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Verfahren und Vorrichtung zum Verringern der beim Schmelzschweißen
im Vorschubverfahren entstehenden Spannungen Bei der Herstellung von Kesseln oder
Rohren großer Abmessungen im Elektrolichtbogen- oder Autogenschweißverfahren wird
bekanntlich so verfahren, daß der Gegenstand aus einzelnen zum Rohr oder zu Rohrteilen
geformten Blechen zusammengesetzt wird, so daß, bezogen auf den fertigen zylindrischen
Körper, Quer- und Längsnähte geschweißt werden müssen. Die Bleche weisen Wandstärken
auf zwischen 10 und zum Teil 70 mm, je nachdem, welche Endabmessungen der herzustellende
Kessel oder das herzustellende Rohr aufweist. Die fertigen Gegenstände haben beträchtliche
Längen, die bis zu 40 m betragen können. Durchmesser von beispielsweise 4,00 m und
mehr sind keine Seltenheit.
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Das Schweißen wird derart vorgenommen, daß der zu schweißende Gegenstand
in einem Schweißgerüst auf Trägerrollen ruht. An einer Traverse des Schweißgerüstes
ist der Schweißkopf mit der Schweißelektrode in geeigneter Weise angebracht. Der
Gegenstand, beispielsweise der Kessel, kann gegenüber dem Schweißkopf bewegt werden,
und zwar kann er unter Vermittlung der erwähnten Trägerrollen um seine Achse gedreht
werden, um Rundnähte zu schweißen. Es ist auch möglich, ihn axial zu verschieben,
wenn Längsnähte geschweißt werden sollen.
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Es tritt aber bei diesen Schweißungen eine besondere Schwierigkeit
in Erscheinung. Die Schweißnähte der hochbeanspruchten Kessel müssen nach dem Schweißen
unter allen Umständen ausgeglüht werden, und zwar bei etwa 650° C, um sie zu entspannen,
oder bei 900 bis 950° C, um das Gefüge im Bereich der Schweißnaht zu normalisieren.
Zu diesem Zweck werden bisher gasbeheizte Ofen verwendet, in die die fertigen Gegenstände
eingeschoben, auf die erforderliche Temperatur aufgeheizt und nach einer gewissen
Haltezeit langsam abgekühlt werden. Da bei Temperaturen um 600° C und höher der
Formänderungswiderstand des Werkstoffes bereits verhältnismäßig gering ist, müssen
Vorkehrungen getroffen werden, um zu vermeiden, daß sich der Kessel oder das Rohr
während dieser Wärmebehandlung deformiert. Dies geschieht durch Einbau eines Stützgerüstes,
ehe der Gegenstand in den Ofen eingeführt wird. Diese Maßnahme ist außerordentlich
umständlich und zeitraubend. Der Ofen muß für den größten im Erzeugungsprogramm
liegenden Gegenstand ausgelegt sein, ist also vielfach nicht voll ausgenutzt. Der
Ofen selbst ist außerordentlich raumgreifend, und es ist im allgemeinen nur tragbar,
einen einzigen solchen Wärmebehandlungsofen zur Verfügung zu haben. Während somit
ohne weiteres eine verhältnismäßig große Anzahl von Kesseln oder Großrohren in der
Zeiteinheit geschweißt werden können, ist die Kapazität eines Werkes in starkem
Maße beeinträchtigt durch die zwangläufig geringe Ofenkapazität, zumal jeder Gegenstand
24 Stunden in dem Ofen verbleiben muß.
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Es ist auch behördlich zugelassen, Schweißnähte an Dampfkesseln einzeln
nachzuglühen. Dies geschieht im allgemeinen mit Hilfe von Ringbrennern, die um den
Kessel herumgelegt werden. Für diese Behandlung ist vorgeschrieben, daß die gesamte
Naht, d. h. also auf dem gesamten Umfang, gleichmäßig auf Temperatur zu bringen
ist. Außerdem muß die Temperatur in Abhängigkeit von der Wandstärke jeweils längere
Zeit auf Temperatur gehalten werden. Die Nachbehandlung einer solchen Naht erfordert
infolgedessen unter Umständen mehrere Stunden. Bei großen Kesseln und großen Rohrdurchmessern
ist das Verfahren überhaupt nicht anwendbar, weil die Ringbrenner infolge der entstehenden
Luftbewegung und des ungleichförmigen Sauerstoffzutrittes ungleichmäßig brennen.
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Es ist ferner insbesondere bei Leichtmetallen bekannt, Schweißnähte
auf elektrischem Wege nachzubehandeln, indem ein elektrisch beheizter Schuh über
die Naht geführt wird. Auch induktiv sind Schweißnähte nachbehandelt worden, wobei
so vorzugehen vorgeschlagen wurde wie bei dem Enthärten brenngeschnittener Kanten.
Bei Panzerplatten ist die Rißbildung verhindert worden, indem die Platte zunächst
auf eine verhältnismäßig hohe kritische Temperatur
abgekühlt und
von hier ab eine verzögerte Abkühlung vorgenommen wurde. Dazu wurde Wärme zugeführt
oder die Abstrahlung verhindert. An eine induktive Behandlung ist hierbei nicht
gedacht worden.
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Um bei der Behandlung der Schweißnähte von Kesseln und Rohren die
Verwendung von Ringbrennern zu vermeiden, ist auch schon eine induktive Wärmebehandlung
vorgeschlagen worden. Zu diesem Zweck wird eine Induktionswicklung in Form eines
Kabels unmittelbar auf den Gegenstand gewickelt, und zwar im Bereich der jeweiligen
Schweißnaht, so daß ein Erhitzen auf den Bereich der Nahtstelle beschränkt t:-erden
kann. Das Aufheizen auf 650° C oder gar auf 900 bis 950° C beansprucht aber bei
der Größe der Werkstücke erhebliche Zeiten, die je nach der zur Verfügung stehenden
Leistung bis zu 10 Stunden betragen können. Es ergeben sich daher unter Anwendung
des Induktionserhitzens zwar Vorteile, die darin gelegen sind, daß die Ofenbehandlung
und die damit verbundenen Aufwendungen entfallen, jedoch bleibt auch dieses Verfahren
außerordentlich umständlich und zeitraubend, zumal wenn berücksichtigt wird, daß
Jede Schweißnaht in der geschilderten Weise behandelt werden muß. Trotz der erzielten
Vorteile, die .furch dieses induktive Vorwärmen und Ausglühen der -Nahtstellen gegeben
sind, kann das Problem der Schneißung derart großer Gegenstände daher noch nicht
als befriedigend gelöst betrachtet werden.
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Bisher wurde allgemein angenommen, _daß zum Entspannen die entsprechenden
Temperaturen längere Zeit gehalten werden müßfen. Die Erfinder haben jedoch erkannt,
daß im Falle des Erwärmens unmittelbar nach dem Schweißen die Temperatur für das
Spannungsfreiglühen während wesentlich kürzeren Zeiten konstant aufrechtzuerhalten
werden braucht, nin eine ausreichende Wirkung zu erzielen. Es genügt, eine Temperatur
von etwa 700° C etwa 2 Minuten zu halten und eine etwas verzögerte Abkühlung durchzuführen.
Auch hat sich gezeigt, daß höhere Temperaturen, als sie normalerweise angewendet
werden, >o z. B. statt 650° C etwa 700 bis 750° C, infolge der geringen Haltezeit
keine Grobkörnigkeit hervorrufen, dagegen die Wirkung der Entspannung wesentlich
erhöhen. Sinngemäß das gleiche gilt für das Normalisieren, das bei 1000 bis 1100°
C durchgeführt werden kann. Diese Temperaturen sind aber nicht nur in der -Naht
selbst, sondern auch in einem Bereich rechts und links der Naht aufrechtzuerhalten,
so daß sich eine Erwärmung in breiter Front zu beiden Seiten der -Naht ergibt.
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Erfindungsgemäß wird daher zum Verringern der beim Schmelzschweißen
im Vorschubverfahren im Bereich der Schweißnaht auftretenden Spannungen durch unmittelbar
nachfolgende induktive Ausgleichswärmebehandlung vorgeschlagen, daß zu- beiden Seiten
der -Naht in breiter Front auf eine Temperatur von 700 bis 750° C oder 1000 bis
1100° C erwärmt und die gewählte Temperatur einige Zeit aufrechterhalten wird. Diese,
einen breiten Abschnitt rechts und links der Schweißnaht und diese selbsterfassende
Maßnahme macht jegliche Ofenbehandlung überflüssig. und Jede Schweißnaht wird einschließlich
der Wärmebehandlung in einem Arbeitsgang fertiggestellt, so rlaß die bisher erforderlichen
Zeiten für das Ausglühen oder Normalisieren in Fortfall geraten.
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Zur Durchführung des Verfahrens wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
mit dem Schweißkopf mindestens einen Heizinduktor in Form einer Leiterschleife zu
verbinden, und zwar so, daß sie in Schweißrichtung hinter dem Schweißkopf vorgesehen
ist. Das Werkstück läuft während der Beha:idlung axial um, und das- Ausglühen findet
mithin im Vorschubverfahren gleichzeitig mit dem Schweißen und mit gleicher Geschwindigkeit
statt.
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Es können auch zwei Induktoren, in Vorschubrichtung gesehen,- hinter
dem Schweißkopf angeordnet werden, von denen der zweite die vom ersten erzielte
Nahttemperatur konstant aufrechterhält.
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Die Vorrichtung wird vorzugsweise mittels geschlitzter Arme einstellbar
an einer Traverse befestigt, so daß die bisher für den Schweißvorgang üblicherweise
benutzten Schweißgerüste verwendet werden können. Die Induktoren werden aus mindestens
zwei gelenkig miteinander verbundenen Einzelteilen gebildet.
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Die Induktoren werden zweckmäßigerweise so am Gerüst befestigt, daß
sie mit der Schwei felektrode praktisch eine Einheit bilden. Um die erzielten Endtemperaturen
möglichst 2 Minuten konstant zu halten, muß der Induktor bei der heute normalerweise
verwendeten Schweiß-Vorschubgeschwindigkeit von 200 mm/min eine Länge von etwa 400
mm haben.
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Es ist bekannt, die Schweißkanten vor dem Schweißen auf etwa 300°
C vorzuwärmen, um auch in der Wurzel eine einwandfreie Bindung herbeizuführen. Dieses
Vorwärmen kann ebenfalls induktiv erfolgen, und der dazu benötigte Vorwärminduktor
kann, dem Schweißkopf vorgeordnet, ebenfalls an der Traverse befestigt werden. Die
Aufhängung der gesamten Induktoren und des Schweißkopfes geschieht derart, daß ein
Verschwenken des Gesamtgebildes, bestehend aus Vor wärminduktor, Schweißkopf, Aufheiz-
und Nachwärminduktor, um 90° möglich ist: uni Längsnähte nach dem gleichen Verfahren
wärmebehandeln zu können.
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Um ein äußeres Streufeld zu vermeiden und um zu verhindern, daß der
Induktor auf den Schweißkopf einwirkt, werden die einzelnen Induktoräste mit einem
magnetisch hochwirksamen Blech umgeben. welches das erzeugte, vom Induktor ausgehende
Magnetfeld vollständig sammelt und auf das zu erwärmende Blech richtet. Dadurch
wird es möglich; sowohl den Vorwärm- als auch den Aufheizinduktor verhältnismäßig
nahe an den eigentlichen. Schweißkopf heranzuführen. Es hat sich gezeigt, daß durch
diese '.Maßnahme die magnetische Blaswirkung auf den Lichtbogen praktisch ausgeschaltet
und die Ausbildung des Lichtbogens am Schweißkopf nicht gestört wird.
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Damit die ausgeglühte Schweißnaht nicht zu rasch abkühlt, ist es zweckmäßig,
an den letzten Induktor einen die Naht abdeckenden Wärmeschutz anzuschließen, beispielsweise
in Form eines Asbesttuches od. dgl.
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In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung
gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.
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Fig. 1 zeigt das Schweißgerüst- in Ansicht mit dem zu schweißenden
Kessel in senkrechtem Schnitt; Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Induktor.
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Der durch Schweißen zusammenzufügende Gegenstand 1, beispielsweise
ein Kessel oder ein Großrohr, ruht auf Trägerrollen 2 des Schweißgerüstes 3. Ein
solcher Gegenstand kann beispielsweise einen Durch= messer von 2 m und eine Wandstärke
von 30 mm aufweisen. Um den Gegenstand 1 bewegen zu können. sind die Rollen 2 in
an sich bekannter Weise angetrieben.
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Mit einer vorbestimmten Vorschubgeschwindigkeit wird die zu verschweißende
Nahtstelle an dem Schweißkopf 4 vorbeigedreht, -der an einer Traverse 5
befestigt
ist. Die Traverse 5 ist an einer Säule 6 des Schweißgerüstes der Höhe nach einstellbar,
um den Schweißkopf auf den jeweiligen Durchmesser des Gegenstandes 1 einstellen
zu können.
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Mit einer derartigen Vorrichtung können Kessel mit einer Wandstärke
von etwa 30 mm z. B. mit 300 mm/min und Rohre mit einer Wandstärke von 40 bis 50
mm z. B. mit 200 mm/min Geschwindigkeit geschweißt werden.
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Die vor und hinter der Elektrode 4 vorgesehenen Induktoren weisen
die Form von Heizleiterschleifen auf, die sich über der Werkstückoberfläche schließen.
Besonders vorteilhaft ist es, Induktoren zu verwenden, deren Heizleiter mäanderartig
verlaufen, so daß sie sich im wesentlichen quer zur Mittellinie der Naht erstrecken.
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Vor der Elektrode 4 ist der Induktor 8 angeordnet. Dieser hat die
Aufgabe, die Schweißkanten auf eine Temperatur von etwa 300° C vorzuwärmen, um Bindefehler
in der Wurzelnaht auszuschalten. Hinter der Elektrode 4 ist der Induktor 9 angebracht,
der so ausgelegt ist, daß an seiner rückwärtigen Kante der sich konstant im Sinne
des Pfeiles 7 drehende Gegenstand eine Temperatur von entweder 650 bis 750° C oder
900 bis 950° C erreicht. Diese Glüh- bzw. Normalisierungstemperatur soll einige
Zeit auf gleicher Höhe gehalten werden. Zu diesem Zweck ist ein weiterer Induktor
10 vorgesehen, der so ausgelegt und eingeregelt wird, daß er die vom Induktor 9
erzielte Temperatur konstant hält, während sich der Abschnitt des Werkstückes unter
dem Induktor hinwegbewegt.
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Die Induktoren 8, 9 und 10 sind mittels Armen 11 an Befestigungsschrauben
12 der Traverse 5 angebracht. Die Befestigungsarme 11 haben entsprechende Ausnehmungen,
die es gestatten, die Induktoren genau dem Umfang des Rohres oder Kessels anzupassen
und den Kopplungsabstand zwischen Werkstückoberfläche und Induktor einzustellen,
der im allgemeinen etwa 1 cm beträgt. Die Arme 11 können gegebenenfalls auch als
elektrische Anschlüsse für die einzelnen Induktoren ausgebildet werden.
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Es ist ferner zweckmäßig, dafür zu sorgen, daß sich die erhitzte Schweißnaht
nicht zu rasch abkiihlt. Zu diesem Zweck ist am Ende des Induktors 10 ein Asbesttuch
13 befestigt. Dieses Asbesttuch ist, wie bei 13' angedeutet, um den gesamten Gegenstand
1 herumgezogen und wird zweckmäßigerweise bei 14 mit dem anderen Ende an der Traverse
5 befestigt. Unter Umständen genügt es auch, die Wärmeschutzeinrichtung nur auf
einem Teil des Umfanges vorzusehen.
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Die Induktoren, und zwar insbesondere die mit 9 und 10 bezeichneten,
werden in großer Breite ausgelegt, die zweckmäßigerweise etwa 200 mm beträgt, oder
je nach den gegebenen Umständen auch andere Abmessungen aufweist. Auf diese Weise
wird eine Temperaturerhöhung im Bereich der Naht in breiter Front gewährleistet.
Die Länge der Induktoren richtet sich nach der Vorschubgeschwindigkeit, d. h. also
nach der Schweißgeschwindigkeit und danach, wie lange die Naht in breiter Front
auf der Glüh- bzw. Normalisierungstemperatur gehalten werden soll. Wenn beispielsweise
bei einer Schweißgeschwindigkeit von 200 mm/min der Induktor 10 eine Länge von 400
mm aufweist, so wird die vom Induktor 9 erzielte Temperatur mindestens 2 Minuten
auf gleicher Höhe gehalten. Das reicht aus, um die Nähte einwandfrei auszuglühen
bzw. zu normalisieren.
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Um auch bei dickwandigen Gegenständen die erforderliche verhältnismäßig
rasche Durchwärmung des gesamten Ouerschnittes zu erzielen, ist es zweckmäßig, mit
Frequenzen zu arbeiten, die nicht zu hoch liegen. Als zweckmäßig haben sich Frequenzen
erwiesen, die zwischen 2000 und 600 Hz liegen.
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Die Induktoren 8, 9 und 10 werden zweckmäßigerweise jeder für sich
an der Traverse 6 befestigt. Da auch der Schweißkopf bzw. die Schweißelektrode 4
an dieser Traverse befestigt ist, ergibt sich eine Einheit, bestehend aus Vorwärmeinrichtung,
Schweißeinrichtung und Glüheinrichtung, unter der sich der Gegenstand hinwegdreht,
damit sich die notwendige Relativbewegung zwischen Wärmequellen und Werkstück ergibt.
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Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Induktor, dessen Ausführungsart
sowohl für den Vorwärminduktor 8 als auch für den Aufheizinduktor 9 und den Nachwärminduktor
10 benutzt werden kann. Über dem zu beheizenden Gegenstand 1 sind die Heizleiterschleifen
15 angebracht, die in an sich bekannter Weise wassergekühlt sind. Zur Konzentration
des magnetischen Feldes auf den zu beheizenden Gegenstand sowie zur Verhinderung
einer Streuwirkung und damit Beeinflussung des Lichtbogens sind die Induktorschleifen
mit Magnetblechen 16 umgeben. Zwischen den einzelnen Heizleiterschleifen sind bewegliche
Anschlüsse 18 und 19 vorhanden, die es ermöglichen, die Ebene der einzelnen Schleifen
gegeneinander zu drehen. Dadurch wird es möglich, den Induktor in seiner gesamten
Länge der Wölbung oder Krümmung des zu beheizenden Gegenstandes anzupassen.
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Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung
kann auch für das Verschweißen von Längsnähten verwendet werden, wenn die Einheit,
bestehend aus Induktoren und Schweißkopf, um 90° gedreht wird, so daß sich das Gesamtgebilde
in Achsrichtung des Rohres oder Kessels erstreckt.
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Mit dieser Vorrichtung kann das induktive Vorwärmen und Ausglühen
der Nähte gleichzeitig mit dem Schweißvorgang und mit der gleichen Vorschubgeschwindigkeit
an Kesseln und Rohren vorgenommen werden, gleichgültig um welche Abmessungen es
sich handelt. Wärmebehandlung und Schweißung werden auf diese Weise in einem einzigen
Arbeitsschritt durchgeführt, und die gesamte Arbeit nimmt nicht mehr Zeit in Anspruch,
als für das Schweißen ohnehin erforderlich ist.
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Da das Vorwärmen und das Wärmebehandeln der fertigen Naht im Vorschubverfahren
erfolgt, ist die zu installierende elektrische Leistung verhältnismäßig gering.
Das Verfahren kann mithin rascher, billiger und mit Anlagen durchgeführt werden,
die weitaus weniger Raum beanspruchen als die bisher erforderlichen Öfen. Gegenüber
der ebenfalls vorgeschlagenen Induktionsbehandlung besteht außerdem der Vorteil
der wesentlich einfacheren Handhabung, weil ein Bewickeln des sperrigenGegenstandes
mitKabeln entfällt.