DE1102929B

DE1102929B - Method and device for inductive pressure butt welding of metal pieces

Info

Publication number: DE1102929B
Application number: DEM41898A
Authority: DE
Inventors: Wallace Collins Rudd
Original assignee: Magnetic Heating Corp
Current assignee: Magnetic Heating Corp
Priority date: 1958-07-02
Filing date: 1959-06-22
Publication date: 1961-03-23

Description

Verfahren und Vorrichtung zum induktiven Preß-Stumpfschweißen von Metallstücken Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Preß-Stumpfschweißen von Metallstücken, das insbesondere zum Schweißen von Rohren aus Stahl, Aluminium oder anderen Metallen oder aus Legierungen von Metallen geeignet ist.Method and device for inductive pressure butt welding of Metal Pieces The invention relates to a method and an apparatus for pressure butt welding of pieces of metal, in particular for welding pipes made of steel, aluminum or other metals or from alloys of metals is.

Durch dieErfindung soll dasPreß-Stumpfschweißen von Metallstücken in der Weise ermöglicht werden, daß die Stauchung der Schweißnaht im wesentlichen oder vollständig nur auf der einen Seite der miteinander zu verschweißenden Metallstücke erfolgt, so daß z. B. beim Preß-Stumpfschweißen von Rohren die Stauchung der Schweißnaht im wesentlichen nur an der Außenfläche des geschweißten Rohres vorhanden ist, während an der Innenfläche keine oder nur eine geringe Stauchung erfolgt, die nicht störend ist. Dieser Möglichkeit kommt eine erhebliche Bedeutung zu, weil in vielen Fällen gefordert wird, daß die Rohre an der Innenfläche auch im Bereich der Schweißnähte vollständig glatt sind und die Strömung des in dem Rohr geförderten Mediums nicht durch vorstehende Wülste oder Unregelmäßigkeiten der Rohrwandung schädlich beeinflußt wird. Dies gilt insbesondere für Fernleitungen, die zur Beförderung von unter hohem Druck stehenden Flüssigkeiten dienen und bei denen zahlreiche Schweißstöße vorhanden sind. Auch bei Rohren, die zur Aufnahme von elektrischen Kabeln od. dgl. dienen und bei denen es erforderlich ist, die Kabel od. dgl. durch Rohrabschnitte großer Länge hindurchzuziehen, ist es wichtig, daß Schweißwülste an derInnenfläche derRohre vermieden werden, damit die Kabel beim Durchziehen durch die Rohre nicht beschädigt werden. Bei Kabelrohren ist es außerdem erwünscht, Stauchwülste auf der Innenseite zu vermeiden, damit die elektrischen Werte des Rohrkabels an allen Stellen gleich sind und sich nicht etwa an jedem Schweißstoß ändern.The invention aims to pressure butt welding pieces of metal be made possible in such a way that the compression of the weld seam substantially or completely only on one side of the metal pieces to be welded together takes place so that z. B. the compression of the weld seam in the pressure butt welding of pipes is essentially only present on the outer surface of the welded pipe, while there is no or only a slight compression on the inner surface, which is not disruptive is. This possibility is of great importance because in many cases it is required that the tubes on the inner surface also in the area of the weld seams are completely smooth and the flow of the medium conveyed in the pipe is not detrimentally affected by protruding beads or irregularities in the pipe wall will. This is especially true for long-distance lines that are used to carry under high Pressurized fluids are used and where numerous weld joints are present are. Even with pipes that are used to hold electrical cables or the like and where it is necessary, the cable od. Like. Large pipe sections To pull the length through it, it is important to keep weld beads on the inside surface of the pipes should be avoided so that the cables are not damaged when they are pulled through the pipes will. In the case of cable ducts, it is also desirable to have compression beads on the inside to avoid, so that the electrical values of the pipe cable are the same at all points and do not change with every weld joint.

Es ist bereits ein Verfahren zum Preß-Stumpfschweißen von Rohren bekannt, bei dem ebenfalls innere Staucnwülste an den Schweißstellen vermieden «erden sollen. Hierbei werden jedoch die Enden der zu verschweißenden Rohrstücke, die durch axialen Druck zusammengepreßt werden, zunächst unter Bildung eines inneren Stauchwulstes zusammengeschweißt, der nach einer bestimmten Stauchbewegung, die durch ein Glockenzeichen oder in sonstiger Weise angezeigt wird, durch Zuführung eines Metall verbrennenden Gases, z. B. Sauerstoff, in das Rohrinnere weggebrannt wird.A method for pressure butt welding of pipes is already known, in which also internal bulges at the welding points should be avoided. Here, however, the ends of the pipe sections to be welded, which are through axial Pressure are compressed, initially with the formation of an internal compression bead welded together after a certain upsetting movement, indicated by a bell or is indicated in any other way, by supplying a burning metal Gas, e.g. B. oxygen, is burned away into the pipe interior.

Demgegenüber soll durch die Erfindung ein wesentlich einfacheres Verfahren geschaffen werden, bei dem z. B. bei Rohren ein innerer Stauchwulst überhaupt nicht erst gebildet wird, der dann beseitigt werden muß, und bei dem die sonst als störend empfundene Wirkung des je nach der Frequenz des angewendeten Heizstromes auftretenden Skineffektes ausgenutzt wird, um die Bildung von Stauchwülsten auf der einen Seite der zu verschweißenden Metallstücke bzw. im Rohrinnern an den Schweißstößen zu verhindern.In contrast, the invention is intended to provide a much simpler process be created in which z. B. in pipes an internal compression bead not at all is first formed, which then has to be eliminated, and which is otherwise considered to be a nuisance perceived effect of the occurring depending on the frequency of the heating current used Skin effect is used to prevent the formation of bulges on the one hand to prevent the metal pieces to be welded or the weld joints inside the pipe.

Demgemäß bestehen die wesentlichen Merkmale der Erfindung darin, daß die Wulstbildung auf der einen Seite dadurch verhindert wird, daß mit so hoher Frequenz und Leistung induktiv auf der anderen Seite erhitzt wird, daß während des ganzen, durch das Einsetzen der Stauchbewegung, insbesondere automatisch, unterbrochenen Schweißvorganges ein Temperaturgradient in der Größenordnung von 40 bis 100° C (100 bis 200° F) zwischen niederster Schweißtemperatur auf der einen Seite der Metallstücke bei plastischem Materialzustand und der erhöhten Temperatur auf der anderen Seite der Metallstücke bei nahezu flüssigem Materialzustand aufrechterhalten wird.Accordingly, the essential features of the invention are that the formation of bulges on the one hand is prevented by having such a high frequency and power is inductively heated on the other hand, that during the whole, interrupted by the onset of the upsetting movement, in particular automatically Welding process has a temperature gradient in the order of 40 to 100 ° C (100 up to 200 ° F) between the lowest welding temperature on one side of the metal pieces in the case of a plastic material condition and the increased temperature on the other hand the metal pieces is maintained in an almost liquid state of the material.

DieAnwendung derErfindung auf das Preß-Stumpfschweißen von Rohren erfolgt dabei in der Weise, daß die innere Randzone jeder ringförmigen Stoßfläche schwächer erhitzt wird als die äußere Randzone und hierdurch die Ausstauchung des Metalls an der Schweißnaht im wesentlichen auf die äußere Randzone beschränkt wird.The application of the invention to the pressure butt welding of pipes takes place in such a way that the inner edge zone of each annular abutment surface is less heated than the outer edge zone and thereby the bulging of the Metal at the weld seam is essentially limited to the outer edge zone.

Die Rohrabschnitte werden gemäß der Erfindung vorzugsweise mit ihren Enden unter einem vorbestimmten Druck gegeneinandergedrückt, z. B. mit Hilfe von Klemmeinrichtungen, die die Rohrenden erfassen und z. B. durch Kolben- und Zylinderaggregate gegeneinandergezogen werden, wobei diese Aggregate mit einem Druckgas oder einer Druckflüssigkeit betrieben werden. Dann dient ein elektromagnetisches Feld, das durch eine die Rohre umgebende, eine oder mehrereWindungen umfassendeInduktionserhitzungsspule erzeugt wird, dazu, in den Wandungen der sich berührenden Rohrenden Ströme mit einer solchen Frequenz und einer solchen Energiedichte zu induzieren, daß die Rohrenden über ihre gesamte Wandstärke schnell auf die Schweißtemperatur erhitzt werden, wobei jedoch die Temperatur der äußeren Abschnitte etwas höher liegt als diejenige der inneren Abschnitte. Dieser Erhitzungsvorgang wird fortgesetzt, bis sich die Rohrenden so weit erweicht haben, daß sich die Rohrabschnitte unter dem erwähnten Druck längs einer erheblichen Strecke gegenseitig annähern, woraufhin diese Bewegung vorzugsweise automatisch dazu benutzt wird, z. B. einen Mikroschalter oder eine andere Schalteinrichtung zu betätigen, um die Zufuhr des Heizstromes zu unterbrechen und die davon herrührende Erhitzung zu beenden, bevor die äußeren Abschnitte der sich berührenden Rohrenden nahezu geschmolzen oder zu weich geworden sind, um eine einwandfreie Schweißung zu ermöglichen, und bevor das Metall in einem bemerkbaren Ausmaß in Richtung auf das Innere des Rohres gestaucht wird.The pipe sections are according to the invention preferably with their Ends pressed against each other under a predetermined pressure, e.g. B. with the help of Clamping devices that capture the pipe ends and z. B. by piston and cylinder units be pulled against each other, these units with a compressed gas or a Hydraulic fluid are operated. Then an electromagnetic one is used Field, the induction heating coil comprising one or more turns surrounding the tubes is generated, in addition, in the walls of the touching pipe ends currents with a to induce such a frequency and such an energy density that the pipe ends are quickly heated to the welding temperature over their entire wall thickness, with however, the temperature of the outer sections is slightly higher than that of the inner sections. This heating process continues until the tube ends have softened so far that the pipe sections extend lengthways under the pressure mentioned approach each other a considerable distance, whereupon this movement is preferred is used automatically, e.g. B. a microswitch or other switching device to be actuated to interrupt the supply of the heating current and the resulting therefrom Stop heating before the outer sections of the touching pipe ends have almost melted or become too soft to weld properly to allow and before the metal to a noticeable extent towards the inside of the pipe is compressed.

1Tachdem bei einer bestimmten Anordnung der Vorrichtung zum Verschweißen von Rohren bestimmter Art und bestimmter Abmessungen eine kurze Zeit hindurch Erfahrungen gesammelt worden sind, ist es nicht mehr unbedingt erforderlich, die zeitliche Dauer der Erhitzung automatisch durch die Bewegung der Rohrabschnitte aufeinander zu bestimmen zu lassen, sondern die Steuerung bzw. Regelung kann auf andere Weise erfolgen, z. B. mit der Hand oder mit Hilfe eines in bekannter Weise ausgebildeten automatischen Zeitsteuerschalters oder gegebenenfalls durch die Zufuhr eines Kühlmittels. Allerdings erweist sich die Ausnutzung der Annäherungsbewegung der Rohrabschnitte nach der Erweichung des Metalls an der Schweißzone als ein sehr vorteilhaftes und zuverlässiges Verfahren zum Bestimmen der Beendigung des Heizvorganges, insbesondere dann, wenn die Gefahr besteht, daß sich die Betriebsbedingungen von Zeit zu Zeit ändern können.1 According to a certain arrangement of the device for welding of pipes of a certain type and size for a short period of time have been collected, it is no longer absolutely necessary to change the duration to automatically determine the heating by moving the pipe sections towards each other to let, but the control or regulation can be done in other ways, for. B. by hand or with the help of an automatic trained in a known manner Time control switch or, if necessary, by supplying a coolant. However the utilization of the approaching movement of the pipe sections turns out to be Softening of the metal at the welding zone as a very beneficial and reliable Method for determining the end of the heating process, especially if there is a risk that the operating conditions may change from time to time.

Kormalerweise würde man annehmen, daß dann, wenn die Rohrenden genügend stark erhitzt worden sind, um die Endkanten über die ganze Wandstärke in einem gewissen Ausmaß auf die Schweißtemperatur zu bringen und sie dabei zu erweichen, und wenn die Rohrabschnitte gegeneinandergedrückt werden, um sie aufeinander zu zu bewegen, notwendigerweise eine erhebliche Stauchung des Metalls nicht nur nach außen, sondern auch nach innen stattfindet. Es hat sich jedoch gezeigt, daß es bei der Anwendung der Erfindung möglich. ist, jede derartige Stauchung nach innen in einem überaschenden Ausmaß zu vermeiden.Ordinarily one would assume that if the pipe ends are sufficient have been heated to a certain extent around the end edges over the entire wall thickness To bring the extent to the welding temperature and to soften it in the process, and if so the pipe sections are pressed against each other in order to move them towards each other, necessarily a considerable upsetting of the metal not only outwards, but also takes place internally. However, it has been shown that in the application the invention possible. is, every such compression inward is surprising Avoid extent.

Beim Stumpfschweißen von streifenförmigen Teilen u. dgl. kann man mit ähnlichen Verfahren und Vorrichtungen arbeiten, wobei jedoch die betreffenden Bauteile so geformt sein müssen, daß die an Stelle der Rohre zu verschweißenden Teile eingespannt werden können.When butt welding of strip-shaped parts and the like work with similar methods and devices, but with the relevant Components must be shaped in such a way that they are to be welded in place of the pipes Parts can be clamped.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnungen.Further details and advantages of the invention emerge from the following description of several embodiments with reference to the drawings.

Fig. 1 ist eine etwas schematisch gezeichnete Darstellung einer Ausbildungsform einer Einrichtung für die Durchführung der Erfindung; Fie. 2 ist ein Längsschnitt, der die Ausbildung eines typischen Schweißwulstes bei stumpf miteinander verschweißten Rohren erkennen läßt; Fig. 3, 4 und 5 sind graphische Darstellungen, die bestimmte Grundgedanken veranschaulichen, welche in Verbindung mit der Erfindung besprochen werden; Fig. 6, 7 und 8 sind graphische Darstellungen, die weitere Grundgedanken bezüglich der Anwendung der Erfindung veranschaulichen.Fig. 1 is a somewhat schematically drawn representation of an embodiment means for practicing the invention; Fie. 2 is a longitudinal section, the formation of a typical weld bead when butt welded together Pipes can be recognized; 3, 4 and 5 are graphs showing certain Illustrate principles discussed in connection with the invention will; Figures 6, 7 and 8 are graphs illustrating further principles in relation to the application of the invention.

In Fig. 1 sind zwei Rohrenden, die stumpf miteinander verschweißt werden sollen, mit 10 und 11 bezeichnet; die Linie, längs deren sich die Stumpfschweißstelle erstrecken soll, ist bei 12 eingezeichnet. Die Rohrenden können durch geeignete Spannvorrichtungen 13 und 14 in ihrer Lage gehalten werden; bei den Spannvorrichtungen handelt es sich z. B. um leicht abzunehmende geteilte Klemmschellen beliebiger geeigneter Art, an denen Flansche 15 und 16 befestigt sind, zwischen denen zwei oder mehr mit Hilfe eines Druckmittels zu betätigende Kolben- und Zylinderaggregate 17 und 18 angeordnet sind. Hierbei kann es sich z. B. um durch hydraulischen Druck oder mittels Gasdruck betätigte Aggregate handeln, die so zwischen den Flanschen 15 und 16 angeordnet und mit ihren Teilen so mit den Flanschen verbunden sind, daß man die Kolben durch ein Druckmittel betätigen kann, um die Spannvorrichtungen zusammen mit den darin eingespannten Rohren gegeneinanderziehen kann, wobei die Enden der Rohre mit einem geeigneten Druck in gegenseitiger Anlage gehalten werden und wobei dieser Druck während der gesamten Durchführung des Schweißvorgangs auf dem gleichen vorbestimmten Wert gehalten werden kann.In Fig. 1, two pipe ends that are butt welded together are to be denoted by 10 and 11; the line along which the butt weld is located is intended to extend is shown at 12. The pipe ends can by suitable Clamping devices 13 and 14 are held in place; with the clamping devices is it z. B. to easily removable split clamps of any suitable Kind to which flanges 15 and 16 are attached, between which two or more with Piston and cylinder assemblies 17 and 18 to be actuated with the aid of a pressure medium are arranged. This can be, for. B. to by hydraulic pressure or by means of Acting units operated by gas pressure, which are arranged between the flanges 15 and 16 in this way and their parts are connected to the flanges in such a way that the pistons can be passed through a pressure means can operate to the clamping devices together with the therein clamped pipes can pull against each other, the ends of the pipes with a appropriate pressure are maintained in mutual abutment and this pressure during the entire implementation of the welding process on the same predetermined Value can be kept.

Bei 20 ist eine nur eine Windung umfassende Induktionserhitzungs-»Spule« vorgesehen, die in bekannter Weise, wie durch die kleinen Kreise angedeutet, mit Kanälen für ein Kühlmittel versehen ist und die Schweißzone in einem geringen Abstand von den Rohrenden umgibt. Diese Spule kann in bekannter Weise als für Induktionserhitzungszwecke geeignete geteilte Spule ausgebildet sein, deren Enden in der bei 21 angedeuteten Weise an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen sind.At 20 there is an induction heating "coil" comprising only one turn provided in a known manner, as indicated by the small circles, with Channels for a coolant is provided and the welding zone at a small distance surrounds by the pipe ends. This coil can be used in a known manner as for induction heating purposes suitable split coil be formed, the ends of which in the indicated at 21 Way are connected to a high frequency generator.

Die Verschweißungszone ist an der Außenseite der Rohrenden vcrzugsweise von einer Kammer umgeben, die während des Schweißvorgangs mit einem inerten Gas, wie Argon, gefüllt ist und somit dazu dient, von den erhitzten Rohrenden den in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoff fernzuhalten; dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Rohre aus einem Metall bestehen, das bei einer Erhitzung auf die Schweißtemperatur leicht oxydiert. Diese Kammer kann in der in Fig. 1 schematisch angedeuteten Weise ausgebildet sein, z. B. in Form von zwei isolierenden ringförmigen Gehäuseteilen 22 und 23 mit Zuleitungen 24 und Austrittsleitungen 25 für das inerte Gas. Diese Gehäuseteile können natürlich jeweils zwei Hälften umfassen und durch hier nicht gezeigte Mittel so in ihrer Lage gehalten werden, daß sie sich leicht entfernen lassen, sobald die Schweißung durchgeführt ist.The weld zone is preferably on the outside of the pipe ends surrounded by a chamber which, during the welding process, is filled with an inert gas, such as argon, and thus serves to remove the in to keep oxygen contained in the ambient air away; this is particularly so expedient if the tubes are made of a metal that when heated the welding temperature is easily oxidized. This chamber can be shown schematically in FIG indicated manner, for. B. in the form of two insulating annular Housing parts 22 and 23 with supply lines 24 and outlet lines 25 for the inert Gas. These housing parts can of course each comprise two halves and through Means not shown here are kept in their position so that they can be easily have it removed as soon as the weld has been carried out.

Die vorstehend beschriebenen mechanischen Teile und die dafür vorgesehenen Unterstützungen lassen sich natürlich je nach Form und Größe der zu verschweißenden Rohre sowie unter Berücksichtigung anderer Faktoren wie der Zweckmäßigkeit und Wirtschaftlichkeit in der verschiedensten Weise ausbilden; Fig. 1 veranschaulicht in schematischer Darstellung die wesentlichen Teile und ihr Zusammenwirken.The mechanical parts described above and those intended for them Supports can of course be changed depending on the shape and size of the to be welded Pipes, as well as taking into account other factors such as expediency and economy train in various ways; Fig. 1 illustrates in schematic Representation of the essential parts and their interaction.

Gemäß der Erfindung sind, wie bereits angedeutet, vorzugsweise Mittel vorgesehen, um den Heizstrom im richtigen Augenblick selbsttätig abzuschalten oder ihn wenigstens abzuschwächen, um zu gewährleisten, daß die Erhitzung in der gewünschten Weise fortgesetzt wird. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise die Bewegung ausgenutzt, mit der sich die Rohrenden einander nähern, wenn sie erhitzt werden und sich dabei erweichen. Mit anderen Worten, wenn das Metall längs der gewünschten Schweißzone über die ganze Wandstärke der Rohre auf die Schweißtemperatur erhitzt wird, erfolgt eine gewisse Erweichung des Metalls, so daß die Druckzylinder die Rohrenden längs einer kurzen Strecke aufeinander zu bewegen, und wenn dies eintritt, kann man eine beliebige bekannte geeignete elektrische Steuereinrichtung benutzen, um den Heizstrom genau im richtigen Augenblick abzuschalten, so daß sich die Stauchung der Schweißstelle auf die Außenseite der Rohrenden beschränkt, d. h., die Erhitzung wird unterbrochen, bevor an der Innenseite der Rohre eine bemerkbare Stauchung erfolgt. Bei der in Fig.1 gezeigten Anordnung ist z. B. ein Mikroschalter 30 an einer der Spannvorrichtungen oder deren Flansch 15 so angebracht, daß an ihm eine Betätigungsstange 31 angreifen kann, die an dem entsprechenden Teil der anderen Spannvorrichtung z. B. in der bei 32 angedeuteten Weise mit Hilfe eines Gewindeabschnitts und zwei Muttern einstellbar befestigt ist. Die Betätigung des Mikroschalters 30 kann dann z. B. dazu dienen, ein Relais 33 zu betätigen, durch das die Stromversorgung des Hochfrequenzgenerators unterbrochen wird. Die Stellung der Betätigungsstange 31 kann durch Versuche ermittelt werden, um zu erreichen, daß der Mikroschalter im richtigen Augenblick betätigt wird.According to the invention, as already indicated, means are preferably used provided to automatically switch off the heating current at the right moment or at least to weaken it in order to ensure that the heating is at the desired level Way is continued. For this purpose, the Move exploited, with which the pipe ends approach each other when they are heated and soften in the process. In other words, if the metal is along the desired length Welding zone heated to the welding temperature over the entire wall thickness of the pipes there is a certain softening of the metal, so that the printing cylinder the Move pipe ends towards each other a short distance, and when this occurs, any known suitable electrical control device can be used, to switch off the heating current at exactly the right moment, so that the compression the weld is limited to the outside of the pipe ends, d. i.e., the heating is interrupted before a noticeable compression occurs on the inside of the pipes. In the arrangement shown in Figure 1, for. B. a microswitch 30 on one of the Clamping devices or their flange 15 attached so that an operating rod on it 31 can attack that on the corresponding part of the other jig z. B. in the manner indicated at 32 with the aid of a threaded portion and two nuts is adjustable attached. The actuation of the microswitch 30 can then, for. B. serve to actuate a relay 33 through which the power supply of the high frequency generator is interrupted. The position of the actuating rod 31 can be determined through experiments to ensure that the microswitch is actuated at the right moment will.

Damit die Schweißung in der oben angedeuteten erfindungsgemäßen Weise durchgeführt wird, sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen, die im folgenden behandelt werden.So that the welding in the above-indicated manner according to the invention various factors must be taken into account, as follows be treated.

Der erste Faktor ist durch den Durchmesser des Rohres gegeben. In der Mehrzahl der Fälle kann man annehmen, daß der Rohrdurchmesser im Vergleich zur Wandstärke derRohre groß ist, so daß man die beiden Stoßkanten der Rohrenden mathematisch im wesentlichen so betrachten kann, als ob es sich um die Kanten flacher Platten oder Streifen handelte. Der Rohrdurchmesser beeinflußt die insgesamt benötigte, in Kilowatt anzugebende Leistung, jedoch nicht die Energiedichte, die in kW/cm2 angegeben wird.The first factor is given by the diameter of the pipe. In In the majority of cases it can be assumed that the pipe diameter is compared to the Wall thickness of the pipes is large, so that you can mathematically the two abutting edges of the pipe ends can be seen essentially as if they were the edges of flat plates or strip acted. The pipe diameter influences the total required Power to be specified in kilowatts, but not the energy density, which is in kW / cm2 is specified.

Neben der Wandstärke muß man außerdem noch die Frequenz des Heizstroms, die Energiedichte und die Erhitzungsdauer berücksichtigen. Diese vier veränderlichen Größen hängen voneinander ab und müssen gemeinsam betrachtet werden. Um die Erfindung in der zweckmäßigsten Weise anzuwenden, sind diese Größen so zu wählen, daß dann, wenn die Schweißtemperatur der Rohrenden erreicht ist, der Temperaturunterschied zwischen den Außen- und Innenflächen der Rohre ausreicht, um zu gewährleisten, daß der Druck zwischen den Rohrenden die gewünschte Stauchung nach außen und nicht in einem bemerkbaren Ausmaß nach innen bewirkt, und zwar in dem Zeitpunkt, in welchem der Heizstrom abgeschaltet wird. Die bei der Entwicklung der Erfindung durchgeführten Versuche haben gezeigt, daß sich dies im Gegensatz zu dem, was man normalerweise erwarten müßte, in überraschend guter Weise durchführen läßt. In einem typischen Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem einwandfreie Ergebnisse erzielt wurden, betrug der Rohrdurchmesser etwa 180 mm und die Wandstärke etwa 6,5 mm, und als Stromquelle wurde ein Generator von 40 kW benutzt, der eine Frequenz von etwa 9600 Hz lieferte; die Erhitzung der Rohrenden wurde nach 55 bis 65 Sekunden unterbrochen, und der Druck zwischen den sich berührenden Stirnflächen der Rohre betrug etwa 210 kgjcm2. Bei einer derart schnellen Erhitzung und unter Verwendung eines Stroms der genannten Frequenz lassen sich die Rohrenden über ihre gesamte Wandstärke auf eine geeignete Temperatur bringen, bei der die Entstehung einer gut geschmiedeten Schweißung gewährleistet ist; hierbei unterscheiden sich jedoch dieTemperaturen der inneren und der äußeren Teile der Rohrwandungen, d. h., die Temperatur der äußeren Teile ist um etwa 55 bis etwa 110° C höher als diejenige der inneren Teile, wenn die Erhitzung unterbrochen wird.In addition to the wall thickness, the frequency of the heating current, the energy density and the heating time must also be taken into account. These four variable quantities are interdependent and must be considered together. In order to use the invention in the most expedient manner, these quantities are to be selected so that, when the welding temperature of the pipe ends is reached, the temperature difference between the outer and inner surfaces of the pipes is sufficient to ensure that the pressure between the pipe ends caused desired compression outwards and not to a noticeable extent inwards, namely at the point in time in which the heating current is switched off. The tests carried out during the development of the invention have shown that this can be carried out in a surprisingly good manner, contrary to what one would normally expect. In a typical application of the method according to the invention, in which perfect results were achieved, the pipe diameter was about 180 mm and the wall thickness about 6.5 mm, and a generator of 40 kW was used as the power source, which delivered a frequency of about 9600 Hz; the heating of the pipe ends was discontinued after 55 to 65 seconds, and the pressure between the contacting end faces of the pipes was about 210 kg / cm 2. With such rapid heating and using a current of the frequency mentioned, the pipe ends can be brought to a suitable temperature over their entire wall thickness at which the formation of a well forged weld is ensured; here, however, the temperatures of the inner and outer parts of the pipe walls differ, that is, the temperature of the outer parts is about 55 to about 110 ° C higher than that of the inner parts when the heating is stopped.

Es sei bemerkt, daß die Frequenz des Heizstroms genügend hoch sein soll, damit der sogenannte Skineffekt des in den Rohrenden induzierten hochfrequenten Stroms ausreicht, um eine erheblich höhere Dichte des induzierten Stroms in den äußeren Flächenteilen gegenüber den inneren Flächenteilen hervorzurufen. Dies läßt sich an Hand der graphischen Darstellungen in Fig.3 bis 5 veranschaulichen. Fig.3 zeigt eine in willkürlichen Einheiten aufgetragene Kurve für den Fall einer zu erhitzenden, sehr dicken Platte oder Wand aus Metall oder für den Fall, daß die Frequenz sehr hoch ist und z. B. in der Größenordnung von 100 bis 450 kHz liegt, wie es beim Schweißen von Stahlrohren der Fall sein könnte, wenn die Wandstärke nicht zu groß ist. Man erkennt, daß sich an der Außenfläche eine hohe Dichte des induzierten Stroms ergibt und daß die Stromdichte bei zunehmender Tiefe unterhalb der Außenfläche schnell abfällt, wenn die Frequenz hoch ist und eine erhebliche Wandstärke oder Dicke gegeben ist. Von einer bestimmten Tiefe ab könnte sich beim Arbeiten mit so hohen Frequenzen die Temperatur der Innenwand; wenn überhaupt, nur infolge der Fortleitung von Wärme durch das Metall der Rohrwand erhöhen.It should be noted that the frequency of the heating current must be high enough should, so that the so-called skin effect of the high-frequency induced in the pipe ends Sufficient current to generate a considerably higher density of the induced current in the cause outer surface parts compared to the inner surface parts. This leaves are illustrated by the graphic representations in FIGS. 3 to 5. Fig. 3 shows a curve plotted in arbitrary units for the case of one to be heated, very thick plate or wall of metal or in case the frequency is very high is high and z. B. is on the order of 100 to 450 kHz, as is the case with welding of steel pipes could be the case if the wall thickness is not too great. Man recognizes that there is a high density of the induced current on the outer surface and that the current density increases rapidly with increasing depth below the outer surface drops off when the frequency is high and given significant wall thickness or thickness is. From a certain depth onwards this could happen when working with such high frequencies the temperature of the inner wall; if at all, only as a result of the dissipation of heat increase through the metal of the pipe wall.

Fig.4 veranschaulicht einen erwünschten Fall mit mittleren Bedingungen, der ein typisches Beipiel für die zweckmäßige Anwendung der Erfindung darstellt. In diesem Falle sind die Frequenz des Stroms und die Wandstärke derart, daß der Strom bei erheblicher Wärmeentwicklung innerhalb der gesamten Wandstärke des Rohres fließt, wobei jedoch die Stromdichte an der Außenfläche bemerkbar größer ist als an der Innenfläche. Die Geschwindigkeit der Erhitzung an einem beliebigen Punkt innerhalb des Metalls richtet sich nach dem Ouadrat der Stromdichte, und bei Rohren mit normaler Wandstärke kann man die Frequenz, die Einwirkungsdauer und die zur Erhitzung verwendete Leistung so wählen, daß die Stromdichte in der aus Fig. 4 ersichtlichen Weise sowohl in den inneren als auch in den äußeren Teilen der Wandung genügend groß ist, um das Material auf die Schweißtemperatur zu bringen, wobei sich jedoch ein ausreichender Temperaturunterschied zwischen den inneren und äußeren Teilen der Rohre einstellt, so daß die inneren Teile nicht so stark erweicht werden, daß eine Stauchung des Metalls nach innen erfolgt.Fig. 4 illustrates a desired case with medium conditions, which is a typical example of the proper application of the invention. In this case, the frequency of the current and the wall thickness are such that the Electricity with considerable heat development within the entire wall thickness of the pipe flows, but the current density on the outer surface is noticeably greater than on the inner surface. The rate of heating at any point inside the metal depends on the square of the current density, and in the case of pipes with normal wall thickness you can determine the frequency, the duration of action and the for Select heating power used so that the current density can be seen in FIG Sufficiently in both the inner and outer parts of the wall is large in order to bring the material up to the welding temperature, whereby however a sufficient temperature difference between the inner and outer parts adjusts the pipes so that the inner parts are not softened so much that the metal is compressed inwards.

Fig. 5 veranschaulicht einen extremen Fall, bei dem die Frequenz zu niedrig sein würde oder bei dem die Wandstärke der Rohre so gering ist, daß sich die Erfindung nicht mit Erfolg anwenden läßt. In einem solchen Fall ist die Stromdichte innerhalb des gesamten Materialquerschnitts im wesentlichen gleichmäßig, so daß der Unterschied der Geschwindigkeit, mit der die inneren und äußeren Flächen erhitzt werden, zu klein ist und man keinen Einfluß darauf hat, in welcher Richtung die Stauchung des Materials erfolgt.Fig. 5 illustrates an extreme case where the frequency increases would be low or in which the wall thickness of the tubes is so small that the invention can not be used with success. In such a case the current density is within the entire material cross-section substantially uniformly, so that the difference in the rate at which the inner and outer surfaces heat is too small and you have no control over the direction in which the Compression of the material takes place.

Es liegt auf der Hand, daß die Erhitzungszeit, die Wandstärke und die Energieentwicklung in den Werkstücken in einer solchen gegenseitigen Beziehung stehen müssen, daß dem Material eine ausreichende, in Wärmeeinheiten gemessene Wärmemenge zugeführt wird, um die bekannte Beziehung zwischen dem Wärmeinhalt des Materials, der spezifischen Wärme und dem mittleren Temperaturanstieg zu befriedigen.It is obvious that the heating time, the wall thickness and the energy development in the workpieces in such a mutual relationship stand must ensure that the material has a sufficient amount of heat, measured in thermal units is supplied to establish the known relationship between the heat content of the material, the specific heat and the mean temperature rise.

Fig. 6 zeigt in willkürlichen Einheiten aufgetragene Kurven, die die Temperaturen der Außen- und Innenflächen nach verschiedenen Erhitzungszeiten angeben. Hier ist ein Fall dargestellt, in dem eine etwas fehlerhafte Beziehung zwischen der Erhitzungsdauer, der Wandstärke, der Frequenz und der entwickelten Energie besteht. In Fig. 6 ist der Bereich der Schweißtemperatur durch die schraffierte Fläche W angedeutet. Im vorliegenden Fall wird die Außenfläche auf eine so hohe Temperatur gebracht, daß sich keine gute Schweißung erzielen läßt, und zwar bevor die Innenfläche eine ausreichende Schweißtemperatur erreicht hat. Mit anderen Worten, die Kurven in Fig. 6 zeigen, daß die Frequenz des Stroms bei der Entwicklung einer bestimmten Leistung, z. B. bei einer gegebenen Wandstärke, zu hoch ist, so daß sich ein zu großer Temperaturunterschied einstellt und daß möglicherweise die Erhitzungszeit zu kurz ist; dies könnte auch dann der Fall sein, wenn die Energiedichte an der Außenfläche zu hoch ist oder wenn die Wandstärke im Hinblick auf die Wahl der übrigen Faktoren zu groß ist.Fig. 6 shows curves plotted in arbitrary units representing the Indicate the temperatures of the outer and inner surfaces after different heating times. Here is a case where there is a somewhat flawed relationship between the heating time, the wall thickness, the frequency and the energy developed. In FIG. 6, the range of the welding temperature is indicated by the hatched area W indicated. In the present case, the outer surface is at such a high temperature brought that a good weld can not be achieved before the inner surface has reached a sufficient welding temperature. In other words, the curves in Fig. 6 show that the frequency of the current in the development of a certain Performance, e.g. B. at a given wall thickness, is too high, so that a too large temperature difference sets and that possibly the heating time is too short; this could also be the case if the energy density is at the External surface is too high or if the wall thickness in view of the choice of the rest Factors is too great.

Fig. 7 zeigt die Ergebnisse einer richtigen Wahl der vier in Frage kommenden Faktoren. Hier ist der am Ende der Erhitzung erreichte Temperaturunterschied zwischen den Innen- und Außenflächen derart, daß zum Schweißen geeignete Temperaturen innerhalb der gesamten Wandstärke erreicht werden, wobei gleichzeitig die Außenfläche ausreichend wärmer ist, so daß sie weicher ist als die Innenfläche und die Stauchung im wesentlichen ausschließlich nach außen erfolgt.Fig. 7 shows the results of a correct choice of the four in question coming factors. Here is the temperature difference reached at the end of the heating between the inner and outer surfaces such that temperatures suitable for welding can be achieved within the entire wall thickness, while at the same time the outer surface is sufficiently warmer that it is softer than the inner surface and the upset takes place essentially exclusively to the outside world.

Fig.8 veranschaulicht die Arbeitsbedingungen für den Fall, daß der Temperaturunterschied zwischen den Außen- und Innenflächen zu niedrig ist. Dies könnte Rohrdurchmesser Wandstärke Druck Generatorleistung Bewegung- Erhitzungsdauer an den Stoßflächen etwa stredie mm mm kg/cm2 kw mm Sekunden 177 6,4 210 40 7,6 60 254 12,7 210 30 7,6 240 177 3,2 210 80 7,6 15 Wenn man die Angaben dieser Tabelle als Anhalt benutzt, kann man die richtige Wahl der verschiedenen Faktoren leicht für andere Rohrabmessungen, andere Werte des Generators usw. im Wege der Interpolation sowie mit Hilfe von Schätzungen und Versuchen treffen.Fig. 8 illustrates the working conditions in the event that the temperature difference between the outer and inner surfaces is too low. this could Pipe diameter Wall thickness Pressure Generator power Movement - heating time about stredie at the abutment surfaces m m mm kg / cm2 kw mm seconds 177 6.4 210 40 7.6 60 254 12.7 210 30 7.6 240 177 3.2 210 80 7.6 15 Using the information in this table as a guide, it is easy to make the right choice of the various factors for other pipe dimensions, other values of the generator, etc. by means of interpolation and with the help of estimates and tests.

Zwar wurde in Verbindung mit den obigen Beispielen eine Frequenz von 9600 bis 10 000 Hz angegeben, doch sei bemerkt, daß man auch in manchen Fällen mit niedrigeren Frequenzen arbeiten kann, wie man sie gelegentlich bei der Induktionserhitzung anwendet, und zwar insbesondere bei größerer Wandstärke der Rohre. In anderen Fällen dagegen, insbesondere dann, wenn die Rohrwände verhältnismäßig dünn sind, kann man mit erheblich höheren Frequenzen bis zu 50 000 oder 100 000 Hz oder noch darüber hinaus arbeiten, solange sich das Material über die ganze Wandstärke auf die Schweißtemperatur erhitzen läßt; hierbei muß jedoch der Temperaturunterschied zwischen den äußeren und inneren Teilen der Rohrwände ausreichen, um zu gewährleisten, daß die Stauchung bei der vorgedurch eine beliebige Kombination der nachstehenden Faktoren herbeigeführt sein: zu niedrige Frequenz, zu geringe Energiedichte und infolgedessen zu lange Erhitzungszeit oder im Hinblick auf andere Faktoren zu geringe Wandstärke. Bei ,einer Erhitzung entsprechend Fig. 8 würde innerhalb der gesamten Rohrwand eine im wesentlichen gleichmäßige Temperatur herrschen, und die Stauchung würde sowohl nach innen als auch nach außen erfolgen.In connection with the above examples, a frequency of 9600 to 10,000 Hz is given, but it should be noted that in some cases with lower frequencies, such as those occasionally found in induction heating applies, especially when the wall thickness of the pipes is greater. In other cases on the other hand, especially if the pipe walls are relatively thin, you can with considerably higher frequencies up to 50,000 or 100,000 Hz or even more also work as long as the material reaches the welding temperature over the entire wall thickness lets heat; here, however, the temperature difference between the outer and inner parts of the pipe walls are sufficient to ensure that the upsetting when brought about by any combination of the following factors be: frequency too low, energy density too low and as a result too long Heating time or insufficient wall thickness for other factors. At a Heating according to FIG. 8 would be essentially one within the entire pipe wall uniform temperature prevail, and the upsetting would both inwardly also be done externally.

Bei dem weiter oben angeführten Beispiel, bei dem die Leistungsabgabe des Generators mit 40 kW angegeben wurde, umfaßt diese Angabe nicht nur diejenige Leistung, durch welche das Material der Werkstücke in der Schweißzone erhitzt wird, sondern auch die Verluste durch Abstrahlung von den Innen- und Außenflächen, die Verluste infolge der Ableitung von Wärme in Richtung der Achsen der Werkstücke sowie die elektrischen Verluste in der Induktionsspule, den Zuleitungen, dem Transformator, den Kondensatoren usw. Diese Verluste richten sich natürlich nach den jeweiligen Eigenschaften der benutzten Anordnung. Zwar kann man die zweckmäßigsten Beziehungen zwischen Erhitzungsdauer, Wandstärke, Frequenz des Stromes und entwickelter Energie auf mathematischem Wege abschätzen, wenn man die verschiedenen Verluste und sonstige Bedingungen berücksichtigt, doch hat es sich gezeigt, daß in der Praxis solche mathematischen Berechnungen nicht erforderlich sind, denn die richtige Wahl der verschiedenen Faktoren läßt sich für bestimmte Verhältnisse ziemlich leicht und schnell durch Versuche ermöglichen, und wenn der erste Versuch nicht zu optimalen Ergebnissen führt, kann man unter Berücksichtigung der vorstehend behandelten Faktoren schnell die erforderlichen Berichtigungen vornehmen. In der nachstehenden Tabelle sind brauchbare Beziehungen zwischen den verschiedenen Faktoren für drei typische Anwendungsbeispiele zusammengestellt, bei denen mit einer Frequenz von etwa 10 000 Hz gearbeitet wurde. sehenen Erhitzungsdauer und dem aufgebrachten Druck ganz oder im wesentlichen in der gewünschten Richtung erfolgt. Zwar wurde bezüglich der erwähnten Beispiele davon gesprochen, daß auf die Stoßflächen ein Druck von etwa 210 kg/cm2 aufgebracht wird, doch kann man diesen Druck auch variieren, denn bei manchen Metallen läßt sich eine gut geschmiedete Schweißung auch mit einem geringeren Druck erzielen, während es bei anderen Metallen je nach ihrem Behandlungszustand und der daher erforderlichen Schweißtemperatur notwendig sein kann, beim Schweißen einen etwas höheren Druck aufzubringen.In the example given above, in which the power output of the generator was specified as 40 kW, this specification does not only include the one Power through which the material of the workpieces is heated in the welding zone, but also the losses due to radiation from the internal and external surfaces that Losses due to the dissipation of heat in the direction of the axes of the workpieces as well the electrical losses in the induction coil, the supply lines, the transformer, the capacitors etc. These losses depend of course on the respective Properties of the arrangement used. True, one can have the most expedient relationships between heating time, wall thickness, frequency of the current and the energy generated estimate mathematically, considering the various losses and other Conditions taken into account, but it has been shown that in practice such mathematical Calculations are not required because the right choice of various factors can for certain conditions be quite easily and quickly carried out through experiments allow, and if the first attempt does not produce optimal results, can one can quickly find the ones required, taking into account the factors discussed above Make corrections. In the table below are useful relationships compiled between the various factors for three typical application examples, where a frequency of about 10,000 Hz was used. see heating time and the applied pressure wholly or substantially in the desired direction he follows. With regard to the examples mentioned, it was mentioned that on A pressure of about 210 kg / cm2 is applied to the abutment surfaces, but this can be done Also vary the pressure, because with some metals a well-forged one can be used Welding can also be achieved with a lower pressure than other metals depending on the state of treatment and the required welding temperature It may be necessary to apply a slightly higher pressure when welding.

Es sei bemerkt, daß man bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen noch weitere Abänderungen und Abwandlungen vorsehen kann. ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.It should be noted that in the above-described embodiments can provide for further changes and modifications. without the scope of the invention to leave.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Process for inductive pressure butt welding of metal pieces, characterized in that the bulge formation on one side through this prevents it from having such a high frequency and power inductively on the other hand that is heated throughout, by the onset the upsetting movement, in particular automatically, interrupted welding process Temperature gradient in the order of 40 to 100 ° C between the lowest welding temperature on the one hand, the metal pieces in the plastic state of the material and the increased Temperature on the other side of the metal pieces when the material is almost in a liquid state is maintained.

2. The method according to claim 1, characterized by its Application to the pressure butt welding of pipes in such a way that the inner edge zone each annular joint surface is less heated than the outer edge zone and as a result, the bulging of the metal at the weld seam essentially to the outer edge zone is limited.

3. The method according to claim 2, characterized in that that the movement of the pieces of metal towards one another is used for the heating causing current to automatically interrupt before the metal in a significant Extent has been upset towards the inside of the tubes.

4. Procedure according to Claim 2 or 3, characterized in that the heating is interrupted, before the outer portions of the abutting pipe ends are substantially melted and before the metal is upset towards the inside of the tubes, so that the upsetting of the weld on the inside of the pipes is only negligible small extent takes place.

5. Device by means of which opposite one another Ends of two pieces of metal connected to one another by means of butt welding can be, wherein the compression of the weld at least substantially occurs only on one of the surfaces of the welding zone, the device means to hold the two pieces of metal so that they are along those Touch the line on which the weld is to be made, and also means to hold the holding means to move towards each other with a predetermined pressure applied so that the pieces of metal are pressed against each other, an induction coil that is in a small distance from the welding zone is arranged around the metal at the welding zone to be heated by electromagnetic induction, as well as one to the induction coil source to be connected for a high-frequency heating current, characterized in that that switch means are provided to enable the supply of power from the power source to interrupt the induction coil, and that means are provided that at a predetermined relative movement of the metal pieces towards one another under the influence the mentioned pressure during the heating and the softening that takes place of the metal at the welding zone are operated to operate the switch mentioned, so that the induction heating is interrupted.

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the means for holding the metal pieces are shaped so that they enable the clamping and holding of pipe sections, that the means for applying pressure comprise cylinders actuated by a pressure medium and that the induction heating coil is so arranged is that it surrounds the pipe ends pressed against each other at a small distance. Documents considered: German Patent No. 701275; U.S. Patent Nos. 2,415,912, 2,730,599.