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Einrichtung zur Herstellung geschweisster Rohre durch
Hochfrequenz-Widerstandsheizung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Schweissen unter Anwendung der Hochfrequenz-Widerstandser- wärmung und insbesondere das kontinuierliche Schweissen von Nähten in Metallrohren.
Die USA-Patentschriften Nr. 2, 818, 488 und 2, 833, 910 geben Verfahren und Einrichtungen an, um
Kanten miteinander zu verschweissen, die einen Längsspalt in einem Metallrohr vorstellen, wobei dieses
Rohr in der Längsrichtung bewegt wird und gleichzeitig auf sie ein Druck ausgeübt wird, um den Spalt an der Schweissstelle zu schliessen. Entsprechend diesem Verfahren erfolgt die Erhitzung der Spaltkanten ver- mittels Elektroden, die an eine Wechselstrom hoher Frequenz liefernde Stromquelle angeschlossen sind und den Spaltkanten an Punkten angelegt werden, die kurz vor dem Schweisspunkt liegen, wobei die Frequenz des Stroms hoch genug ist, dass der Weg des geringsten Widerstandes zwischen den Elektroden den Spalt- kanten zum und vom Schweisspunkt folgt.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Merkmalen dieser
Verfahren und Einrichtungen.
Wie schon in den vorhin genannten Druckschriften dargelegt, wird jedoch in manchen Fällen, beson- ders wenn der Rohrdurchmesser vergleichsweise klein ist, zumindest für einen Teil des Stroms das Bestre- ben bestehen, dem Rohrumfang zu folgen, anstatt längs der Kanten des V-förmigen Spaltes zu fliessen, wo- durch für den Schweisspunkt die Neigung eintreten kann, seine Lage, bezogen auf die Vorschubbewegung des Rohres, zu verändern, was die Güte und Regelmässigkeit der Schweissnaht beeinträchtigen kann.
Wie des weiteren in diesen Druckschriften dargelegt, kann man diese Schwierigkeiten dadurch auf ein Kleinst- mass senken, dass man den Widerstand des Stromweges von einem Kontaktpunkt um den Umfang herum zum andern dadurch vergrössert, dass man innerhalb des Rohres oder in dessen Nachbarschaft magnetische Kerne od. dgl. anordnet, mit dem Ergebnis, dass dieser vergrösserte Widerstand dieses Strompfades den hochfrequenten Strom zu einer weiteren Konzentration dort veranlasst, wo dies längs der Kanten des V-förmigen Spaltes gewünscht wird ; ausserdem erfährt auch die Lage des kleinen Lichtbogens, der im Schweisspunkt auftritt, eine verlässlichere Stabilisierung in einem festen Punkt.
Dadurch ist es möglich, die Geschwindigkeit, mit der das Rohr geschweisst werden kann, beträchtlich zu vergrössern und die Güte und Gleichmässigkeit der Schweissnaht können verbessert werden.
Wie in den genannten Druckschriften angeführt, besteht der zur Verwendung gelangende magnetische Kern beispielsweise aus Stangen, die aus gesintertem magnetischem, oxydischem Material bekannter Arten aufgebaut sind und die einen niedrigen Verlustfaktor, hohe Raumwiderstandswerte und eine Permeabilität aufweisen, welche vorzugsweise grösser als die Einheit ist ; solches Material ist z. B. das "Ferramic"-Material der General Ceramics and Steatite Corp.
Dieses Material ist ein elektrischer Nichtleiter mit einem Curie-Punkt im Bereich von ungefähr 200 - 3000 F. Da jedoch die erhitzten Rohrkanten und der im Schweisspunkt vorhandene Lichtbogen, besonders bei kleinem Rohrdurchmesser, sehr in der Nähe dieses Materials vorhanden sind bzw. auftritt, besteht die Gefahr, dass ein Mass an strahlender Hitze dieses Kernmaterial erreicht, welches ausreicht, dass es zur Sprungbildung kommt oder dass seine Temperatur über den Curie-Punkt ansteigt, so dass es aufhört richtig zu arbeiten.
Diese Schwierigkeiten können, wie dies die Patentschrift Nr. 2, 833,910 vorschlägt, dadurch beseitigt werden, dass ein passend ausgelegter und innerhalb eines Rohres angeordneter"Impeder"d. h. eine Impedanzvorrichtung vorgesehen wird und durch dieses Rohr dauernd eine Kühlflüssigkeit strömt, wodurch der magnetische Teil der Impedanzvorrichtung auf einer unterhalb des Curie-Punktes liegenden Temperatur gehalten werden kann.
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Während sich die in der letztgenannten Patentschrift beschriebene Vorrichtung für die Schweissung mancher Rohrarten, insbesondere Stahlrohren, sehr gut bewährt hat, hat sich beim Schweissen von Rohren, die aus bestimmten Metallen wie Aluminium, dessen Legierungen, Messing oder Kupfer bestehen, gezeigt, dass eine starke Neigung für metallische oder oxydische Teilchen besteht, wie ein Sprühnebel (im folgenden Schaum genannt) von dem Rohrmetall aus einem Bereich, der in der Nachbarschaft des Schweisspunktes liegt, abgeschleudert zu werden, und dieser Schaum zeigt die Neigung, sich auf der Oberfläche der Impedanzvorrichtung knapp unterhalb des Rohrspaltes abzusetzen und sich dort anzusammeln.
Der Schaum kann Oxydteilchen oder Metallteilchen enthalten, welche vom kleinen, im Schweisspunkt vorhandenen Lichtbogen weggeschleudert werden und solches Material ist elektrisch leitend. Wenn man solche Niederschläge nicht vermeidet oder sofort wegschafft, zeigen sie die Neigung zu einem Gebilde beträchtlicher Abmessungen anzuwachsen, welches ohne von Zeit zu Zeit erfolgende Arbeitseinstellung und Reinigung schwierig zu entfernen ist. Solche Ansammlungen können auch, wenn man sie an Ort belässt, die Kanten des Rohrspaltes vor dem Schweisspunkt kurzschliessen, was zur Bildung eines Loches im geschweissten Rohr führt.
Im Hinblick darauf, dass solche Schaumansammlungen elektrisch leitend sind und sich in der Nähe des hochfrequenten, in den Rohrspaltkanten wirkenden Stromes befinden, besteht die Möglichkeit, dass Ansammlungen von Schaummaterial induktiv erhitzt werden, was unter Umständen die Impe- danzvorrichtung oder deren Gehäuse beschädigen oder zu unzulässigen Zusammenballungen im Bereich des Schweisspunktes führen könnte.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden diese Schwierigkeiten auf sehr wirksame Weise dadurch beseitigt, dass die impedanzvorrichtung nicht nur mit einem Gehäuse versehen wird, welches das den Impedanzkörper umgebende Kühlmittel enthält, wie dies im Patente Nr. 2, 833, 910 dargelegt ist, sondern auch mit einem zusätzlichen äusseren Gehäuse, vorzugsweise in Form eines andern Isolierrohres, aus wel-
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unter Bildung eines Flüssigkeitsschirmes zwischen der Unterseite des Schweisspunktbereiches und der oberen Fläche der Impedanzvorrichtung, welcher Flüssigkeitsschirm zu einer sofortigen Kühlung des Schaums und einem Wegführen desselben führt, bevor er noch die Möglichkeit gehabt hat, die Impedanzvorrichtung zu treffen und sich dort niederzuschlagen.
Demgemäss kann die Schweisseinrichtung nunmehr dauernd durch
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vorhin angeführten Einrichtungen, welche der Beseitigung des Schaumproblems dienen, ist schwierig, besonders wenn es sich um das Schweissen von Rohren mit vergleichsweise geringem Durchmesser handelt, doch wird erfindungsgemäss dieses Problem dadurch gelöst, dass das Kühlmittel, welches dazu dient, den Schaum in die gewünschte Form zu bringen, durch eine spaltförmige Öffnung geführt wird, welche zwischen dem Gehäuse der Impedanzeinrichtung und einem äusseren, sie einschliessenden, isolierenden Längsrohr von etwas grösserem Durchmesser besteht und welches vorzugsweise so angeordnet ist, dass die Spalt- öffnung die Querschnittsform einer Sichel aufweist, so dass der Kühlflüssigkeitsschirm im gewünschten Ort entsteht u. zw.
ebenfalls mit sichelförmigem Querschnitt, wodurch der zwischen der Impedanzeinrichtung und dem Schweisspunktbereich bestehende Raum weitgehend ausgefüllt ist.
Weitere Erfindungsmerkmale werden im Folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist. Es zeigt Fig. 1 ein Schaubild der allgemeinen Anordnung der erfindungsgemässen Einrichtung, Fig. 2 eine schaubildliche Ansicht einer Impedanzeinrichtung nach der Erfindung mit innerem Zuführungsrohr, welches zwischen dem Schweisspunktbereich und dem Gehäuse der Impedanzeinrichtung den kühlenden Flüssigkeitsschirm bildet, Fig. 3 einen Längsschnitt einer bevorzugten, innerhalb des zu schweissenden Rohres angeordneten erfindungsgemässen Einrichtung und Fig. 4 einen Querschnitt nach Linie 4-4 der Fig. 1.
In den Zeichnungen ist das zu schweissende Rohr mit 10 bezeichnet. Es wird in der Richtung des Pfeiles durch ein Rohrwalzwerk vorwärtsbewegt, welches ein Paar von Druckwalzen 11. 12 umfassen möge, welche auf einander gegenüberliegende Rohrbereiche in der Nähe des Bereiches des Schweisspunktes w einen Druck ausüben, so dass die einander gegenüberliegenden Kanten 13 und 14 innerhalb des V-förmigen Spaltes 15 fest gegeneinander gepresst werden.
Die Kontakte oder Elektroden, vermittels welcher der hochfrequente Strom auf den Spalt wirkt, sind mit 16, 17 bezeichnet ; sie sind vorzugsweise flüssigkeitsgekühlt, wie dies in den eingangs genannten Patentschriften ausführlicher dargelegt ist und so angeordnet, dass sie mit den Spaltkanten im Schweisspunkt oder in einem geeigneten Abstand vor diesem mit dem Rohr in gleitender Berührung stehen. Wie in den angeführten Patentschriften angegeben, wird der verwendete Strom eine Frequenz im Bereiche von 100 kHz oder darüber, z. B. 300 - 500 kHz besitzen.
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Die verbesserte umhüllte Impedanzeinrichtung nach der vorliegenden Erfindung Ist strichliert mit 19 in Fig. 1 dargestellt und kann von einem Rohr 20 getragen werden, welches aus dem Spalt 15 nach aussen führt und durch welches das Kühlmittel eingeführt wird. Dieses Rohr kann auf geeignete Weise einstellbar getragen sein, wie dies beispielsweise bei 21 angedeutet ist, damit nach Wunsch eine Längs- und Höhen- einstellung mit Bezug auf das vorwärts bewegte Rohr 10 und den Schweisspunkt möglich ist,
Wie ferner aus den Fig.
3 und 4 ersichtlich ist, kann die Impedanzeinrichtung eine oder mehrere Stan- gen 25 aus dem oben erwähnten magnetischen Material enthalten, die von einem Gehäuse, etwa einer
Hülse 26 aus Isoliermaterial, umgeben sind, welche von einer geeigneten Anschlussverbindung 27 aus Mes- sing oder anderem geeigneten, vorzugsweise nichtmagnetischen Material gehalten wird und durch welche die Kühlflüssigkeit, wie Wasser oder ein lösliches Öl, durch das Rohr 20 dauernd zugeführt wird.
Ein Teil dieses Kühlmittels fliesst in und durch das Isoliergehäuse 26, wobei es Teil 25 der Impedanzeinrichtung um- schliesst und letztere dadurch kühlt, worauf das Kühlmittel durch den Auslass 28 des Gehäuses der Impe- danzeinrichtung ausfliesst. Die Impedanzkörper 25 seien gegen Herausfallen aus dem Rohr 26 gesichert, z. B. durch Bolzen 29.
Ein zusätzliches Rohr 30 ist auf geeignete Weise mit einem Ende am Anschlussteil 27 befestigt und erstreckt sich von diesem Anschlussteil vorzugsweise nur über einen Teil des Rohres 26, um bei 31 vor- zugsweise im wesentlichen Abstand vom Schweisspunkt w zu enden. Die Rohre 26 und 30 bestehen vor- zugsweise aus dauerhaftem, starrem Material, welches durch zufällige Erhitzung nicht Schaden leidet, beispielsweise haben sich Faserglasgebilde, imprägniert mit Epoxyharzen, für den vorliegenden Zweck bewährt.
Der Innendurchmesser des Rohres 30 ist vorzugsweise nur etwas grösser als der Aussendurchmesser des
Rohres 26, so dass ein Spalt zwischen ihnen besteht. In der Wandung des Rohres 30 wird ein geeignetes
Mittel, etwa ein kleiner Bolzen 32 aus Kunststoff, vorgesehen, um nach abwärts gegen die Wandung des
Rohres 26 zu drücken, wodurch der lichte Raum 33 zwischen den beiden Rohren hauptsächlich längs der oberen Oberfläche des Rohres 26 auftritt, Aus den Fig. 2 und 4 ist ersichtlich, dass dieser lichte Raum den sichelförmigen Querschnitt aufweist. Ein Teil des durch das Rohr 20 eingeführten Kühlmittels wird durch eine kleine Nebenschlussleitung 34 abgezweigt, um in den lichten Raum 33 zu geraten und aus diesem als
Sperrfilm 35 auszutreten und einen Schirm oder eine Schutzwand zwischen dem Bereich des Schweisspunk- tes und der oberen Oberfläche des Rohres 26 zu bilden.
DieserSperrfilm wird im allgemeinen ebenfalls Si- chelquerschnitt besitzen, welcher der oberen Fläche des Rohres 26 ziemlich genau entspricht und dem
Raum zwischen dieser Oberfläche und der inneren Oberfläche des Rohres 10 im Bereich des Schweisspunk- tes mehr oder weniger ausfüllt. Demnach werden Schaumteilchen, die aus dem Bereich des Schweisspunk- tes stammen, keine Möglichkeit haben, sich auf dem Rohr 26 abzusetzen, sondern unverzüglich und dau- ernd gekühlt und weggespült. Die Gegenwart eines Kühlmittels im und um den Schweisspunkt ist bei An- wendung der Hochfrequenz-Widerstandsheizung dem Schweissen in keiner Weise abträglich.
Obgleich im Vorstehenden ganz besondere Ausführungsformen der Erfindung für die Zwecke der Er- läuterung beschrieben wurden, ist leicht einzusehen, dass die Erfindung auch andere Möglichkeiten ihrer
Verwirklichung erlaubt. Trotzdem in der Zeichnung ein V-förmiger Schweissspalt dargestellt ist und der
Schweisspunkt im Oberteil des zu schweissenden Rohres auftritt, muss diese Anordnung keineswegs notwen- digerweise getroffen werden ; die Einrichtung kann vielmehr in viele andere Lagen gebracht werden, wes- halb die Ausdrücke"oben"und"unten"nur relative Bedeutung haben.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Herstellung geschweisster Rohre durch Verweissen des Längsspaltes einesRohrkörpers mittels Hochfrequenz-Widerstandsheizung, wozu der Rohrkörper unter Freilassung eines V-förmigen Spal- tes zwischen Druckorgane vorgeschoben wird, in deren Wirkungsbereich der Schweisspunkt ausgebildet wird, und wobei der Heizstrom so zugeführt wird, dass er von einem Zuführungspunkt durch den Schweisspunkt zum andern Zuführungspunkt fliesst und mit innerhalb des Rohrkörpers untergebrachter magnetischer Impe- danzeinrichtung, die einen in einem Behälter untergebrachten magnetischen Körper umfasst, dadurcb ge- kennzeichnet, dass Mittelvorgesehen sind, welche dazu dienen, ein flüssiges Kühlmittel über den Behälter des genannten magnetischen,
in dem Behälter befindlichen Kernes zu leiten, damit dauernd zwischen dem Schweisspunktbereich und der Aussenfläche dieses Behälters eine Flüssigkeitsschichte vorhanden ist, welche vom Schweisspunkt ausgehenden Schweissschaum fortspült und sein Absetzen auf dem Behälter dadurch ausschliesst.