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Elektrisches Induktionsschweißverfahren für längs eines geraden Spalts
zu verbindende metallische Werkstücke Für die Nahtverschweißung von aus Metallblech
rundgebogenen Rohren ist es bekannt, die beiden Rohrspaltränder für das zum Schließen
des Spalts erforderliche Zusammenpressen durch Ströme zu erhitzen, die durch parallel
zu den Rohrkanten ober-und unterhalb des Spalts liegende Induktionsleiter in jedem
der zwei Spaltränder für sich erzeugt und unabhängig voneinander ohne Spaltdurchquerung
in Schleifenform parallel zum Spalt verlaufen. Dieses Verfahren gibt wohl bei während
des Schweißvorganges ruhendem Rohr befriedigende Ergebnisse, nicht aber bei kontinuierlicher
Verschiebung des geschlitzten Rohres gegenüber dem Induktor, wo es sich nicht nur
daraum handelt, die induzierten Heizströme an-einer Durchquerung des Rohrspalts
zu verhindern, sondern eine möglichst starke Stromkonzentration beiderseits des
Spalts in sehr schmalen streifenförmigen Abschnitten der Metallwandung erzielt werden
müß, ohne daß zu diesem Zweck eine innige Annäherung des spaltparallelenInduktionsleiters
an dieRohrspaltränder vorgenommen werden darf, da dies zwar bei ruhendem Rohr zulässig,
aber bei kontinuierlich bewegtem Rohr die Gefahr einer Berührung des Rohres mit
dem Induktor mit sich bringt.
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Man hat zum elektroinduktiven Nahnverschweißen von rollengeführten
längsgeschlitzten Rohren in fortschreitendem Verfahren auch schon vorgeschlagen,
eine das Werkstück umfassende Spule mit einem in derRichtung und in der Nähe der
Schweißnaht liegenden geraden Leiter und mit zwei gegensinnig das Werkstück -umgreifenden,
in die Stromanschlüsse übergehenden quergerichtetenLeitern auszubilden und durch
einen der beiden letzteren Leiter den Primärstrom zu- und durch den anderen abzuführen.
Da jeder der zwei senkrecht und unsymmetrisch zur Spaltebene angeordneten Leiter
dieses Induktors einen ebenfalls zum Rohrspalt quergerichteten Sekundärstrom und
der zum Spalt parallele Leiter zwei längsgerichtete, sich an die quergerichteten
Sekundärströme anschließende Ströme induziert, wird der Rohrspalt an den Stellen
der Kreuzung mit den zwei quergerichteten Leitern je von der Hälfte des induzierten
Gesamtstromes durchquert. Die Heizwirkung des rohrförmigen Induktors ist demnach
nicht nur durch die längsgerichteten Sekundärströme, sondern auch durch die sich
zwischen den Rohrrändern an den Stellen der quergerichteten Stromdurchgänge bildenden,
von der Entfernung und dem Zustand der Rohrränder abhängigen und daher den Schweißvorgang
unbestimmt gestaltenden Lichtbögen bedingt.
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Nach der Erfindung wird nun ein diese und ähnliche Mängel vermeidendes
elektrisches Induktionsschweißverfahren für längs eines geraden Spalts zu verbindende
metallische Werkstücke, insbesondere für aus Metallblech rundgebogene längsgeschlitzte
Rohre, bei dem die beiden Spaltränder des Werkstückes durch in jedem von diesem
induzierte und in Schleifenform ohne Spaltdurchquerung unabhängig voneinander parallel
zum Spalt verlaufende Ströme erhitzt und dann zusammengepreßt werden, dadurch geschaffen,
daß man zwei oder mehr durch je einen Induktor mittels eines geraden Leiters. erzeugte
magnetische Wechselfelder in Aufeinanderfolge unter kontinuierlichem Vorschub des
Werkstückes: je in einen der beiden zu verbindenden geraden Spaltränder nahe dem
Spalt eindringen und diesen durchqueren sowie dann durch den anderen Rand aus dem
Werkstück austreten läßt und das verschweißende Zusammenpressen der Spaltränder
nach dem Vorbeigäng, des Werkstückes an der Gesamtheit der magnetischenWechselfelder
vornimmt.
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Erfindungsgemäß wird -nicht nur eine erhebliche Beschleunigung der
Fortbewegung des Werkstückes in kontinuierlicher Weiterführung durch eine vorteilhafte
Abstufung und gleichzeitige Vergrößerung des Erhitzungsbereiches der Werkstückränder
ermöglicht,-sondern es lassen sich auch die für die Durchführung derVerschweißung
maßgeblichen elektrischenArbeitsbedingungen besonders günstig regeln sowie eine
vorteilhafte Verteilung der Heizenergie und eine günstige Anpassung der erzeugten
Wärmemenge an die Beschaffenheit und den Zustand des Werkstückes während des Heizvorganges
erzielen. Auch ergibt sich ein außerordentlich enger Gräd`von Kopplung zwischen
Werkstück
und Induktor, insbesondere .dem stromführenden induzierenden geraden Leiter, und
damit auch ein hoher Wirkungsgrad der Energieübertragung zwischen diesen Teilen.
Weiterhin läßt sich erfindungsgemäß auch ein eine besonders einfach herstellbare
magnetische Masse für den Induktorkern verwenden.
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Die elektrische Schweißvorrichtung für die Ausübung des Verfahrens
nach der Erfindung besteht zweckmäßig aus zwei oder mehr mittels eines geraden Leiters
je ein starkes magnetisches Feld erzeugenden Induktoren, die hintereinander mit
Ausrichtung ihrer geraden Leiter in einer Fluchlinie und mit Einhaltung eines gegenseitigen
Abstandes gegenüber dem Spalt des zu verschweißenden Werkstückes angeordnet sind
und bei denen der gerade Leiter je in seiner Länge nach der zur Aufrechterhaltung
der geraden Ausrichtung des Werkstückspalts parallel zu ihm noch zulässigen Verschiebungsstrecke
des Werkstückes bemessen ist. Für das Nahtverschweißen längsgeschlitzter Rohre von
verhältnismäßig geringer Dicke kann erfindungsgemäß jeder Induktor eine normale,
die gerade Ausrichtung des Werkstückspalts selbsttätig über ihre ganze Ausdehnung
gewährleistende Länge erhalten und in dem Zwischenraum zwischen den Induktoren eine
den Spalt leitende und seine Gleichrichtung mit den geraden Induktorleitern erleichternde
sowie seine symmetrische Lage zu deren Mittelebene aufrechthaltende Druckvorrichtung
vorgesehen sein.
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Diese Hilfsvorrichtung kann aus seitlich zu dem Rohr gelagerten Rollen
bestehen, die mit regelbaren Druck an das Rohr angelegt werden können, und es in
Lage halten. Der von diesen Rollen auf das Rohr ausgeübte Druck kann so eingestellt
werden, daß er die Ränder des Rohres einander nähert und so den Spalt des Rohres
vor dessen Vorbeigang am nächsten Induktor verringert. Statt dieser Druck- und Führungsrollen
kann man auch eine in den Spalt des Rohres mit einem scheibenförmigen Rand eingreifende
Führungsrolle vorsehen, welche eine Drehung des Rohres um seine Achse verhindert
und auch vor dem in der Bewegungsrichtung des Rohres ersten Induktor angeordnet
sein oder auch mit zwischen den Induktoren wirksamen Druck- und Führungsrollen zusammenarbeiten
kann.
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Die einzelnen Induktoren können mit je einem besonderen Kühlwasserumlauf
ausgerüstet sein, was die Verkürzung der Führungsbahn des Wassers ermöglicht und
die Einhaltung einer Kühltemperatur unter der kritischen, dem Wasser seine Wirksamkeit
nehmenden Temperatur erleichtert. In bestimmten Fällen, insbesondere bei verhältnismäßig
großen Rohren mit ziemlich dicken, eine große mechanische Steifheit aufweisenden
Wänden, kann man von der Anordnung einer Lagensicherungsvorrichtung für den Rohrspalt
zwischen den Induktoren absehen, die jedoch in bestimmtem Abstand voneinander vorgesehen
werden, um zwischen ihnen die Leitungsstutzen für die ihnen zugeordneten getrenntenKühlwasserumläufe
einbauen zu können.
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Um den Grad der Kopplung zwischen Induktor und Werkstück zu steigern,
wird der gerade, induzierende, in der Nut des Induktorkerns liegende Leiter so nahe,
wie es die Sicherheit der Verschiebung des Werkstückes gestattet, an dessen Ränder
herangebracht. Auch kann er mit der Fläche der Polschuhe abschließen und, gegebenenfalls,
ein in diese Fläche übergehendes Kreisbogenprofil erhalten. Die Induktoren können
unabhängig voneinander oder in Reihen- oder in Parallelschaltung mit Strom gespeist
werden. Auch können sie in ihrer Lage auf dem sie tragenden Rahmen j e für sich
veränderbar und auch ihre Speiseströme getrennt regelbar sein, um die Energiemenge
und die Energieübertragung dem Metall und insbesondere der physikalischen Beschaffenheit
des Werkstückes besser anpassen zu können.
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Diese Regelbarkeit der Lage und der Stromspeisung der Induktoren ermöglicht
es auch, dem Auftreten des die Permeabilität des Werkstückes bei etwa 700 bis 800°
C zum Verschwinden bringenden Curie-Temperaturpunktes Rechnung zu tragen. Die Induktoren
können in der Bauart und Abmessusng gleich sein, oder ihre Polschuhe und ihre geraden
Stromleiter können verschiedene Querschnitte und unterschiedliche Längen zwecks
besserer Anpassung an die in Betracht kommende Schweißung aufweisen. Die magnetischen
Kerne der Induktoren können aus einem feinverteilten magnetischen Pulver bestehen,
das in eine keramische Masse eingebettet ist.
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Die Zeichnung veranschaulicht die Schweißvorrichtung nach der Erfindung
beispielsweise in einer Bau form und läßt auch das mit dieser ausführbare Verfahren
näher im einzelnen erkennen.
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Fig. 1 zeigt die Schweißvorrichtung in schaubild licher Darstellung
in ihrer Gesamtheit, und Fig. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie X-X von Fig.
1 Gemäß der Zeichnung wird dem Rohr 3, das z. B. aus magnetischem Metall, insbesondere
aus Eisen besteht und durch Rundbiegen eines unbearbeiteten Bandeisens entsprechender
Breite in einer geeigneten Blechverformungsmaschine erzeugt ist, durch einen nicht
dargestellten Antrieb eine geradlinige axiale Verschiebungsbewegung erteilt. An
dem in der Verschiebungsrichtung hinteren Ende ist das Rohr 3 noch nicht geschlossen
und weist zwischen den parallelen Rändern des zum Rohrzylinder gebogenen Blechstreifens
einen freien Spalt 2 auf. Zwei drehbare Rollen D 1 und D2, die mit
ihren Seitenflächen 16 parallel zur Mittelebene des Spaltes 2 des Rohres 3 liegen
und von denen die über dem Spalt 2 gelagerte Rolle D 2 in diesen mit einem scheibenförmigen
Rand eingreift, sichern die Stellung des Rohres 3 mit obenliegendem Spalt 2 und
verhindern ein Verdrehen des Rohres 3 um seine Achse. Der noch offene Teil des Rohres
3 tritt in das Wechselfeld des Induktors B 1 ein, der so angeordnet ist, daß (vgl.
Fig. 2) seine Mittelebene den geraden Spalt 2 des Rohres 3 durchquert.
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Der Induktor B 1 weist einen aus einem Blechpaket bestehenden magnetischenKernl
auf, in dessenNut4' der induzierende stabförmige Leiter 4 in waagerechter und zum
Spalt 2 des Rohres 3 paralleler Lage eingebettet ist. Der Leiter 4 wird mit einem
sehr starken Wechselstrom von verhältnismäßig hoher Frequenz, insbesondere von einer
Frequenz zwischen 500 und 15 000 Hertz, durch die Leiter 5, 6 und 7 gespeist; die
in der Form eines waagerechten Rahmens von den senkrechten leitenden Metallwinkeln
13 und 13' ausgehen, die zum Anschluß an die Wechselstromquelle, z. B. die Sekundärspule
eines primärseitig an einem Wechselstromgenerator liegenden Stufentransformators,
dienen. Die Leiter 4, 5, 6 und 7 sind als Hohlkörper ausgebildet, durch welche mittels
der Rohrsutzen 9 Kühlwasser geleitet wird. Um die Wärmeabfuhr zu erleichtern, ist
der induzierende Leiter 4 (vgl. Fig. 2) außerdem in seinem Hohlraum mit einer Längsrippe
f versehen, welche seine Berührungsfläche mit dem Kühlwasser vergrößert.
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Der den Leiter 4 durchfließende starke Wechselstrom induziert in den
beiden einander gegenüberliegenden
und durch den Spalt 2 getrennten
Rändern des Rohres 3 zwei kräftige Ströme, die parallel zum Spalt über die ganze
Länge des Induktors B 1 hin verlaufen und sich in dem Rohrkörper schließen, so daß
zwei induzierte Stromschleifen entstehen, die ohne Durchquerung des Spaltes 2 in
sich zurückkehren. Das Vorhandensein des parallel zum Spalt 2 und ganz nahe den
Rändern des Rohres 3 liegenden stabförmigen Leiters 4 ermöglicht die Erzielung einer
sehr engen elektromagnetischen Kopplung, die einen außerordentlich hohen Wirkungsgrad
der Energieübertragung und dadurch auch eine konzentrierte und rasche Erwärmung
der Ränder des Rohres gewährleistet.
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Da ferner der stabförmige Leiter 4 die Ränder des Rohres 3 leicht
oder fast berührt, ergibt sich eine Verringerung der Streuverluste auf ein Mindestmaß
und eine weitgehende Verbesserung der Kopplung mit dem Rohr. Die Endfläche der Polschuhe
1' kann ein der zylindrischen Umfläche des Rohres 3 angepaßtes Kr.eisbogenprofil
erhalten und die dem Rohr benachbarte Bodenfläche des hohlen Leiters 4 nach dem
gleichen Kreisbogenprofil geformt sein, so daß sie mit der Endfläche der Polschuhe
eine zusammenhängende Zylinderteilfläche von ein und demselben Halbmesser bildet.
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Die Verteilung der Wärme und damit die Güte der Schweißung hängen
von der von den Rohrrändern zum Leiter 4 eingenommenen Lage ab, für die eine möglichst
vollkommene Symmetrie angestrebt und aufrechterhalten werden muß, um in den Rohrrändern
Ströme von praktisch gleicher Stärke durch die Induktion zu erzeugen, von denen
jeder über einen dem Leiter 4 gegenüberliegenden Teil des einen bzw. des anderen
Rohrrandes verläuft. Wenn das Rohr 3 in Schwingungen gerät oder sich zu drehen sucht,
besteht die Gefahr, daß der Spalt 2 sich seitlich verschiebt und die gewünschte
symmetrische Lage des Spalts 2 zum Leiter 4 gestört wird. Wie Versuche gezeigt haben,
läßt sich bis zu einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit des Rohres 3 eine vollkommene
Schweißung mit einem einzigen Induktor B 1, d. h. mit einer einzigen- Leiterschleife
4 bis 7, erreichen, wenn die Länge des induzierenden Leiters 4 derart bestimmt ist,
daß die Wirkung der in der Bewegungsrichtung des Rohres vor dem Induktor B liegenden
Führungsrollen und der hinter dem Induktor für das Aneinanderpressen der Rohrränder
vorzusehenden Druckrollen hinreicht, das Rohr auf diese Länge in Lage zu halten.
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Will man diese Geschwindigkeitsgrenze überschreiten, die von der in
den Rohrrändern erzeugten thermischen Energie abhängt, die selbst wieder eine Funktion
der Dauer des Durchgangs des Rohres durch das induzierende Feld ist, so erfordert
die Lösung dieser Aufgabe eine Vergrößerung der Länge dieses Durchgangs. Um dies
zu erreichen, ohne Schwierigkeiten hinsichtlich der Einhaltung einer dauernd gleichbleibenden
geraden Ausrichtung des Rohrspaltes 2 zu begegnen, wird nach der Erfindung ein im
Bewegungssinn des Rohres auf den Indüktor B 1 folgender zweiter Induktor B2 mit
einem Kern 1' vorgesehen und durch die beiden in Kaskade angeordneten Induktoren
B 1, B 2 die gewünschte Verlängerung des Heizweges für das Rohr 3 verwirklicht.
Dabei sind die zwei Induktoren B 1 und B 2 durch einen genügenden
Abstand voneinander getrennt, um dazwischen eine das Rohr 3 in Lage haltende, insbesondere
bei verhältnismäßig geringer Rohrdicke in Betracht kommende Vorrichtung G einfügen
zu können, die aus zwei an dem Rohr anliegenden Rollen 22 besteht, von denen nur
eine in Fig. 1 wiedergegeben ist, und die durch einen mittels einer Schraubenspindel
23 beliebig einstellbaren Schlitten 24 zur Ausübung eines genau bemessenen,
mehr oder minder starken seitlichen Druckes auf das Rohr 3 veranlaßt werden können.
Der Induktor B2 kann in der Ausführung und in den Massen dem Induktor B 1 gleich
sein und mit diesem auch hinsichtlich der Stromspeisung übereinstimmen, während
seine Kühlung durch gesonderte Rohrstutzen 9' erfolgt, die zur Zu- und Abfuhr von
Wasser an seine hohlen Leiter angeschlossen sind.
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Die zwischen den beiden Induktoren B1, B2 vorgesehenen Rollen
22 bieten auch die Möglichkeit, die Ränder des Rohres 3 nach Belieben einander zu
nähern und so durch Verkleinerung des Spalts 2 die Schweißbedingungen zu regeln
und zu verbessern. Man kann nämlich annehmen, daß das Rohr 3 den Bereich des ersten
Induktors B 1 mit einer Temperatur in der Größenordnung von 800° C verläßt, und
daher hat es infolge der durch die Einwirkung dieses Induktors hervorgerufenen Überschreitung
des Curie-Temperaturpunktes seine magnetische Permeabilität verloren. Von diesem
Zeitpunkt ab ist die Wärmezufuhr nur den Verlusten durch Foucault-Ströme oder induzierte
Ströme zu verdanken, und es ist deshalb von Wichtigkeit, diese Wärmezufuhr durch
möglichst enge gegenseitige Annäherung der Rohrränder zu regeln, um einen größeren
Teil der Ränder vor den stabförmigen Leiter 4 zu bringen und diesen mit einem breiteren
Querschnitt des Rohres zu koppeln. Das Rohr 3 wird dann aus dem Bereich des Induktors
B2 mit praktisch geschlossenem Spalt 2 heraustreten, und die Kanten haben die Weißgluttemperatur
in der Größenordnung von 1300°C erreicht.
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Wenn das Rohr 3 den zweiten Induktor B 2 verlassen hat, gelangt es
unter die Einwirkung der die genügend plastisch gewordenen Rohrränder vereinenden
Preßvorrichtung F; welche durch ihre Rollen 10
einen starken seitlichen Druck
auf die Ränder des Rohres 3 ausübt und diese zu einer einem Zusammenschmieden gleichwertigen
vollkommenen Verschweißung bringt. Die eine der beiden Rollen steht dabei fest,
während die andere mittels des sie tragenden Schlittens 17 und durch die diesen
verschiebende, mit Hilfe des Vierkants 19 durch einen aufgesteckten Schlüssel drehbare
Schraubenspindel 18 an das Rohr 3 mit einem beliebig einstellbaren Druck ausgepreßt
wird.
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Da die beiden Induktoren B1 und B2 infolge der beim Rohr stattfindenden
Überschreitung des Curie-Temperaturpunktes unter verschiedenen Bedingungen arbeiten,
empfiehlt es sich in bestimmten Fällen, sie unterschiedlich zu bemessen und auch
mit Strom unterschiedlich zu speisen. Man kann ihnen insbesondere voneinander abweichende
Längen geben und die Form der Polschuhe und den Querschnitt des induzierenden stabförmigen
Leiters verändern. Auch kann man auf verschiedene Werte die Stärke ihrer Speiseströme
einstellen und sogar ihnen Ströme von unterschiedlichen Frequenzen zuführen.
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Die gerade Ausrichtung des Spalts des Rohres kann auch mit Hilfe einer
zwischen die Rohrränder eindringenden Führungsrolle erreicht werden, die zwischen
den Induktoren B1 und B2 angeordnet ist und aus einem gegen die hohe Temperatur
an dieser Stelle widerstandsfähigen Werkstoff besteht sowie die magnetische Verteilung
der Induktion nicht beeinflußt. Ferner kann man statt zweier Induktoren auch eine
größere Zahl von mit Abständen hintereinanderliegenden Induktoren gleicher oder
verschiedener Ausführung vorsehen.
Zur Verringerung der Verluste
in der magnetischen Masse des Induktors kann man diesen in der Form eines Blockes
aus einem zusammengesetzten Werkstoff ausführen, der aus einem Gemisch von feinverteiltem
magnetischem Pulver mit einer gegossenen oder gebrannten keramischen Masse besteht,
in welche das magnetische Pulver eingebettet ist. Diese Werkstoffe weisen sehr geringe
Hysteresisverluste bei gleichzeitiger günstiger Permeabilität auf. Ein Induktorblock
aus einem derartigen Werkstoff ist außerdem insofern vorteilhaft, als er seine Form
dauernd bewahrt und eine sein Profil aufrechterhaltende glatte Oberfläche besitzt
sowie sehr widerstandsfähig gegen die durch die Masse des auf Weißglut erhitzten
Rohres ausgestrahlte Wärme ist.