Verfahren zum Erhitzen und Zusammenschweissen von zwei Metallteilen mit Hochfrequenzstrom Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung bzw. Vorrichtung zum Erhitzen und Aneinanderschweissen von zwei Metallteilen, durch welche entlang ihren Rändern Hochfrequenzstrom geleitet wird. Unter anderem ist die Erfindung ins besondere zum Stumpfschweissen und zur über lappungsschweissung der Enden bzw. Rändern von Stahlblechen oder Bandmetall geeignet.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, die mit ge ringem Abstand parallel zueinander verlaufenden Ränder von zwei Metallblechstücken dadurch auf Schweisstemperatur zu erhitzen, dass eine Hochfre quenzstromquelle derart angeschlossen wird, dass der Strom an dem Rand des einen Stückes entlang bis zu dessen Ende fliesst, dann zu dem entsprechenden Ende des anderen Stückes übergeleitet und an dessen Rand entlang zu der Stromquelle zurückgeführt wird.
Dabei sollten die in entgegengesetzter Richtung an den beiden nahe beieinander verlaufenden Rändern flie ssenden Hochfrequenzströme durch gegenseitige In duktion an den zu verschweissenden Flächen der Ränder derart konzentriert werden, dass die Schweiss ränder auf die genaue Schweisstemperatur erhitzt werden; der Strom sollte dann abgeschaltet und die erhitzten Ränder gegeneinandergepresst werden. In Abänderung dieses Verfahrens wurde vorgeschlagen, die Hochfrequenzströme in derselben Richtung an den beiden parallel zueinander verlaufenden Rändern entlang zu führen und an diesen durch einen Strom leiter zu konzentrieren, der zwischen den Rändern angeordnet ist und an dem der Strom in der ent gegengesetzten Richtung fliesst.
Soweit bekannt, haben diese Verfahren bisher keine praktische Anwendung gefunden und wurden bei der Durchführung von Versuchen aus den nachstehenden Gründen auch als praktisch unbrauchbar befunden. Obwohl der be- kannte Skineffekt (Hautwirkung) bei Hochfrequenz strom an sich den Stromfluss auf die miteinander zu verschweissenden Ränder konzentriert, so trat diese bei den erwähnten Vorschlägen als vorteilhaft ver mutete Wirkung nicht mit genügender Gleichmässig keit ein. Zwar wurden die Enden der Schweissränder auf Schweisstemperatur erhitzt, der Stromfluss wurde aber zwischen diesen Enden nicht genügend auf die Ränder konzentriert.
Wenn daher diese mittleren Teile der Schweissränder auf Schweisstemperatur er hitzt werden sollten, so wurden die Endteile der Schweissränder, an denen der Strom konzentrierter ist, überhitzt und infolgedessen für eine gute Schwei ssurig zu weich. Dieser Übelstand trat insbesondere bei verhältnismässig langen Schweissrändern auf, war jedoch bei Versuchen auch für Schweissränder fest stellbar, die nicht länger als ein oder zwei Zoll waren.
Eine weitere Schwierigkeit ergab sich aus dem Um stand, dass beim Erhitzen der Schweissränder auf Schweisstemperatur und insbesondere bei dem er läuterten ungleichmässigen Erhitzen ein derart starkes Werfen der Randteile auftrat, dass beim Zusammen pressender Ränder bzw. Verschweissen die Schweiss zone wellig wurde und störende Höcker und Täler aufwies. Auch sollte nach den erwähnten Vorschlägen Hochfrequenzstrom von 30 Kilohertz angewendet werden.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei dieser Frequenz die gegenseitige Induktion zwischen den den Heizstrom führenden Rändern nicht eine solche Stromkonzentration in den Rändern hervorzurufen vermag, dass entweder die tatsächlichen Randflächen der zu verschweissenden Ränder wirksam erhitzt wer den oder eine Erwärmung und Erweichung des Metalles hinter den Rändern und damit das Werfen und sonstige störende Beeinflussungen bei Aufrecht erhaltung einer für ein einwandfreies Schweissen ge- nügenden Festigkeit bzw. Stützwirkung des hinter dem eigentlichen Schweissrand anstehenden Metalles vermieden werden.
Das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung ermöglicht, diese Nachteile völlig zu vermeiden, und besteht darin, dass die Impedanz derjenigen Teile der Stromwege, die hinter den Schweissrändern verlaufen, vor dem Schweissen mit Mitteln so geregelt wird, dass ein solches Ausmass von Stromkonzentration an die sen Rändern erreicht wird, als erforderlich ist, um die Ränder gleichzeitig gleichmässiger auf ihrer gesamten Länge auf Schweisstemperatur zu erhitzen.
Die Erfindung ist, wie sich zeigte, besonders ge eignet zum sicheren und glatten Stumpfschweissen der Enden von Stahlstücken in den Beizrändem in Stahl werken oder bei Walzwerkstrassen oder zur Herstel lung von zusammenhängenden Metallbändern oder -streifen, aus denen Rohre gebildet werden sollen, ferner, um Ränder von Stahlplatten einwandfrei und glatt zusammenzuschweissen. Ausserdem können bei Anwendung der Erfindung auch andere Metalle als Eisen oder Stahl geschweisst werden, z. B. Aluminium oder Kupfer hoher Leitfähigkeit, die bei Anwendung von Induktionserhitzung zum Schweissen nicht ein wandfrei erhitzt werden können.
Schliesslich ist die Erfindung auch beim Zusammenschweissen von Metallteilen anwendbar, die aus verschiedenem Metall bestehen und verschiedene Schweisstemperaturen er fordern.
Merkmale von Ausführungsbeispielen der Erfin dungen ergeben :sich aus .der nachfolgenden Beschrei bung anhand der Zeichnung. In dieser zeigen: Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine erste Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, Fig. 2 eine schaubildliche Darstellung einer wei teren bevorzugten Ausführungsform, Fig. 3 einen senkrechten Schnitt zu Fig. 2, Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung einer ande ren Ausführungsform der Anordnung, Fig. 5 eine schaubildliche Ansicht von Teilen der Ausführungsform nach Fig. 4 in der Stellung, die sie während des Erhitzungsvorganges einnehmen, Fig. 6 einen senkrechten Schnitt durch eine der Fig.
4 entsprechende Ausführungsform in grösserem Massstab, bei der die einzelnen Teile ebenfalls in der Stellung dargestellt sind, die sie beim Erhitzen ein nehmen, Fig. 7 eine der Fig. 6 entsprechende Darstellung, bei der die einzelnen Teile jedoch in der Stellung gezeigt sind, die sie beim Schweissvorgang einnehmen, Fig. 8 einen Teilschnitt für eine Ausführungs form nach Fig. 6, die jedoch zum Überlappungs schweissen dient und Fig. 9 eine der Fig. 8 entsprechende Darstellung der Teile nach beendeter Überlappungsschweissung. Nach Fig. 1 der Zeichnung sind zwei Metallstrei fen 10, 11, die beispielsweise aus verhältnismässig breitem und dünnem Stahl bestehen, mit ihren Rän- dern 12, 13 dicht beieinander angeordnet.
An diesen Rändern sollen die Metallstreifen 10, 11 miteinander verschweisst werden. Mit 14 und 15 sind zwei Platten oder Stäbe bezeichnet, die aus Material hoher elek trischer Leitfähigkeit, z. B. Aluminium oder Kupfer oder anderem Material, bestehen, das vorzugsweise eine höhere elektrische Leitfähigkeit hat als das Metall der miteinander zu verschweissenden Teile 10, 11. Die Stäbe oder Platten 14, 15 sind verhältnis mässig starr ausgebildet und so angeordnet, dass sie die Streifen 10, 11 mit Anpressdruck berühren und sie nach unten fest auf eine Unterlagsfläche aufpressen, die eine elektrisch isolierte Stützfläche aufweisen kann. Die Platten oder Stäbe 14, 15 können auch unter den Metallstreifen 10, 11 angeordnet sein.
Die Stirnränder 16, 17 der starren Glieder 14, 15 sind verhältnismässig dicht beeinander angeordnet, liegen aber, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, etwas hinter den Rändern 12, 13, an denen die Metall streifen 10, 11 miteinander verschweisst werden sol len. Der Abstand der Ränder 16, 17 sowie die Ränder 12, 13 sind in der Zeichnung der Deutlichkeit halber etwas grösser dargestellt, als er in Wirklichkeit ist. Die Ränder 16 und 17 sollen so weit hinter den Rändern 12, 13 angeordnet sein, dass sie nicht mit Teilen der Ränder 12, 13 in Berührung kommen, die leicht erhitzt werden und beim Erhitzen auf Schweisstem peratur erweichen.
Mit 18 ist eine Hochfrequenzquelle bezeichnet, deren Klemmen bei 19 und 20 an die starren Glieder 14, 15 angeschlossen sind. Die anderen Enden dieser Glieder sind durch einen elektrischen Leiter 21 mit einander verbunden, .dessen Klemmen bei 22, 23 mit den Gliedern 14 und 15 verbunden sind. Auf diese Weise ist ein Stromkreis gebildet, der von der Hoch frequenzstromquelle über das eine starre Glied 14 zu dessen anderem Ende, dann auf das andere Ende des anderen starren Gliedes 15 und von da zurück zu der anderen Klemme der Hochfrequenzquelle führt.
Da die Ränder 16 und 17 verhältnismässig dicht bei einander angeordnet sind, fliesst der Hochfrequenz strom bzw. der Teil des Stromes, der in den starren Gliedern 14, 15 entlang geht, statt in die zu ver schweissenden Glieder 10 und 11 überzutreten, dicht an den Rändern 16 und 17 entlang. Da aber diese Glieder 14 und 15 mixt den zu verschweissenden Teilen 10, 11 in leitender Berührung stehen, und zwar in Druckberührung, gehen beträchtliche Teile des Stromes in die zu verschweissenden Teile 10, 11 über, und da die Ränder 12 und 13 sehr dicht beieinander angeordnet sind, wird der Strom an diesen Rändern stark konzentriert.
In vielen Fällen können gute Ergebnisse erreicht werden, wenn bei der Anordnung nach Fig. 1 die Ränder 16 und 17 gerade verlaufen und gleich mässigen Abstand voneinander haben. Wegen des Nachbarschaftseffektes wird der in den Metallteilen 10 und 11 fliessende Strom stark an den Rändern 12 und 13 konzentriert. In vielen Fällen wird er dabei auch genügend gleichmässig sein, um eine befrie- digende Schweissung zu ermöglichen, wenn die Ränder nach dem Erhitzen auf Schweisstemperatur und dem Abschalten des Stromes gegeneinandergepresst wer den. Wenn dagegen die leitenden Glieder 14 und 15 nicht angeordnet wären, so könnte dies nicht er reicht werden.
In vielen Fällen kann es aber bei der Anordnung nach Fig. 1 und gerade verlaufenden Rändern 16 und 17 auch vorkommen, dass Teile der Ränder 12 und 13 überhitzt werden, während andere Teile der Rän der noch zu kühl bleiben, um eine gleichmässige Schweissung zu gewährleisten. Diese Schwierigkeit kann vermieden werden. Wenn z. B. Teile der Ränder 12, 13, die an oder nahe der mit dem Bezugszeichen 25 bezeichneten Stelle liegen, zu kühl bleiben sollten, nachdem andere Stellen bereits die Schweisstemperatur erreicht haben, so kann diese Wirkung ausgeglichen werden, indem bei 27 und 28 in den Rändern der starren Glieder 14 und 15 Ausnehmungen bzw. Ein buchtungen angeordnet werden.
Wenn anderseits Teile der zu verschweissenden Ränder, beispielsweise bei 29 und 30, zu heiss werden würden, bevor andere Teile die Schweisstemperatur erreichen, so kann die ser Schwierigkeit dadurch begegnet werden, dass die Ränder 16 und 17 mit Vorsprüngen 31, 32 ver sehen werden. Die Einbuchtungen und Ausnehmun- gen 27, 28 bewirken, dass die Impedanz für den Hochfrequenzstrom, der in den Elementen 14, 15 fliesst, beim Vorbeifliessen an diesen Ausnehmungen bzw. Einbuchtungen gesteigert ist, so dass der Strom fluss in diesen Elementen Wegen folgt, die etwas weiter von den Randteilen 25, 26 entfernt liegen als an anderen Stellen.
Es ergibt sich hieraus, dass die Konzentration des Stromes in den Randteilen 25, 26 herabgesetzt wird, wodurch diese Teile selbst bei Anwendung grösserer Erhitzung weniger erhitzt wer den. In den vorspringenden Bereichen 31, 32 wird der in den starren Gliedern 14, 15 fliessende Strom dichter an die Randteile 29 und 30 gedrängt, wobei man normalerweise annehmen könnte, dass in diesen Teilen mehr Strom fliesst und diese Teile, obwohl sie bereits überhitzt sind, weiter erhitzt würden.
Da aber die Ausnehmungen 27 und 28 dem Stromfluss in den Elementen 14 und 15 eine grössere Impedanz bieten, wird ein grösserer Teil des Stromes nach unten in die Teile 10, 11 in diesen Bereichen eingeleitet, wodurch die Erhitzung der Randteile 25, 26 ge steigert wird, was gerade zur Vermeidung der Fehler quellen der oben erwähnten früheren Vorschläge erstrebt wird. Obwohl angenommen werden könnte, dass die vorspringenden Teile 31 und 32 bewirken könnten, dass die Teile 29 und 30 in grösserem Aus masse erhitzt würden, trotzdem es erwünscht ist, sie weniger zu erhitzen, so wird doch eine solche Wir kung durch den Seiteneffekt verhindert, der verur sacht, dass die Impedanz in den Bereichen 31 und 32 der Elemente 14, 15 herabgemindert wird.
Hierdurch fliesst in den Randteilen 29, 30 weniger Strom, wodurch eine Überhitzung vermieden wird. Die Form und der Verlauf der Randteile der lei tenden Glieder 14, 15 werden vorzugsweise durch Versuche bestimmt. Dies kann in der Weise erfolgen, dass die zu verschweissenden Teile 10 und 11, die aus einem bestimmten Metall, z. B. Stahl, bestehen, und die eine bestimmte Breite und Dicke haben, bei An wendung von starren Gliedern 14 und 15 von eben falls bestimmten Abmessungen in der in Fig. 1 dargestellten Weise angeordnet werden, aber zunächst in der Form, dass die Ränder 16 und 17 gerade ver laufen.
Wenn dann bei der Durchführung des Ver suches mit dieser Anordnung Hochfrequenzstrom zugeführt wird und festgestellt wird, dass bestimmte Bereiche der Ränder 12 und<B>13</B> zu kühl bleiben, nachdem andere Stellen bereits überhitzt sind, so werden die Randteile der Glieder 14, 15 an diesen kühleren Stellen zurückgeschnitten, unterbrochen oder mit Ausnehmungen in einem .solchen Ausmass versehen, dass die Unterhitzung vermieden wird.
Wenn anderseits Teile 29, 30 beispielsweise zur Überhitzung neigen oder die Schweisstemperatur nicht so rasch erreichen als andere Teile, so werden die angrenzenden Teile der Glieder 14, 15 bei 31, 32 in der dargestellten Weise verlängert, wodurch die Impedanz des dicht an den Bereichen 29 und 30 fliessenden Stromes verringert wird und die L7ber- hitzung vermieden wird.
Einzelheiten einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ergeben sich aus Fig. 2, in der die, selben Teile der Anordnung mit denselben Bezugs zeichen bezeichnet sind wie in Fig. 1. In diesem Fall wird das leitende Glied 15 beispielsweise in fester Lage gegen den Metallstreifen 11 an der durch die Pfeile 34, 35 bezeichneten Stelle nach unten gepresst, was beispielsweise durch Druckzylinder erfolgen kann, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind.
Das starre Glied 14 kann in derselben Weise gegen den Metall streifen 10 angepresst werden, indem der Anpress- druck in Richtung der Pfeile 36 und 37 ausgeübt wird. Der Strom wird den starren Gliedern 14 und 15 durch Kontakte 38, 39 zugeführt, die an die Hoch frequenzquelle angeschlossen sind. Wenigstens der Kontakt 38 kann als Gleitkontakt ausgebildet sein, der mit dem Ende des starren Gliedes 14 in Gleit- berührung steht. Diese Kontakte oder Elektroden können, wie es bei Hochfrequenzgeräten an sich be kannt ist, vorzugsweise mit Kühlkanälen versehen sein.
Die starren Glieder 14 und 15 können, wenn sie häufig gebraucht werden, ebenfalls gekühlt wer den. Die entgegengesetzten Enden der starren Glieder 14 und 15 sind durch ein U-förmiges Kontaktglied 40 miteinander verbunden, das vorzugsweise ebenfalls kühlbar ist und von dem mindestens der Teil 41 in Gleitberührung mit dem starren Glied 14 steht.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind die einander gegenüberliegenden Ränder der starren Glieder 14 und 15 bei 43 und 44 abgeschrägt, so dass der in ihnen fliessende Strom nach unten dicht an die Ränder 12, 13 der Glieder 10, 11 gedrängt wird, die miteinander zu verschweissen sind. Bei dieser Ausführungsform ist die Impedanz der Ränder der starren Glieder 14 und 15 durch enge Schlitze 45 verändert, die in die Ränder eingeschnitten sind und beispielsweise rechtwinklig zu ihnen nach hinten verlaufen. Die Schlitze enden in kreisförmigen Öffnungen 46.
Die besondere Form, Anzahl und Lage dieser Unterbrechungen der Ränder 14 und 15, ent sprechend Fig. 2, ist nur als Beispiel dargestellt und kann geändert werden. Zweckmässig wird die An ordnung der Unterbrechungen durch Versuche fest gestellt, wie sie vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 erläutert worden sind. Auf diese Weise können die besten Ergebnisse beim Zusammenschweissen der Streifen oder Platten verschiedenster Art und Ab messungen ermittelt werden. Infolge des Nachbar schaftseffektes wird der Hochfrequenzstrom dazu neigen, dicht an den vorderen Teilen der Ränder 43, 44 zu fliessen und in die Ränder 12 und 13, die mit einander zu verschweissen sind, überzutreten.
Jedoch wird die Impedanz für den Strom in den Rändern 43, 44 an den Schlitzen 45 wesentlich-gesteigert, wodurch ein grösserer Teil des Stromes dazu gebracht wird, von den Rändern 43, 44 in das Metall der mitein ander zu verschweissenden Teile 10 und 11 über zutreten und an den Rändern 12 und 13 derselben entlangzufliessen. Die Heizwirkung wird daher an den den Schlitzen benachbarten Stellen der Ränder 12 und 13 gesteigert.
Auf diese Weise können die mittleren Teile der Ränder 12 und 13, die, wie ein gangs erwähnt, bei den Vorschlägen früherer Art zu kühl blieben, infolge der Anordnung der starren Glie der 14, 15 und der Randausbildung derselben eben so schnell auf Schweisstemperatur gebracht werden als die Teile der Ränder 12 und 13, die den Kontakt gliedern 38, 39 oder 40 näherliegen.
Beim praktischen Betrieb der Anordnung nach Fig. 2 können unterhalb der miteinander zu ver schweissenden Metallstreifen 10 und 11 weitere starre Glieder angewendet werden, und zwar beiderseits der herzustellenden Schweissnaht. Die Stromanschlüsse können dabei in der gleichen Weise wie für die starren Glieder 14, 15 nach Fig. 2 angeordnet werden. Auf diese Weise kann in bestimmten Fällen die An ordnung nach Fig. 2 an der Unterseite der Metall streifen 10 und 11 gewissermassen verdoppelt werden, wobei diese Verdoppelung bei verhältnismässig dün nem Metall nicht immer erforderlich ist.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 wird der Hoch frequenzstrom, der vorzugsweise eine Frequenz in der Grössenordnung von 100 Kilohertz oder mehr aufweist, den Kontakten 38 und 39 zugeführt, wobei der Abstand zwischen den Rändern 12 und 13 bei spielsweise<B>0,16</B> cm bis 0,32 oder gar 0,64 cm be tragen kann. Wenn dann die Flächen der Ränder 12 und 13 Schweisstemperatur erreicht haben, was an dem Grad der Weissglut bemerkbar ist, wird der Strom abgeschaltet und das aus dem starren Glied 14 und dem Metallstreifen 10 gebildete Ganze durch eine in Richtung des Pfeiles 50 angewendete Kraft in der Fig. 2 nach links gepresst, was beispielsweise durch einen Druckzylinder bewirkt werden kann, wie er in Verbindung mit Fig. 3 dargestellt ist.
Auf diese Weise werden die Ränder 12 und 13 durch den Anpressdruck fest gegeneinandergepresst und zusam mengeschweisst, wobei sich, wie oben erläutert, eine einwandfreie Schweissnaht ergibt.
Nach dem in Fig. 3 dargestellten senkrechten Querschnitt sind die starren leitenden Glieder 14, 15 über den miteinander zu verschweissenden Metall teilen 10 und 11 angebracht und unterhalb dieser Teile entsprechende leitende Glieder 14' und 15' angeordnet. Das Ganze ist dabei auf einer mit einer geeigneten Isolierung oder durch eine Isolierung ge bildeten Tragkonstruktion 51 angebracht.
Zum Zu sammenpressen der Teile 15, 11, 15' einerseits und 14, 10, 14' anderseits sind Druckzylinder 35', 37' angeordnet, die diese Teile in Pressberührung mit einander bringen. Ähnliche isolierende Verbindungs und Tragmittel können für die Teile 14, 10, 14' bei 52 angeordnet sein, die bei 53 verschiebbar gelagert sind und mit einem Druckzylinder 50' verbunden sind, mittels dessen die Ränder 12 und 13 unter Druck zusammengepresst werden können, nachdem der Hochfrequenzstrom abgeschaltet ist.
Wie bereits erwähnt, wird der Hochfrequenzstrom vorzugsweise mit einer Frequenz in der Grössenord nung von 100 Kilohertz oder höher, beispielsweise bis zu 450 Kilohertz oder sogar noch höher, ange wendet. Dies erfolgt deshalb, weil die Tiefe, auf die der Strom in die Randflächen der zu erhitzenden Ränder 12, 13 eindringt, sich nach dem umgekehrten Quadratwurzelgesetz ändert. Die Kurve, welche diese Tiefe bei steigenden Frequenzen zeigt, offenbart, dass beim Steigen der Frequenz um etwa 10 Kilohertz und etwas höher die Eindringtiefe langsam oder gradlinig abfällt, dass aber bei einem Steigen der Frequenz von etwa 50 Kilohertz bis auf etwa 100 Kilohertz ein vergleichsweise scharfer Abfall der Eindringtiefe stattfindet.
Das heisst, wenn die Frequenz eine Grössen ordnung von etwa 100 Kilohertz erreicht, wird der Strom plötzlich stärker in den tatsächlichen End- flächen konzentriert, so dass die Erhitzung auf Schmelztemperatur und Erweichung des Metalles auf einen Bruchteil eines Tausendstel Zoll Tiefe be schränkt werden kann. Hierdurch wird erreicht, dass das Metall in grösserer Tiefe noch fest bleibt und ermöglicht, dass die erweichte Oberfläche unter Druck fest in Schweissberührung mit der anderen Fläche gebracht werden kann, wobei zugleich die Wirksam keit des Erhitzungsvorganges stark gesteigert wird. Wenn z.
B. mit einer Frequenz von 10 Kilohertz gearbeitet wird, so kann eine befriedigende Schwei- ssung nicht erreicht werden. Die Eindringtiefe des Stromes ist dabei drei- oder mehrmals grösser als bei einer Frequenz von etwa 100 Kilohertz. Was aber bei solch geringen Frequenzen noch störender ist, ist der Umstand, dass die Impedanz der Stromwege in den Gliedern 14 und 15 sich zu sehr derjenigen der Stromwege entlang den zu schweissenden Rändern nähert, um eine befriedigende Schweissung zu erhalten.
Wenn Metallstücke miteinander stumpf ver schweisst werden sollen, die aus verschiedenen Metal len bestehen, beispielsweise wenn ein Metallstück aus einem Metall, das verhältnismässig leicht schmilzt, an ein anderes Metallstück aus einem Metall an geschweisst werden soll, das erst bei einer wesentlich höheren Temperatur erweicht, so stellte dies bisher ein schwieriges Problem dar, das mit den bisher be kannten Verfahren der Hochfrequenzinduktionshei zung oder mit den bekannten Verfahren der Licht bogenschweissung kaum zu lösen war. Bei der vorliegenden Anordnung kann einer der zu schwei ssenden Teile, z. B. der Metallteil 10, jedoch ohne weiteres aus einem anderen Metall als der Teil 11 bestehen, und zwar aus einem solchen Metall, das eine höhere Schweisstemperatur erfordert als der Teil 11.
Dabei kann ein solcher Temperaturunterschied erreicht werden, indem die Ränder der Platten oder Stäbe 14 und 15 verschieden geformt werden oder verschiedenen Abstand von den zu schweissenden Rändern erhalten. Wenn z. B. der Rand des Metall stückes 10 auf eine höhere Temperatur erhitzt werden soll, so kann der Rand 43 der Platte 14 mit einer grösseren Anzahl von Schlitzen oder Unterbrechungen versehen werden als der Rand 44 des starren Gliedes 15. Dabei können die Zahl und die Anordnung der Schlitze ebenfalls durch Versuche derart bestimmt werden, dass beide Ränder, die miteinander ver schweisst werden sollen, jeweils gleichmässig auf die für das betreffende Metall erforderliche Schweiss temperatur erhitzt werden, die von der Schweiss temperatur des anderen Metallstückes abweicht.
Bei Anwendung solcher Hilfsmittel kann auch das eine Metallstück, z. B. das Metallstück 10, dicker sein als das andere Metallstück 11 und innerhalb der zur Verfügung stehenden Zeit eine grössere Erhitzung erfordern, um es auf Schweisstemperatur zu bringen. Auch diesem Umstand kann durch entsprechende Wahl der Form und Anzahl sowie auch der Anord nung der Unterbrechungen in den Rändern der plattenförmigen Glieder 14 und 15 Rechnung ge tragen werden.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, kann ein stabför miges Glied 55 hoher elektrischer Leitfähigkeit, das z. B. aus Kupfer bestehen kann, so angeordnet wer den, dass es in dem zwischen den zu schweissenden Rändern 12, 13 befindlichen Schlitz dicht an diesen Rändern entlangläuft. In der hier dargestellten Form ist dieses stabförmige Glied im Querschnitt keilförmig ausgebildet, was aber nicht immer notwendig ist, und so angeordnet, dass es unterhalb des Schlitzes verläuft oder vorübergehend etwas in den Schlitz hineinragt, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Auch dieses Glied kann mit einem Kühlkanal 56 versehen sein.
Die Wirkung eines solchen, aus Nicht eisenmetall bestehenden Gliedes hoher Leitfähigkeit in oder an den zwischen den zu verschweissenden Metallstücken 10, 11 gebildeten Spalt besteht darin, dass die Impedanz für den Strom, der in den Teilen des Spaltrandes fliesst, der dem Glied 55 am nächsten ist, herabgesetzt wird. Auf diese Weise kann die Konzentration des Hochfrequenzstromes an den tat sächlichen Oberflächen der Spaltränder begünstigt werden. Je nach der Anordnung des Gliedes 55 kann dabei der Strom auf die untere Kante der Spaltränder oder, falls erwünscht, auf die obere Kante eines Spaltrandes konzentriert werden, wenn das Glied 55 dieser oberen Kante am nächsten angeordnet wird.
Diese Anordnung wird dann gewählt werden, wenn es erwünscht ist, diese Kante etwas schneller als die andere Kante zu erhitzen bzw. erweichen, um die Richtung einer etwaigen Ausbauchung der Schwei ssung zu steuern. In vielen Fällen ist die Anwendung eines solchen leitenden Gliedes 55 aber nicht erfor derlich.
Die Steuerung des Heizstromes kann durch einen zeitgesteuerten Schalter erfolgen, ebenso wie auch die Betätigung der Druckzylinder durch eine Zeit- messvorrichtung gesteuert werden kann. Die Anord nung kann sowohl zur Durchführung einer Überlap- pungsschweissung als auch zur Durchführung der Stumpfschweissung verwendet werden.
Bei der Ausführungsform der Erfindung nach den Fig. 4 bis 9 soll der Querrand<B>111</B> eines z. B. aus Stahlblech bestehenden Bandmetallstückes 110 an ,den Querrand eines anderen Metallbandstückes 110' angeschweisst werden, das ebenfalls aus Stahlblech besteht. Es soll auf diese Weise ein zusammenhän gendes Metallband gebildet werden, das jeweils nach dem Anschweissen eines zusätzlichen Bandstückes, wie auf der linken Seite der Fig. 4 gezeigt ist, auf gerollt werden soll.
Das Bandstück 110 kann anfänglich zwischen oberem und unterem Klemmbacken 113, 114 in einer Lage gehalten sein, in der sein Rand 111 von dem Querrand 112 des bereits gebildeten Bandes einen geringen Abstand hat. Dieser Abstand kann beispiels weise 0,16 bis 0,64 cm betragen. Zum Heben und Senken des Klemmbackens 113 für den In- und Aussereingriff mit dem Bandstück 110 und zum Ruf pressen desselben auf den unteren Klemmbacken 114 können beliebige Mittel angeordnet sein, die z. B. aus einem Druckzylinder bestehen können, wie er bei 115 schematisch dargestellt ist.
Das Bandstück 110' kann in ähnlicher Weise zwischen oberen und unteren Backen oder sonstigen Klemmgliedern 116, 117 ge halten werden, von denen das Glied 116 ebenfalls durch einen Druckzylinder 118 betätigt werden kann.
Weitere obere und untere Klemmbacken sind 119 und 120 und werden mittels der Druckzylinder 121, 121' betätigt. Diese Klemmglieder 119, 120 dienen dazu, die Ränder 111 und 112 nach dem Erhitzen und dem Abschalten des Heizstromes zu erfassen und . sie in ausgerichteter Lage zu halten, die sie zum An- einanderschweissen benötigen. Die Klemmglieder 113, 114 mit dem zwischen ihnen eingespannten Bandstück 110 können, nachdem der Querrand 111 auf Schweiss temperatur erhitzt ist, mittels eines Druckzylinders 122 vorwärts bewegt werden, so dass der Rand 111 mit dem Rand 112 in die zum Stumpfschweissen er- forderliche Pressberührung miteinander kommt.
Dies erfolgt gerade dann, wenn die Klemmbacken 119 und 120 in die zum Einspannen der erhitzten Ränder not wendige Stellung gebracht sind.
Die Klemmen der Hochfrequenzstromquelle sind an Kontaktglieder 126, 125 angeschlossen, die durch einen Druckzylinder 127 in Berührung mit den Seiten rändern der Bandmetallstücke 110 und 110' gebracht werden können. An den entgegengesetzten Enden der Ränder 111, 112 ist ein U-förmiges Kontaktglied 128 angeordnet, das ebenfalls mit den Seitenrändern der Metallbandstücke 110, 110' in Berührung ge bracht werden kann. Die Bewegung dieser Kontakt glieder kann durch einen Druckzylinder 129 erfolgen. Die verschiedenen Kontaktglieder können, wie dar gestellt, mit Kühlkanälen versehen sein.
Wenn diese Kontaktglieder mit den zu verschweissenden Metall bandstücken in Verbindung gebracht werden, fliesst der von der Hochfrequenzstromquelle kommende Strom über das Kontaktglied 125 am Rand 111 ent lang zu dem Kontaktglied 128, tritt dann auf den Rand 112 des anderen Bandmetallstückes 110' über und fliesst an diesem Rand zurück zu dem Kontakt glied 126 und von da zu der anderen Klemme der Hochfrequenzstromquelle.
Bei dieser Ausführungsform sind Stäbe aus magnetischem, das heisst magnetisierbarem Material <B>130,</B> 131, 132 und 133 in der dargestellten Lage an geordnet. Die Stäbe 130, 131 liegen in geringem Abstand hinter dem Rand 111 und sind etwas über und unter dem Bandmetallstück 110 ohne Berührung mit diesem angeordnet. Die magnetischen Stäbe 132, <B>133</B> sind in ähnlicher Weise etwas hinter dem Rand 112 und dicht über und unter dem Bandmetall 110' ohne Berührung mit diesem angeordnet. Die magneti schen Stäbe können aus gesintertem magnetisierbarem Oxyd und einem Isoliermaterial bestehen, das vor zugsweise bekannter Art sein kann und einen nied rigen Verlustfaktor sowie einen hohen spezifischen Widerstand aufweist.
Beispielsweise kann das kera mische magnetische Material angewendet werden, das unter der Bezeichnung Ferramic durch die General Ceramic und Steatite Corporation im Handel erhältlich ist. Anstelle dieses Materials können auch andere magnetische Materialien angewendet werden. Vorzugsweise soll aber das Material eine Permeabili tät haben, die wesentlich grösser als 1 ist. Wenn dabei das magnetische Material in verteilter Form vorhanden ist, so soll es so fein verteilt sein, dass Stromverluste in weiten Grenzen vermieden werden.
Unter anderem kann auch feinverteiltes Eisenpenta- karbonyl angewendet werden, das mit einem geeig neten Isoliermaterial gemischt ist.
Die Streifen oder Stäbe aus magnetischem Material, die in manchen Fällen nur im mittleren Teil der Ränder 111 und 112 angeordnet zu sein brauchen, dienen dazu, die Impedanz des Hoch frequenzstromes in Stromwegen, die im Abstand von den Rändern 111, 112 verlaufen, so zu steigern, dass der Strom dazu gebracht wird, an der tatsächlichen Oberfläche der Ränder entlangzufliessen, und zwar mit einer genügenden Gleichmässigkeit, um ein im wesent lichen gleichmässige Erhitzung der Schweissränder auf ihrer gesamten Länge zu gewährleisten.
Aus Fig. 5 ist die Anordnung der magnetischen Stäbe 130,<B>132</B> zu den Rändern 111, 112 klarer ersichtlich. Diese Figuren zeigen ferner die Kontakte 125 und 126 und 128 in Stellungen, in denen sie die Stahlblechbänder 110 und 110' zur Zuführung des Hochfrequenzstromes berühren.
Wie aus den Fig. 6 und 7 ersichtlich ist, können die magnetischen Stäbe 130 bis 133 mittels einstell barer Tragarme 140 einstellbar angeordnet sein, die an ortsfesten Querträgern 141 angebracht sind. Wie bei 142 gezeigt ist, kann jeder magnetische Stab mit einer Kühlleitung versehen sein.
Wie ferner aus den Fig. 6 und 7 ersichtlich ist, können die Klemmbacken 113 und 114 durch Trag glieder verbunden sein, die mit 143 bezeichnet sind und ermöglichen, dass der obere Klemmbacken gegen über dem unteren Klemmbacken angehoben und ab gesenkt werden kann. Die Anordnung kann dabei derart sein, dass der in bezug auf Fig. 4 erwähnte Druckzylinder 122 über eine Kolbenstange 122' an geschlossen ist, der zur Bewegung des aus den Teilen 110, 113 und 114 gebildeten Ganzen dient und mit tels dessen der Querrand 111 in die Schweissstellung zu dem Rand 112 gebracht werden kann.
Sobald der Hochfrequenzstrom in der erläuterten Weise angeschlossen ist und sobald die Randflächen 111, 112 die Schweisstemperatur erreicht haben, wird der Hochfrequenzstrom durch einen zeitgesteuerten Schalter abgeschaltet, worauf unter Anwendung von ebenfalls zeitgesteuerten Mitteln bekannter Art der Druckzylinder 122 betätigt wird, um die Ränder 111 und 112 gegeneinanderzupressen. Dies erfolgt gerade in dem Augenblick, in dem die Klemmbacken 119, 120 betätigt werden, um sie in fester Druckberührung mit den oberen und unteren Flächen der zu bildenden Schweissnaht zu bringen, vergleiche Fig. 7.
Die Be tätigung der Klemmbacken 119 und 120 zu diesem Zeitpunkt kann ebenfalls durch Anwendung selbst tätiger Zeitmessvorrichtungen gesteuert werden, die auch die Druckzylinder 121 und 121' steuern. Kurz nachdem die Ränder<B>111</B> und 112 unter Druck zu sammengepresst worden sind und die Schweissung gebildet ist, werden die Klemmbacken selbsttätig weggenommen, so dass das Bandmetall 110' mit dem nunmehr angeschweissten Bandmetallstück 110 weiter aufgewickelt werden kann.
Die bei dieser Ausführungsform angewendeten Frequenzen können die gleichen sein wie die bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen.
Die bisher beschriebenen Verfahren und Anord nungen sind zum Stumpfschweissen von Metallstreifen gut geeignet, die eine grössere Stärke als etwa 0,16 cm haben. Wenn jedoch die miteinander zu ver schweissenden Metallstreifen bzw. -stücke wesent lich dünner sind, so haben die Ränder der- selben nicht die genügende Steifigkeit, um beim Gegeneinanderpressen in derselben Ebene zu bleiben, ohne dass sich Ausbauchungen oder Abweichungen bilden. Zum Zusammenschweissen von Metallstreifen oder -stücken, die dünner als 0,16 cm sind, wird daher zweckmässig eine Anordnung angewendet, die geeignet ist, eine Überlappungsschweissung herzustel len.
Hiefür ist beispielsweise eine Anordnung ent sprechend Fig. 6 geeignet, bei der jedoch die Klemm backen<B>113,</B> 114 und 116,<B>117</B> so angeordnet sind, dass die Enden der miteinander zu verschweissenden Metallteile 110a und 110b eine Lage einnehmen, wie sie in Fig. 8 dargestellt ist. Hierbei übergreifen sich die Endteile, befinden sich aber in geringem Abstand voneinander, wie dargestellt. Wenn dann Hochfre quenzstrom zugeführt wird (während die Klemm backen 119a, 120a in Abstand von der Schweisszone bleiben), wird die Stirnfläche 145 infolge der gegen seitigen Induktion zwischen den in den sich über greifenden Teilen fliessenden Strömen zuerst auf Schweisstemperatur erhitzt.
Die andere Randfläche 146 wird ebenfalls erhitzt, der Strom kann aber ab geschaltet werden, bevor dieser Rand völlig auf Schweisstemperatur erhitzt ist. Nach dem Abschalten des Stromes werden die Klemmbacken 119a, 120a unter hohem Druck in Berührung mit den Metall stücken 110a, 110b gebracht, so dass eine einwand freie Überlappungsschweissung bei 147 hergestellt wird, bei der die Ebene des Metallstreifens 110a eine glatte Fortsetzung der Ebene des Streifens 110b bildet. Überlappungsschweissungen können auch mit Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 3 hergestellt werden.
Bisher war es üblich, derartige Metallstreifen an ihren Enden durch eine Reihe von überlappten Punkt schweissungen in der Weise zu schweissen, dass selbst bei Anwendung hoher Anpressdrucke die Gesamtdicke der überlappten Schweissung etwa 70 0/o dicker blieb als die Dicke jedes einzelnen Metallstreifens. Es er gab sich so ein unregelmässiger Übergang bzw. eine Unterbrechung in jedem Bereich, in dem die Streifen enden miteinander verschweisst wurden. Dies beein trächtigt aber die Handhabung der zusammen geschweissten Metallstreifen bzw. -bänder bei späteren Arbeitsvorgängen.
Demgegenüber kann entsprechend den Fig. 8 und 9 die überlappung in der Schweiss zone derart abgeflacht werden, dass die Gesamtdicke in der Schweisszone kaum grösser als die Dicke des einzelnen Metallstreifens allein ist.
Method for heating and welding together two metal parts with high frequency current The invention relates to a method and an arrangement or device for heating and welding together two metal parts through which high frequency current is passed along their edges. Among other things, the invention is particularly suitable for butt welding and for overlap welding of the ends or edges of sheet steel or strip metal.
It has already been proposed to heat the edges of two pieces of sheet metal running parallel to one another at a small distance to the welding temperature by connecting a high frequency current source in such a way that the current flows along the edge of one piece to its end, then to is passed over to the corresponding end of the other piece and returned along its edge to the power source.
The high-frequency currents flowing in the opposite direction at the two edges running close together should be concentrated by mutual induction on the surfaces of the edges to be welded in such a way that the welding edges are heated to the exact welding temperature; the power should then be turned off and the heated edges pressed together. In a modification of this method it has been proposed to lead the high-frequency currents in the same direction along the two parallel edges and to concentrate on these through a current conductor which is arranged between the edges and on which the current flows in the opposite direction.
As far as is known, these methods have so far not found any practical application and have also been found to be practically unusable when carrying out experiments for the following reasons. Although the known skin effect (skin effect) in the case of high-frequency current actually concentrates the current flow on the edges to be welded together, this effect, which was assumed to be advantageous in the proposals mentioned, did not occur with sufficient uniformity. Although the ends of the weld edges were heated to the welding temperature, the flow of current was not sufficiently concentrated on the edges between these ends.
Therefore, if these central parts of the welding edges were to be heated to welding temperature, the end parts of the welding edges, where the current is more concentrated, were overheated and consequently too soft for a good weld. This inconvenience occurred particularly with relatively long weld edges, but was also found in tests for weld edges that were no longer than an inch or two.
A further difficulty arose from the fact that when the welding edges were heated to welding temperature and especially with the uneven heating he explained, the edge parts warped so much that when the edges were pressed together or welded together, the welding zone became wavy and annoying bumps and bumps Had valleys. According to the suggestions mentioned, high-frequency current of 30 kilohertz should also be used.
However, it has been shown that at this frequency, the mutual induction between the edges carrying the heating current cannot cause such a current concentration in the edges that either the actual edge surfaces of the edges to be welded are effectively heated or the metal behind is heated and softened the edges and thus the throwing and other disruptive influences while maintaining a sufficient strength or support effect of the metal behind the actual welding edge for a perfect welding.
The method according to the present invention makes it possible to completely avoid these disadvantages, and consists in that the impedance of those parts of the current paths that run behind the welding edges is controlled by means before welding so that such an extent of current concentration is transmitted to them Edges is achieved than is necessary to simultaneously heat the edges more evenly over their entire length to welding temperature.
As has been shown, the invention is particularly suitable for safe and smooth butt welding of the ends of steel pieces in the pickling edges in steel works or in rolling mill lines or for the manufacture of coherent metal strips or strips from which pipes are to be formed, furthermore to Welding the edges of steel plates together perfectly and smoothly. In addition, metals other than iron or steel can also be welded when using the invention, e.g. B. aluminum or copper of high conductivity, which can not be heated properly when using induction heating for welding.
Finally, the invention can also be used when welding together metal parts which are made of different metals and which require different welding temperatures.
Features of exemplary embodiments of the invention result from the following description based on the drawing. 1 shows a schematic plan view of a first arrangement for carrying out the method according to the invention, FIG. 2 shows a diagrammatic representation of a further preferred embodiment, FIG. 3 shows a perpendicular section to FIG. 2, FIG. 4 shows a diagrammatic view Representation of another embodiment of the arrangement, FIG. 5 is a diagrammatic view of parts of the embodiment of FIG. 4 in the position they assume during the heating process, FIG. 6 is a vertical section through one of the FIGS.
4 corresponding embodiment on a larger scale, in which the individual parts are also shown in the position that they take during heating, FIG. 7 is a representation corresponding to FIG. 6, but in which the individual parts are shown in the position that they occupy during the welding process, FIG. 8 shows a partial section for an embodiment according to FIG. 6, which, however, is used for overlap welding, and FIG. 9 shows a representation of the parts corresponding to FIG. 8 after the overlap welding has ended. According to FIG. 1 of the drawing, two metal strips 10, 11, which for example consist of relatively wide and thin steel, are arranged with their edges 12, 13 close to one another.
The metal strips 10, 11 are to be welded to one another at these edges. With 14 and 15 two plates or rods are referred to, which are made of material of high elec tric conductivity, for. B. aluminum or copper or other material, which preferably has a higher electrical conductivity than the metal of the parts 10, 11 to be welded together. The rods or plates 14, 15 are relatively rigid and arranged so that they the strips 10, 11 with contact pressure and press them down firmly onto a base surface, which can have an electrically insulated support surface. The plates or rods 14, 15 can also be arranged under the metal strips 10, 11.
The end edges 16, 17 of the rigid members 14, 15 are arranged relatively close to one another, but are, as can be seen from the drawing, slightly behind the edges 12, 13, where the metal strips 10, 11 are welded together should len. The distance between the edges 16, 17 and the edges 12, 13 are shown somewhat larger in the drawing for the sake of clarity than it is in reality. The edges 16 and 17 should be arranged so far behind the edges 12, 13 that they do not come into contact with parts of the edges 12, 13 that are slightly heated and soften when heated to Schweisstem temperature.
With a high-frequency source is designated, the terminals of which are connected to the rigid members 14, 15 at 19 and 20. The other ends of these links are interconnected by an electrical conductor 21, the terminals of which are connected to links 14 and 15 at 22, 23. In this way, a circuit is formed which leads from the high frequency power source via the one rigid member 14 to the other end, then to the other end of the other rigid member 15 and from there back to the other terminal of the high frequency source.
Since the edges 16 and 17 are arranged relatively close to each other, the high-frequency current flows or the part of the current that goes along in the rigid members 14, 15 instead of crossing into the members 10 and 11 to be welded, close to the Along edges 16 and 17. But since these members 14 and 15 mix the parts 10, 11 to be welded are in conductive contact, namely in pressure contact, considerable parts of the current go into the parts 10, 11 to be welded, and since the edges 12 and 13 are very close together are arranged, the current is strongly concentrated at these edges.
In many cases, good results can be achieved if, in the arrangement according to FIG. 1, the edges 16 and 17 run straight and are evenly spaced from one another. Because of the proximity effect, the current flowing in the metal parts 10 and 11 is strongly concentrated at the edges 12 and 13. In many cases, it will also be sufficiently uniform to enable a satisfactory weld if the edges are pressed against each other after heating to welding temperature and switching off the current. On the other hand, if the conductive members 14 and 15 were not arranged, this could not be enough.
In many cases, however, with the arrangement according to FIG. 1 and straight edges 16 and 17, parts of the edges 12 and 13 are overheated while other parts of the edges remain too cool to ensure a uniform weld . This difficulty can be avoided. If z. B. parts of the edges 12, 13, which are at or near the point designated by the reference number 25, should remain too cool after other points have already reached the welding temperature, this effect can be compensated by at 27 and 28 in the Edges of the rigid members 14 and 15 recesses or indentations are arranged.
If, on the other hand, parts of the edges to be welded, for example at 29 and 30, would be too hot before other parts reach the welding temperature, this difficulty can be countered in that the edges 16 and 17 are seen with projections 31, 32 ver. The indentations and recesses 27, 28 have the effect that the impedance for the high-frequency current flowing in the elements 14, 15 is increased when it flows past these recesses or indentations, so that the current flow in these elements follows paths that lie somewhat further away from the edge parts 25, 26 than at other locations.
It follows from this that the concentration of the current in the edge parts 25, 26 is reduced, whereby these parts are less heated even when greater heating is used. In the projecting areas 31, 32, the current flowing in the rigid members 14, 15 is forced closer to the edge parts 29 and 30, whereby one could normally assume that more current is flowing in these parts and that these parts, although they are already overheated, would be heated further.
But since the recesses 27 and 28 offer a greater impedance to the current flow in the elements 14 and 15, a larger part of the current is introduced downward into the parts 10, 11 in these areas, whereby the heating of the edge parts 25, 26 is ge increased What is sought precisely to avoid the sources of error of the earlier proposals mentioned above. Although it could be assumed that the protruding parts 31 and 32 could cause the parts 29 and 30 to be heated to a greater extent, although it is desired to heat them less, such an effect is prevented by the side effect, which gently causes the impedance in areas 31 and 32 of elements 14, 15 to be reduced.
As a result, less current flows in the edge parts 29, 30, as a result of which overheating is avoided. The shape and the course of the edge parts of the lei border members 14, 15 are preferably determined by experiments. This can be done in such a way that the parts 10 and 11 to be welded, which are made of a certain metal, e.g. B. steel, exist, and have a certain width and thickness, when using rigid members 14 and 15 of just if certain dimensions are arranged in the manner shown in FIG. 1, but initially in the form that the edges 16 and 17 are just running.
If, when carrying out the test with this arrangement, high-frequency current is supplied and it is found that certain areas of the edges 12 and 13 remain too cool after other areas have already overheated, the edge parts of the links become 14, 15 cut back at these cooler places, interrupted or provided with recesses to such an extent that underheating is avoided.
If, on the other hand, parts 29, 30 tend to overheat, for example, or do not reach the welding temperature as quickly as other parts, then the adjacent parts of the links 14, 15 at 31, 32 are lengthened in the manner shown, whereby the impedance of the close to the areas 29 and the flowing current is reduced and overheating is avoided.
Details of a preferred embodiment of the invention emerge from FIG. 2, in which the same parts of the arrangement are denoted by the same reference characters as in FIG. 1. In this case, the conductive member 15 is, for example, in a fixed position against the metal strip 11 the point indicated by the arrows 34, 35 is pressed down, which can be done, for example, by pressure cylinders, as shown in FIG. 3.
The rigid member 14 can be pressed against the metal strip 10 in the same way by applying the contact pressure in the direction of the arrows 36 and 37. The current is fed to the rigid members 14 and 15 through contacts 38, 39 which are connected to the high frequency source. At least the contact 38 can be designed as a sliding contact which is in sliding contact with the end of the rigid member 14. These contacts or electrodes can, as it is known per se in high-frequency devices, preferably be provided with cooling channels.
The rigid members 14 and 15, if they are often used, also cooled who the. The opposite ends of the rigid members 14 and 15 are connected to one another by a U-shaped contact member 40 which is preferably likewise coolable and of which at least the part 41 is in sliding contact with the rigid member 14.
In the embodiment shown in Fig. 2, the opposing edges of the rigid members 14 and 15 are beveled at 43 and 44, so that the current flowing in them is urged downwards close to the edges 12, 13 of the members 10, 11, the are to be welded together. In this embodiment, the impedance of the edges of the rigid members 14 and 15 is varied by narrow slots 45 cut into the edges and, for example, perpendicular to them to the rear. The slots terminate in circular openings 46.
The particular shape, number and location of these interruptions in the edges 14 and 15, accordingly FIG. 2, is shown only as an example and can be changed. Appropriately, the order of the interruptions is established by experiments, as they have been explained above in connection with FIG. In this way, the best results when welding the strips or plates of various types and dimensions can be determined. As a result of the neighborhood shaft effect, the high-frequency current will tend to flow close to the front parts of the edges 43, 44 and into the edges 12 and 13, which are to be welded together.
However, the impedance for the current in the edges 43, 44 at the slots 45 is significantly increased, whereby a larger part of the current is caused to flow from the edges 43, 44 into the metal of the parts 10 and 11 to be welded together enter and flow along the edges 12 and 13 of the same. The heating effect is therefore increased at the locations of the edges 12 and 13 adjacent to the slots.
In this way, the middle parts of the edges 12 and 13, which, as mentioned earlier, remained too cool in the previous proposals, can be brought to welding temperature just as quickly as a result of the arrangement of the rigid members 14, 15 and the edge formation thereof than the parts of the edges 12 and 13 that divide the contact 38, 39 or 40 are closer.
In practical operation of the arrangement according to FIG. 2, further rigid members can be used below the metal strips 10 and 11 to be welded together, namely on both sides of the weld to be produced. The power connections can be arranged in the same way as for the rigid members 14, 15 according to FIG. In this way, in certain cases, the arrangement according to FIG. 2 on the underside of the metal strips 10 and 11 can be doubled to a certain extent, this doubling in the case of relatively thin metal is not always necessary.
In the arrangement according to FIG. 2, the high-frequency current, which preferably has a frequency in the order of magnitude of 100 kilohertz or more, is fed to the contacts 38 and 39, the distance between the edges 12 and 13 being for example 0.16 </B> cm to 0.32 or even 0.64 cm can be. When the surfaces of the edges 12 and 13 have reached welding temperature, which is noticeable in the degree of incandescence, the current is switched off and the whole formed by the rigid member 14 and the metal strip 10 by a force applied in the direction of the arrow 50 in the Fig. 2 pressed to the left, which can be effected, for example, by a pressure cylinder, as shown in connection with FIG.
In this way, the edges 12 and 13 are pressed firmly against one another by the contact pressure and welded together, resulting in a perfect weld seam, as explained above.
According to the vertical cross-section shown in Fig. 3, the rigid conductive members 14, 15 share over the metal to be welded together 10 and 11 is attached and below these parts corresponding conductive members 14 'and 15' arranged. The whole thing is attached to a support structure 51 formed with suitable insulation or insulation.
To compress the parts 15, 11, 15 'on the one hand and 14, 10, 14' on the other hand, pressure cylinders 35 ', 37' are arranged which bring these parts into press contact with one another. Similar insulating connection and support means can be arranged for the parts 14, 10, 14 'at 52, which are slidably mounted at 53 and are connected to a pressure cylinder 50', by means of which the edges 12 and 13 can be pressed together under pressure after the High frequency current is switched off.
As already mentioned, the high-frequency current is preferably applied at a frequency in the order of magnitude of 100 kilohertz or higher, for example up to 450 kilohertz or even higher. This occurs because the depth to which the current penetrates into the edge surfaces of the edges 12, 13 to be heated changes according to the inverse square root law. The curve showing this depth with increasing frequencies reveals that when the frequency rises by about 10 kilohertz and a little higher, the penetration depth drops slowly or in a straight line, but that when the frequency rises from about 50 kilohertz to about 100 kilohertz, a comparative effect sharp drop in penetration depth takes place.
This means that when the frequency reaches a magnitude of around 100 kilohertz, the current is suddenly more concentrated in the actual end surfaces, so that the heating to the melting temperature and softening of the metal can be limited to a fraction of a thousandth of an inch deep. This ensures that the metal remains solid at a greater depth and enables the softened surface to be brought into welding contact with the other surface under pressure, with the effectiveness of the heating process being greatly increased at the same time. If z.
If, for example, a frequency of 10 kilohertz is used, a satisfactory weld cannot be achieved. The penetration depth of the current is three or more times greater than at a frequency of around 100 kilohertz. What is even more disturbing at such low frequencies, however, is the fact that the impedance of the current paths in members 14 and 15 approaches that of the current paths along the edges to be welded too closely in order to obtain a satisfactory weld.
If metal pieces are to be butt-welded together that are made of different metals, for example if a metal piece made of a metal that melts relatively easily is to be welded to another metal piece made of a metal that only softens at a much higher temperature, So this has been a difficult problem so far, which could hardly be solved with the previously known methods of high frequency induction heating or with the known methods of arc welding. In the present arrangement, one of the parts to be welded, e.g. B. the metal part 10, but easily consist of a different metal than the part 11, namely of such a metal that requires a higher welding temperature than the part 11.
Such a temperature difference can be achieved in that the edges of the plates or rods 14 and 15 are shaped differently or given different distances from the edges to be welded. If z. B. the edge of the metal piece 10 is to be heated to a higher temperature, the edge 43 of the plate 14 can be provided with a greater number of slots or interruptions than the edge 44 of the rigid member 15. The number and arrangement can be the slots can also be determined by tests in such a way that both edges that are to be welded together are each heated evenly to the welding temperature required for the metal in question, which differs from the welding temperature of the other metal piece.
When using such aids, a piece of metal such. B. the metal piece 10, be thicker than the other metal piece 11 and require a greater heating within the time available to bring it to welding temperature. This fact can be taken into account ge by appropriate choice of the shape and number as well as the arrangement of the interruptions in the edges of the plate-shaped members 14 and 15.
As can be seen from Fig. 3, a stabför shaped member 55 of high electrical conductivity, the z. B. can be made of copper, so arranged who the that it runs close to these edges in the slot located between the edges to be welded 12, 13. In the form shown here, this rod-shaped member is wedge-shaped in cross-section, but this is not always necessary, and arranged so that it runs below the slot or temporarily protrudes somewhat into the slot, as indicated by the dashed lines. This member can also be provided with a cooling channel 56.
The effect of such a high-conductivity member made of non-ferrous metal in or on the gap formed between the metal pieces 10, 11 to be welded is that the impedance for the current that flows in the parts of the edge of the gap is closest to the member 55 is, is reduced. In this way, the concentration of the high-frequency current on the actual surfaces of the gap edges can be promoted. Depending on the arrangement of the limb 55, the flow can be concentrated on the lower edge of the gap margins or, if desired, on the upper edge of a gap when the limb 55 is arranged closest to this upper edge.
This arrangement will be chosen if it is desired to heat or soften this edge somewhat faster than the other edge in order to control the direction of any bulging of the weld. In many cases, however, the use of such a conductive member 55 is not necessary.
The heating current can be controlled by a time-controlled switch, just as the actuation of the pressure cylinder can be controlled by a time measuring device. The arrangement can be used both to carry out an overlap weld and to carry out the butt weld.
In the embodiment of the invention according to FIGS. 4 to 9, the transverse edge <B> 111 </B> of a z. B. made of sheet steel strip metal piece 110 to be welded to the transverse edge of another metal strip piece 110 ', which is also made of sheet steel. In this way, a cohesive metal band is to be formed, which is to be rolled up after an additional piece of tape has been welded on, as shown on the left-hand side of FIG.
The piece of tape 110 can initially be held between the upper and lower clamping jaws 113, 114 in a position in which its edge 111 has a small distance from the transverse edge 112 of the already formed tape. This distance can be, for example, 0.16 to 0.64 cm. To raise and lower the jaw 113 for the internal and external engagement with the piece of tape 110 and to press the same on the lower jaw 114 any means can be arranged, the z. B. may consist of a pressure cylinder, as shown schematically at 115.
The piece of tape 110 'can be held in a similar manner between upper and lower jaws or other clamping members 116, 117, of which the member 116 can also be actuated by a pressure cylinder 118.
Further upper and lower clamping jaws are 119 and 120 and are actuated by means of the pressure cylinders 121, 121 '. These clamping members 119, 120 are used to detect the edges 111 and 112 after heating and switching off the heating current. to keep them in the aligned position they need to weld together. The clamping members 113, 114 with the piece of tape 110 clamped between them can, after the transverse edge 111 is heated to welding temperature, be moved forward by means of a pressure cylinder 122 so that the edge 111 with the edge 112 is in the press contact required for butt welding comes.
This occurs precisely when the clamping jaws 119 and 120 are brought into the nimble position for clamping the heated edges.
The terminals of the high-frequency power source are connected to contact members 126, 125, which can be brought into contact with the side edges of the strip metal pieces 110 and 110 'by a pressure cylinder 127. At the opposite ends of the edges 111, 112, a U-shaped contact member 128 is arranged, which can also be brought into contact with the side edges of the metal strip pieces 110, 110 '. The movement of these contact members can be done by a pressure cylinder 129. The various contact members can, as shown, be provided with cooling channels.
When these contact members are brought into contact with the metal band pieces to be welded, the current from the high-frequency power source flows via the contact member 125 at the edge 111 ent long to the contact member 128, then enters the edge 112 of the other band metal piece 110 'and flows on this edge back to the contact member 126 and from there to the other terminal of the high frequency power source.
In this embodiment, rods made of magnetic, that is to say magnetizable material 130, 131, 132 and 133 are arranged in the position shown. The rods 130, 131 are located a short distance behind the edge 111 and are arranged somewhat above and below the strip metal piece 110 without contact with it. The magnetic bars 132, 133 are similarly arranged somewhat behind the edge 112 and just above and below the strip metal 110 'without contacting it. The magneti's rods can consist of sintered magnetizable oxide and an insulating material, which may be of a known type and has a low loss factor and high specific resistance.
For example, the kera mix magnetic material can be used, which is available under the name Ferramic by General Ceramic and Steatite Corporation commercially. Other magnetic materials can be used instead of this material. However, the material should preferably have a permeability that is significantly greater than 1. If the magnetic material is present in a distributed form, it should be so finely distributed that current losses are avoided within wide limits.
Among other things, finely divided iron pentacarbonyl can also be used, which is mixed with a suitable insulating material.
The strips or rods made of magnetic material, which in some cases only need to be arranged in the central part of the edges 111 and 112, serve to reduce the impedance of the high-frequency current in current paths that run at a distance from the edges 111, 112 increase so that the current is made to flow along the actual surface of the edges, with sufficient uniformity to ensure that the welding edges are substantially evenly heated over their entire length.
The arrangement of the magnetic rods 130, 132 relative to the edges 111, 112 can be seen more clearly from FIG. 5. These figures also show the contacts 125 and 126 and 128 in positions in which they touch the sheet steel strips 110 and 110 'for supplying the high-frequency current.
As can be seen from FIGS. 6 and 7, the magnetic rods 130 to 133 can be arranged adjustable by means of adjustable ble support arms 140, which are attached to stationary cross members 141. As shown at 142, each magnetic bar can be provided with a cooling conduit.
As can also be seen from FIGS. 6 and 7, the clamping jaws 113 and 114 can be connected by support members, which are denoted by 143 and allow the upper clamping jaw to be raised and lowered relative to the lower clamping jaw. The arrangement can be such that the pressure cylinder 122 mentioned with reference to FIG. 4 is closed via a piston rod 122 ', which serves to move the whole formed from the parts 110, 113 and 114 and by means of which the transverse edge 111 in the welding position can be brought to the edge 112.
As soon as the high-frequency current is connected in the manner explained and as soon as the edge surfaces 111, 112 have reached the welding temperature, the high-frequency current is switched off by a time-controlled switch, whereupon the pressure cylinder 122 is actuated using also time-controlled means of a known type to move the edges 111 and 112 to be pressed against each other. This takes place precisely at the moment in which the clamping jaws 119, 120 are actuated in order to bring them into firm pressure contact with the upper and lower surfaces of the weld seam to be formed, compare FIG. 7.
The actuation of the clamping jaws 119 and 120 at this point in time can also be controlled by using automatic timing devices which also control the pressure cylinders 121 and 121 '. Shortly after the edges 111 and 112 have been pressed together under pressure and the weld has been formed, the clamping jaws are automatically removed so that the band metal 110 'with the now welded band metal piece 110 can be wound up further.
The frequencies used in this embodiment can be the same as those in the previously described embodiments.
The methods and arrangements described so far are well suited for butt welding metal strips that are greater than about 0.16 cm thick. However, if the metal strips or pieces to be welded together are considerably thinner, the edges of the same do not have sufficient rigidity to remain in the same plane when pressed against one another without bulges or deviations being formed. For welding together metal strips or pieces that are thinner than 0.16 cm, it is therefore expedient to use an arrangement which is suitable for making an overlap weld.
An arrangement according to FIG. 6 is suitable for this, for example, in which the clamping jaws <B> 113, </B> 114 and 116, <B> 117 </B> are arranged such that the ends of the Metal parts 110a and 110b assume a position as shown in FIG. The end parts overlap, but are at a small distance from one another, as shown. If then Hochfre quenzstrom is supplied (while the clamping jaws 119a, 120a remain at a distance from the welding zone), the end face 145 is first heated to welding temperature due to the mutual induction between the currents flowing in the overlapping parts.
The other edge surface 146 is also heated, but the current can be switched off before this edge is completely heated to welding temperature. After switching off the current, the clamping jaws 119a, 120a are brought into contact with the metal pieces 110a, 110b under high pressure, so that a perfect overlap weld is produced at 147, in which the plane of the metal strip 110a is a smooth continuation of the plane of the strip 110b forms. Overlap welds can also be produced with embodiments according to FIGS. 1 and 3.
Up to now it has been customary to weld such metal strips at their ends through a series of overlapping spot welds in such a way that even when high pressure is applied, the total thickness of the overlapped weld remains about 70% thicker than the thickness of each individual metal strip. There was such an irregular transition or an interruption in every area where the strips were welded together. But this adversely affects the handling of the welded together metal strips or bands in later work processes.
In contrast, according to FIGS. 8 and 9, the overlap in the welding zone can be flattened in such a way that the total thickness in the welding zone is hardly greater than the thickness of the individual metal strip alone.