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Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen von Metallrohr Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen von Metallrohr
und bezieht sich insbesondere auf das bei der Herstellung von Metallrohr angewendete
Verfahren, bei dem ein flacher Metallstreifen stetig vorgeschoben und zu einem Rohr
mit einem längs verlaufenden Schlitz oder Spalt geformt wird, worauf das Rohr erwärmt
und dem Druck von Walzen ausgesetzt wird, um den Spalt zu schließen und die Spaltkanten
zusammenzuschweißen.
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Es ist bekannt, bei der Herstellung von Stahlrohr die Spaltkanten
unter Anwendung elektrischer Widerstandswärme zu schweißen. Der Starkstrom wird
mittels aus Kupferwalzen bestehenden Kontakten zugeführt, die kräftig gegen das
auf beiden Seiten des Spaltes befindliche Metall des Rohres preßten, so daß der
Strom von der einen Walze durch das Metall des Rohres zur anderen Walze fließt und
dabei das im Bereich des Spaltes liegende Metall erwärmt. Wechselstrom wird allgemein
mit einer Frequenz von etwa 60 bis 180 Perioden, manchmal auch bis 300 Perioden
verwendet, wenn das Rohr schnell vorgeschoben wird und wenn Stromschwankungen in
der fertigen Schweißnaht nicht sichtbar sein sollen. Da es bei diesen Verfahren
wichtig ist, daß zum Erwärmen des Metalls große Ströme schnell durch das Metall
hindurchtreten, müssen die Kontaktwalzen mit starkem Druck an dem Rohr anliegen,
damit eine gute elektrische Berührung vorhanden ist. Stahlrohr kann diesen Druck
aufnehmen, bei einem Rohr aus einem weicheren Nichteisenmetall, z. B. aus Aluminium,
oder bei einem dünnwandigen Rohr kann jedoch nicht genügend Druck von den Walzen
zur Einwirkung gebracht werden, um den erforderlichen guten Kontakt herzustellen,
weil sonst das Rohr verformt wird.
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Zum Schweißen dünnwandiger Rohre oder zum Schweißen von Rohren aus
weicheren Metallen ist Induktionserwärmung versucht worden, bei der das sich vorschiebende
Rohr kurz vor der Schweißstelle mit einer Induktionspule umgeben wird. Bei diesem
Verfahren ist es jedoch schwierig, einen genügenden Strom in dem Rohr zu induzieren,
der das Rohr schnell erwärmt, besonders wenn das Rohr aus unmagnetischem Metall
besteht, weil das Werkstück, nämlich das Rohr, ein offener Zylinder ist und weil
auch ein Radialabstand zwischen der umgebenden Spule und diesem Rohr vorhanden sein
muß, damit das Rohr schnell vorgeschoben werden kann. Das Induktionsverfahren, bei
dem das Rohr von einer umgebenden Spule erwärmt wird, ist zwar unter verschiedenen
Verhältnissen nützlich, hat aber einen schlechten Wirkungsgrad, da eine Erwärmung
der gesamten Rohrwand, einschließlich der dem Spalt gegenüberliegenden Rohrabschnitte,
erfolgt. Bei einem anderen bekannten Induktionsschweißverfahren sind innerhalb und
außerhalb des Rohres längs der Schweißnaht verschiebbare Elektromagnete in Verbindung
mit vor und hinter denselben angeordneten kurzgeschlossenen Elektroden zur induktiven
Erwärmung der Schweißstelle durch Wechselstrom vorgesehen. Eine solche Schweißvorrichtung
ist sehr umständlich und für Rohre kleinerer Durchmesser ungeeignet.
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Ferner ist ein das Rohr umschließendes elektroinduktives Heizgerät
mit einem längs der zusammenzuschweißenden Spaltkanten bis zur Schweißstelle und
zurück verlaufenden Induktionsleiter vorgeschlagen worden.
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@\% eiterhin ist ein Verfahren bekannt, bei dem neben der induktiven
Erwärmung der zu verschweißenden Rohrkanten noch eine mit Wechselströmen niederer
Frequenz über die Anpreßrollen zugeführte Widerstandserwärmung verwendet wird. Um
dabei unnötige Leistungsverluste durch um das Rohr herumfließende Ströme zu vermeiden,
wird das Rohr aus zwei oder mehr Teilen hergestellt, so daß die Ströme des Widerstandsschweißverfahrens
nur noch von der Berührungsstelle der Anpreßrollen-Elektraden in allerdings immer
noch erheblich breiter Bahn nach der Schweißstelle verlaufen, an der sie sich dann
konzentrieren. Dieses Verfahren ist durch die starken Wärmeverluste immer noch ziemlich
unwirtschaftlich.
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Die Nachteile dieser bekannten Verfahren werden bei einem Verfahren
zum Zusammenschweißen der Kanten eines Spaltes in einem aus einem Metallstreifen
bestehenden
Metallrohr, bei welchen das Rohr ins Längsrichtung vorgeschoben wird, während es
gleichzeitig zum Schließen des Spaltes einem Druck ausgesetzt und die Kanten auf
Schweißtemperatur erwärmt werden, gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß die
Erwärmung der Spaltkanten durch Anlegen von mit einer Hochfrequenzstromquelle verbundenen
Kontakten an gegenüberliegenden Seiten des Spaltes an einer kurz vor der . Schweißstelle
liegenden Stelle des Rohres unter Verwendung eines Hochfrequenzstromes von 10 kHz
oder darüber eriolgt, so daß die niedrigste Scheinwiderstandsbahn zwischen den Kontakten
längs der sich nähernden Spaltkanten zur Schweißstelle hin und zurück verläuft und
die resultierende Widerstandswärme längs der Spaltkanten konzentriert ist.
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Dadurch wird eine ständig zunehmende Erhöhung der Widerstandswärme
bis zur Schweißtemperatur bewirkt. Vorzugsweise gleiten die den Hochfrequenzstroin
zuführenden Kontakte auf den zugehörenden gegenüberliegenden Kantenflächen in dem
Spalt, wenn auch in einigen Fällen gleitende oder rollende Kontakte verwendet werden
können, die entweder an den Außenflächen oder an den Innenflächen des Rohres in
der Nähe und an entgegengesetzten Seiten des Spaltes anliegen. Gleitkontakte, die
an den gegenüberliegenden Kantenflächen innerhalb des Spaltes gleiten, --erden bevorzugt,
weil diese Flächen während der vorausgehenden Rohrbearbeitung genau geschnitten
sowie glattflächig und blank sind, so daß ein guter elektrischer Kontakt an diesen
Flächen erhalten wird. Die Kontakte können auch als Teiler arbeiten, gegen die an
gegenüberliegenden Seiten des Rohres aufgestellte Druckrollen wirken, um die Spaltkanten
zum gleichförmigen Schweißen richtig gegeneinanderzudrücken.
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Ein weiteres wesentliches Kennzeichen der Erfindung besteht darin,
daß in Reihe mit den Elektroden ein haarnadelartiger Leiter liegt, der von der einen
Elektrode längs der Spaltkanten oder in deren nächster Nähe zur Schweißstelle hin
und von dieser zurück zur anderen Elektrode verläuft. Durch diesen haarnadelartigen
Leiter wird der Hochfrequenzstrom, der durch die Kontakte durch das Rohrmetall geleitet
wird, stets an der richtigen Stelle der Spaltkanten konzentriert.
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Wird Starkstrom hoher Frequenz und verhältnismäßig geringer Spannung
in dieser Weise angelegt, dann wird der weitaus größte Teil des Stromflusses in
dem Metallrohr auf eine Bahn begrenzt, die von dem einen der Gleitkontakte längs
der einen Kante des Spaltes zur Schweißstelle und zurück längs der gegenüberliegenden
Kante zum anderen Kontakt verläuft, wobei verhältnismäßig wenig Strom um den Umfang
des Rohres herumfließt. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß Hochfrequenzstrom
das Bestreben hat, der Bahn des geringsten Scheinwiderstandes zu folgen. Da Hochfrequenzscheinwiderstand
in der Hauptsache Induktanz (induktiver Blindwiderstand) ist, können die Strombahnen
grundsätzlich als Induktivität angesehen werden. Da nun die zu schweißenden Kanten
des Rohrspaltes ziemlich dicht zusammenliegen, hat der längs dieserKanten fließende
Hochfrequenzstrom eine viel kleinere Widerstandsbahn als alle Ströme, die in Umfangsrichtung
um das Rohr herumfließen.
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Da aus diesem Grunde der weitaus größere Teil des in dem Rohr fließenden
Hochfrequenzstromes längs der sich gegenseitig nähernden Kantenflächen des V-förmigen
Spaltes zusammengedrängt wird, erhöht sich die Temperatur der Kantenflächen nach
dem Vorbeigang an den Kontakten noch weiter und erreicht ihren Höchstwert gerade
an dem Zeitpunkt, an dem die Kanten an der Schweißstelle ankommen. Die Spaltkanten
des Rohres nähern sich also den Kontakten und durchlaufen die Kontakte, ehe die
Kanten auf eine sehr hohe Temperatur gebracht sind. Hierdurch werden Temperaturschwierigkeiten
an den Kontakten vermieden. Da jedoch der Hochfrequenzstrom längs der V-förmigen
Spaltkanten bis zu deren Vereinigung an der Schweißstelle weiterfließt, werden diese
Kanten auf eine zum Schweißen günstige Erweichung erwärmt, ohne daß die erweichten
Kanten durch Berühren irgendeines Teiles der Vorrichtung beschädigt oder verbogen
werden. Die Kanten werden also erst in dem Augenblick und an der örtlichen Fläche
auf die gewünschte Schweißtemperatur gebracht, wenn sie im Begriff sind, sich aneinanderzulegen.
Der Heizstrom kann also mit sehr hohem Wirkungsgrad verwendet werden, weil keine
Stelle des Rohres, mit Ausnahme der Schweißstelle, auf hohe Temperatur erwärmt wird,
und selbst an dieser Stelle kann die höchste Temperatur unmittelbar auf den Zeitpunkt
des Schweißens abgestellt werden.
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Werden dagegen Gleichstrom- oder Niederfrequenzverfahren, wie oben
erwähnt, angewendet, dann folgt der Strom der Bahn des geringsten Scheinwiderstandes
und folgt weitgehend Strombahnen, die in einer an den Kontakten und senkrecht zu
der Achse des Rohres liegenden Ebene oder Ebenen vorhanden sind. Kleine Ströme verteilen
sich über die Masse des Metalles des Rohres und tragen daher zur Erwärinung nicht
bei. Die Höchsttemperatur liegt also nicht nahe der Schweißstelle, sondern an oder
nahe den Kontakten.
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Andere Ziele, Kennzeichen und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der Beschreibung an Hand der Zeichnung, in der verschiedene bevorzugte Ausführungen
dargestellt sind.
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In der Zeichnung ist Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht der wesentlichen
Bestandteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Lage einer sich vorschiebenden
Rohrlänge während des Schweißens dargestellt ist, und Fig.2, 3 und 4 sind schaubildliche
Ansichten anderer Kontaktanordnungen, die beim Betrieb der Vorrichtung verwendet
werden können.
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Eine Rohrlänge 10 (Fig. 1) wird von einer Vorrichtung stetig vorgeschoben,
die einen flachen Metallstreifen zu einem Rohr mit einem Spalt 11 umformt, dessen
sich gegenüberliegendeKanten an der Schweißstelle 12 zusammengebracht und verschweißt
werden. Die Maschine, die ein solches Rohr mit zwei geraden blanken, sich gegenüberstehenden
Kantenflächen am Spalt 11 herstellt, bildet keinen Teil der Erfindung und ist daher
in der Zeichnung nicht dargestellt. Diese Maschine kann von einer Art sein, wie
sie bisher zum Formen solcher Rohre verwendet wurde.
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Die Kanten des Spaltes 11 werden an der Schweißstelle 12 zusammengebracht,
wenn das Rohr durch die Einwirkung der sich gegenüberstehenden Druckwalzen 13, 14
vorgeschoben wird, die ebenfalls den gleichen Aufbau zeigen und in der gleichen
Weise arbeiten wie die Walzen bekannter Rohrschweißmaschinen.
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Zwei von einer Zwischenlage hochwarmfester Isolation 17 getrennte
Kontakte 15, 16 sind auf einem Träger so gelagert, daß sie in dem Spalt 11 eingreifen
und an gegenüberliegenden Rohrkantenflächen 18, 19 gleitend anliegen. Diese Kontakte
bestehen aus Metall-
Legierungen, die bei hohen Temperaturen keine
Korrosion erfahren und auch verschleißfest sind.
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Die Kontakte 15, 16 können beispielsweise mittels Schrauben 20 an
den Leitschienen 21 bzw. 22 abnehmbar befestigt sein, die aus Kupfer oder einem
anderen elektrisch gut leitenden Material bestehen. Die Leitschienen sind mit einer
Hochfrequenzstromquelle, z. B. den Ausgangsklemmen eines Hochfrequenzumformers,
verbunden, der einen Hochfrequenzstrom hoher Spannung in einen hochfrequenten Starkstrom
niedriger Spannung, z. B. einer Frequenz von etwa 300 000 bis 500 000 Perioden/Sek.
umformt. Gewünschtenfalls kann auch eine höhere Frequenz, bis zu einigen Millionen,
verwendet werden, obwohl üblicherweise eine Frequenz von etwa 400 000 Perioden genügt.
In einigen Fällen können auch Hochfrequenzen von 10 000 Perioden verwendet werden,
obwohl solche niedrige Frequenzen für gewöhnlich nicht so erwünscht sind.
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Die Strommenge, die in dem Stromkreis der Kontakte 15, 16 fließt,
kann innerhalb gewisser Grenzen schwanken, was von der Größe und der Dicke des Rohres
sowie der Geschwindigkeit seiner Längsbewegung abhängt. Das Ausmaß, in dem Wärme
dem Rohr zugeführt werden muß, erhöht sich bei größer werdender Vorschubgeschwindigkeit
des Rohres. Die erforderliche Wärmemenge ist wesentlich größer, wenn die Rohrwand
dicker ist. Es soll so viel Strom zugeführt werden, daß die innerhalb des Spaltes
11 liegenden Metallkantenflächen gerade an dem Zeitpunkt, an dem sie sich an der
Schweißstelle berühren, den richtigen Erweichungszustand haben, während das von
diesen Kantenflächen auf Abstand befindliche Metall noch fest bleibt. Rohre großer
Durchmesser erfordern sonst wesentlich größere Strommengen als kleine Rohre derselben
Wandstärke. Dies, gemeinsam mit der Tatsache, daß die Anwendung des Hochfrequenzstromes
keinen starken Kontaktdruck erfordert, sind wichtige Vorteile der Erfindung, die
deren Anwendung bei Rohren weit voneinander abweichender Größen, Formen, Festigkeiten
und verschiedener Arten von Metallen ermöglichen.
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Gewünschtenfalls können zusätzliche Walzen 25, 26 an den Seiten des
Rohres angelegt werden, um die Kanten 18, 19 des Spaltes fest an die Kontakte 15
bzw. 16 anzulegen. Diese Walzen bestehen vorzugsweise aus Isoliermaterial oder müssen
isolierte Oberflächen oder Tragzapfen haben.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung ist die Leitschiene 22
von einem Spalt 27 unterbrochen, über dem sich der Leitschienenteil 22a zum Stromanschluß
erstreckt. Mittels dieses Spaltes wird in den Stromkreis ein haarnadelartiger Leiter
30 in Reihe geschaltet, der von dem Leitschienenteil 22a nach unten zu einer nahe
der einen Kante des Spaltes 11 gelegenen Stelle und von dort längs dieser Kante
zu einem oberhalb der Stelle 12 gelegenen Punkt verläuft. An diesem letzterwähnten
Punkte «endet dieser Leiter und wird nahe der anderen Kante sowie unmittelbar oberhalb
der anderen Kante des Spaltes zurückgeführt und dann an den Leitschienenabschnitt
22 angeschlossen. Der in dieser Stellung dargestellte Leiter 30 soll den Stromfluß
längs der Kanten des Spaltes 11 konzentrieren, und zwar durch den in der Induktionserwärmung
bekannten »1\Tachbarschaftseffekt«, d. h. infolge der Verwendung der Schleife 30
wird durch die Schweißstelle eine Strombahn von etwas niedrigerer Induktivität geschaffen
als sonst erhalten würde, und zwar infolge der Nähe des in dieser Schleife fließenden
Stroms. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung fließt der Strom von der Quelle
über den Leitschienenabschnitt 22a, dann durch den haarnadelartigen Leiter 30 in
den Leitschienenabschnitt22 zum Kontakt 16, dann längs der einen Kantenfläche des
Spaltes 11 zum Bereich der Schweißstelle 12 und dann zurück längs der anderen Kantenfläche
des Spaltes zum Kontakt 15 und über die Leitschiene 21 zurück zur Stromquelle. Die
Verwendung eines Leiters 30 kann erwünscht sein, wenn Hochfrequenz niederer Bereiche,
z. B. von 10 000 Perioden, verwendet wird, da hierbei die Neigung besteht, daß ein
großer Teil des Stromes in Umfangsrichtung um das Rohr herumfließt. Bei hohen Frequenzen,
z. B. 300 kHz oder höher, ist der Leiter 30 nicht notwendig.
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Da Starkströme verwendet werden, können Kühleinrichtungen für die
Leitschienen 21, 22 und 2211 vorgesehen sein. Zum Kühlen haben diese Leitschienen
Bohrungen, durch die Kühlflüssigkeit umläuft. Die Flüssigkeit fließt beispielsweise
im Teil 22 durch eine Bohrung 35, dann durch den hohlen Innenraum des Teiles 30
zur Bohrung 36 in der Leitschiene 22, dann durch ein aus Isoliermaterial bestehendes
Rohr 37 in eine Bohrung 38 der Leitschiene 22a. Die Leitschiene 21 kann eine U-förmige
Bohrung 39 zur Aufnahme der Kühlflüssigkeit haben.
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Die Leitschienen können von isolierten Trag- und Lagereinrichtungen
(nicht dargestellt) in der dargestellten Stellung fest oder der Schweißstelle 12
gegenüber verstellbar angeordnet sein.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich, brauchen die Kontakte 1511 und 16a zum
Zuführen des Hochfrequenzstromes zu den Kantenflächen und zum Spalt nicht unmittelbar
einander gegenüberzustehen, sondern können voreinander angeordnet sein. Diese Anordnung
ist besonders dort erwünscht, wo eine verhältnismäßig kurze Strombahn von den Kontakten
zu dein Schweißpunkt hin und von dem Schweißpunkt weg vorhanden ist. Es besteht
hierbei die Möglichkeit, einen engeren Spalt in dem Rohr anzuwenden und auf diese
Weise die Reaktanz der Strombahn zu verringern.
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Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführung sind die Kontakte 15b,
16v an ihren unteren Enden 41, 42 in der dargestellten Weise geformt, so daß sie
an der Außenfläche des Rohres 10b längs Linien anliegen, die nahe den Spaltkanten
verlaufen. Bei dieser Anordnung kann der Spalt noch schmaler an den Kontaktstellen
sein, so daß der Scheinwiderstand der Strombahn von den Kontakten zur Schweißstelle
hin und von der Schweißstelle weg noch weiter vermindert wird. Gewünschtenfalls
können die Kontakte 15c, 16c (Fig. 4) so angeordnet sein, daß sie sich in den Spalt
nach unten erstrecken und Spitzen 43, 44 haben, die sich an die Innenflächen des
Rohres an Stellen längs und nahe des Spaltes anlegen. Diese Form wird dann bevorzugt,
wenn die Innenflächen des Rohres gleichmäßig und blank sind, so daß ein guter Kontakt
vorhanden ist, oder wenn eine höhere Erwärmung längs des unteren Teils der Spaltkanten
gewünscht wird.
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Bei den in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Kontakten können Trag- und
Kühleinrichtungen verwendet «-erden, die ähnlich den in Fig. 1 dargestellten Einrichtungen
sind. Gewünschtenfalls kann auch ein haarnadelartiger Leiter, wie der in Fig. 1
dargestellte Leiter 30, bei den Kontakten nach den Fig. 2 bis 4 verwendet werden.
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Zur Erläuterung der Erfindung sind zwar bestimmte Ausführungen dargestellt,
doch können verschiedene Änderungen vorgenommen werden, die für Fachleute leicht
ausführbar sind. Der Bereich der
Erfindung wird lediglich durch
die Patentansprüche bestimmt.