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Vorrichtung zum Widerstands-Längsnaht-Schweißen von Rohren oder sonstigen
Metallgegenständen Die Erfindung bezieht sich auf das Schweißen von Rohren oder
sonstigen Metallgegenständen mit Hilfe von Hochfrequenzstrom.
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Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen zum Schweißen von Rohren
in einer Längsnaht vorgeschlagen worden, bei denen das Schweißen erfolgt, während
das Rohr durch eine Rohrwalze vorwärts bewegt wird. Hierbei wird der Hochfrequenzstrom
zwei gegenüber dem Rohr gleitbaren oder drehbaren Kontakten zugeführt, die auf beiden
Seiten des in dem Rohr befindlichen Längsspaltes auf dem Rohrmetall kurz vor der
Stelle angeordnet sind, an der der Spalt geschlossen und zugeschweißt wird. Hierdurch
wird dem Hochfrequenzstrom ermöglicht, einen Durchflußweg niedrigster Reaktanz zu
finden, der von dem einen der Kontakte an der Kante des V-förmigen Längsspaltes
entlang zu dem Schweißpunkt und von diesem an der anderen Längskante des Spaltes
zurück zu dem zweiten Kontakt führt, wobei der Stromfluß im wesentlichen auf die
Schweißkanten beschränkt wird. Zur weiteren Konzentration des Stromes auf diese
Kanten und um zu vermeiden, daß ein wesentlicher Stromfluß in der Umfangsrichtung
über den dem Spalt gegenüberliegenden Teil des Rohres eintritt, ist ferner vorgeschlagen
worden, innerhalb des zu schweißenden Rohres magnetische Mittel oder Elemente anzuordnen,
die bewirken, daß die Reaktanz bzw. der Widerstand gegen solche in der Umfangsrichtung
auftretende Stromwege in hohem Maße gesteigert wird.
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Diese bereits vorgeschlagenen Verfahren und Vorrichtungen sind zwar
gut geeignet, um entweder eiserne Rohre bzw. Rohre aus eisenhaltigem Metall oder
Rohre aus Nichteisenmetall bei Anwendung einer verhältnismäßig geringen Energie
schnell zu schweißen, es tritt jedoch in einigen Fällen bei diesen Verfahren leicht
eine schwache Lichtbogenflamme am Schweißpunkt auf, wodurch es entweder durch den
Lichtbogen oder durch das magnetoelektrische Hochfrequenzfeld,'das unmittelbar am
Schweißpunkt entsteht. vorkommen kann, daß kleine Metallteilchen des Rohrmetalls
ausgestoßen werden. Außerdem hat sich bei den bereits vorgeschlagenen Verfahren
ergeben, daß sich die Lage des Schweißpunktes, d. h. sein Abstand von den Kontakten
ändern kann, wodurch Temperaturunterschiede am Schweißpunkt und demgemäß Unterschiede
in der Gleichmäßigkeit der Schweißung verursacht werden.
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Es ist ferner beim Widerstands-Längsnaht-Schweißen von Rohren oder
anderen Hohlkörpern mit Strom niedriger Frequenz bekannt, von einer Hauptelektrode
einen Teilstrom abzuzweigen, welcher zum Vorwärmen der Schweißkanten dient, und
den anderen Teilstrom einer Nachwärmelektrode zuzuführen. Der Strom wird dabei den
zu verschweißenden Rändern einer geschlossenen Fuge durch Rollenelektroden zugeführt,
mit denen gemeinsam je eine Vor- und Nachwärmrolle auf der Schweißnaht entlanggeführt
werden.
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Weiterhin ist es beim Längsschweißen von Rohren bekannt, beiderseits
der Schweißkanten und von einer Zone in axialer Richtung gegenläufige Ströme »passender
Frequenz« anzuwenden, wobei die Stromkreise durch Kontaktglieder über die Schweißnaht
geschlossen sind. Indessen werden die Stromkreise hier induktiv erzeugt.
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Schließlich ist auch die Ausnutzung des Skin-Effektes von Hochfrequenzströmen
beim Widerstandsschweißen bekannt.
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Die vorliegende Erfindung geht demgemäß von einer Vorrichtung zum
Widerstands-Längsnaht-Schweißen von Rohren oder sonstigen Metallgegenständen mit
längs der offenen Schweißkanten gegensinnig verlaufendem Schweißstrom und zur Zuleitung
des Schweißstromes dienenden Kontakten aus, die beiderseits des offenen Spaltes
an einer vor der Schweißstelle liegenden Stelle angeordnet und an eine Hochfrequenzquelle
mit einer Frequenz in der Größenordnung von 100 000 Hertz oder darüber angeschlossen
sind. Gemäß der Erfindung bestehen die wesentlichen Merkmale einer solchen Vorrichtung
darin, daß zur überleitung des Schweißstromes kurz vor dem Schweißpunkt ein den
dort noch offenen Rohrspalt überbrückendes Kontaktglied angeordnet ist. Hierdurch
wird
zunächst die Anwendung von Hochfrequenz mit Skin-Effekt bei Vermeidung der Labilität
der Strombahn am Umkehrpunkt infolge zu diesem hin schnell steigender Induktivität
ermöglicht. Außerdem wird durch die hierdurch erreichte Stromführung verhindert,
daß an dem Schweißpunkt selbst ein wesentlicher Stromfluß stattfindet, und erreicht,
daß der unmittelbar an diesen Punkt angrenzende Bereich von Wirkungen eines stärkeren
elektromagnetischen Feldes frei bleibt. Der Stromweg für den Heizstrom verläuft
dabei von dem einen Zuleitungskontakt an oder dicht an der einen Kante des V-förmigen
Spaltes entlang bis zu einer vor dem Schweißpunkt gelegenen Stelle, wo er dann durch
das den dort noch offenen Spalt überbrückende Kontaktglied nach der anderen Seite
übergeleitet und zu dem zweiten Kontakt der Hochfrequenzstromquelle zurückgeführt
wird. Die Schweißkanten werden auf diese Weise schnell und bis zum Schweißpunkt
fortschreitend erhitzt, wobei die größte Temperatur kurz vor dem Schweißpunkt erreicht
wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann zur Bildung
eines von den Zuleitungs- oder Hauptkontakten abgezweigten Vorwärmstromes im Abstand
vor diesen Kontakten ein den offenen Rohrspalt überbrückendes Kontaktglied angeordnet
sein. Dadurch, daß von den Hauptkontakten der Vorwärmstrom in an sich bekannter
Weise abgezweigt wird, ist es ohne Beeinträchtigung des Grades der Erhitzung an
dem Schweißpunkt möglich, die zur Enderhitzung erforderliche Zeit zu verkürzen,
da die Schweißkanten, bevor sie an die Hauptkontakte gelangen, durch den zum Endheizstrom
parallelen Vorwärmstrom weitgehendst vorgewärmt werden. Das Verhältnis der Größe
des Weges des Vorwärmstromes zu der Länge <les Weges des Endheizstromes kann
dabei durch Veränderung der gegenseitigen Stellung der verschiedenen Kontakte geändert
und hierdurch der Grad der Z'orwärmung und der Enderhitzung gegenseitig abgestimmt
werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung der in der Zeichnung als bevorzugte Ausführungsformen dargestellten
Beispiele. Es zeigt Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung in schaubildlicher
Ansicht, Fig.2 eine ähnliche Darstellung von Teilen nach Fig. 1 in etwas abgeänderter
Form, Fig. 3 eine Draufsicht auf ein durch eine Rohrwalze gehendes Rohr mit einer
anderen Kontaktanordnung. Nach Fig. 1 wird eine Rohrlänge 10, die einen Längsspalt
11 aufweist, in der angedeuteten Pfeilrichtung durch eine Rohrwalze zwischen den
Rollen 12. 13 vorwärts bewegt, die das Rohr so zusammendrücken, daß der Längsspalt
11 an der Schweißstelle geschlossen wird. An dem Rohr sind zwei Zuleitungskontakte
14 und 15 vorzugsweise gleitbar angebracht, von denen je ein Kontakt auf jeder Seite
des Spaltes 11 an oder dicht an der Spaltkante angeordnet ist. Die gleitbare Anordnung
der Kontakte 14, 15 ist aber nicht unbedingt erforderlich. Die Kontakte 14, 15 li-#innen
durch beliebige, nicht dargestellte Mittel ein-#aellbar sein und sind gegeneinander
isoliert. Vorzugstveise enthalten sie jeweils Hohlräume, wie sie z. B. hei 16 dargestellt
sind und die zur Aufnahme von Wasser oder einer anderen Kühlflüssigkeit dienen,
die die Hohlräume in ständigem Strom in der angedeut-ten Pfeilrichtung durchströmt.
Die Kontakte 14, 15 sind ferner, wie in der Zeichnung dargestellt, jeweils an die
beiden Klemmen einer Hochfrequenzstromc.z:elle angeschlossen. Vorzugsweise besitzt
der Strom eine Frequenz von 300 000 oder 400 000 Hertz oder mehr; es können aber
auch Frequenzen von 100 000 Hertz verwendet werden.
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Etwas vor der Stelle, an der der Spalt 11 geschlossen und zugeschweißt
wird, ist ein elektrisch leitendes Kontaktglied, vorzugsweise in Form einer Rolle
17 angeordnet, die mit Ringflanschen 18 und 19 od. dgl. versehen ist und über diese
Flansche mit dem Metall des Rohres beiderseits des Spaltes 11 in Berührung steht.
Vorzugsweise sind die Ringflansche 18 oder 19 oder deren Äquivalente derart angeordnet,
daß sie von dem heißen Metall oder wenigstens von den heißesten Stellen beiderseits
des Spaltes einigen Abstand haben. so daß sie mit geschmolzenem Metall nicht unmittelbar
in Berührung kommen und nicht gekühlt zu werden brauchen.
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Die Schweißstelle, d. h. der Punkt, an dem die Spaltränder zusammengepreßt
und miteinander verschweißt werden, kann dicht hinter dem Kontaktglied 17 liegen.
Sie ist aus Fig. 1 nicht ersichtlich, da sie durch das Glied 17 verdeckt ist.
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Das rollenartige Kontaktglied 17 kann an einem Gabelkopf 21 gelagert
sein, der von einem Kragarm 22 getragen wird, der vorzugsweise etwas federnd ausgebildet
ist, so daß das Kontaktglied 17 nach unten gegen das Rohr gedrückt wird. Der Kragarm
22 kann vorzugsweise z. B. mittels Schrauben und Schlitze 23, 24 sowohl senkrecht
zur Bewegungsbahn des Rohres als auch in dieser Bewegungsbahn einstellbar sein.
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Bei der bisher beschriebenen Vorrichtung ergibt sich ein Stromweg
für den Hochfrequenzstrom, der von der Stromquelle über den Kontakt 14 entsprechend
der gestrichelten Linie 25 an der einen Kante des V-förmigen Spaltes 11 entlang
zu dem Ringflansch 19, dann über den anderen Ringflansch 18 des Kontaktgliedes 17
an der anderen Kante des V-förmigen Spaltes entlang entsprechend der gestrichelten
Linie 26 zurück zu dem Kontakt 15 und von da zur Stromquelle führt.
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In dem Rohr 10 sind, wie bereits früher vorgeschlagen, magnetkernartige
Glieder. z. B. eine Mehrzahl von Stangen 27, in geeigneter Weise angeordnet, die
durch beliebige Mittel in ihrer Lage gehalten werden und z. B. aus einer Mischung
aus gesintertem magnetischem Oxyd und Isoliermaterial bekannter Art mit niedrigem
Verlustfaktor und hohem räumlichen Leitwiderstand (z. B. aus dem unter der Bezeichnung
»Ferramic« bekannten Material der General Ceramic & Steatite Corp.) bestehen.
Die kernartigen Glieder können jedoch auch aus einem beliebigen anderen Material
bestehen, das eine größere, vorzugsweise eine wesentlich größere Permeabilität (mü)
als 1 aufweist und in dem Wirbelstromverluste im Höchstmaß vermieden sind. So können
sie z. B. aus geschichteten Blechkernen bestehen, wie sie oft als magnetisches Kernmaterial
für elektrische Apparate verwendet werden. Diese magnetischen Kernglieder erstrecken
sich in dem Rohr vorzugsweise von einer vor den Kontakten 14 und 15 gelegenen Stelle
bis zu einer Stelle, die hinter oder dicht hinter der Schweißstelle liegt. Sie bewirken,
daß die Induktivität für den Stromweg von dem einen Kontakt zu dem anderen über
den Umfang des Rohres etwa 8- bis 10mal vergrößert wird. Infolgedessen wird der
Stromfluß zwischen den Kontakten 14, 15 und dem Kontaktglied 17 entlang den Rändern
des V-förmigen Spaltes 11 in einem solchen Grade gesteigert, daß die Stromkonzentration
entlang den durch die gestrichelten Linien 25, 26 dargestellten Wegen wesentlich
vergrößert wird. so daß das Rohr mit größerer Geschwindigkeit durch
die
Rohrwalze hindurchgehen und geschweißt werden kann.
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Zur an sich bekannten Vorwärmung der Ränder des Rohrspaltes vor Erreichen
der Kontakte 14, 15 wird, wie in Fig. 1 dargestellt ist, ein zusätzliches Kontaktglied
30 zwischen den Randflächen des Spaltes 11 angeordnet, das diese Flächen an einer
etwas vor den Zuleitungs- oder Hauptkontakten 14, 15 liegenden Stelle miteinander
verbindet. Auf diese Weise wird der von der Hochfrequenzstromquelle kommende Strom
auf zwei Wege verteilt, von denen der eine Stromweg, wie oben beschrieben, den gestrichelten
Linien 25, 26 folgt und der andere Weg entsprechend den gestrichelten Linien 32
und 33 verläuft. Dieser zweite Weg führt z. B. von dem Kontakt 14 entlang der Linie
32 zu dem Kontakt 30 und von dort zurück über die gestrichelte Linie 33 zu dem Kontakt
15. Es ist zu bemerken, daß das die beiden gegenüberliegenden Randflächen des Spaltes
11 berührende Kontaktglied 30 gewährleistet, daß ein Teil des zum Vorwärmen dienenden
Stromes die ebenen Flächen entlangströmt, die miteinander zu verschweißen sind.
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Damit der Anteil des Stromes, der zum Vorwärmen dient, im Verhältnis
zu dem Stromanteil, der, wie oben beschrieben, zum endgültigen Erhitzen dient, geändert
werden kann, kann die Längsstellung der Kontakte 14, 15 gegenüber den Kontaktgliedern
17 und 30 so eingestellt werden, daß entweder der eine oder der andere Stromweg
größer wird und eine größere Reaktanz aufweist und damit einen geringeren Stromanteil
erhält.
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In Fällen, in denen eine Vorwärmung in der oben beschriebenen Weise
nicht gewünscht ist, kann das Kontaktglied 30 leicht weggenommen werden. Das Kontaktglied
30 kann ferner vorzugsweise mit einem Hohlraum 34 zur Aufnahme einer zirkulierenden
Kühlflüssigkeit versehen sein.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind
Hauptkontakte 14' und 15' angeordnet, die in ihrer Ausbildung und ihrem Zweck den
Hauptkontakten 14, 15 nach Fig. 1 entsprechen; das Kontaktglied 17' ist jedoch statt
in Form einer Rolle wie in Fig. 1 als Gleitglied ausgebildet, das die gegenüberliegenden
Ränder des Spaltes 11' etwas vor dem Schweißpunkt w berührt. Die das Rohr gleitbar
berührenden Teile des Kontaktgliedes 17' sind, wie Fig. 2 zeigt, von den Spaltkanten
etwas zurückgesetzt, leiten aber dennoch den Strom entlang den Wegen 25' und 26'.
Wie ersichtlich ist, kann auch das Kontaktglied 17', falls erforderlich, mit einem
Durch- t laß 35 für eine Kühlflüssigkeit versehen sein.
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Wie das Kontaktglied 17 bei der Ausführungsform nach Fig. 1 dient
das Kontaktglied 17' nach Fig. 2 zur Verbindung der Stromwege 25', 26' kurz vor
dem Schweißpunkt w, so daß vor dem Schweißpunkt w eine ; maximale
Erhitzung der Spaltränder erfolgt und kein Strom bzw. kein wesentlicher Strom sowie
kein elektromagnetisches Feld oder keine Bogeneffekte am Schweißpunkt auftreten.
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Wenn bei der Ausführungsform nach Fig.2 eine f Vorwärmung erfolgen
soll, so kann ein Kontaktglied 30' angeordnet werden, das mit zwei unteren Schleifteilen
auf den gegenüberliegenden Rändern des Rohrspaltes 11' aufsitzt und für den Vorwärmstrom
den durch die gestrichelten Linien 32', 33' dargestellten f Stromweg ergibt. An
Stelle des Kontaktgliedes 30' kann auch ein der Fig. 1 entsprechendes Kontaktglied
30 verwendet werden. Die Art des Vorwärmkontaktgliedes 30 oder 30' ist unabhängig
davon, ob ein Brückenkontaktglied 17 oder 17' angewendet wird. 7 Zur Erläuterung
der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3 ist in dieser Figur ein durch eine
Rohrwalze vorbewegtes Rohr 40 gezeigt, wobei die Rohrwalze mit Druckrollen 41, 42
versehen ist, um den Rohrspalt zu schließen, bevor er an den Schmelzpunkt w gelangt.
In der Pfeilrichtung hinter diesen Druckrollen wird der Spalt durch ein in ihn eingreifendes
Spreizglied 45 geöffnet und anschließend durch weitere Druckrollen 43, 44 am Schweißpunkt
w oder in der Nähe desselben wieder geschlossen. Bei dem Spreizglied 45 sind zwei
Kontakte 46, 47 angeordnet, die in ihrer Ausbildung und ihrem Zweck den Kontakten
14, 15 nach Fig. 1 entsprechen. Ferner ist ein Kontaktglied 48 angeordnet, dessen
Ausbildung und Zweck entweder dem Kontaktglied 17' nach Fig. 2 oder dem Kontaktglied
17 nach Fig. 1 entsprechen kann. Das Spreizglied 45 kann aus verschleißfestem Isoliermaterial
bestehen.
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Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ergibt sich ein Vorwärmstrom,
der dem durch die gestrichelten Linien 49, 50 dargestellten Weg folgt, und ein Strom
für die Enderhitzung, der den gestrichelten Linien 51, 52 entlanggeht, d. h., der
Vorwärmstrom fließt frei von dem Kontakt 46 an der Kante des durch das Spreizglied
45 geöffneten Spaltes nach hinten bis zu dem Punkt 53, an dem der Spalt noch geschlossen
ist, und von dort an der anderen Kante des Spaltes zurück nach dem Kontakt 47. Wenn
die Kontakte 46, 47, wie in Fig. 3 dargestellt, dem Kontaktglied 48 etwas näher
liegen als dem Punkt 53, so hat der Vorwärmstrom einen größeren Weg und eine größere
Reaktanz als der dem Weg 52,53 folgende Strom, so daß der Vorwärmstrom, wie
erwünscht, etwas schwächer als der Endheizstrom ist, durch den die Spaltkanten auf
Schweißtemperatur erhitzt werden, wenn sie an dem Kontaktglied 48 ankommen.
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Auch bei der Anordnung nach Fig. 3 können gegebenenfalls Magnetkernglieder
entsprechend den Gliedern 27 nach Fig. 1 angewendet werden.
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Bei allen Anwendungs- und Ausführungsformen der Erfindung können ferner
die Kontakte 14, 15 bzw. 14', 15' und 46, 47, falls es erwünscht erscheint, in den
Rohrspalt eingreifen und als Schleifkontakte an den gegenüberliegenden Spaltkanten
anliegen.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten besonderen
Ausführungsformen beschränkt. Diese können vielmehr mancherlei Änderungen erfahren,
ohne den durch die nachfolgenden Ansprüche gegebenen Rahmen der Erfindung zu verlassen.