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Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetimpuls-Schweissverfahren zum Überlappschweissen zweier Rohlinge, von denen wenigstens einer einen rohrförmigen Schweissabschnitt und der andere einen zu diesem koaxialen Schweissabschnitt aufweist, gemäss welchem die Rohlinge erwärmt und unter Verformung des rohr-
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werden, sowie auf Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
Bekanntlich bietet die Magnetimpuls-Schweissung die Möglichkeit, Rohlinge aus gleichen und ungleichen Metallen mit minimalem Energieaufwand zu verschweissen. Das Verfahren findet im wesentlichen beim Schweissen dünnwandiger Rohrluppen aus Leichtmetallen und Legierungen Verwendung. Es zeichnet sich durch grosse Produktivität und hohe Arbeitskultur aus. Zur Zeit kann die Schweissung von Rohren aus Aluminiumlegierungen mit 1 bis 1, 5 mmWandstärke und 30 bis 40 mm Durchmesser als Grenze des fertigungstechnisch beherrschten Bereichs des Verfahrens angesehen werden.
Dieser Bereich könnte beträchtlich breiter sein, wenn der Wirkungsgrad des Schweissvorganges höher, die Anlagen grösser und die Vorbereitungsarbeiten einfacher wären.
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kondensators erregt wird, einen Strom in dem unweit des Induktors befindlichen Rohling aus elektrisch leitendem Werkstoff induziert. Die Gesamtdruckamplitude der durch die Wechselwirkung dieser Ströme hervorgerufenen Magnetfelder überschreitet die Fliessgrenze des zu bearbeitenden Metalls wesentlich und beschleunigt den zu verschweissenden Abschnitt des beweglichen Rohlings. Falls rohrförmige Rohlinge verschweisst werden, findet eine Radialverschiebung des Endabschnitts des beweglichen Rohlings statt. Nach dem Zusammenstoss dieses Abschnittes mit dem unbeweglichen Rohling entsteht eine Schweissverbindung der Rohlinge.
Der mit dem Impulsmagnetfeld zu verformende Abschnitt des Rohlings hat in der Regel die Form eines dünnwandigen Rohres. Ein Rohling, der diesen Abschnitt besitzt, wird als beweglicher, und ein unverformbarer Rohling als unbeweglicher Rohling bezeichnet. Dieser kann zylinder-, kegelförmig usw. sein. Sind die Rohlinge spielbehaftet angeordnet, so erreicht die Geschwindigkeit des wandernden Abschnitts des beweglichen Rohlings Im Augenblick des Zusammenstosses einige Hundert Meter je Sekunde, und in der Berührungszone der zu verschweissenden Oberflächen werden Drucke von Hunderttausenden bar erzeugt. Findet der Zusammenstoss dieser Oberflächen unter einem Winkel statt (schräger Zusammenstoss), der durch vorheriges oder im Beschleunigungsvorgang erfolgendes Profilieren der Rohlinge gewährleistet wird, so bildet sich eine Schweissverbindung aus.
Die Nachteile dieses bekannten Magnetimpuls-Schweissverfahrens sind : geringe Wirtschaftlichkeit ; eine Schweissverbindung kann nur mit relativ hohen Zusammenstossgeschwindigkeiten der Rohlinge hergestelltwer- den ; die zu verschweissenden Oberflächen müssen sorgfältig geputzt werden.
Unter der Schweisswirtschaftlichkeit e versteht man das Verhältnis von der real angeschweissten Metallmasse zu der dabei verbrauchten Energie, was dem folgenden Ausdruck entspricht :
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wobei
D mittlerer Durchmesser des verschweissten Abschnitts des beweglichen Rohlings,
1 Schweissnahtbreite längs der Achse des beweglichen Rohlings, zo Dicke des verschweissten Abschnitts des beweglichen Rohlings,
Dichte des beweglichen Rohlings,
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bedeuten.
Die bekannten Vorrichtungen zum Magnetimpuls-Schweissen nach dem beschriebenen Verfahren zeichnen sich durch ein einfaches Schaltbild des Starkstromkreises aus. Dieser besteht aus einem Erregerkondensator, einem Stromschalter und einem Induktor, die über induktivitätsarme Stromzuführungen hintereinandergeschaltet sind.
Die Probleme der Schaffung von hochwertigen Erregerkondensatoren sind bereits durch die industrielle Nutzbarmachung der Herstellungstechnologie von Impulskondensatoren mit grosser Energiedichte, geringer Eigeninduktivität und grosser Kapazität weitgehend gelöst worden. Achillesferse der Vorrichtungen zum Magnetimpuls-Schweissen sind die Stromschalter und insbesondere die Induktoren. In den Stromschaltern geht ein beträchtlicher Energieanteil des Erregerkondensators verloren. Sie unterliegen einer starken Abnutzung
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Kondensator verbunden und dessen Niederspannungswicklung an die Rohlinge anschliessbar ist.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann aber auch eine Vorrichtung mit einem Induktor und einem mit diesem in Reihe geschalteten Erregerkondensator verwendet werden, bei der erfindunggemäss der Induktor an einen der beiden zu verschweissenden Rohlinge und der Erregerkondensator an den andern Rohling anschliessbar ist, wobei die hiezu vorgesehenen Leitungen induktivitätsarm sind. Es gelingt auf diese Weise, ohne Stromschalter auszukommen, dessen Rolle die Rohlinge selbst übernehmen und den den Induktor durchfliessenden Impulsstrom zur Gänze zur Erwärmung der Rohlinge einzusetzen.
Man kann aber auch In die Reihenschaltung von Induktor und Erregerkondensator einen Schalter einbauen, der die Schweissung der Rohlinge bei geringer Durchschlagsspannung des Spaltes zwischen ihnen ermöglicht, d. h. falls dieser Spalt mit elektrisch leitendem Werkstoff gefüllt ist bzw. falls die Rohlinge einander berühren.
Ferner ist es von Vorteil, parallel zum Induktor und Erregerkondensator einen weiteren Kondensator zu schalten, um den Impulsstrom zwischen den Rohlingen zu vergrössern. Dabei ist es von Nutzen, einen Schalter mit dem Induktor und dem Erregerkondensator in Reihe zu schalten, um eine Erhöhung der Betriebsspannung am Erregerkondensator zu ermöglichen. Es kann aber auch ratsam sein, den Schalter nicht mit dem Erregerkondensator und dem Induktor in Reihe zu schalten, wodurch in diesem Stromkreis geringe Verluste aufrecht erhalten werden, sondern den Schalter mit dem zusätzlichen aktivierenden Kondensator in Reihe zu schalten, wodurch an diesen eine hohe Betriebsspannung ermöglicht wird sowie dessen Einschalten zum gewünschten Zeitpunkt vorgenommen werden kann, z. B. Im Augenblick des Zusammenpressens der zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge.
Schliesslich kann ein Schalter mit dem Induktor und dem Erregerkondensator und ein weiterer mit dem aktivierenden Kondensator in Reihe geschaltet werden, so dass eine weitgehende Regelmöglichkeit der Schweissdaten gewährleistet wird.
Es ist vorteilhaft, wenn zwischen dem Ende wenigstens einer der induktivitätsarmen Leitungen und einem der Rohlinge ein mit unter vermindertem Druck stehendem Gas gefüllter Spalt vorgesehen ist, der beim Schweissen mit einer elektrischen Entladung durchgeschlagen wird. Das Vorsehen wenigstens eines solchen Spaltes kann sich auch bei vorhandener Serienschaltung von Induktor, Erregerkondensator und Schalter mit parallel dazu geschaltetem, aktivierendem Kondensator empfehlen.
Schliesslich Ist es vorteilhaft, an den beiden Ausgängen des Erregerkondensators Trennschalter anzuordnen.
Das erfindungsgemässe Schweissverfahren besitzt eine Wirtschaftlichkeit, die ein Fünf- bis Zehnfaches der Wirtschaftlichkeit des gewöhnlichen Magnetimpuls-Schweissens beträgt. Es bedarf nicht zeit-und kraftfordernder sowie aufwendiger Arbeitsgänge und sorgfältigen Putzens der zu verschweissenden Oberflächen.
Dabei bestehen die umfassenden Möglichkeiten, Überlappnahtverbindungen der Rohlinge mit unterschiedlicher Struktur der Schweisszone herzustellen, z. B. Schweissungen über Metallpulver- oder Lötmittelzwi- schenschichten (Löten), d. h. Schweissungen, die der üblichen Kondensatorschweissung ähnlich sind. Von grösstem praktischen Interesse ist ein Fall der Schweissung, bei dem die Rohlinge mit einem mit Gas unter vermindertem Druck zu füllenden Spalt angeordnet sind und die Erwärmung mit einem etwa 103 bis 107 A starken Impulsstrom erfolgt.
Das Vorhandensein des Spaltes bietet die Möglichkeit, den zu verschweissenden Abschnitt des beweglichen Rohlings bis zu einer Geschwindigkeit von einigen Hundert Meter je Sekunde zu beschleunigen und bei seinem Zusammenstoss mit dem unbeweglichen Rohling hohe Drucke zwischen den zu
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Die hohe Leistung des Wärmeflusses, der beim Durchgang eines leistungsstarken Impulsstromes den zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge zugeführt wird, und die beschränkte Wärmeleitfähigkeit der Metalle führen nur zur Erwärmung dünner Oberflächenschichten der Rohlinge bis zum Schmelzen. Eine wichtige Tatsache, welche die Herstellung einer Schweissverbindung begünstigt, bildet der den Strom begleitende Druck des magnetischen Eigenfeldes, dessen Grösse proportional zum Quadrat der Stromdichte ist. Der grossen Amplitude des zwischen den Rohlingen fliessenden Impulsstromes entspricht also ein hoher Druck seines magnetischen Eigenfeldes auf die elektrische Entladung im Spalt zwischen den Rohlingen.
Unter dem Einfluss dieses Druckes werden ausbrennende Produkte von Verunreinigungen und Oxyden mit hoher Geschwindigkeit aus dem Spalt sowie ein Teil des Schmelzgutes von den zu verschweissenden Oberflächen entfernt.
Bei dem erfindungsgemässen Schweissverfahren findet also nicht bloss eine Erwärmung der Rohlinge vor der Schweissung, sondern auch ein wirkungsvoller Komplex von Vorgängen zu ihrer Vorbereitung statt, der in der Erwärmung bis zum Schmelzen von nur dünnen Metallschichten an den zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge und im Reinigen dieser Oberflächen durch den Druck des magnetischen Eigenfeldes des Impulsstromes besteht. Nachstehend wird die gemeinsame Wirkung dieser beiden Vorgänge als Aktivierung der Rohlinge oder Aktivierung der zu verschweissenden Oberflächen bezeichnet.
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und erfordern den Einsatz von Startgeneratoren zu ihrer Betätigung. Der Induktor bildet das Arbeitswerkzeug der Vorrichtungen zum Magnetimpuls-Schweissen.
Am bekanntesten sind Induktoren mit einer oder mehreren Windungen sowie Induktoren mit mehreren Windungen sowie mit Magnetflusskonzentratoren. Ein Induktor mit mehreren Windungen besitzt ein praktisch homogenes Magnetfeld und ist an einen einfachen und preiswerten Erregerkondensator leicht anzupassen, mechanisch aber am wenigsten fest. Ein Induktor mit einer Windung ist mechanisch am stabilsten, erfordert aber einen hochwertigen und somit kostspieligen Erregerkondensator. Ausserdem besitzt er einen Nachteil : geschwächtes Mangetfeld im Spaltgebiet. Ein Induktor mit mehreren Windungen und mit einem Magnetflusskonzentrator beseitigt die erwähnten Nachteile teilweise, jedoch nur auf Kosten zusätzlicher Energieverluste. Das Problem der Schaffung eines in aller Hinsicht vollkommenen Induktors ist zur Zeit noch nicht gelöst worden.
Die Technologie der MagnetimpulsSchweissung verlangt vom Induktor die Erzeugung von wiederholten Impulsen eines Magnetfeldes von allerhöchster Stärke. Das Problem der Beständigkeit des Induktors ist hier daher besonders akut.
Ein verbessertes Schweissverfahren ist durch die US-PS Nr. 3, 258, 573 bekanntgeworden. Bei diesem werden die Rohlinge vor Überlagerung des Impulsmagnetfeldes mit Hochfrequenzströmen von einem Spezialgenerator bis zum Erweichen erwärmt. Die Erwärmung gestattet, die Schweissung mit niedrigeren Amplituden des Impulsmagnetfeldes durchzuführen, was das Arbeitsvermögen des Induktors erhöht. Die Erwärmung der ganzen Metallmasse der Rohlinge führt jedoch einen grossen Energieaufwand der Hochfrequenzströme herbei, erfordert die Verwendung von Inertgasen zwecks Oxydationssehutz der zu verschweissenden Oberflächen und ändert das Metallgefüge. Nach der Schweissung ist daher ein Glühen der Fertigerzeugnisse nötig.
Die Vorrichtungen zur Durchführung des beschriebenen Schweissverfahrens sind viel komplizierter im Vergleich zu den Vorrichtungen, die beim gewöhnlichen Magnetimpuls-Schweissen zum Einsatz gelangen.
Preislich ist der Hochfrequenzgenerator mit dem Preis des Magnetimpulsteiles der Vorrichtung vergleichbar. Die Produktivität des Schweissvorganges ist wegen der erforderlichen, relativ langwierigen Erwärmungs-und Glühzyklen beträchtlich geringer und der eigentliche Schweissvorgang ist viel kostspieliger.
Durch das letztgenannte Verfahren werden somit die Probleme, die der Magnetimpuls-Schweissung gegenüberstehen, nicht gelöst.
Es ist Ziel der Erfindung, die oben erwähnten Nachteile bei den in der Praxis bestehenden Verfahren zum Überlappschweissen von Rohlingen zu beseitigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überlappschweissen von Rohlingen sowie Vorrichtungen zu dessen Durchführung zu schaffen, die durch Änderung der Erwärmungsart der Rohlinge mit elektrischem Strom eine grössere Schweisswirtschaftlichkeit der Rohlinge aus gleichen oder ungleichen Metallen sowie eine hohe Qualität der Schweissverbindungen gewährleisten.
Die gestellte Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Erwärmung der Rohlinge durch einen zwischen ihren Schweissabschnitten fliessenden, elektrischen Strom erfolgt. Da also die Wärmezufuhr nahezu ausschliesslich in den Schweissabschnitten erfolgt, die übrigen Teile der Rohlinge daher praktisch unbeeinflusst bleiben, sind die beim Erhitzen der gesamten Rohlinge bisher auftretenden Nachteile nunmehr hintangehalten.
Es ist zweckmässig, den elektrischen Strom in Form von wenigstens einem Stromimpuls durch die Rohlinge zu leiten, wobei es empfehlenswert ist, dies im Augenblick des Zusammenpressens der Schweissabschnitte vorzunehmen.
Die Rohlinge können in an sich bekannter Weise mit einem Spalt zwischen ihren Schweissabschnitten angeordnet werden, wobei der Spalt vor dem Einleiten des elektrischen Stroms mit einem elektrisch leitenden Werkstoff gefüllt werden kann. Man kann aber den Spalt auch mit einem unter geringem Druck stehenden Gas füllen.
Es ist vorteilhaft, wenn der rohrförmige Schweissabschnitt des einen Rohlings vor dem Einleiten des elektrischen Stroms bis zur Berührung mit dem Schweissabschnitt des andern Rohlings konisch verformt wird.
Die beiden Rohlinge können aus gleichen Metallen bestehen, z. B. Stahl-Stahl, Kupfer-Kupfer, Alumi- nium-Aluminium. Es können aber auch ungleiche Metalle miteinander verschweisst werden, z. B. KupferStahl, Stahl-Aluminium und dessen Legierungen, Stahl-Titan und dessen Legierungen, Kupfer-Titan und dessen Legierungen, Aluminium-Titan und dessen Legierungen.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens eignet sich eine Vorrichtung, welche einen Induktor und einen mit diesem über einen Schalter in Reihe geschalteten Erregerkondensator aufweist und bei der im Einklang mit der Erfindung eine mit den beiden zu verschweissenden Rohlingen über Leitungen verbindbare Stromquelle vorgesehen ist. Es ist von Vorteil, wenn die Stromquelle einen Kondensator aufweist und die Leitungen induktivitätsarm sind, wobei gegebenenfalls in eine ein Schalter eingebaut ist. Zwischen dem Ende wenigstens einer der Leitungen und einem der Rohlinge kann ein mit unter vermindertem Druck stehendem Gas gefüllter Spalt vorgesehen sein.
In manchen Fällen ist es zweckmässig, wenn die Stromquelle einen Impulsanpassungstransformator aufweist, dessen Hochspannungswicklung über einen Schalter mit einem
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Durch die wirkungsvolle elektrothermische Aktivierung der zu verschweissenden Oberflächen mit einer leistungsstarken elektrischen Entladung zwischen den Rohlingen unmittelbar vor oder während ihres Zu- sammenstosses wird eine hohe Qualität der Schweissverbindungen gewährleistet. Sie bietet die Möglichkeit, hochwertige Schweissverbindungen mit im Vergleich zum üblichen Magnetimpuls-Schweissen wesentlich geringeren Zusammenstossgeschwindigkeiten der zu verschweissenden Oberflächen (100 bis 200 m/s) zu erhalten.
Als Ergebnis gelingt es, die Stärke des Magnetfeldes im Induktor herabzusetzen und somit das Problem der Erhöhung seiner Lebensdauer zu lösen.
Der impulsförmige, kurzzeitige Charakter der Aktivierung nur dünner Oberflächenschichten der Rohlinge lässt die Hauptmetallmasse praktisch kalt bleiben, wodurch ihr Gefüge aufrecht erhalten und Bedingungen für die Bildung qualitativ neuer Gefügearten der Schweissverbindung geschaffen werden. Dadurch gelingt es, verschiedene Metallpaare zu verschweissen, die nach den üblichen Verfahren unverschweissbar sind, oder deren Schweissung nach diesen Verfahren wenig produktiv ist.
Die Schweissverbindungen weisen praktisch immer eine hohe Vakuumdichte auf.
Es ist zweckmässig, anstatt der üblichen Magnetimpuls-Schweissanlagen, insbesondere wenn deren Möglichkeiten erschöpft sind, Vorrichtungen einzusetzen, die das erfindungsgemässe Schweissverfahren realisieren. Praktisch empfiehlt sich dies beim Schweissen von Rohlingen aus Leichtmetallen und Legierungen mit über 30 mm Durchmesser des zu verschweissenden Abschnitts des beweglichen Rohlings und über 1 mm Wandstärke. Bei beweglichen Rohlingen aus Schwermetallen und -legierungen reduzieren sich diese Abmessungen auf etwa 20 bzw. 0, 5 mm. Muss eine vakuumdichte Schweissverbindung hergestellt werden, so ist das erfindungsgemässe Schweissverfahren in allen Fällen den bekannten vorzuziehen.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 das Schema einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum MagnetimpulsSchweissen von Rohlingen zwischen denen ein mit elektrisch leitendem Werkstoff gefüllter Spalt vorhanden ist, Fig. 2 ein analoges Schema für den Fall, wenn dem zu verschweissenden Abschnitt des beweglichen Rohlings die Form eines Kegelstumpfes gegeben und eine Umfangsberührung seines Endes mit dem unbeweglichen Rohling gewährleistet wird.
Fig. 3 ein Schema der Erfindung, wenn zwischen den Rohlingen ein mit unter vermindertem Druck stehendem Gas gefüllter Spalt vorgesehen ist, Fig. 4 schematisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung, bei der die Stromquelle zur Erwärmung der Rohlinge einen Kondensator aufweist, Fig. 5 dieselbe Vorrichtung, jedoch mit einem Schalter in einer der den Kondensator an die Rohlinge anschliessenden Leitungen, Fig. 6 schematisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung bei der die Stromquelle zur Erwärmung der Rohlinge einen Impulsanpassungstransformator aufweist, Fig. 7 schematisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Magnetimpuls-Schweissverfahrens gemäss der Erfindung, welche einen Induktor, und einen mit diesem in Reihe geschalteten Erregerkondensator aufweist, Fig. 8 die Vorrichtung gemäss Fig.
7, bei der jedoch in die Reihenschaltung von Induktor und Erregerkondensator noch ein Schalter eingebaut Ist, Fig. 9 eine Vorrichtung analog Fig. 7, bei der parallel zum Induktor und Erregerkondensator ein weiterer Kondensator geschaltet ist, Fig. 10 eine Vorrichtung analog Fig. 8 bei der parallel zur Serienschaltung von Induktor, Erregerkondensator und Schalter ein weiterer Kondensator geschaltet ist, Fig. 11 eine Vorrichtung ähnlich Fig. 10, bei der sich jedoch der Schalter in Serie mit dem zusätzlichen Kondensator befindet, Fig. 12 eine Kombination der Ausführungsformen gemäss den Fig. 10 und 11, bei der zwei Schalter vorgesehen sind, Fig. 13 schematisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung ähnlich Fig. 7, bei welcher zwischen dem Ende einer der beiden Leitungen und einem der Rohlinge ein Spalt vorgesehen ist, Fig. 14 eine Vorrichtung ähnlich Fig.
13, bei welcher zwischen beiden Rohlingen und beiden Leitungsenden Spalte vorgesehen sind, und Fig. 15 eine Kombination zweier Vorrichtungen gemäss Fig. 7, wobei an den Ausgängen des Erregerkondensators Trennschalter vorgesehen sind.
Bekanntlich müssen zur Herstellung einer Schweissverbindung die Metalloberflächen bis zum Angriffsniveau der interatomaren Kräfte einander angenähert werden. Dazu kann man entweder die Erwärmung der Metalle bis zur Bildung eines gemeinsamen Schweissbades (Schmelzschweissung) oder das Aufbringen eines für das plastische Fliessen der Metalle ausreichenden Druckes heranziehen (Druckschweissung). Im letzteren Fall müssen die zu verschweissenden Oberflächen von Oxyd- und Fettfilmen sowie von einer Schicht Absorptivgase, die die freien Valenzbindungen der Oberflächenatome der Metalle füllen, sorgfältig gesäubert werden.
Bei den verschiedenen Varianten des erfindungsgemässen Schweissverfahrens kann der Erwärmungs-, Putz- und Kompressionsgrad in weiten Grenzen variieren. Gemeinsam für alle Varianten des Verfahrens ist die Erwärmung der Rohlinge, die durch gleichzeitige Stromdurchleitung in Radialrichtung zwischen den Rohlingen auf dem gesamten Umfang der Schweissverbindung erfolgt.
Dazu wird der zu verschweissende Abschnitt des beweglichen Rohlings im Induktor angeordnet, falls die Schweissung durch Verformung in Radialrichtung zur Rohlingsachse erfolgt. Erfolgt die Schweissung hingegen durch Verformung des Rohlings in Gegenrichtung, so wird der Induktor innerhalb des beweglichen Rohlings
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--1-- mitregerkondensator --5-- wird bis zur Betriebsspannung aufgeladen.
Der Schweisszyklus beginnt mit der Stromzuführung von der Stromquelle --6-- an die Rohlinge-l'und 2--. An der Berührungsstelle der Rohlinge --1'und 2-- ist der Wirkwiderstand des Stromkreises viel höher als der Wirkwiderstand seiner übrigen Abschnitte. Beim Stromdurchgang wird daher vorwiegend an der Berührungsstelle die Wärme entwickelt. Je nach der Leistung der Stromquelle --6-- und der Dauer des Stromdurchganges können zwei Erwärmungszustände der Rohlinge in der Schweisszone unterschieden werden. Der erste Betriebszustand zeichnet sich durch eine an der Berührungsstelle der Rohlinge--'und 2-entwickelte Wärmemenge aus, die nur zum Schmelzen von geringen Metallmengen beider Rohlinge --1', 2-ausreicht.
In diesem Fall wird nach Schliessen des Schalters --4-- und Entladen des Erregerkondensators - über den Induktor --3-- in diesem ein Impulsmagnetfeld erzeugt, so dass die Schweissung nach Art der bekannten Kondensatorschweissung erfolgt.
Der zweite Betriebszustand findet in der Regel dann statt, wenn leistungsstarke Impulsströme verwendet werden, und zeichnet sich durch eine an der Berührungsstelle der Rohlinge --1'und 2-- entwickelte Wärmemenge aus, die zum Schmelzen und teilweisen Verdampfen von grossen Metallmengen an den Oberflächen der Rohlinge --1'und 2-- ausreicht. In diesem Fall tritt neben dem Erwärmungsvorgang ein hoher Druck des magnetischen Eigenfeldes des elektrischen Impulsstromes in der Erwärmungszone der Rohlinge --1!' und 2--auf. Die gemeinsame Wirkung der angegebenen Erscheinungen führt zur Entfernung der Schmelzgüter aus der ursprünglichen Berührungszone der Rohlinge --1'und 2-- und zu einem weiteren Strömfluss infolge einer elektrischen Entladung zwischen den
Rohlingen --1'und 2--. Der Erwärmungsvorgang der Rohlinge --1'und 2-- geht also in das zweite Stadium über, das früher als Aktivierung der Rohlinge bezeichnet wurde.
Bekanntlich sind elektrische Entladungen mit grosser Stromstärke instabil. Sie tendieren nach einem Zusammenziehen zu einem oder mehreren Entladungskanälen (Pinchen der Entladung, Pinch-Effekt). Ähnliche Erscheinungen finden auch bei der Erwärmung der Rohlinge --1'und 2-- nach dem erfindungsgemässen Verfahren statt. Da aber hiebei nur das Endergebnis des Stromdurchganges, nämlich die Erwärmung der Rohlinge --1'und 2--, von praktischem Interesse ist, so ist der Stabilitätsgrad der elektrischen Entladung nicht von ausschlaggebender Bedeutung.
Experimentelle Untersuchungen zeigten, dass die mit einer elektrischen Entladung aktivierten Oberflächen der Rohlinge --1'und 2-- ausreichend homogen abgebrannt und mit zahlreichen Punkten bedeckt sind, an denen infolge lokaler Stromkonzentrationen eine erhöhte Erosion der Metalle stattgefunden hat. Die aktivierte Oberfläche ist entlang des Umfangs der Schweissverbindung homogen. Je nach Grösse des Impulsstromes und der geometrischen Form der Rohlinge variiert die Schweissnahtbreite innerhalb 5 bis 30 mm.
Bei der Verformung des zu verschweissenden Abschnitts des beweglichen Rohlings --1'-- mit einem Impulsmagnetfeld, das in dem Induktor --3-- durch Entladen des Erregerkondensators --5 - bei geschlossenem Schalter --4-- erzeugt wird, bildet sich eine Schweissverbindung aus. Ihr Gefüge ändert sich in Richtung der Schweissnahtbreite, d. - ausgehend von der ursprünglichen Berührungsstelle der Rohlinge--' und 2-- - in Axialrichtung der Rohlinge. Zuerst ist das Gefüge der Schweissverbindung dem Gefüge ähnlich, das nach dem bekannten Kondensatorschweissverfahren entsteht, dann nimmt es aber ein spezifisches Aussehen an, das sich durch Wellen an den zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge --1'und 2-- mit einer Zwischenschicht aus erstarrtem Schmelzgut auszeichnet.
Fig. 3 zeigt das Schema des erfindungsgemässen Schweissverfahrens, bei dem der Rohling --1-- mit einem Spalt a im Hinblick auf den unbeweglichen Rohling --2-- angeordnet ist und der Spalt mit Gas unter vermindertem Druck von 10-1 bis 10-6 mm Hg gefüllt wird. Der zu verschweissende Abschnitt des beweglichen Rohlings --1-- befindet sich in dem Induktor --3--. Die Verformung dieses Abschnitts erfolgt in Radialrichtung zur Achse der Rohlinge --1 und 2-- hin.
In Reihe mit dem Induktor --3-- ist über den Schal- ter --4-- der Erregerkondensator --5-- geschaltet. An die Rohlinge --1 und 2-- ist die Stromquelle --6-angeschlossen.
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Spalt a zwischen ihnen mitGas unter vermindertem Druck von etwa 10-1 bis 10-6 mm Hg gefüllt und der Erregerkondensator --5-- bis zur Betriebsspannung aufgeladen.
Der Schweisszyklus beginnt mit dem Anlegen einer elektrischen Spannung an die Rohlinge --1 und 2-und der Initiierung einer elektrischen Entladung im Spalt a zwischen ihnen. Die unter vermindertem Druck in Gas erfolgende elektrische Entladung weist trotz der Notwendigkeit, zusätzliche technische Massnahmen zu deren Gewährleistung zu treffen, wesentliche Vorteile gegenüber sonstigen Arten der elektrischen Entladungen auf. Sie ist verhältnismässig geräuschlos und übt auf die Rohlinge --1 und 2-- sowie die Baugruppen der Schweissanlage eine geringe gasdynamisch Wirkung aus. Die gasdynamisch Wirkung ist von der Grösse des Gasrestdruckes im Spalt a abhängig. Die elektrische Entladung in Gas ist unter gesenktem Druck stabiler, und die Durchschlagsspannung für technologisch zulässige Spalte a zwischen den Rohlingen hoher.
Die letztere ist von der Form der Rohlinge und der Grösse des Restdruckes im Spalt a abhängig. Einen zusätz-
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lichen Vorteil der elektrischen Entladung unter gesenktem Druck bildet die Möglichkeit, diese gemäss dem bekannten Gesetzt von Paschen durch eine Druckänderung zu initiieren.
Die Anwendung eines elektrischen Impulsstromes ermöglicht die Aktivierung der zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge in der günstigsten Form. Eine Untersuchung der aktivierten Oberflächen der Rohlinge --1 und 2-- zeigte, dass sie im Gegensatz zu der vorherigen Variante keine Inhomogenitäten aufweisen. Diese Eigenschaft bleibt selbst bei einer beträchtlichen Nichtübereinstimmung der Achsen der Rohlinge --1 und 2-erhalten. Der Aktivierungsgrad der Rohlinge --1 und 2-- ist von der Leistung der Stromquelle --6-und der Dauer des Stromdurchganges abhängig. In jedem konkreten Fall muss sein Optimalwert durch mehrere Probeschweissungen versuchsmässig ausgewählt werden.
Nach der Aktivierung der Rohlinge --1 und 2-- wird der Schalter --4-- geschlossen, worauf die Verformung des zu verschweissenden Abschnitts des Rohlings --1-- mit einem Impulsmagnetfeld, das im Induktor --3-- durch die Entladung des Erregerkondensators --5-- erzeugt wird, stattfindet. Nach Zulücklegen eines dem Spalt a entsprechenden Abstands erreicht jeder Teil des zu verschweissenden Abschnitts des beweglichen Rohlings --1-- eine Geschwindigkeit von etwa einigen Hundert Metern je Sekunde und erzeugt dann beim 7usammenstoss mit dem unbeweglichen Rohling --2-- hohe DrÜcke zwischen den zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge--1 und 2--.
Es sei betont, dass durch die Aktivierung dieser Oberflächen die Bewegungsgeschwindigkeit des zu verschweissenden Abschnitts des beweglichen Rohlings --1-- viel geringer sein kann als beim gewöhnlichen Magnetimpuls.-Schweissen.
Der Zusammenstoss der zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge --1 und 2-- muss unter einem gewissen Winkel von etwa 60 zueinander erfolgen, was während der Beschleunigung des zu verschweissenden Abschnitts des Rohlings --1-- durch Gewährleistung einer entsprechenden Konfiguration des Magnetfeldes längs der Achse der Rohlinge --1 und 2-- fertigungstechnisch zu machen ist. Einzelnes oder gemeinsames Vorformen der Rohlinge--1, 2--ist ebenfalls möglich.
Als Ergebnis des Zusammenstosses der zu verschweissenden Abschnitte der Rohlinge--1 und 2-- wird eine Schweissverbindunghergestellt. Ihr Gefüge bietet die Möglichkeit, das erfindungsgemässe Verfahren von allen zur Zeit bekannten Schweissverfahren zu unterscheiden. Kennzeichnend ist das Vorhandensein von Wellen an den Oberflächen der Rohlinge --1 und 2-- mit einer Zwischenschicht aus erstarrtem Schmelzgut. Die Menge des erstarrten Schmelzgut sowie die Wellenamplitude und-frequenz kann sowohl in Breitenrichtung der Schweissverbindung als auch in Abhängigkeit von den Schweissdaten variieren. Nach diesem Verfahren gelinges, besonders hochwertige Schweissverbindungen herzustellen. Die Vakuumdichte der Schweissverbindungen ist in einem weiten Änderungsbereich der Schweissdaten garantiert.
Fig. 4 zeigt die erfindungsgemässe Vorrichtung, gemäss Fig. 1 bis 3, wobei die Stromquelle --6-- einen Kondensator --7-- aufweist, der über induktivitätsarme Leitungen --8 und 9-- an die Rohlinge --1 und 2-angeschlossen ist. Die Rohlinge --1 und 2-- sind wie gemäss Fig. 3 durch einen Spalt a distanziert, der mit Gas unter vermindertem Druck gefüllt wird. Die Speiseschaltungen der Kondensatoren --5 und 7-- sowie die Steuerschaltungen können von üblicher Art sein und werden hier daher nicht beschrieben.
Bei der vorliegenden Vorrichtung wird der Spalt a zwischen den Rohlingen --1 und 2-nicht für die Beschleunigung des zu verschweissenden Abschnitts des Rohlings --1--, sondern auch für die Kommutierung des Entladestromes des aktivierenden Kondensators--7--benutzt. Die Durchschlagsspannung des Spaltes a muss etwas höher als die Betriebsspannung des aktivierenden Kondensators --7-- liegen. Die letztere wird im Hinblick auf die Gewährleistung einer Grösse und Dauer des elektrischen Impulsstromes ausgewählt, die für den erforderlichen Aktivierungspegel der Rohlinge nötig sind. Aus technologischen Gründen kann die Grösse des Spaltes a in den meisten Fällen nicht mehr als 1 bis 3 mm betragen.
Daher kann sich auch seine Durchschlagsspannung selbst unter einem sehr niedrigen Gasdruck geringer als die erforderliche Betriebsspannung am aktivierenden Kondensator --7-- erweisen. Nachstehend wird der Ausdruck "hohe Durchschlagsspannung des Spaltes a zwischen den Rohlingen" in jenen Fällen verwendet, in denen diese Spannung hoher liegt als die Betriebsspannung am Kondensator --7--, dessen Strom mit einer elektrischen Entladung im Spalt a gewendet wird. Dementsprechend wird der Ausdruck"niedrige Durchschlagsspannung des Spaltes a zwischen den Rohlingen" in jenen Fällen verwendet, in denen diese Spannung tiefer liegt als die Betriebsspannung des Kondensators.
Das in Rede stehende Schema gehört zum Fall einer hohen Durchschlagsspannung des Spaltes a. Die Kommutierung des Stromes des aktivierenden Kondensators --7-- durch die elektrische Entladung im Spalt a hat folgende Vorteile : Wirkverluste an Elektroenergie werden auf ein Mindestmass herabgesetzt ; es fehlt ein Schalter und die Apparatur, die mit dessen Steuerung verbunden ist ; es besteht die Möglichkeit einer unbegrenzt, hohen Schalthäufigkeit der Entladung des aktivierenden Kondensators --7--, weil die jeweils erneut anzuordnenden Rohlinge --1 und 2-- die Rolle des Schalters spielen.
Vor Beginn des Schweisszyklus werden die Rohlinge --1 und 2-- in erforderlicher Weise angeordnet, der Spalt a mit Gas unter gesenktem Druck gefüllt und die Kondensatoren --5 und 7-- bis zur Betriebsspannung aufgeladen. In Abhängigkeit von der konkreten Art der Rohlinge, der Leistung des Evakuiersystems, der
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Güte der Vakuumdichtung der Rohlinge und den Besonderheiten des vorhandenen Gases kann die Grösse des Gasdruckes im Spalt a verschieden sein. Es ist praktisch immer zweckmässig, mit den Werten P. a zu arbeiten, die auf dem linken Zweig der bekannten Paschen-Kurve liegen, wobei P die Grösse des restlichen Gasdruckes im Spalt a ist.
Die Vorrichtung arbeitet folgendermassen : nach irgendeinem bekannten Verfahren, z. B. mit einem unweit des Spaltes a befindlichen Zündfunken, wird eine elektrische Entladung im Spalt a initiiert. In Form einer abklingenden Sinuskurve durchfliesst der Entladestrom des aktivierenden Kondensators --7-- die elektrische Entladung im Spalt a und aktiviert die zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge --1 und 2--. Die Energiedichte des aktivierenden Kondensators --7-- und seine Betriebsspannung werden im Hinblick auf den erforderlichen Aktivierungseffekt durch mehrere Probeschweissungen ausgewählt.
Nach der Aktivierung der Rohlinge --1 und 2-- wird der Schalter --4-- geschlossen, wodurch sich der Erregerkondensator --5-- über den Induktor --3-- entlädt und in diesem ein Impulsmagnetfeld erzeugt. Der Druck dieses Magnetfeldes verformt den zu verschweissenden Abschnitt des Rohlings --1--, indem er diesen auf einer dem Spalt a entsprechenden Strecke bis zu einer Geschwindigkeit von einigen Hundert Metern je Sekunde beschleunigt. Als Ergebnis des Zusammenstosses der zu verschweissenden Abschnitte der Rohlinge - l und 2-- bildet sich eine Schweissverbindung aus. Damit ist der Schweisszyklus zu Ende.
Es ist zu betonen, dass die Kommutierung des Entladestromes des aktivierenden Kondensators --7-- mit Hilfe einer elektrischen Entladung im Spalt a und die Verwendung der Rohlinge --1 und 2-- als Schalter gro- sse Bequemlichkeiten für die konstruktive Ausführung der induktivitätsarmen Leitungen --8 und 9-- bietet.
Es liegt auf der Hand, dass die niedrige Induktivität des Entladekreises des aktivierenden Kondensators --7-eine grosse Amplitude des elektrischen Stromes gewährleistet und somit einen maximalen Aktivierungseffekt zur Folge hat.
Fig. 5 veranschaulicht das Schema der Vorrichtung zur Durchführung des Schweissverfahrens, falls die Durchschlagsspannung des Spaltes a gering, der Spalt a mit elektrisch leitendem Werkstoff gefüllt ist oder falls die Rohlinge --1'und 2-- einander berühren. Die Vorrichtung entspricht jener gemäss Fig. 4, wobei lediglich in eine der induktivitätsarmen Leitungen --8 und 9-- ein Schalter --10-- eingebaut ist. Bei dieser Vorrichtung ist die Betriebsspannung des aktivierenden Kondensators --7-- niedriger als die Durchschlagsspannung des Schalters --10--, welche sehr hoch sein kann. Die Durchschlagsspannung des Spaltes a kann daher sehr gering sein, oder der Spalt kann überhaupt als Folge der bereits angegebenen Methode geschlossen sein.
Die Vorrichtung gemäss Fig. 5 gewährleistet umfassende Regelmöglichkeiten der Schweissdaten. Vor Beginn des Schweisszyklus sind die Rohlinge --1 bis l'und 2-- in erforderlicher Weise angeordnet. Befindet sich zwischen den Rohlingen-l und 2-- ein Spalt a, so wird dieser mit elektrisch leitendem Werkstoff oder Gas unter gesenktem Druck gefüllt. Ferner sind die Kondensatoren --5 und 7-- bis zur Betriebsspannung aufgeladen.
Die Einschaltzeiten der Schalter-4 und 10... - im Hinblick aufeinander können höchst verschieden sein.
Genauso wie die Betriebsspannungen an den Kondensatoren --5 und 7-- werden sie in jedem konkreten Fall durch Probeschweissungen versuchsmässig ausgewählt. Alle Schweissbedingungen können in zwei Gruppen eingeteilt werden : die erste, wenn zuerst der Schalter --10-- im Stromkreis des aktivierenden Kondensators - geschlossen wird, und die zweite, wenn zuerst der Schalter --4-- im Stromkreis des Erregerkondensators-5-- geschlossen wird. Naturgemäss können unter diesen Gruppen der Schweissbedingungen auch Fälle vorkommen, in denen die Schalter-4 und 10-- gleichzeitig geschlossen werden.
Die Schweissbedingungen der ersten Gruppe beginnen mit dem Schliessen des Schalters --10--, durch das der aktivierende Kondensator --7-- über die Rohlinge --1 bis l'und 2-- entladen wird und als Folge davon die zu verschweissenden Oberflächen an der betreffenden Stelle erwärmt oder aktiviert werden. Nach einer
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ihnen befindlichen elektrisch leitenden Werkstoff aufeinander treffen. Wird der Spalt a mit Gas unter gesenktem Druck gefüllt, so stossen die Oberflächen unmittelbar zusammen. Auf diese Weise kommt die Schweissung in der ersten Gruppe der Schweissbedingungen zustande.
Die Schweissbedingungen der zweiten Gruppe beginnen mit dem Schliessen des Schalters --4--, durch das sich der Erregerkondensator --5-- über den Induktor --3-- entlädt und in diesem ein Impulsmagnetfeld erzeugt. Der Druck dieses Feldes verformt den zu verschweissenden Abschnitt des Rohlings --1 bis l'-, wobei er die Durchschlagsspannung des Spaltes a, die Kennlinien des diesen Spalt füllenden, elektrisch leitenden Werkstoffs oder den Wirkwiderstand des Übergangs zwischen den Rohlingen --1'und 2-- ändert. Zu einem durch Probeschweissungen versuchsmässig ausgewählten Zeitpunkt wird der Schalter --10-- geschlossen, so dass sich der aktivierende Kondensator --7-- über das zwischen den Rohlingen --1 bzw.
l'und 2-
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befindliche Medium entlädt und hiedurch die Schweisszone erwärmt oder aktiviert. Bei der Weiterbewegung des zu verschweissenden Abschnitts des Rohlings bis l'-findet das Zusammenpressen bzw. der Zusammenstoss der zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge --1 bzw. 1' und 2-- statt, wodurch ihre Schwei- ssung erfolgt.
Das simultane Schliessen der Schalter --4 und M-kann nur als Sonderfall betrachtet werden, weil im Zusammenhang mit der Notwendigkeit, den zu verschweissenden Abschnitt des Rohlings --1 bzw. l'-um einen gewissen Abstand zwecks Gewährleistung des Zusammenpress- oder Zusammenstosseffekts der zu verschweissenden Oberflächen zu verschieben, die Erwärmung bzw. Aktivierung immer etwas früher vor sich gehen muss.
Fig. 6 zeigt das Schema einer Vorrichtung zur Durchführung des Schweissverfahrens, falls entweder die Durchschlagsspannung des Spaltes a gering, der Spalt mit elektrisch leitendem Werkstoff gefüllt ist oder die Rohlinge --1'und 2-- einander berühren. Ein Unterscheidungsmerkmal dieser Vorrichtung von jenen gemäss Fig. 4 und 5 ist der Einsatz eines Impulsanpassungstransformators zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Erwärmung bzw. Aktivierung der zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge --1 bzw. I'und 2--. Mit Hilfe der induktivitätsarmen Leitungen --8 und 9-- ist die Niederspannungswicklung-12--des Impulsanpassungstransformators an die Rohlinge --1 bzw. 1'und 2-- angeschlossen.
DieHochspannungswicklung - dieses Transformators steht über den Schalter --10-- mit dem aktivierenden Kondensator --7-- in Verbindung.
Auch bei dieser Vorrichtung können die Schweissbedingungen in zwei Gruppen eingeteilt werden. Die Schweissbedingungen der ersten Gruppe beginnen mit dem Schliessen des Schalters --10--, durch das sich der aktivierende Kondensator --7-- über die Hochspannungswicklung-11--des Impulsanpassungstransformators entlädt. Der dabei entstehende Magnetfluss durchsetzt die Niederspannungswicklung-12-- des Impulsanpassungstransformators, und als Ergebnis wird in dieser eine elektrische Spannung induziert, die an die Rohlinge-l bzw. l'und 2-angelegt wird. Dadurch beginnt der elektrische Strom zwischen den Rohlingen zu fliessen.
Wird der Spalt a mit Gas unter gesenktem Druck gefüllt, so muss die Durchschlagsspannung dieses Spaltes geringer sein als die in der Niederspannungswicklung-12-- des Impulsanpassungstransforma- tors induzierte Spannung.
Die Verwendung des Impulsanpassungstransformators bietet die Möglichkeit, den geringen Wirkwiderstand des Spaltes a zwischen den Rohlingen-l, (l*) und 2-- an die Kenngrössen des Stromkreisesdesaktivierenden Kondensators --7-- anzupassen. Den optimalen Anpassungszustand, der der Höchstleistung ent- spricht, die im Wirkwiderstand des Spaltes a umgesetzt wird, stellt der Fall dar, wenn R = 2 ist, wotoc bei R der Widerstand des Spaltes a, reduziert auf die Primärwicklung --11-- des Impulsanpassungstrans- formators, L die Induktivität des Stromkreises und C die Kapazität des Kondensators --7-- bedeuten.
Durch die Anpassung gelingt es, einen viel hohleren Anteil der im aktivierenden Kondensator --7-- gespeicherten Energie auf die zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge-l (l') und 2-- zu übertragen.
Der Impulsanpassungstransformator muss einer Spannung von ein paar Dutzend Kilovolt zwischen den Wicklungen standhalten, mechanisch fest sein, um die Kräfte beim Durchgang von Strömen zwischen 104 und 107 A in den Wicklungen auszuhalten, und eine geringe Streuinduktivität aufweisen. Letzteres ist für die Herabsetzung der Energieverluste im eigentlichen Transformator nötig.
Die Vorgänge beim Schweissen mit der Vorrichtung gemäss Fig. 6 erfolgen unter den verschiedenen Bedingungen so, wie bereits an Hand der Fig. 5 beschrieben.
Fig. 7 veranschaulicht das Schema einer weiteren Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Schweissverfahrens, falls die Durchschlagsspannung des Spaltes a zwischen den Rohlingen--1 und 2-- hoch ist. Ein Unterscheidungsmerkmal dieser Vorrichtung von den bisher beschriebenen ist der Anschluss des Induktors --3--, in dem sich der zu verschweissende Abschnitt des Rohlings --1-- befindet, und des Erregerkondensators --5--, die in Reihe geschaltet sind, über die induktivitätsarmen Leitungen --8 und 9-- an die Rohlinge --1 und 2--. Es stellt sich dabei heraus, dass der Erregerkondensator --5-- sowohl für die Erzeugung des Impulsmagnetfeldes im Induktor --3-- als auch für die Aktivierung der zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge --1 und 2-- benutzt wird.
Infolge der Verwertung der Energie des den Induktor --3-- durchfliessenden elektrischen Stromes zur Aktivierung der zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge --1 und 2-- zeichnet sich diese Vorrichtung durch ausserordentlich konstruktive Einfachheit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit aus. Die Steuerung des Schweisszyklus ist äusserst leicht, weil keine Synchronisiermittel nötig sind.
Vor Beginn des Schweisszyklus werden die Rohlinge --1 und 2-- in geeigneter Weise angeordnet, und der Spalt zwischen ihnen wird mit Gas unter gesenktem Druck gefüllt. Weiters wird der Erregerkondensator - bis zur Betriebsspannung aufgeladen.
Der Schweisszyklus beginnt mit der Initiierung der elektrischen Entladung zwischen den Rohlingen --1 und 2-- nach irgendeinem bekannten Verfahren, z. B. mit einem Zündfunken. Der im Stromkreis fliessende
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Strom erzeugt einerseits ein Impulsmagnetfeld im Induktor --3--, das den zu verschweissenden Abschnitt des Rohlings --1-- verformt, und aktiviert anderseits die zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge --1 und 2--. Die Zyklen der Aktivierung und des anschliessenden Zusammenstosses der Oberflächen werden in der notwendigen Reihenfolge selbsttätig synchronisiert, weil der gesamte Vorgang von ein und derselben Gasentladung gesteuert wird. Der Zusammenstoss der Rohlinge, der ihre Schweissung mit sich bringt, wird im Hinblick auf den Anfang des Stromdurchganges im Stromkreis immer verzögert erfolgen.
Für den wirkungsvollsten Betriebszustand der Vorrichtung müssen die Hauptkenndaten entsprechend dem folgenden Ausdruck, der Versuchs- und Berechungswerte enthält, ausgewählt werden :
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wobei Lc die Induktivität des Induktors, b eine geometrische Abmessung, welche die Stromverteilung im System Induktor --3-- Rohling --1-- kennzeichnet, p die Dichte des beweglichen Rohlings 6 die Wandstärke des beweglichen Rohlings v. die Geschwindigkeit des zu verschweissenden Abschnitts des beweglichen Rohlings --1--, die für die Herstellung einer Schweissverbindung mit dem gegenständlichen Schweissverfahren erforderlich ist (für konkrete Metallpaare wird sie versuchsmässig ermittelt), Co die Kapazität des Erregerkondensators-5--, Uo die Betriebsspannung am Erregerkondensator --5--,
a der Spalt zwischen den Rohlingen --1 und 2--, n die Windungszahl des Induktors --3-- und 11-0 die absolute magnetische Permeabilitätskonstante bedeuten.
Bei der Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Schweissung von Rohlingen mit relativ grossen Abmessungen (über 20 bis 30 mm Durchmesser) und bei verhältnismässig geringer Durchschlagsspannung des technologisch zulässigen Spaltes zwischen den Rohlingen (üblicherweise etwa 4 bis 5 kV/mm) werden in erster Linie Induktoren mit einer einzigen Windung verwendet. Unter den bekannten Induktortypen weisen diese Induktoren die Mindestinduktivität auf. Ausserdem sind sie mechanisch fest und fertigungsgerecht herstellbar.
Fig. 8 zeigt das Schema einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Schweissverfahrens, falls die Durchschlagsspannung des Spaltes a zwischen den Rohlingen --1 und 2-- gering, dieser Spalt mit einem elektrisch leitenden Werkstoff gefüllt ist oder die Rohlinge --1 ! und 2-- einander berühren. Die Vorrichtung gemäss Fig. 8 unterscheidet sich von jener gemäss Fig. 7 durch den Einbau des Schalters --4-- zwischen die induktivitätsarme Leitung --8-- und den Ausgang des mit dem Erregerkondensator --5-- in Reihe geschalteten Induktors-3-. Dieser Schalter --4-- kann auch zwischen dem Induktor --3-- und dem Erregerkondensator --5-- oder zwischen dem Erregerkondensator--5--und der induktivitätsarmen Leitung - angeordnet werden.
Vor Beginn des Schweisszyklus werden die Rohlinge-l ( !') und 2-- in geeigneter Weise angeordnet.
Befindet sich zwischen ihnen ein Spalt a, so wird dieser mit einem elektrisch leitenden Werkstoff oder mit Gas unter vermindertem Druck gefüllt. Weiters wird der Erregerkondensator --5-- bis zur Betriebsspannung aufgeladen.
Die Schweissung beginnt mit dem Schliessen des Schalters --4--, wodurch der elektrische Entladestrom des Erregerkondensators --5-- durch den Induktor --3-- und zwischen den zu verschweissenden Abschnitten der Rohlinge --1 (1') und 2-- zu fliessen beginnt.
Der mit Hilfe der Vorrichtung erfolgenden Schweissung liegen zwei verschiedene Schweissbedingungen zugrunde, die von der Mediumart zwischen den Rohlingen --1 (1') und 2-- abhängig sind.
Die erste Schweissbedingung liegt vor, wenn der Spalt a zwischen den Rohlingen --1 und 2-- mit elektrisch leitendem Werkstoff gefüllt oder wenn ein Kontakt mit relativ hohem Übergangswirkwiderstand zwischen den Rohlingen --1'und 2-- vorhanden ist. In diesen Fällen geht praktisch immer nur eine Erwärmung der zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge-l ( !') und 2-- vor sich, die nicht bis zum Aktivierungsstadium führt. Gleichzeitig mit der Erwärmung der zu verschweissenden Oberflächen findet ihr Zusammenpressen als Ergebnis der Verformung des zu verschweissenden Abschnitts des Rohlings (11)--durch den Druck des Impulsmagnetfeldes statt, das im Induktor --3-- erzeugt wird.
Die zweite Schweissbedingung liegt beim Füllen des Spaltes a zwischen den Rohlingen --1 und 2-- mit Gas unter gesenktem Druck vor. In diesem Fall liegt nach Schliessen des Schalters --4-- die gesamte Betriebsspannung des Erregerkondensators --5-- am Spalt a und schlägt diesen durch.
Der nach demDurchschlag imSpalt a fliessende elektrische Strom führt zu einer Aktivierung der zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge --1 und 2-. Gleichzeitig wird der zu verschweissende Abschnitt des Rohlings --1-- auf der der Spaltbreite entsprechenden Strecke bis zu einer Geschwindigkeit von ein paar Hundert Meter je Sekunde beschleunigt. Beim Zusammenstoss dieses Abschnitts mit dem zu verschweissenden Abschnitt des unbeweglichen Rohlings --2-- bildet sich sodann eine Schweissverbindung aus.
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Die Verwendung des Schalters --4-- bietet die Möglichkeit, die Betriebsspannung des Erregerkondensators --5-- zu erhöhen. Blei gleichbleibender, im Kondensator speicherbarer Energie kann also eine Kapazität vermindert werden. Auf diese Weise gelingt es, die Stromfrequenz im Induktor --3-- zu erhöhen, was für den Fall notwendig ist, wenn der Rohling --1-- aus einem Werkstoff mit relativ geringer Leitfähigkeit, z. B. aus nichtrostendem Stahl, gefertigt Ist.
Auf dieselbe Weise gelingt es, eine ausreichend hohe Frequenz des elektrischen Stromes Im Induktor --3-- bis zu grossen Durchmessern der Rohlinge --1 und 2-- aufrecht zu erhalten, d. h. auch dann, wenn die Induktivität eines einwindigen Induktors gross wird.
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Vor Beginn des Schweisszyklus werden die Rohlinge --1 und 2-- in erforderlicher Weise angeordnet, und der Spalt a zwischen ihnen wird mit Gas unter gesenktem Druck gefüllt, ferner werden die Kondensatoren --7 und 5-- bis zur Betriebsspannung aufgeladen.
Der Schweisszyklus beginnt mit der Initiierung einer elektrischen Entladung zwischen den Rohlingen --1 und 2-- nach irgend einem bekannten Verfahren, z. B. mit einem Zündfunken. Die beiden Kondensatoren --5 und 7-- entladen sich über ein und dieselbe elektrische Entladung. Dabei erzeugt der Entladestrom des Erregerkondensators --5--, der den Induktor --3-- durchfliesst, in letzterem ein Impulsmagnetfeld. Der Druck dieses Feldes verformt den zu verschweissenden Abschnitt des Rohlings --1-- und beschleunigt diesen auf einer der Spaltbreite entsprechenden Strecke, so dass er beim Zusammenstoss mit dem zu verschweissenden Abschnitt des Rohlings --2-- eine Geschwindigkeit von ein paar Hundert Meter je Sekunde hat.
Wie aus der Schaltung hervorgeht, wird die Aktivierung der Rohlinge von zwei bei der elektrischen Entladung parallel fliessenden Strömen durchgeführt. Da die Induktivität des Entladekreises des aktivierenden Kondensators --7-- viel geringer Ist als die des Erregerkondensators --5--, wird der elektrische Strom vom aktivierenden Kondensator --7-- bei vergleichbaren Grössen der in den Kondensatoren gespeicherten Energien viel grösser sein. Es erweist sich somit als möglich, durch die Anpassung der Kapazitäten der
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schwindigkeit zu regeln. Als Ergebnis gelingt es, mit Hilfe von einfachen technischen Mitteln die Regelmöglichkeiten der Vorrichtung wesentlich zu erweitern.
Fig. 10 veranschaulicht das Schema der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Schweissverfahrens, falls die Durchschlagsspannung des Spaltes a zwischen den Rohlingen --1 und 2-- hoch ist. Ein
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selben Kontaktstellen ist auch der aktivierende Kondensator --7-- verbunden.
Vor Beginn des Schweisszyklus sind die Rohlinge --1 und 2-- in geeigneter Weise angeordnet, der Spalt a zwischen ihnen Ist mit Gas unter gesenktem Druck gefüllt und die Kondensatoren --5 und 7-- befinden sich auf Betriebsspannung. Im vorliegenden Fall kann die Betriebsspannung des Erregerkondensators --5-- viel höher sein als die des aktivierenden Kondensators --7--.
Der Schweisszyklus beginnt mit der Initiierung einer elektrischen Entladung zwischen den Rohlingen --1 und 2-- nach irgend einem bekannten Verfahren, z. B. mit einem Zündfunken. Als Ergebnis beginnt sich der aktivierende Kondensator --7-- über die elektrische Entladung Im Spalt a zwischen den Rohlingen --1 und 2-- zu entladen, so dass die zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge --1 und 2-- aktiviert werden.
Nach einer in jedem konkreten Fall versuchsmässig auszuwählenden Zeitspanne wird der Schalter --4-- geschlossen, so dass sich der Erregerkondensator --5-- über den Induktor --3-- und die elektrische Entladung im Spalt a zwischen den Rohlingen --1 und 2-- entlädt, Das hiedurch Im Induktor --3-- entstehende Impulsmagnetfeld verformt mit seinem Druck den zu verschweissenden Abschnitt des Rohlings --1-- und beschleunigt ihn auf einer der Spaltbreite entsprechenden Strecke bis zu einer Geschwindigkeit von ein paar Hundert Meter je Sekunde. Beim Zusammenstoss der zu verschweissenden Abschnitte der Rohlinge --1 und 2-- bildet sich sodann die Schweissverbindung aus.
Die Verwendung des Schalters --4-- bietet die Möglichkeit, die Betriebsspannung am Erregerkonden- sator-5-zu erhohen. Bei gleichbleibender, im Kondensator speicherbarer Energie kann also dessen Kapazität vermindert werden. Auf diese Weise gelingt es, die Stromfrequenz Im Induktor --3-- zu erhöhen, was in jenen Fällen notwendig ist, In denen der Rohling --1-- aus einem Werkstoff mit relativ geringer Leitfähigkeit, z. B. aus nichtrostendem Stahl, besteht. Auf dieselbe Weise gelingt es, eine ausreichend hohe Frequenz des elektrischen Stromes im Induktor --3-- bei grossen Durchmessern der Rohlinge --1 und 2-- aufrecht zu erhalten, d. h. selbst wenn die Induktivität eines einwindigen Induktors gross wird.
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Falls die Regelmöglichkeit der Schweissbedingungen mit Hilfe der Spannung am Kondensator --7-- bereits durch die Durchschlagsspannung des Spaltes a zwischen den Rohlingen --1 und 2-- begrenzt ist, wird der Aktivierungsgrad der Rohlinge --1 und 2-- durch die Kapazitätsanpassung des aktivierenden Kondensators --7-- und die des Schliesszeitpunkts des Schalters --4-- geregelt.
Die Polarität der Ladespannung an den Kondensatoren --5 und 7-- muss derart ausgewählt werden, dass ihre Entladeströme die elektrische Entladung zu einem optimalen Zeitpunkt in gleicher Richtung durchflie- ssen, so dass der Aktivierungsgrad der Rohlinge --1 und 2-- erhöht wird.
Die beschriebene Vorrichtung gestattet, den Aktivierungsgrad der Rohlinge und die Zusammenstossgeschwindigkeiten ihrer zu verschweissenden Oberflächen in stärkerem Masse unabhängig zu regeln. Mit ihrer Hilfe werden auch die Schweissprobleme bei Rohlingen mit grossen Durchmessern gelöst.
Die Vorrichtung gemäss Fig. 11 unterscheidet sich von jener gemäss Fig. 10 dadurch, dass nun der Schalter - nicht mit dem Induktor --3-- und dem Erregerkondensator --5-- sondern mit dem aktivierenden Kondensator --7-- in Reihe geschaltet ist. Nun kann die Betriebsspannung des aktivierenden Kondensators - 7-viel hoher sein als die des Erregerkondensators --5--.
Der Schweisszyklus beginnt mit der Initiierung einer elektrischen Entladung zwischen den Rohlingen --1 und 2-- nach irgendeinem bekannten Verfahren, z. B. mit einem Zündfunken. Als Ergebnis beginnt sich der Erregerkondensator --5-- über den Induktor --3-- und die elektrische Entladung im Spalt a zu entladen, wobei er die zu verschweissenden Oberflächenaktiviert und den zu verschweissenden Abschnitt des Rohlings --1-durch den Druck des Impulsmagnetfeldes verformt, das im Induktor --3-- entsteht. Nach einer in jedem konkreten Fall durch Probeschweissungen versuchsmässig auszuwählenden optimalen Zeitspanne wird der Schalter --10-- geschlossen, worauf sich der aktivierende Kondensator --7-- über die elektrische Entladung im Spalt a entlädt.
Als Ergebnis wirkt auf die zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge --1 und 2-- zusätzlich ein leistungsstarker Aktivierungsimpuls ein.
Die Verwendung des Schalters --10-- bietet die Möglichkeit, die Betriebsspannung am Kondensator - zu erhöhen. Bei gleichbleibender, in diesem Kondensator speicherbarer Energie kann also dessen Kapazität vermindert werden. Auf diese Weise gelingt es, die Frequenz und die Amplitude des Entladestromes des aktivierenden Kondensators --7-- zu erhöhen. Es ist sehr nützlich, einen leistungsstarken, kurzzeitigen, zusätzlichen Aktivierungsimpuls unmittelbar im Augenblick des Zusammenstosses der zu verschweissenden Abschnitte an die Rohlinge --1 und 2-- anzulegen, weil bekanntlich die Erosionswirkung einer elektrischen Entladung auf die Oberflächen von Elektroden (im vorliegenden Fall der Rohlinge --1 und 2--) mit Verminderung des Spaltes zwischen ihnen zunimmt.
Die Polarität der Ladespannung der Kondensatoren--5 und 7-muss derart ausgewählt werden, dass ihre Entladeströme die elektrische Entladung zu einem optimalen Zeitpunkt in gleicher Richtung durchfliessen, so dass der Aktivierungsgrad der Rohlinge-l und 2-erhöht wird.
Die beschriebene Vorrichtung gestattet, den Aktivierungsgrad der Rohlinge und die Zusammenstossgeschwindigkeiten ihrer zu verschweissenden Oberflächen in einem weiten Bereich unabhängig zu regeln.
Fig. 12 veranschaulicht das Schema einer erfindungsgemässen Durchführung des Schweissverfahrens, falls die Durchschlagsspannung des Spaltes a zwischen den Rohlingen --1 und 2-- gering, dieser Spalt mit elektrisch leitendem Werkstoff gefüllt ist oder die Rohlinge --1 und 2-- einander berühren. Diese Vorrichtung stellt eine Kombination der Vorrichtungen gemäss Fig. 10 und 11 dar, indem sowohl mit dem Induktor --3-und dem Erregerkondensator --5-- als auch mit dem aktivierenden Kondensator --7-- je ein Schalter, --4 bzw. 10--, in Serie geschaltet ist. Die beiden Serienschaltungen sind an der Kontaktstelle mit den induktivtätsarmen Leitungen --8 und 9--, die zu den zu verschweissenden Rohlingen --1 (1') und 2-- führen, parallel miteinander verbunden.
Vor Beginn des Schweisszyklus werden die Rohlinge (-!') und 2-- in erforderlicher Weise angeordnet. Der Spalt a zwischen ihnen wird mit elektrisch leitendem Werkstoff oder Gas unter gesenktem Druck gefüllt und die Kondensatoren --5 und 7-- werden bis zur Betriebsspannung aufgeladen.
Alle Schweissbedingungen, unter denen mit der vorliegenden Vorrichtung gearbeitet werden kann, können in zwei Gruppen eingeteilt werden : bei der ersten wird zuerst der Schalter --10-- im Stromkreis des aktivierenden Kondensators --7-- geschlossen und bei der zweiten zuerst der Schalter --4-- im Stromkreis des Erregerkondensators --5--. Im zweiten Fall entsteht im Induktor --3-- ein Impulsmagnetfeld, wobei gleichzeitig eine Erwärmung (Aktivierung) der Rohlinge-l ( !') und 2-erfolgt. Unter die beiden Gruppen der Schweissbedingungen fällt auch das simultane Schliessen der Schalter --4 und 10--.
Die Schweissbedingungen der ersten Gruppe beginnen mit dem Schliessen des Schalters --10--, wodurch eine Entladung des aktivierenden Kondensators --7-- zwischen den Rohlingen --1 (1') und 2-- stattfindet, die deren zu verschweissende Oberflächen erwärmt bzw. aktiviert. Nach einer versuchsmässig ausgewählten optimalen Zeitspanne wird der Schalter --4-- geschlossen, so dass sich der Erregerkondensator --5-- über den Induktor --3-- und das zwischen den Rohlingen --1 (1') und 2-- befindliche Medium entlädt.
Der Druck des im Induktor --3-- erzeugten Impulsmagnetfeldes verformt den zu verschweissenden Abschnitt des Roh-
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lings ( !')-- bis er entweder unmittelbar oder über den intermediären elektrisch leitenden Werkstoff auf den Schweissabschnitt des Rohlings --2-- trifft.
Wird der Spalt a zwischen den Rohlingen --1 und 2-- mit Gas unter gesenktem Druck gefüllt, so stossen die aktivierten Schweissabschnitte der Rohlinge --1 und 2-- unmittelbar zusammen.
Die Schweissbedingungen der zweiten Gruppe beginnen mit dem Schliessen des Schalters --4--, wodurch sich der Erregerkondensator --5-- über den Induktor --3-- und das zwischen den Rohlingen-l ( !') und 2-befindliche Medium entlädt. Das in dem Induktor --3-- erzeugte Impulsmagnetfeld verformt mit seinem Druck den Schweissabschnitt des Rohlings-l ( !')-, wobei es die Kennlinien des elektrisch leitenden Werkstoffs, mit dem der Spalt gefüllt ist, bzw. die Grösse des Übergangswirkwiderstandes zwischen den Rohlingen - l und 2-- ändert. Dabei wird gleichzeitig die Schweisszone erwärmt bzw. aktiviert.
Zu einem durch Probeschweissungen ausgewählten, optimalen Zeitpunkt wird der Schalter --10-- geschlossen, worauf sich der aktivierende Kondensator --7-- über das zwischen den Rohlingen-l ( !') und 2-- befindliche Medium entlädt und so die Schweisszone zusätzlich erwärmt, bzw. aktiviert. Bei der Weiterbewegung des zu verschwei- ssenden Abschnitts des Rohlings (11)--findet ein Zusammenstoss der zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge (-!') und 2--statt, wodurch ihre Schweissung erfolgt.
Die simultane Schliessung der Schalter --4 und 10-- kann nur als Sonderfall betrachtet werden, weil sich der verformbare Abschnitt des Rohlings--1 (11)--um einen gewissen Abstand verschieben muss, um den Zusammenpress- und Zusammenstosseffekt der zu verschweissenden Oberflächen zur gewährleisten. Die Erwärmung bzw. Aktivierung der Rohlinge-l ( !') und 2-- wird daher immer etwas früher vor sich gehen.
Die vorliegende Vorrichtung hat umfassende Regelmöglichkeiten der Schweissbedingungen, wobei sie die Energie der beiden Kondensatoren zur Aktivierung verwertet. Bei ihrer Gestaltung kann die Auswahl der zum Einsatz gelangenden Standardausrüstung, insbesondere die der Kondensatoren, beträchtlich erweitert werden. Die Vorrichtung gewährleistet die Schweissung von Rohlingen mit grossen Durchmessern.
Fig. 13 veranschaulicht das Schema einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Schweissverfahrens, falls die Durchschlagsspannung des Spaltes a zwischen den Rohlingen --1 und 2-- gering, dieser Spalt mit elektrisch leitendem Werkstoff gefüllt ist oder die Rohlinge--11 und 2--einander berühren. Ein Unterscheidungsmerkmal der vorliegenden Vorrichtung von jener gemäss Fig. 7 bildet der Spalt bl zwischen dem Ende der induktivitätsarmen Leitung --8-- und dem beweglichen Rohling-l (l')-, der mit Gas unter gesenktem Druck gefüllt ist. Das andere Ende der Leitung --8-- ist an den elektrischen Reihenstromkreis aus dem Induktor --3--, dem Erregerkondensator --5-- und der induktivitätsarmen Leitung --9-- angeschlossen, die ihrerseits mit dem unbeweglichen Rohling --2-- in Verbindung steht.
Dieser Spalt kann auch zwischen dem Rohling --2-- und der induktivitätsarmen Leitung --9-- bestehen. Dann muss der Rohling --1 ( !')- mit der induktivitätsarmen Leitung --8-- in Verbindung stehen. Für den Fall, dass sich ein elektrisch leitendes Medium zwischen den Rohlingen --1 (1') und 2-- befindet, muss die Durchschlagsspannung des Spaltes bl höher als die Betriebsspannung am Erregerkondensator --5-- sein. Ist hingegen der Spalt a zwischen den Rohlingen --1 und 2-- mit Gas unter gesenktem Druck gefüllt, so muss die gesamte Durchschlagsspannung der Spalte a und bl höher als die Betriebsspannung dieses Kondensators sein.
Vor Beginn des Schweisszyklus sind die Rohlinge --1 (1') und 2-- in erforderlicher Weise angeordnet.
Der Spalt a zwischen ihnen ist mit elektrisch leitendem Werkstoff oder Gas unter gesenktem Druck gefüllt.
Der Spalt bl zwischen dem Rohling 1-- ( !')- und der induktivitätsarmen Leitung --8-- ist mit Gas unter gesenktem Druck gefüllt. Schliesslich ist der Erregerkondensator --5-- bis zur erforderlichen Spannung aufgeladen.
Der Schweisszyklus beginnt mit der Initiierung einer elektrischen Entladung im Spalt b1 zwischen dem Rohling --1-- und der induktivitätsarmen Leitung --8--. Als Ergebnis beginnt der elektrische Entladestrom des Erregerkondensators --5-- durch den Induktor --3-- und zwischen den zu verschweissenden Abschnitten der Rohlinge-l (l') und 2-- zu fliessen.
Die Schweissung mit Hilfe der vorliegenden Vorrichtung erfolgt unter zwei charakteristischen Schweissbedingungen, die von der Art des zwischen den Rohlingen --1 (1') und 2-- befindlichen Mediums abhängig sind.
Die erste Schweissbedingung liegt vor, wenn der Spalt a zwischen den Rohlingen --1 und 2-- mit elektrisch leitendem Werkstoff gefüllt oder ein Kontakt mit einem relativ hohen Übergangswirkwiderstand zwischen den Rohlingen--11 und 2--vorhanden ist. In diesen Fällen geht praktisch immer nur eine Erwärmung der zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge --1 (11) und 2-- vor sich, die nicht bis zum Aktivierungsstadium kommt. Gleichzeitig mit der Erwärmung der zu verschweissenden Oberflächen findet ihr Zusammenpressen als Ergebnis der Verformung des Schweissabschnitts des Rohlings--1 (1')--durch den Druck des im Induktor --3-- erzeugten Impulsmagnetfeldes statt.
Die zweite Schweissbedingung liegt beim Füllen des Spaltes a zwischen den Rohlingen --1 und 2-- mit Gas unter gesenktem Druck vor. In diesem Fall schlägt die nach dem Durchschlag des Spaltes bl an den Spalt a angelegte, der gesamten Betriebsspannung des Erregerkondensators --5-- entsprechende Spannung
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diesen Spalt durch. Der nach dem Durchschlag im Spalt a fliessende elektrische Strom aktiviert die zu verschweissenden Oberflächen der Rohlinge --1 und 2--. Gleichzeitig wird der zu verschweissende Abschnitt des Rohlings --1-- auf einer der Breite des Spaltes a entsprechenden Strecke bis zu einer Geschwindigkeit von ein paar Hundert Meter je Sekunde beschleunigt.
Beim Zusammenstoss dieses Abschnitts mit dem zu verschweissenden Abschnitt des unbeweglichen Rohlings --2-- bildet sich eine Schweissverbindung aus.
Die Benutzung des Spaltes bl zwischen dem Rohling --1 (1') -- und der induktivitätsarmen Leitung --8-bietet die Möglichkeit, die Betriebsspannung des Erregerkondensators --5-- zu erhöhen. Bei gleichbleibender Grösse der in diesem Kondensator speicherbaren Energie kann also dessen Kapazität vermindert werden.
Auf diese Weise gelingt es, die Stromfrequenz im Induktor zu erhöhen, was in jenen Fällen notwendig ist, in denen der Rohling (1')--aus einem Werkstoff mit relativ geringer Leitfähigkeit, z. B. aus nichtrostendem Stahl, gefertigt ist. Auf dieselbe Weise gelingt es, eine ausreichend hohe Frequenz des elektrischen Stromes im Induktor bei grossen Durchmessern der Rohlinge --1 und 2-- aufrecht zu erhalten, selbst wenn die Induktivität eines einwindigen Induktors gross wird.
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zwischen der induktivitätsarmen Leitung --9-- und dem unbeweglichen Rohling--2-ein Flüssigmetallkon- takt sein.
Die beschriebene Vorrichtung kann zur Schweissung von Rohlingen eingesetzt werden, wenn auf Grund von technologischen Bedingungen Erosionsspuren der Metalle an der Aussenfläche des Rohlings --1 (leim Bereich der elektrischen Entladung zulässig sind. In den meisten praktischen Fällen ist diese Bedingung erfüllbar.
Fig. 14 zeigt eine Weiterentwicklung der Vorrichtung gemäss Fig. 13, bei der zwischen beiden induktivtätsarmen Leitungen --8, 9-- und den jeweiligen Rohlingen --1 (1'), 2-- Spalte b : t und b2 vorgesEhen sind, die wieder mit Gas unter gesenktem Druck gefüllt sind. Für den Fall, dass sich ein elektrisch leitendes Medium zwischen den Rohlingen --1 (1') und 2-- befindet, muss die gesamte Durchschlagsspannung der Spalte b1 und b2 höher sein als die Betriebsspannung des Erregerkondensators-5-. Ist hingegen der Spalt a zwischen den Rohlingen --1 und 2-- mit Gas unter gesenktem Druck gefüllt, so muss die gesamte Durchschlagsspannung der Spalte a, bl und b2 hoher sein als die Betriebsspannung dieses Kondensators.
Der Schweisszyklus beginnt mit der Initiierung elektrischer Entladungen in den Spalten bl und b2 nach beliebigen bekannten Verfahren, z. B. mit einem Zündfunken. Als Ergebnis beginnt der elektrische Entladestrom des Erregerkondensators --5-- durch den Induktor --3-- und zwischen den zu verschweissenden Abschnitten der Rohlinge --1 (1') und 2-- zu fliessen. Im übrigen verlaufen die Schweissvorgänge ähnlich, wie die Vorgänge bei der Vorrichtung gemäss Fig. 13.
Das Vorsehen der Spalte b1 und b2 zwischen den Rohlingen --1 (11) und 2-- und den entsprechenden induktivitätsarmen Leitungen --8 und 9-- bietet die Möglichkeit, die Betriebsspannung des Erregerkondensators --5-- zu erhöhen. Bei gleichbleibender Grösse der in diesem Kondensator speicherbaren Energie kann also die Kapazität vermindert werden. Auf diese Weise gelingt es, die Stromfrequenz im Induktor zu erhöhen, was dann notwendig ist, wenn der Rohling-l ( !')- aus einem Werkstoff mit relativ geringer Leitfähigkeit, z. B. aus nichtrostendem Stahl, besteht.
Auf dieselbe Weise gelingt es, eine ausreichend hohe Frequenz des elektrischen Stromes im Induktor bei grossen Durchmessern der Rohlinge aufrecht zu erhalten, selbst wenn die Induktivität eines einwindigen Induktors gross wird.
Die Spalte b1 und b2 bieten ferner die Möglichkeit, die sonst für die Stromzuführung zu den Rohlingen notwendigen Kontaktvorrichtungen vollkommen zu vermeiden. Die beschriebene Vorrichtung ist somit maximal einfach aufgebaut.
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sie unzweckmässig, da sie grosse Wirkverluste an Energie verursachen würden.
Fig. 15 veranschaulicht das Schema einer Vorrichtung zur Durchführung des Schweissverfahrens, falls dieDurchschlagsspannung des Spaltes zwischen den Rohlingen --1 und 2--gross ist. Diese Vorrichtung unterscheidet sich von der Vorrichtung gemäss Fig. 7 dadurch, dass zwischen den beiden Ausgängen des Erregerkondensators --5-- und einem Ende des Induktors sowie einem Ende der an den Rohling --2-- angeschlossenen induktivitätsarmen Leitung --9-- Trennschalter --13, 13'und 14, 14'-angeordnet sind. Der Induktor - steht mit der induktivitätsarmen Leitung --8-- in Verbindung, die an den Rohling-l-angeschlossen ist.
Eine weitere Besonderheit der Vorrichtung bildet die Gruppierung jeweils eines Induktors --3--, zweier zu verschweissender Rohlinge--1 und 2-- sowie zweier induktivi tätsarmer Leitungen --8 und 9-- zu einem einzelnen, abnehmbaren Schweissblock. Die Anzahl dieser Blöcke kann beliebig sein, und sie finden an einem Steuermechanismus --15-- Platz, der den Reihenanschluss der Schweissblöcke an den Erregerkondensator --5- gewährleistet. An den Ausgängen des Erregerkondensators --5-- sind die Kontakte --13, 14-- der
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Trennschalter angeordnet, wogegen die zugehörigen Kontakte --13', 14'-- der Trennschalter an jedem Schweissblock vorgesehen sind.
Die Art der Trennschalter kann beliebig sein ; am günstigsten sind jedoch solche, die F1üssigmetallkontakte aufweisen.
Wenn man es von Augenblick der Beendigung eines kompletten Schweisszyklus an betrachtet, arbeitet die Vorrichtung wie folgt : Mit Hilfe des Steuermechanismus --15-- wird der Schweissblock vom Erregerkondensator --5-- getrennt sowie der Ent- und Beladezone zugeführt, wo das Fertigerzeugnis herausgenommen und neue Rohlinge --1 und 2-- eingesetzt werden. Danach wird die Schweisszone hermetisch abgedichtet, evakuiert und mit dem erforderlichen Gas gefüllt. Diese Arbeitsgänge dauern so lange, bis die Schweissvorgänge bei allen bereits in ähnlicher Weise vorbereiteten Schweissblöcken der Reihe nach zum Abschluss ge-
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--5--Schweissblöcke im Raum. Die Verstellzeit der Blöcke wird zum Laden des Erregerkondensators --5-- benutzt.
Nach der Verbindung des Schweissblocks mit dem Erregerkondensator wird eine Gasentladung zwischen den Rohlingen --1 und 2-- initiiert. Im. übrigen erfolgt der Schweissvorgang wie bei der Vorrichtung gemäss Fig. 7.
Die vorliegende Vorrichtung bietet die Möglichkeit, die Schweissung mit einer nur auf die Aufladezeit des
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wozu eine ausreichend grosse Auswahl von entwickelten Vorrichtungen zur Verfügung steht. Wenn man von fertigungstechnischen Gründen ausgeht, so ist es unmöglich, irgendeiner der Vorrichtungsvarianten den Vorzug zu geben. Es ist daher zweckmässig, die in Fig. 7 dargestellte Variante näher zu behandeln, die konstruktiv höchst einfach aufgebaut ist und minimale Energieverluste aufweist. Mit Hilfe von Vorrichtungen dieses Typs gelingt es, Rohrreduzierstücke Kupfer-Stahl und Stahl-Stahl mit zirka 130 mm Durchmesser und zirka 2, 5 mm Wandstärke des beweglichen Rohlings zu verschweissen.
Am genauesten ist die Arbeit einer Anlage untersucht, die zum Verschweissen von Rohrreduzierstücken Kupfer-Stahl mit 40 bis 50 mm Durchmesser und 1 bis 1,5 mm Wandstärke des beweglichen (kupfernen) Rohlings dient. Diese Vorrichtung hat einen induktivitätsarmen Energiespeicher mit 2, 24. 10-3 F Kapazität und 5. 103 VHöchstbetriebsspan- nung. Der Induktor weist eine einzige Windung auf und ist über induktivitätsarme Leitungen mit den restlichen Elementen der Anlage verbunden. Der Spalt zwischen den Rohlingen kann innerhalb 0,5 bis 3, 5 mm variieren. Eine Ungleichförmigkeit des Spaltes innerhalb 20% wirkt sich praktisch nichtauf die Schweissnaht- güte aus.
Der Raum zwischen den Rohlingen wird hermetisch abgedichtet und bis zu einem Restdruck 10-1 bis 10-4 mm Hg evakuiert. Im charakteristischen Schweisszustand beträgt die Spannung am Kondensator 3. 103 V, wobei die Stärke des Magnetfeldes im Spalt Induktor - beweglicher Rohling nicht grösser als 230. 103 Oe ist. Entlang des Umfangs ist die erzielte Schweissnaht homogen. Je nach der Spannung des Kondensators und den Zusammenstossparametern der Rohlinge variiert ihre Breite in Axialrichtung von 3 bis 10 mm. Die nach der angegebenen Formel berechnete maximale Schweisswirtschaftlichkeit beträgt etwa 1, 25 g/kJ. Scherversuche der Nahtfestigkeit zeigten, dass sie höher ist als die Festigkeit des schwächsten der Metalle (Kupfer).
Die gesamte Scherkraft der Naht beträgt 12. 104 bis 14. 104 N bei Probekörpern mit 44 mm Durchmesser. Das Gefüge der nach dem erfindungsgemässen Schweissverfahren hergestellten Nähte zeichnet sich durch eine grosse Eigenart aus, die es gestattet, das erfindungsgemässe Verfahren von allen zur Zeit bekannten Schweissverfahren zu unterscheiden. Am Schliff einer auf gewöhnliche Weise hergestellten Schweissverbindung der Probekörper an der Berührungsstelle der Rohlinge lassen sich Merkmale beobachten, die für die Explosionsschweissung und die Schmelzschweissung kennzeichnend sind. Grössenordnungsgemäss kann das Auftreten dieser Merkmale verschieden sein, ihre gleichzeitige Anwesenheit ist aber in jeder Naht obligatorisch.
Mit dem erfindungsgemässen Schweissverfahren lassen sich folgende erprobte Metallpaare verschweissen : Stahl-Stahl, Stahl-Aluminium, Stahl-Aluminiumlegierungen, Stahl-Titan und dessen Legierungen, StahlKupfer und dessen Legierungen, Roheisen-Kupfer und dessen Legierungen, Kupfer-Aluminium und dessen Legierungen, Titan und dessen Legierungen, Aluminium und dessen Legierungen usw.