschweißnähte 20 um den Außenradius der Schlauchleitung 12 angebracht werden. Die Laserschweißnähte 20 können etwa 2,5 bis 3,5 Millimeter von einer Kante der Schlauchleitung 12 entfernt beginnen. Die Schweißnähte 20 können jeweils eine Dicke an der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Metallteil haben, die weniger als 50% der Wanddicke des zweiten Metallteils beträgt.
Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in den beiliegenden Zeichnungen illustriert und in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung beschrieben wurden, ist zu verstehen, dass sich die vorliegende Erfindung nicht auf die offengelegten Ausführungsformen beschränken soll, sondern dass die hier beschriebene Erfindung zu zahlreichen Umordnungen, Änderungen und Substitutionen fähig ist, ohne vom Umfang der nachfolgenden Ansprüche abzuweichen. Die folgenden Ansprüche sollen alle Modifikationen und Änderungen umfassen, soweit sie in den Anwendungsbereich der Ansprüche oder deren Äquivalent fallen.

Claims

Befestigungsverbindung, umfassend: ein Metallgussteil (18) mit einem im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt; eine Metallschlauchleitung (12) mit einem im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt, der um den im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt des Metallgussteils (18) herum angeordnet ist und eine Wandstärke (24) aufweist; eine oder mehrere Schweißverbindungen zwischen dem Metallgussteil (18) und der Metallschlauchleitung (12), dadurch gekennzeichnet, dass jede Schweißverbindung eine Schweißnaht (20) mit einer Dicke (22) an der Verbindung zwischen dem Metallgussteil (18) und der Metallschlauchleitung (12) aufweist, die weniger als 50% der Wanddicke (24) der Metallschlauchleitung (12) beträgt.
Befestigungsverbindung nach Anspruch 1, wobei das Metallgussteil (18) ein gusseiserner Auspuffkrümmer (18) ist.
Befestigungsverbindung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Metallschlauchleitung (12) aus einem Balg besteht.
Befestigungsverbindung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Schweißnaht (20) an der Verbindung zwischen dem Metallgussteil (18) und der Metallschlauchleitung (12) eine Dicke (22) aufweist, die mindestens das 0,3-fache der Wanddicke (24) der Metallschlauchleitung (12) beträgt.
Befestigungsverbindung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bestehend aus drei Schweißverbindungen, die nebeneinander angeordnet und von einer Kante der Metallschlauchleitung (12) beabstandet sind.
Befestigungsverbindung nach Anspruch 5, wobei die erste Schweißnaht (20) zwischen 2,5 und 3,5 Millimeter von der Kante der Metallschlauchleitung (12) entfernt ist.
Befestigungsverbindung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schweißverbindungen Laserschweißverbindungen sind.
Verfahren zum Herstellen einer Befestigungsverbindung nach einem der vorstehenden Ansprüche durch Anbringen eines Metallgussteils (18) mit einem im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt und einer Metallschlauchleitung (12) mit einer Wanddicke (24), wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen des Metallgussteils (18) mit dem zylindrischen Abschnitt mit einem Außendurchmesser; Bereitstellen der Metallschlauchleitung (12) mit einem Innendurchmesser und der Wanddicke (24); gekennzeichnet durch Erwärmung der Metallschlauchleitung (12) auf eine Temperatur zwischen 500 und 900 Grad Fahrenheit; Positionieren des Innendurchmessers der Metallschlauchleitung (12) über den Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts des Metallgussteils (18); Abkühlenlassen der Metallschlauchleitung (12), um den Spalt zwischen dem Innendurchmesser der Metallschlauchleitung (12) und dem Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts des Metallgussteils (18) zu verringern; Ausbilden einer ersten Schweißnaht (20) entlang eines Außenumfangs der Metallschlauchleitung (12), wobei die Breite der ersten Schweißnaht (20) an der Verbindung zwischen der Metallschlauchleitung (12) und dem Metallgussteil (18) 50 % oder weniger als die Wanddicke (24) der Metallschlauchleitung (12) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8, das weiterhin den Schritt des Ausbildens einer zweiten Schweißnaht (20) entlang eines Außenumfangs der Metallschlauchleitung (12), angrenzend an die erste Schweißnaht (20), umfasst, wobei die Breite der zweiten Schweißnaht (20) an der Verbindung zwischen der Metallschlauchleitung (12) und dem Metallgussteil (18) 50 % oder weniger als die Wanddicke (24) der Metallschlauchleitung (12) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die erste und/oder zweite Schweißnaht (20) an der Verbindung zwischen der Metallschlauchleitung (12) und dem Metallgussteil (18) eine Dicke (22) von mindestens der 0,3-fachen Wanddicke (24) der Metallschlauchleitung (12) aufweist.