DE60038061T2

DE60038061T2 - Verfahren zur Plattierung eines Metallbandes zur Herstellung eines mehrwandigen Rohrs

Info

Publication number: DE60038061T2
Application number: DE60038061T
Authority: DE
Inventors: Pascal Lamande; Albert Volvert; Vincenzo Pierini
Original assignee: TI Group Automotive Systems Ltd
Current assignee: TI Group Automotive Systems Ltd
Priority date: 2000-08-18
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2020-08-19
Also published as: US6887364B2; JP4606058B2; EP1433544B1; EP1433544A1; ES2300670T3; US20020092891A1; ATE385863T1; US20030038161A1; DE60038061D1; JP2002105689A; EP1181993A1; JP2005095976A; US6639194B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Plattieren eines Metallbandes zur Verwendung bei der Herstellung eines mehrwandigen Rohrs, welche das Rollen eines plattierten Metallbandes über mindestens zwei vollständige Umdrehungen umfasst, damit ein Rohr entsteht, das mindestens Doppelwandung hat, die auf der Innenseite des Rohrs eine plattierte Schicht aufweist, wobei sich an das Rollen des Rohrs ein Erhitzen des Rohrs anschließt, damit die Oberfläche der Rohrwände, die miteinander in Kontakt stehen, verlötet wird.
Ein Verfahren zur Herstellung eines mehrwandigen Rohrs ist aus FR 1 015 678 bekannt. Gemäß dem bekannten Verfahren wird ein auf beiden Seiten mit Kupfer plattiertes Metallband verwendet. Nach dem Rollen des Metallbandes wird das Rohr erhitzt, um das Kupfer an den Kontaktflächen zwischen den Rohrwänden zu verlöten. Zink oder Zinn könnten zum Verlöten verwendet werden, um den Schmelzpunkt des Kupfers zu senken.
Ein Nachteil des bekannten Verfahrens ist, dass das Metallband auf beiden Seiten mit Kupfer plattiert wird. Die Kupferschicht an der Außenseite des Rohrs erfüllt keinen wirklichen technischen Zweck. Während des Verlötungsprozesses schmilzt die äußere Kupferschicht, und das geschmolzene Kupfer bildet Tropfen auf der äußeren Rohrwand und führt zu einer unebenen Oberfläche. Darüber hinaus reduziert die äußere Kupferschicht die Wärmeübertragung im Inneren des Rohrs, wenn Wärme durch Strahlung oder Induktion zugeführt wird. Bei der Herstellung werden durch die Kupferschicht auf der Außenwand außerdem gewisse Beschränkungen auferlegt, z. B. ist eine schwarze Beschichtung während des Lötprozesses zu verwenden. Da diese schwarze Beschichtung die Lötvorrichtung verschmutzt, ist eine regelmäßige Reinigung erforderlich. Wenn das Rohr durch Anlegen eines Stroms durch direkten Kontakt erhitzt wird, beeinträchtigt das geschmolzene Kupfer die elektrischen Kontakte bei hoher Temperatur.
Ein Prozess zur einseitigen Elektroplattierung von flachen Werkstücken aus Stahl ist in EP 0 410 955 offenbart. Das Verfahren umfasst das Aufbringen einer dünnen Materialschicht auf beiden Seiten des Werkstücks, das Plattieren mit demselben Material auf lediglich einer Seite und das darauf folgende elektrolytische Entfernen der dünnen Schicht von der gegenüberliegenden Seite.
DE 20 61 560 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer doppelwandigen Röhre aus einem gerollten Stahlband mit einer Kupfer-(Lötmittel-)schicht auf lediglich einer Seite.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Plattieren eines Metallbandes nach Anspruch 1.
Die Erfindung wird nun in näheren Einzelheiten mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Schnittansicht eines Metallbandes zeigt;
2 eine Schnittansicht eines Rohrs zeigt, welches durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wurde.
3 im vergrößerten Maßstab einen Querschnitt durch die Rohrwand zeigt.
4, 5, 6 und 7 Kurven zeigen, welche die Heizleistung in Abhängigkeit von der Wanddicke veranschaulichen.
8 eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines einseitig plattierten Metallbandes zeigt.
In den Zeichnungen wurde einem gleichen oder analogen Element ein gleiches Bezugszeichen zugewiesen.
1 zeigt eine Schnittansicht eines plattierten Metallbandes 1. Das Band besteht aus Stahl, vorzugsweise Edelstahl. Eine Kupferschicht 3 wird auf den Stahl 2 des Metallblechs aufgetragen, um ein plattiertes Metallband zu erhalten. Ein Verfahren zum Erhalt eines solchen einseitig plattierten Metallbandes wird in näheren Einzelheiten mit Bezug auf 8 beschrieben.
Das plattierte Metallband 1 wird zur Herstellung eines mehrwandigen Rohrs 4, wie in 2 veranschaulicht, verwendet. Obwohl 2 ein doppelwandiges Rohr zeigt, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf ein doppelwandiges Rohr beschränkt ist. Ein solches doppelwandiges Rohr wird durch Rollen des plattierten Metalls über zwei vollständige Umdrehungen erhalten. Um ein n-wandiges Rohr (n > 2) zu erhalten, sind n vollständige Umdrehungen des Blechs erforderlich. Beim Rollen des Rohrs befindet sich die Kupferschicht 3 an der Innenseite, um die innere Rohrwand zu bilden. Folglich bildet die Stahlseite 2 die äußere Rohrwand. Dies führt dazu, dass an der Grenzfläche 5 zwischen zwei aufeinander folgenden Wänden, die Kupferschicht 3 einer oberen Wand der Stahlseite der unteren Wände zugewandt ist, wie in 3 veranschaulicht.
Um ein dicht gerolltes Rohr zu erhalten ist es notwendig, die gerollten Bänder, die das Rohr bilden, zu erhitzen, damit die Oberfläche der Rohrwände, die miteinander in Kontakt stehen, verlötet wird. Durch Verwendung des einseitig plattierten Metallbandes wird die Kupferschicht direkt auf den Stahl gelötet. Das Löten von Kupfer auf Metall, wie z. B. Stahl, Edelstahl oder Eisen überwindet die technischen Vorurteile, dass Verlöten durch Kupfer mit Kupfer oder Kupfer mit Zinn, Nickel oder Zink durchgeführt werden sollte. Das Verlöten eines Stahlbandes mit Kupfer auf einer Seite und blankem Stahl auf der anderen Seite hat sich überraschenderweise als bemerkenswert leistungsfähig erwiesen. Versuche bewiesen eine hervorragende Verbindung der Wände.
Traditionell wird das Verlöten durchgeführt, indem das geformte Rohr durch einen Strahlungsofen, auch Muffelrohre genannt, geführt wird. Gemäß dem bekannten Verfahren wird eine schwarze Beschichtung, welche hauptsächlich Bitumen umfasst, auf die äußere Seite des Rohrs aufgetragen, um die Wärmeübertragung zu verbessern. Der Nachteil der Verwendung dieser schwarzen Beschichtung ist, dass sie die Lötvorrichtung erheblich verschmutzt und daher deren häufige Reinigung erforderlich macht.
Versuche, die mit dem erfindungsgemäßen einseitig plattierten Rohr durchgeführt wurden, bewiesen überraschenderweise, dass sich die Strahlungswärmeübertragung signifikant verbesserte. Die Abwesenheit von Kupfer auf der Außenseite des Rohrs verstärkte die Wärmeübertragung zur Lötzone hin. Die Wärmeübertragung war derartig effizient, dass die schwarze Beschichtung nicht länger erforderlich war, was die Verschmutzung der Vorrichtung erheblich reduzierte und ein saubereres Rohr lieferte. Da weniger Reinigungsaufwand erforderlich war, konnte eine höhere Produktivität erreicht werden und folglich eine Reduzierung der Produktionskosten.
Das Verlöten kann auch durch die Verwendung einer Induktionsspule zur Induktion eines elektrischen Stroms in das Rohr durchgeführt werden. Bei dieser Ausführungsform gibt es keinen direkten Kontakt zwischen dem Rohr und der Induktionsspule. Durch Anlegen eines elektrischen Stroms an die Induktionsspule wird ein magnetisches Feld erzeugt, welches seinerseits einen elektrischen Strom in das Rohr induziert. Wenn die Temperatur des Rohrs unter dem Curie-Punkt liegt, konzentriert sich der elektrische Strom auf der äußeren Ober fläche des Rohrs. Wenn ein Rohr mit Kupfer auf seiner Außenseite verwendet wird (konventionelles Verfahren), ist die Stromdichte in der Kupferschicht aufgrund der besseren elektrischen Leitfähigkeit des Kupfers im Vergleich zum Stahl höher. Versuche bewiesen dass die Kupferschicht sogar als elektromagnetische Abschirmung für den induzierten Strom fungiert und die Energieübertragung in den Stahl reduziert.
Das Verlöten könnte auch durch direktes Anlegen eines elektrischen Stroms an das Rohr durchgeführt werden, z. B mittels eines elektrischen Leiters, Rollen oder Gleitschuhen. Der Strom wird durch den direkten Kontakt zwischen diesen Rollen oder Gleitschuhen und dem Rohr eingespeist und gezwungen, in das Rohr zu fließen, welches als ein elektrischer Widerstand fungiert. Die auf diese Art im Rohr entwickelte Hitze verursacht das Schmelzen des Kupfers und dessen Verlöten mit dem Stahl. Wenn sich jedoch nach dem konventionellen Verfahren Kupfer auch auf der Außenseite befand, begann dieses Kupfer ebenfalls zu schmelzen und lagerte sich auf den Rollen oder Gleitschuhen ab. Da sich erfindungsgemäß kein Kupfer mehr auf der Außenseite befindet, wird diese Ablagerung verhindert und Energie gespart, da keine Energie mehr zur Erhitzung des Kupfers auf der äußeren Schicht verbraucht wird. Dadurch dass sich die Stahloberfläche auf der Außenseite befindet, ist der Erhitzungsprozess zuverlässiger, da der Strom durch den Stahl zur Grenzfläche hin fließt, wo das Verlöten stattfindet.
4 veranschaulicht die Energieübertragung in Abhängigkeit von der Wanddicke des beidseitig plattierten Rohrs. Die horizontale Achse stellt die Wanddicke des Rohrs in Mikrometer dar und die vertikale Achse die Energiedichte in 10¹⁰ W/m³. Wobei der Koordinatenanfangspunkt die äußere Seite des Rohrs und 700 μ die innere Seite eines doppelwandi gen Rohrs ist. In diesem Beispiel wurden die Messungen bei einem Rohr durchgeführt, bei dem Induktion zum Verlöten eingesetzt wurde. Wie in dieser 4 zu sehen ist, zeigt der Graph für eine Dichte, die zwischen 0 und 3 μ liegt, einen Peak für die Heizenergie in der äußeren Kupferschicht. Dies bedeutet, dass eine große Menge an Energie erforderlich ist, um die äußere Kupferschicht zu erhitzen, d. h. durch die Kupferschicht hindurch zu dringen. Wenn die Stahlschicht erreicht ist, wird die Energieübertragung erheblich reduziert. Die Kupferschicht fungiert somit als eine magnetische Abschirmung für den Stahl und schränkt folglich die Wärmeübertragung ein. Darüber hinaus führt sie zur Sublimierung einer gewissen Menge an Kupfer, welche sich wiederum an den kalten Teilen der Induktionsspulen ablagert.
Die 5, 6 und 7 zeigen Kurven, bei denen ein Vergleich angestellt wird zwischen einseitig plattierten Stahlrohren (Cu/Fe) und beidseitig plattierten Stahlrohren (Cu/Cu) unter Einsatz von Induktion bei jeweils 100 KHz, 200 KHz bzw. 400 KHz. Wie zu sehen ist, ist der auf die äußere Kupferschicht zurückzuführende Peak bei einem einseitig plattierten Stahlrohr nicht vorhanden. Darüber hinaus zeigt die Kurve ein kontinuierliches Muster über die gesamte Dicke des Rohres. Je höher die Frequenz der Induktionserhitzung, desto größer ist der Unterschied zwischen dem einseitig und dem beidseitig plattierten Rohr an seiner Außenoberfläche.
Eine Hauptanwendung für ein mehrwandiges Rohr sind Bremsleitungen für Kraftfahrzeuge. Diese Anwendung fordert von dem Rohr einen hohen Qualitätsstandard, d. h. ohne ein einziges Loch, Lötmängel oder Nadelstichporen. Die Qualität des Rohrs wird durch Verwendung eines Wirbelstromprüfers kontrolliert. Mit diesem Gerät wird eine zerstörungsfreie Prüfung basierend auf Hochfrequenzstrom, der in das Rohr indu ziert wird, durchgeführt. Eine Spule induziert den Strom und eine zweite Spule, die der ersten nachgeschaltet ist, nimmt den induzierten Strom auf. Der Strom in der ersten Spule wird mit dem in der zweiten Spule verglichen, um eine Verzerrung zwischen den beiden Signalen festzustellen, die einen Produktionsfehler anzeigt.
Die Hauptschwierigkeit bei der Bedienung eines solchen Wirbelstromprüfers auf zuverlässige Art und Weise liegt in der Physik des Bearbeitungsverfahrens. In der Tat legt das physikalische Gesetz nahe, dass bei Hochfrequenzeinsatz zum Erzeugen eines Prüfstroms im Rohr der Prüfstrom hauptsächlich durch die äußere Oberfläche des Rohrs fließt. Wenn ein beidseitig plattierter Stahl verwendet wird, bildet die äußere Kupferschicht den Hauptstrompfad für den Prüfstrom zum Nachteil des restlichen Materials. Darüber hinaus verstärkt jegliche Abweichung in der Dicke der Kupferschicht das Rauschen im Prüfsignal. Bei dem Rohr der vorliegenden Erfindung, bei dem kein Kupfer auf der äußeren Schicht vorhanden ist, konzentriert sich der Prüfstrom in die kritischen Bereiche des zu prüfenden Rohrs. Es wurde überraschenderweise kein Rauschen im Prüfsignal aufgezeichnet, was die Erhöhung der Empfindlichkeit des Prüfgeräts ermöglichte.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das Aufbringen einer Opferschicht, wie z. B. Zink, Galfan oder Aluminium zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit auf einfachere Art und Weise durchgeführt werden kann. Beim Aufbringen der Opferschicht auf die Kupferschicht, wie es nach dem Stand der Technik der Fall ist, könnten sehr schädliche elektrochemische Zellen zwischen dem Eisen, dem Kupfer und der Opferschicht entstehen. Solche Zellen würden die Zersetzung der Opferzelle beschleunigen.
Beim Aufbringen der Opferschicht in einem Schmelztauchverfahren wurde beobachtet, dass die Kupferschicht keine vollständige Legierung mit der Opferschicht bilden konnte, und dass das Kupfer zur äußeren Oberfläche der Opferschicht durch kleine Kamine migrierte. Beim letzten Schritt, bei dem eine organische Schutzschicht, wie z. B. Nylon auf der Opferschicht beispielsweise durch Extrusion oder Pulverbeschichtung aufgebracht wurde, bildeten diese Kamine Gastaschen, wodurch ein Druck auf der organischen Schicht entstand, welcher Blasenbildung an der Oberfläche der organischen Schicht verursachte. Die Verwendung eines einseitig plattierten Bandes vermeidet diese Probleme, da die äußere Kupferschicht des Rohres nicht mehr vorhanden ist.
Darüber hinaus ist beim Einsatz von Schmelztauchverfahren bei einem Rohr mit Kupfer auf seiner Außenseite das Kupfer in direktem Kontakt mit dem geschmolzenen Metall für die Opferschicht. Dieser direkte Kontakt führt zu einer Verschmutzung des Beschichtungsmaterials mit Kupfer. Durch das Verwenden eines blanken Stahlrohrs wird das flüssige Metall nicht mehr verschmutzt, ebenso wenig wie die Opferschicht.
8 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung, welche die Herstellung eines einseitig plattierten Stahlbandes ermöglicht. Die Vorrichtung umfasst drei aufeinander folgende elektrolytische Bäder 11, 12 und 13, welche das Metallband 10 durchläuft. Das erste Bad 11 und das dritte Bad 13 sind Bäder auf Zyanidbasis, während das zweite Bad 12 ein Bad auf Säurebasis ist. Jedes Bad umfasst eine Reihe von Anoden 14, 15 und 16. Die Anoden 15 und 16 sind einer Seite des Bandes zugewandt, wohingegen Anode 14 der anderen Seite des Bandes zugewandt ist.
Im ersten 11 und zweiten 12 Bad wird eine positive Spannung an die Anoden angelegt, sobald das Band 10 auf Null gelegt ist oder eine negative Spannung aufweist. Durch das erste elektrolytische Bad 11 auf Zyanidbasis wird eine dünne Kupferschicht von beispielsweise 0,2 μ auf beiden Seiten des Bandes aufgebracht. Im zweiten Bad 12 sind die Anoden 4 abgeschirmt, damit keine Kupferschicht auf der Stahlbandseite, die diesen Elektroden zugewandt ist, aufgebracht wird. Durch das Bad auf Säurebasis wird eine weitere Kupferschicht von beispielsweise 3 μ auf die Seite aufgebracht, die den Elektroden 15 und 16 zugewandt ist.
Im dritten Bad 13 auf Zyanidbasis wird die Polarität umgekehrt. Entweder wird eine negative Spannung an die Elektroden 14 angelegt, oder sie sind auf Null gelegt, wohingegen eine positive Spannung an das Metallband angelegt wird. Diese umgekehrte Polarität sorgt für die vollständige Entfernung der Kupferschicht, die den Anoden 14 zugewandt ist, und der dünnen Beschichtung von beispielsweise 0.2 μ der Seite. Auf diese Art und Weise erhält man ein einseitig plattiertes Band.

Claims

Verfahren zum Plattieren eines Metallbandes, bei dem ein Stahlblech (2) in ein erstes galvanisches Bad (11) und darauffolgend in ein zweites galvanisches Bad (12) eingetaucht wird und das Blech in dem ersten Bad auf beiden Seiten mit einer dünnen Metallschicht plattiert wird und in dem zweiten Bad lediglich auf einer Seite mit dem Metall plattiert wird, wobei das Blech darauffolgend in ein drittes galvanisches Bad (13) eingetaucht wird, worin die Elektrode in Bezug auf die Elektrode des ersten und zweiten Bads eine umgekehrte Polarität aufweist, wodurch Metall entfernt wird, damit nur auf einer Seite des Stahlblechs eine plattierte Schicht (3) bleibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Kupfer ist; das erste und dritte Bad Bäder auf der Basis von Cyanid sind und das zweite Bad auf einer Säure basiert.
Verfahren zum Herstellen eines mehrwandigen Rohrs unter Verwendung eines plattierten Metallbands, das nach Anspruch 1 hergestellt wurde, wobei das Verfahren das Rollen des plattierten Metallbands über mindestens zwei vollständige Umdrehungen umfasst, damit ein Rohr entsteht, das mindestens eine Doppelwandung hat, die auf der Innenseite des Rohrs eine plattierte Schicht aufweist, wobei sich an das Rollen das Erhitzen des Rohrs anschließt, damit die Oberfläche der Rohrwände, die miteinander in Kontakt stehen, verlötet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband auf einer Seite plattiert ist und die andere Seite von dem Stahl des Metallbands gebildet wird, und wobei das Verlöten durch direktes Auflöten der plattierten Seite auf den Stahl erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlöten dadurch erfolgt, dass das geformte Rohr durch einen Strahlungsofen geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlöten dadurch erfolgt, dass in dem Rohr ein elektrischer Strom induziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlöten dadurch erfolgt, dass mittels elektrischer Kontakte, die die Stahloberfläche berühren, ein elektrischer Strom angelegt wird.
Verfahren zum Herstellen eines mehrwandigen Rohrs (4), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: a) Elektroplattieren eines Metallbands gemäß dem Verfahren von Anspruch 1, um ein Metallband (2) zu erhalten, das nur auf einer seiner Seiten plattiert ist, wobei die andere Seite von dem Stahl des Metallstreifens gebildet wird; b) Rollen des plattierten Metallbands (2, 3) über mindestens zwei Umdrehungen, damit ein Rohr (4) entsteht, das mindestens eine Doppelwandung aufweist, wobei sich die plattierte Schicht (3) auf der Innenseite des Rohrs (4) befindet; und c) anschließend an das Rollen Erhitzen des Rohrs, damit die Oberfläche der Rohrwände, die miteinander in Kontakt stehen, derart verlötet wird, dass das Verlöten durch direktes Auflöten der plattierten Seite auf den Stahl erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen dadurch erfolgt, dass (i) das geformte Rohr durch einen Strahlungsofen geführt wird oder (ii) in dem Rohr ein elektrischer Strom induziert wird oder (iii) mittels elektrischer Kontakte, die das Metallband berühren, ein elektrischer Strom angelegt wird.
Verfahren zum Herstellen eines mehrwandigen Rohrs nach Anspruch 6, bei dem das Band aus Stahl oder Edelstahl besteht.
Verfahren zum Herstellen eines mehrwandigen Rohrs nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem auf das blanke Stahlrohr eine Opferschicht aufgebracht ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die Zink, Galfan und Aluminium umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines mehrwandigen Rohrs nach Anspruch 8, bei dem die Opferschicht in einem Schmelztauchverfahren aufgebracht wird.
Verfahren zum Herstellen eines mehrwandigen Rohrs nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, bei dem eine organische Schutzschicht auf die Opferschicht aufgebracht wird.