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Vorrichtung zum Zusammenschweißen von zwei einander gegenüberliegenden
Metallrändern, insbesondere zum Längsschweißen von Rohren Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Zusammenschweißen von zwei einander gegenüberliegenden Metallrändern,
insbesondere zum Längsschweißen von Rohren mittels Hochfrequenz-Induktionserhitzung.
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Es sind Vorrichtungen dieser Art zum Längsschweißen von Rohren bekannt,
die mit zwei außen und innen längs der Schweißkanten verlaufenden einwindigen Induktionsspulen
versehen sind. Demgegenüber bestehen die wesentlichen Merkmale der Vorrichtung nach
der Erfindung zunächst darin, daß die Spulenleiter an der der Schweißstelle zugekehrten
Wendestelle je um die Schweißkante herumgebogen sind bzw. quer über diese verlaufen.
Auf diese Weise wird gegenüber den bekannten Vorrichtungen mit einwindigen Induktionsspulen
der wesentliche Vorteil erreicht, daß durch die Herumbiegung der Spulen um die Schweißkanten
der Induktionsstrom an zwei Stellen über die Schweißkanten selbst fließt, wodurch
eine stärkere Oberflächenerhitzung der Schweißkanten eintritt.
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Die Erfindung hat sich ferner die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung
mit in solcher Weise verbesserter Führung der einwindigen Induktionsspulen derart
auszubilden, daß die Vorrichtung auch zum Längsschweißen von Rohren oder ähnlichen
Gegenständen angewendet werden kann, bei denen die Schweißkanten einen sich nach
der Schweißstelle zu verengenden Spalt einschließen und die Rohre od. dgl. während
des Schweißens gegenüber der stationär angeordneten Schweißvorrichtung eine stetige
Vorschubbewegung ausführen.
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Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung gemäß der weiteren Erfindung so
ausgebildet, daß die langen Abschnitte je eines einwindigen Spulenleiters im Abstand
übereinander verlaufen und jeweils die eine Schweißkante des vorrückenden Rohres
zwischen sich aufnehmen, während die die Längsabschnitte verbindenden Teile der
Spulenleiter in dem die Schweißkanten trennenden Spalt angeordnet sind.
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Bei einer auf diese Weise ausgebildeten Vorrichtung kann das zu schweißende
Rohr od. dgl. ohne jegliche Behinderung durch die stationär angeordnete Schweißvorrichtung
stetig vorwärts bewegt werden, wobei die Spaltränder bzw. Schweißkanten rasch und
in wirtschaftlicher Weise erhitzt werden, ohne daß die Anwendung eines übermäßig
großen Stromerzeugers erforderlich ist und eine Abwanderung von Heizstrom in von
den Spalträndern entfernte Teile des Metallrohres eintritt. Die Induktionsspulen
sind dabei unter Anpassung an den Längsspalt des vorrückenden Rohrstückes derart
gestaltet und angeordnet, daß Hochfrequenzstromwege mit niedrigem induktivem Widerstand
gebildet und entlang den beiden gegenüberliegenden Spalträndern konzentriert werden,
wobei die entstehenden Ströme in und auf dem Metall der Spaltränder durch spulenartige
Mittel induziert werden, die ebenfalls einen niedrigen induktiven Widerstand haben.
Auf diese Weise kann ein verhältnismäßig kleiner Hochfrequenzgenerator in wirtschaftlicher
Weise zum schnellen Erhitzen der Spaltränder verwendet werden, ohne daß dabei das
von den Spalträndern entfernt liegende Rohrmetall stark erwärmt wird.
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Bei der Vorrichtung nach. der Erfindung erübrigt es sich, im Innern
des vorrückenden Rohres zur Vermeidung der Stromabwanderung über den Rohrumfang
nach der dem Spalt gegenüberliegenden Rohrseite irgendwelche anderen Spezialmittel
anzuordnen als die dicht an dem Spalt liegenden Spulenteile. Die Erfindung ist auch
zur örtlich begrenzten Erhitzung der gegenüberliegenden Ränder von irgendwelchen
anderen Metallteilen anwendbar, die in der Längsrichtung eines zwischen ihnen bestehenden
Spaltes vorwärts bewegt werden.
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Die Anschlüsse, die bei der Vorrichtung nach der Erfindung zur Verbindung
mit der Hochfrequenzstromquelle sowie zur Serienschaltung der Spulen erforderlich
sind, können an einem Ende der Anordnung
oder gegebenenfalls auch
an Zwischenstellen vorgesehen sein. Wenn jedoch die zu erhitzenden, vorrückenden
Metallränder an einem Schweißpunkt, etwa in einer Rohrwalze, zusammengebracht werden,
werden diese Anschlüsse vorzugsweise an den von dem Schweißpunkt entfernt liegenden
Enden der Spulen angeordnet, da dort mehr Platz im Spalt vorhanden ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung einer als Beispiel gewählten, bevorzugten Ausführungsform an Hand der
Zeichnung.
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Fig. 1 zeigt diese Ausführungsform der Erfindung in schaubildlicher
Darstellung; Fig. 2 und 3 stellen Teilschnitte nach den Linien 2-2 bzw. 3-3 der
Fig. 1 dar, und Fig.4 ist eine schaubildliche Darstellung, die den Längsspalt des
vorrückenden Rohrstückes und den Weg der Hochfrequenzströme, die erfindungsgemäß
auf und in dem Metall der Spaltkanten erzeugt werden, in stark gestrichelten Linien
zeigt.
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In Fig. 1 ist ein Rohrstück 10 dargestellt, das einen Längsspalt 13
aufweist und z. B. durch eine Rohrwalze in Richtung des eingezeichneten Pfeiles
vorwärts bewegt wird. Das Rohrstück wird dabei zwischen zwei Druckwalzen 11, 12
hindurchgeführt, welche die Rohrmantelteile beiderseits des Spaltes gegen-einande@rpressen,
so daß diese sich bei der Vorwärtsbewegung des Rohrstückes allmählich einander nähern
und der Spalt 13 geschlossen wird, sobald die Spaltränder einen mit w bezeichneten
Schweißpunkt erreicht haben.
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Die sich nähernden und bei w zusammenzuschweißenden Spaltränder sind
mit 13 a und 13 b bezeichnet. Zur induktiven Erhitzung dieser Spaltränder
auf Schweißtemperatur sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einfach gewundene
»Spulen« angeordnet, die allgemein mit den Bezugszeichen 14, 15 bezeichnet sind.
Im Normalfall sind diese gebogenen Leiter als Metallrohre, z. B. Kupferrohre, von
etwa 3 bis: 5 mm Durchmesser ausgebildet und mit einer Zuleitung für eine Kühlflüssigkeit,
wie z. B. Wasser, verbunden, um ein Überhitzen der Spulen zu verhindern.
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Vorzugsweise besteht die Spule 15 aus einem Leiter, der sich von einer
Klemme 20 der Hochfrequenzquelle bis herab zu einem Punkt 21 erstreckt, der in geringem
Abstand genau über der oberen Ecke der Randfläche 13 b des Spaltes 13 liegt, und
dann, wie bei 22 gezeigt, auf eine wesentliche Länge genau über dieser Kante parallel
zu ihr in Richtung auf den Schweißpunkt w zu z. B. bis zu einer Stelle 23 verläuft;
dort schließt sich ein Abschnitt 24 an, der sich durch den Spalt (vgl. Fig.2) nach
unten erstreckt und in seiner Verlängerung einen zu dem Teil 22 umgekehrt verlaufenden
Teil 25 bildet, der dicht unter der Unterkante der Randfläche 13 b des Spaltes
13 zu einem Punkt@26 auf der Innenseite des Metallrohres zurückführt. Von dort erstreckt
sich der Leiter, wie bei 27 (Fig. 3) dargestellt ist, durch den Spalt nach oben,
womit die eine Windung der Spule 15 vervollständigt ist. Daran anschließend kann
der Leiter, wie bei 28 gezeigt, zu einem Punkt 29 dicht über der Oberkante der Randfläche
13a des Spaltes geführt werden, wo die Windung der anderen Spule 14 beginnt. Wie
aus Fig. 1 bis 3 einschließlich ersichtlich ist, kann diese andere Spule 14 ähnlich
wie die vorbeschriebene Spule 16 ausgebildet und geführt sein und Teilstücke 30,
31 und 32 aufweisen, die den Teilstücken 22. 24 und 25 der Spule 15 entsprechen.
Der Leiterabschnitt 32 ist an einer unterhalb des Punktes 29 gelegenen Stelle so
geformt, daß er bei 34 nach oben durch den Spalt 13 hindurchragt und zur zweiten
Klemme 35 der Hochfrequenzstromquelle zurück verläuft.
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Auf diese Weise sind zwei einfach gewundene Spulen gebildet, die in
Serie geschaltet sind und von denen jede langgestreckt und gleichsam um ihre Längsachse
derart umgebogen ist, daß zwei längs verlaufende Leiterabschnitte entstehen, wobei
der eine Abschnitt unter der Unterkante eines Spaltrandes und der andere Abschnitt
genau über der oberen Kante des betreffenden Spaltrandes entlangläuft.
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Jede dieser Spulen erzeugt in und auf dem Metall der Spaltränder entsprechende
Ströme, die, wie in Fig. 4 etwa veranschaulicht, entlang den mit gestrichelten Linien
14', 15' angedeuteten Wegen fließen. Das heißt, die Ströme folgen jeweils einer
!Linie auf dem Metall des Rohrstückes 10, die dicht und im wesentlichen parallel
zu den Spulenleiterabschnittn verläuft, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 1 vorher
beschrieben wurden. Die verschiedenen Teile der Stromwege sind in Fig. 4 mit den
gleichen, aber mit einem Beistrich versehenen Bezugszeichen bezeichnet wie die entsprechenden
zugehörigen Leiterabschnitte in Fig. 1.
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Wenn beim Betrieb durch die Klemme 20 Strom von der Hochfrequenzquelle
in die Spulen fließt; ist die Richtung des durch den Leiterabschnitt 22 fließenden
Stromes der Richtung des Stromflusses in dem Leiterabschnitt 25, der auf der Unterseite
des Metalls dicht und unter dem Leiterabschnitt 22 verläuft,'ettgegengesetzt. Da
diese Leiterabschnitte in entgegengesetzter Richtung vom Strom durchflossen werden
und dicht beieinanderliegen, wird daher der induktive Widerstand der Spule 15 sehr
niedrig, so daß ein starker Strom in dem Metall längs des Spaltrandes 13b induziert
wird, ohne daß der induzierte Strom wesentlich von diesem Rand abirrt. Ähnliche
Verhältnisse herrschen naturgemäß auch an dem anderen Spaltrand 13a. Infolge des
Hauteffektes (»SkinK'-Effektes), der durch die Anwendung von Hochfrequenzstrom hervorgerufen
wird, neigt der in dein Metall der Spaltränder induzierte Strom dazu; dicht an der
Oberfläche des Metalls in nächster Nähe der Leiterabschnitte in diesem entlangzufließen,
was die Tatsache erklärt, daß der Strom in unmittelbarer Nähe der in Fig.4 durch
gestrichelte Linien dargestellten Wege entlangfließt. Dabei fließt der Strom z.
B. in dem Wegabschnitt 15' in irgendeinem Augenblick entgegengesetzt zu dem Strom,
der in diesem Augenblick in dem angrenzenden Leiterabschnitt fließt; ebenso fließt
der Strom in dem Wegabschnitt 22' in umgekehrter Richtung als der Strom in dein
Wegabschnitt 25'. Die gleichen Verhältnisse herrschen in dem Wegabschnitt 14'. Die
Beziehungen der beiden längs verlaufenden Leiterabschnitte und der entsprechenden
Stromwege sind derart, daß sie die Voraussetzung für einen niedrigen induktiven
Widerstand geben und zugleich gewährleisten, daß der in irgendeinem der längs verlaufenden
Wegabschnitte fließende Strom nicht aus der Spaltzone abirrt.
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Vorzugsweise wird eine Stromquelle angewendet, die eine Frequenz von
der Größenordnung von 300 000 bis 400 000 Hertz oder mehr aufweist. Bei einer Prüfung
der oben beschriebenen Spulen wurde beispielsweise ein Kraftstrom von etwa 32 Kilowatt
bei einer. Frequenz von 400 Kilohertz angewendet Dabei ergab sich für die Außenränder
einer Stahlwandung mit einer Wandicke von z. B. etwa 3 mm
eine hinreichende
Erwärmung auf Schweißtemperatur, wobei die Erwärmung mit einer Geschwindigkeit erfolgte,
die etwa dem Vorschub eines großen Stahlrohrstückes durch eine Rohrwalze der zur
Zeit im Handel erhältlichen Art entspricht.
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Indessen können in Fällen, in denen bereits Hochfrequenzgeneratoren
mit einer niedrigeren Frequenz vorhanden sind, auch Frequenzen in der Größenordnung
von 100 Kilohertz oder sogar Frequenzen von unter 10 000 Hertz angewendet werden.
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Es sei erwähnt, daß bei der Vorschubrichtung des Rohrstückes, wie
sie in Fig. 1 und 4 durch die Pfeile angedeutet ist, das Erwärmen der Spaltränder
sofort bei den an den linken Enden der Spulen liegenden Stellen einsetzt und fortschreitend
zunimmt, bis die rechts liegenden Spulenenden erreicht sind, wobei in dieser Zeit
die Spaltränder auf Schweißtemperatur oder möglichst etwas über die zum Schweißen
erforderliche Temperatur erhitzt werden. Im Anschluß an diese Stelle führen die
Spaltränder jedoch wenig oder keinen Strom, so daß, wenn der Schweißpunkt w erreicht
ist, keine Gefahr zur Bildung eines elektrischen Lichtbogens oder zum Funkensprühen
besteht, wodurch die Schweißung beeinträchtigt werden könnte.
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Die Spulenabschnitte können auf beliebigen isolierten Tragmitteln,
die nicht dargestellt sind, gelagert sein. Da hochfrequenter Strom äußerst wirksam
ist, ist kein starker Strom erforderlich, so daß bestimmte Leiterabschnitte, ohne
daß zwischen ihnen Lichtbogen auftreten, ganz dicht zusammen angebracht werden können,
wobei der Spannungsabfall zwischen ihnen an allen Stellen verhältnismäßig niedrig
ist.
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Die Erfindung ist insbesondere zur Anwendung beim Schweißen von Rohren
großen Umfanges, z. B. von Rohren für transkontinentale Ölleitungen mit einem Durchmesser
von etwa 30 bis 50 cm, bestimmt, kann aber auch bei Rohren von kleinerem Durchmesser
angewendet werden. Dabei kann auch ein Rohr mit großer Wandstärke rasch zusammengeschweißt
werden, da sowohl die innere als auch die äußere Seite an den Spalträndern gleichmäßig
und schnell bis zum Erreichen eines plastischen Weißglutzustandes erhitzt werden,
wobei die Hitze dicht an den sich nähernden Rändern entlang konzentriert ist.