Beschreibung

Rohrverbindung

Die Erfindung betrifft eine fluidführende Rohrverbindung mit mindestens einer Rohrleitung, bei der mindestens an ihrem ersten Ende ein Flansch angeordnet ist.

Derartige Rohrverbindungen sind an sich bekannt und bei einer Vielzahl von Anwendungen im Einsatz.

Die Aufgabe einer derartigen Rohrverbindung besteht darin, die Rohrleitung an eine weitere fluidführende Komponente anzuschließen und somit den Transport eines Fluids zwischen dem Rohr und der weiteren fluidführenden Komponente zu ermöglichen.

Die Anforderungen an die Rohrverbindung sind einerseits die druckdichte Verbindung zwischen Flansch und Rohr, die Druckdichtigkeit des Flansches selbst, eine hohe

Schwingungsfestigkeit zwischen dem Rohr und dem Flansch und eine gute Montierbarkeit.

Dabei wird speziell im Fahrzeugbau eine leichte kostengünstige Version angestrebt.

Derartige Verbindungen werden derzeit häufig als Kombination aus Leichtmetallflansch mit Stahl- oder anderen Metallrohren erzeugt. Dabei werden die Metallrohre, vorzugsweise Stahl bzw. Edelstahl meist in Aluminiumflanschkörper eingelötet oder eingeschweißt.

Rohrverbindungen, die dem geschilderten Stand der Technik ähnlich sind, sind in der DE 195 30 614 Al, der DE 100 43 824 Al, der DE 44 04 928 Al oder in der DE 199 57 567 Al dargestellt.

Nachteilig an der geschilderten Art der Rohrverbindungen ist zum Einen, dass der Flansch aus einer Knetlegierung mit umfangreicher mechanischer Nachbearbeitung hergestellt werden muss. Die Rohre müssen über einen zusätzlichen Arbeitsgang dicht und schwingungsfest an dem Flansch angebracht werden. Ist, wie in der DE 199 57 567 Al der Flansch selbst von einem Fluid durchflössen, können durch die mechanische Bearbeitung des Flansches im Innenraum Absätze und Kanten entstehen, die sehr aufwendig entgrated werden müssen, um zu verhindern, dass während des Betriebes Restpartikel in das Fluid geraten.

Prinzipiell ist auch der Einsatz von urgeformten, vorzugsweise druckgegossenen Flanschen aus Leichtmetalllegierung möglich. Diese Flansche bieten gegenüber den mechanisch bearbeiteten Teilen aus Rnetlegierung den Vorteil einer hohen Formvielfalt bei wenig bzw. keiner mechanischen Nacharbeit. Sie sind außerdem kostengünstig herstellbar. Urgeformte Bauteile (speziell druckgegossene Bauteile) sind aufgrund der inneren Porosität von Hause aus allerdings nicht zu 100% druckdicht. Die gängigen Gusslegierungen sind außerdem nicht lötbar, da es sich dabei um mehr Phasenlegierungen handelt, bei denen beim Löten einzelne Phasen in Flächenzustand gehen und somit das Löten unmöglich machen. Ausnahmen davon sind Aluminiumwerkstoffe mit geringen Legierungsbestandteilen, beispielsweise AlMn 1,6. Diese Legierungen weisen alle den Nachteil auf, dass eine geringe Oberflächenhärte und hohe Kriecheigenschaft bzw. Setzneigung besteht. Aus diesem Grund sind die Legierungen für die Flanschverbindungen speziell bei schwingender Belastung ungeeignet.

Um dennoch das hochproduktive Verfahren Druckgießen für die Herstellung von

Rohrflanschverbindungen einsetzen können, können die Flansche auch um entsprechend gestaltete Rohre herumgegossen werden, so dass die Rohre durch den Flansch hindurchgehen und das Fluid mit dem Flansch nicht direkt in Kontakt kommt.

Dadurch werden die oben genannten Nachteile der urgeformten Flansche beseitigt. Insbesondere sind die Rohre dann von Haus aus zu 100% druckdicht. Sie weisen im

Inneren keinerlei lösbare Restpartikel auf, die während des Betriebes das Fluid verschmutzen können. Die Dichtfläche für die Verbindung des Flansches mit einer weiteren fluidführenden Komponente kann dabei vorzugsweise auch durch das Druckgießen ohne anschließende Bearbeitung hergestellt werden.

Im Normalfall werden die Rohre mit höherer Schmelztemperatur mit einer Leichtmetalllegierung mit niedrigerer Schmelztemperatur umgössen. Dabei bildet sich in der Regel eine kraft- bzw. formschlüssige Verbindung . Durch Anbringen entsprechender Hinterschnitte am Rohr ist eine Verbindung auch schwingungsfest. Die Herstellung der entsprechenden Hinterschnitte an den Rohren ist allerdings nicht in jedem Fall möglich bzw. sehr kostenintensiv.

Ist die Gestaltung der Hinterschnitte nicht optimal, kann es insbesondere bei Schwingungsbelastung bzw. thermischer Wechselbelastung zum Auftreten von Undichtigkeiten zwischen Rohr und Flansch kommen. Deshalb ist es wünschenswert, eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Rohr und dem umgossenen Flansch herzustellen.

In der DE 10 2004 047 841 Al ist ein Verfahren offenbart, bei dem eine Metallschmelze mindestens abschnittsweise um ein Insert gegossen wird. Um eine stoffschlüssige

Verbindung zwischen dem umgossenen Teil und dem Insert herzustellen, ist auf das Insert vor dem Umgießen eine zusätzliche Metallschicht aufgebracht. Diese wird meist durch thermisches Spritzen aufgetragen und ist meist aus einer Legierung aufgebaut, die frei von niedrig schmelzenden eutektischen Phasen ist. Nach dem gleichen Prinzip arbeiten auch Verfahren nach der DE 10 2004 031 164 Al und der DE 10 2004 029 070 Al .

Diese genannten Verfahren haben den Nachteil, dass ein zusätzlicher Arbeitsschritt am Rohr erforderlich ist, bevor das Umgießen vorgenommen werden kann. Dazu ist eine aufwendige Vorbereitung der Inserts notwendig. Das Insert wird außerdem durch das thermische Spritzen und durch das anschließende Umgießen zweimal thermisch belastet, was ggfs. zu Festigkeitseinbußen führen kann.

Der Stoffschluss findet außerdem nur zwischen der Beschichtung und dem umgossenen Metall statt, so dass die Dichtigkeit zwischen dem Flansch und dem Rohr im Wesentlichen von der Verbindung der aufgespritzten Schicht mit dem Rohr abhängig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rohrverbindung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der Flansch durch einen Druckgießvorgang herstellbar ist, wobei der Flansch auf dem Rohr ohne zusätzliche Arbeitsgänge wie nachträgliches Anschweißen oder Anlöten und ohne Hinterschnitte druckdicht und schwingungsfest befestigbar ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Flansch mittels eines Umgießvorgangs durch eine direkte stoffschlüssige Verbindung zwischen dem umgossenen Flansch und der Rohrleitung herstellbar ist.

Ein derartig erzeugter Flansch hat den Vorteil, dass er über die stoffschlüssige, beim Umgießvorgang erzeugbare direkte Verbindung zur Rohrleitung ohne weitere Arbeitsgänge und Zwischenschichten dicht mit der Rohrleitung verbindbar ist. Die stoffschlüssige Verbindung weist eine hohe Festigkeit auf, so dass auch Hinterschnitte, die einen Formschluss möglich machen, nicht erforderlich sind. Auf diese Weise ist eine sehr preiswerte, dichte und eine hohe Festigkeit aufweisende Rohrverbindung möglich.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die direkte stoffschlüssige Verbindung zwischen Flansch und Rohrleitung dadurch erzeugbar, dass das Material des Flansches während des Umgießvorgangs zumindest zeitweise eine höhere Temperatur aufweist als die Schmelztemperatur des Materials der Rohrleitung und beim Umgießvorgang das Material der Rohrleitung an der äußeren Oberfläche der Rohrleitung im Bereich des Umgusses aufschmelzbar ist, wodurch die stoffschlüssige Verbindung durch Verschweißen der Materialien des Flansches und der Rohrleitung beim Umgießvorgang herstellbar ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Materialien des Flansches und der Rohrleitung Aluminiumwerkstoffe.

Dadurch, dass das Material der Rohrleitung beim Umgießen durch die Materialschmelze des Flansches aufschmelzbar ist, entsteht eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der aufgeschmolzenen Oberfläche der Rohrleitung und der Schmelze des Flansches ohne zusätzlich aufzubringende Zwischenschicht, die nach der Erstarrung des Flansches eine unlösbare dichte Verbindung zwischen Flansch und Rohrleitung bildet.

Aluminium weist ein geringes Gewicht bei guter Festigkeit auf. Es lässt sich gut aufschmelzen, da es eine niedrige Schmelztemperatur hat. Außerdem weist es eine je nach Legierung gute bis sehr gute Korrosionsfestigkeit auf.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die stoffschlüssige Verbindung zwischen Flansch und Rohrleitung dadurch erzeugbar, dass die Oberfläche de Rohrleitung vor dem Umgießvorgang mit einem Flussmittel behandelt ist, welches eine Reaktion der Oberfläche der Rohrleitung mit dem Material des umgossenen Flansches während des Umgießvorganges ermöglicht.

Durch das Flussmittel entsteht eine Verbindung, die einer durch Löten erzeugbaren Verbindung ähnlich ist, ohne dass ein zusätzlicher Lötvorgang im Anschluss an das Umgießen notwendig ist. Eine derartige Verbindung hat den Vorteil, dass auch Materialien miteinander verbindbar sind, die sich nicht verschweißen lassen. Ein Zusatzwerkstoff, wie beim Löten, ist nicht erforderlich.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Rohrleitung als Edelstahlrohr aus austenitischem Stahl und der Flansch aus einem Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium ausgebildet.

Edelstahlrohre haben den Vorteil einer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit. Durch die erfindungsgemäße Rohrverbindung ist es möglich, auch Edelstahlrohre mit Flanschen aus Leichtmetall zu versehen. Dadurch können aufwändige Umformoperationen an den

Edelstahlrohren entfallen. Weitere thermische Behandlungsschritte sind ebenfalls nicht erforderlich.

Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Beispiel der Erfindung näher erläutert. Die Figur zeigt eine erfmdungsgemäße Rohrverbindung 1 mit einer Rohrleitung 2 und einem die Rohrleitung 2 an ihrem ersten Ende 3 umfassenden Flansch 4. Der Flansch 4 weist auf seinem Umfang verteilt axial Bohrungen 5 auf, über die die Rohrleitung 2 über den Flansch 4 an einer hier nicht gezeigten weiteren fluidführenden Komponente befestigbar ist. Rohrleitung 2 und Flansch 4 sind jeweils aus einem Aluminiumwerkstoff ausgebildet.

Der Flansch 4 ist durch Umgießen der bereits fertigen Rohrleitung 2 in einer hier nicht gezeigten Gießform durch Druckgießen erzeugt. Dabei ist die Temperatur der Schmelze des Flansches 5 zeitweise geringfügig höher als der Schmelzpunkt des Werkstoffes der Rohrleitung 2.

Dadurch, dass die Temperatur der Schmelze des Flansches 5 geringfügig höher ist, als der Schmelzpunkt des Werkstoffes der Rohrleitung 2, kommt es beim Umgießen in der Kontaktzone 6 zwischen Flansch 4 und Rohrleitung 2 zu einem Aufschmelzen der Oberfläche der Rohrleitung 2. Durch geeignete Werkstoffwahl und Temperaturführung ist gewährleistet, dass dabei die Wandung der Rohrleitung 2 nur auf der Außenseite anschmilzt und die Grundstruktur der Rohrleitung 2 erhalten bleibt. Zwischen der Schmelze des Flansches 4 und der aufgeschmolzenen Oberfläche der Rohrleitung 2 kommt es zu einem Ineinanderfließen, so dass bei Erstarrung der Schmelzen eine stoffschlüssige Verbindung 7 zwischen der Rohrleitung 2 und dem Flansch 4 ausbildbar ist.

Nach dem Entnehmen der Rohrverbindung 1 aus der Gießform ist die Rohrverbindung ohne weitere thermische Arbeitsgänge einbaufertig. Die stoffschlüssige Verbindung 7 gewährleistet bei 100% Dichtheit ein hohes Maß an Festigkeit und Schwingungsbeständigkeit.

Bezugszeichenliste

(Teil der Beschreibung)

1 Rohrverbindung 2 Rohrleitung

3 Erstes Ende der Rohrleitung 2

4 Flansch

5 Bohrungen im Flansch 4

6 Kontaktzone