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Verfahren zum Längsschweißen von Rohren Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zum Längsschweißen von Rohren unter Anwendung von Hochfrequenzstrom zum
Erhitzen der Schweißränder.
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Zum Längsschweißen von Rohren ist es bereits bekannt, den zur Herstellung
des Rohres dienenden Rohrmantel unter Offenhaltung eines seine Lage beibehaltenden
V-förmigen Schlitzes gegenüber ortsfest angeordneten Kontaktgliedern vorwärts zu
bewegen und den Rändern des Schlitzes, die an dessen Spitze durch den Druck von
am Umfang des Rohrmantels angreifenden Druckrollen in gegenseitiger Berührung gehalten
werden, mittels der Kontaktglieder Hochfrequenzstrom zuzuführen, der von den Kontaktgliedern
an den Schlitzrändern entlang zu der den Schweißpunkt bildenden Spitze des Schlitzes
hin- und zurückfließt. Es ist auch bekannt, dieses Verfahren zum Längsschweißen
von Rohren aus Aluminium in der Weise anzuwenden, daß die Vorschubgeschwindigkeit
des Rohrmantels mindestens 12 min der Minute beträgt und der Heizstrom eine Frequenz
bis zu 350 bis 400 kHz aufweist.
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Durch die Erfindung soll dieses bekannte Verfahren so gestaltet werden,
daß es auch zum Längsschweißen von Rohren anwendbar ist, die aus Kupfer bestehen
und insbesondere einen Gehalt an reinem Kupfer von 9711/o oder mehr aufweisen. Bisher
konnten Rohre aus solchem Kupfermaterial nur in unvollkommener Weise geschweißt
werden, weil derart reines oder nahezu reines Kupfer einerseits einen solch geringen
elektrischen Widerstand bietet, daß es außerordentlich schwierig ist, die Schlitzränder
ohne verhältnismäßig lange Einwirkungszeit des Stromes auf die Schweißtemperatur
zu erhitzen, und andererseits die Wärmeleitfähigkeit von solchem Kupfer so groß
ist, daß jede Verlängerung der Einwirkungszeit eine erhebliche und so schnelle Ableitung
der an den Schweißkanten erzeugten Wärme in andere Bereiche des Rohrmantels hervorruft,
daß die Schweißkanten praktisch erst dann auf Schweißtemperatur erhitzt werden,
wenn auch das an sie anschließende Kupfermaterial auf diese Temperatur erhitzt ist.
Das bedeutet aber, daß sich unmittelbar hinter den Schweißkanten kein festes, sondern
durch die Hitze erweichtes, nachgiebiges Material befindet, so daß ein festes Zusammenpressen
der Schweißkanten, wie es für eine einwandfreie Verschweißung erforderlich ist,
nicht stattfinden kann.
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Diese Schwierigkeiten werde gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch
überwunden, daß der Hochfrequenzstrom den Schlitzrändern an einer kurz vor dem Schweißpunkt
noch im unmittelbaren Bereich der Druckrollen gelegenen Stelle mit einem bei größtmöglichem
Spitzenwinkel des Schweißschlitzes zur Anbringung der Kontaktglieder gerade noch
möglichen kürzesten Abstand von dem Schweißpunkt zugeführt wird und hierdurch die
Länge und Tiefe des auf Schweißtemperatur zu erhitzenden Bereiches der Schlitzränder
sowie in Verbindung mit der großen Vorschubgeschwindigkeit des Rohrmantels die Einwirkzeit
des Hochfrequenzstromes aufs Äußerste verringert werden.
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Auf diese Weise und in Verbindung mit weiteren, in der nachfolgenden
Beschreibung erläuterten Merkmalen der Erfindung ist es ohne weiteres möglich, auch
Rohre, die aus Kupfer äußerst hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen, einwandfrei
durch Längsschweißung herzustellen, wobei nicht nur eine gute Schweißung, sondern
eine Schweißung von nicht vorhersehbarer und überraschend hoher Qualität erreicht
wird und die eigentliche Schweißnaht auch nach dem zum Sichtbarmachen der Kornstruktur
üblicherweise angewendeten Ätzen entsprechender Querschnittszonen und bei wesentlicher
Vergrößerung nicht erkennbar ist. Dabei sind die Zugfestigkeit der Schweißung sowie
die Dehnbarkeit der geschweißten Zone und die Widerstandsfestigkeit gegen Brüche
und Risse ebenso groß wie in den anderen, nicht geschweißten Zonen des Rohres, vorausgesetzt,
daß
das Rohr eine gleichmäßige Wandstärke hat.
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Die Erfindung ist nachstehend in Verbindung mit der Zeichung näher
erläutert. In. dieser zeigt Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht einer bevorzugten
Ausführungsform einer zum Schweißen von Kupferrohren gemäß der Erfindung dienenden
Einrichtung, Fig. 2 einen Teilschnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1, Fig.3 die Ansicht
einer Ausführungsform eines Kontaktgliedes für die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung,
Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 der Fig. 1 und Fig. 5, 6 und 7 mikrophotographische
Aufnahmen von in der Nähe der Schweißnaht liegenden geätzten Querschnittsteilen
von geschweißten Rohren nach der Erfindung.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung ist mit 10 ein Rohrmantel
bzw. ein zu schweißendes und teilweise bereits geschweißtes Rohr aus Kupfer bezeichnet,
das beim Schweißen in Richtung der eingezeichneten Pfeile mit einer großenVorschubgeschwindigkeit
von mindestens 12 m in der Minute vorwärts bewegt wird und aus einem Kupferband
der erwähnten hohen Leitfähigkeit oder aus einem solchen Kupferstreifen oder einer
Kupferplatte mittels einer Rohrwalze oder einer ähnlichen bekannten Einrichtung
zu einem etwa rohrförmigen Gebilde geformt ist, dessen Längsränder infolge der Wirkung
der Druckrollen 12, 13 beim Schweißpunkt W miteinander in Berührung gebracht werden
und vor dem Schweißpunkt W einen in diesem endigenden V-förmigen Schlitz 11 einschließen.
Kurz vor dem Schweißpunkt W sind Kontaktglieder 14, 15 angeordnet, die in Berührung
mit den gegenüberliegenden Schlitzrändern sind und an eine Hochfrequenz-Stromquelle
angeschlossen sind. Der anzuwendende Strom hat vorzugsweise eine Frequenz in der
Größenordnung von 100 kHz oder höher, beispielsweise 350 oder 400 kHz, und fließt
jeweils von den beiden Kontaktgliedern nach dem Schweißpunkt W und zurück. Der Hauptanteil
des Stromes geht dabei dicht an den Längsflächen der sich einander nähernden Schlitzränder
entlang und erhitzt das Metall des Rohres nur auf eine sehr geringe Tiefe in der
Größenordnung eines Bruchteiles eines tausendstel Zolls auf die erforderliche Schweißtemperatur,
und zwar so, daß die Schweißtemperatur gerade an der Berührungsstelle der Schlitzränder
erreicht ist. Das unmittelbar hinter der Längsfläche der Schlitzränder liegende
Metall bleibt dabei in fester Form, so daß die Schlitzränder ohne Verformung und
Knickung des Metalles hinter den Berührungsflächen fest zusammengepreßt werden können.
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In dem Rohr 10 können Mittel angeordnet sein, die verhindern, daß
der Stromfiuß zwischen den beiden Kontaktgliedern 14, 15 in der Umfangsrichtung
des Rohres 10 stattfindet. Derartige Mittel sind z. B. in der USA.-Patentschrift
2 833 910 offenbart und können aus einem Kern in Form einer Stange 17 od. dgl. aus
einem ferromagnetischen, aber im wesentlichen isolierenden Material bestehen. Vorzugsweise
kann das Material, wie in der genannten Patentschrift offenbart, unter anderem beispielsweise
ein unter der Handelsbezeichnung »Ferramic« bekanntes Kernmaterial der Firma General
Ceramics and Steatite Corp enthalten. Dieses Material ist elektrisch nichtleitend
und hat einen Curie-Punkt von etwa 93 bis 9.50° C. Damit gewährleistet ist, daß
das Material nicht über seinen Curie-Punkt erhitzt wird, was für das Schweißen von
Kupferrohren hoher Leitfähigkeit wichtig ist, soll der Kern 17 ständig gekühlt werden.
Das kann dadurch erfolgen, daß er in einer Isolierkammer 18 angeordnet wird, durch
die über die Leitung 20 Kühlflüssigkeit 19 eingeleitet wird.
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Zur genauen Führung der Schlitzränder des Rohres 10 beim Vorwärtsbewegen
ist bei 21 eine Randführung angeordnet, die entsprechend der USA:-Patentschrift
2 818 489 ausgebildet sein kann.
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Die beschriebene Einrichtung ist dadurch zum Längsschweißen von Rohren
aus Kupfer hoher Leitfähigkeit geeignet gemacht, daß zunächst die Ränder des V-förmigen
Schlitzes vor dem Schweißpunkt W mit einem wesentlich größeren Winkel divergieren
als beim Längsschweißen von Rohren aus anderem Metall. Ein derartig großer Winkel
kann aber mit der erforderlichen Genauigkeit nicht eingehalten werden, wenn nicht
das Kupfer des Rohres etwas gehärtet ist. Im allgemeinen genügt hierzu die Härte,
die das Kupfer erhält, wenn das Bandmaterial, aus dem der Rohrmantel gebildet wird,
gewalzt wird. Bei dieser Härte ist gewährleistet, daß sich die Schlitzränder an
der Randführung nicht verbiegen oder von der gewünschten Vorschubrichtung abweichen
können, wodurch auch verhindert ist, daß sich der Schweißpunkt verschieben oder
ein »Sprüh« Effekt am Schweißpunkt entstehen kann. Weiterhin ist durch die Härte
des Materials die Bildung eines Winkels für den Schlitz in solchem Ausmaß ermöglicht,
daß der Winkel etwa 5 cm vor dem Schweißpunkt W mindestens 0,63 cm (one-quarter-inch)
weit ist. Wenn möglich, sollte aber ein noch größererWinkel erreicht werden. Gewalztes
Kupfermaterial besitzt außer einer genügenden Härte, die der sogenannten »Viertel-Härte«
oder mehr entspricht, den Vorteil, daß es mit genau gleichbleibender Dicke zur Verfügung
steht und daher bei seiner Anwendung zur Herstellung von Rohren durch Längsschweißen
z. B. im Gegensatz zur Herstellung von Kupferrohren durch Strangpressen eine gleichmäßige
Wandstärke ergibt.
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Weiterhin ist das Längsschweißen von Rohren aus Kupfer hoher Leitfähigkeit
gemäß der Erfindung dadurch ermöglicht, daß den Schweißrändern auf eine äußerst
kurze Länge durch den Hochfrequenzstrom eine ungewöhnlich große Wärmeenergie sehr
rasch und in wesentlich kürzerer Zeit als beim Schweißen anderer Metalle zugeführt
wird. Die verhältnismäßig große Energie ist erforderlich, weil das Kupfer, wie bereits
erwähnt, eine solch große Leitfähigkeit hat, daß die Widerstandsheizwirkung in dem
Kupfer beträchtlich geringer ist als bei den meisten anderen Metallen, auch bei
Nichteisenmetallen. Andererseits ist es wesentlich, daß die Schweißränder erst kurz
vor dem Schweißen schnellstens auf Schweißtemperatur erhitzt werden, weil sonst
die zugeführte Wärme bei der hohen Wärmefähigkeit von Kupfer zu schnell von den
Rändern abgeleitet würde oder die Ränder in. einer Tiefe erweichen würden, die ein
einwandfreies Schweißen verhindern würde.
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Aus diesen Gründen werden gemäß der Erfindung die Kontaktglieder 14,
15 wesentlich dichetr an dem Schweißpunkt angeordnet, als es sonst beim Längsschweißen
von Rohren aus anderen Metallen üblich ist. Zum Beispiel sind die Kontaktglieder
14, 15 bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen 1,7 und
2,3 cm vor dem Schweißpunkt W angeordnet. Dies ist insbesondere dadurch ermöglicht,
daß die Ränder des Schweißschlitzes infolge der Anwendung des größtmöglichen Spitzenwinkels
an dieser Stelle noch genügenden Abstand voneinander haben, um die Kontaktglieder
14, 15 einwandfrei anbringen zu können. Hierzu kann es andererseits zweckmäßig sein,
Druckrollen anzuwenden, die einen bedeutend kleineren Durchmesser haben, als es
sonst beim Längsschweißen anderer Metallrohre üblich ist. So haben die Druckrollen
12, 13 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Durchmesesr von etwa 10 cm,
damit ihre Ränder von den Kontaktgliedern 14,15 in genügendem Abstand bleiben.
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Damit die Kontaktglieder 14, 15 der dargestellten Ausführungsform
bei der erwähnten kurzen Entfernung vor dem Schweißpunkt und der gegebenen Spaltbreite
zwischen den sich nähernden Schlitzrändern eine genügende Belastbarkeit aufweisen
und in geeigneter Weise angebracht und mit Wasser gekühlt werden können, ist es
als zweckmäßig befunden worden, vorzugsweise die in Fig. 3 dargestellte Form der
Kontaktglieder anzuwenden. Hiernach besitzt das Kontaktglied einen Kontaktschuh
25 aus hitzebeständigem und verschleißfestem Metall, der an einem Haltestück 26
angelötet oder in anderer Weise befestigt ist, das wiederum von nicht dargestellten
Konsolen, Bügeln od. dgl. getragen ist. Das Haltestück 26 ist dabei, wie dargestellt,
mit Kühlkanälen 27 für den Durchlaß einer Kühlflüssigkeit versehen.
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Weiterhin ist es zum Längsschweißen von Rohren aus Kupfer großer Leitfähigkeit
nach der Erfindung zweckmäßig, Druckrollen anzuwenden, die am Rand mit Umfangsnuten
28 (vgl. Fig. 2) von halbkreisförmigem Querschnitt versehen sind und das sich vorwärts
bewegende Rohr beinahe vollständig je zur Hälfte umfassen, so daß das Rohr und alle
Teile gegen Vibrationen und Abweichungen von der gewünschten Arbeitsrichtung gesichert
sind. Zu diesem Zweck können die Druckrollen, wie aus Fig.2 ersichtlich ist, beispielsweise
so ausgebildet und angeordnet sein, daß ihre Umfangsränder, wie bei 29 gezeigt,
nur einen Abstand von etwa 3 mm haben.
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Ferner können für den Erfindungszweck infolge der Hochfrequenzstrom
führenden Teile dicht an den Druckrollen im Gegensatz zum Längsschweißen von Rohren
aus anderen Metallen keine verschleißfesten Stahldruckrollen verwendet werden, da
solche Stahlrollen infolge Induktion durch den dicht an ihnen entlanggehenden Hochfrequenzstrom
schnell überhitzt würden. Gemäß der Erfindung kann dies jedoch durch Anwendung von
Druckrollen aus Nichteisenmetall bzw. aus nichtmagnetischem Material, z. B. Aluminiumbronze,
verhindert werden.
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Für die Erfindung kann es ferner zweckmäßig sein, entsprechend der
Darstellung nach Fig. 1 einen Luftstrahl 30 anzuwenden, um den am Schmelzpunkt W
entstehenden Lichtbogen in die Spitze des V-förmigen Schlitzes zu blasen und damit
die Lage des Lichtbogens zu stabilisieren.
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Das Streben, die Schweißtemperatur aus den oben erwähnten Gründen
erst kurz vor dem Schweißpunkt zu erreichen, wird im übrigen durch die an sich bekannte
Anwendung einer großen Vorschubgeschwindigkeit unterstützt. Vorzugsweise beträgt
die Vorschubgeschwindigkeit etwa 12 m in der Minute sie kann aber in bestimmten
Fällen geringer sein und. beispielsweise nur 6 m in der Minute betragen. Im allgemeinen
soll die Höchstgeschwindigkeit gewählt werden, die mit der verwendeten Rohrwalze
erreichbar ist. Sehr gute Ergebnisse wurden bei Vorschubgeschwindigkeiten zwischen
12 und etwa 20 m in der Minute erzielt.
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Die zum Schweißen erforderliche Energie ändert sich naturgemäß mit
der Größe der Vorschubgeschwindigkeit des Rohres, Außerdem wird aber der Energiebedarf
von der Wandstärke beeinflußt. Beispielsweise wird bei einem Rohr mit einem Außendurchmesser
von 2,54 cm und einer Wandstärke von 1,3 mm ein 50-Kilowatt-Generator mit
einer Frequenz von etwa 400 kHz benötigt.
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Die Schweißung fällt dabei so gut aus, daß nach dein Abschleifen von
erhabenen Stellen der Schweißnaht, die beim Schweißen naturgemäß entstehen können,
und nach dem Glätten solcher Stellen die Schweißnaht für das menschliche Auge nicht
sichtbar ist. Fig. 5 stellt eine mikrophotographische Aufnahme eines die Schweißnaht
enthaltenden Querschnittsteiles eines gemäß der Erfindung geschweißten Rohres nach
dem Ätzen und einer etwa 30fachen Vergrößerung dar. Die Schweißnaht befindet sich
etwa an der in Fig. 5 durch Pfeile gekennzeichneten Stelle; der geätzte und vergrößerte
Querschnitt läßt aber ohne den Hinweis durch die Pfeile nicht erkennen, wo die Schweißnaht
wirklich liegt. Es kann daher von der Schweißnaht ausgesagt werden, daß sie keine
erkennbare Schicht aus geschmolzenem Metall enthält, d. h. daß die Schweißung eher
einer geschmiedeten als einer gegossenen Verbindung entspricht.
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Fig. 6 ist eine mikrophotographische Aufnahme eines anderen Querschnitts
im Bereich der Schweißnaht nach dem Ätzen und mit einer 75fachen Vergrößerung. Das
verwendete Kupfermaterial hatte in diesem Fall eine »Viertel-Härte«; als das Rohr
die Schweißeinrichtung verließ und bevor es geglüht wurde. Die Schweißnaht liegt
hier ebenfalls etwa an der durch die beiden Pfeile gekennzeichneten Stelle, ihre
tatsächliche Lage ist aber aus der Aufnahme kaum erkennbar, bzw. es sind nur an
Stellen, an denen bestimmte Körnungen beiderseits der Schweißnaht in flacher Berührung
sind, Spuren der Schweißnaht schwach erkennbar. Fig. 7 stellt ebenfalls eine mikrophotographische
Aufnahme eines Schweißbereiches nach dem Ätzen und mit 75facher Vergrößerung dar.
In diesem Fall, in dem das Rohr nach dem Schweißen geglüht wurde, ist die Lage der
Schweißnaht schwach erkennbar, es ist aber keine durchgehende Schweißnaht sichtbar,
wie es der Fall wäre, wenn in der Schweißnaht eine Schicht geschmolzenen Metalls
enthalten wäre.
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Zum Präparieren der einzelnen Querschnittsflächen nach den Fig. 5
bis 7 für die jeweilige Mikroaufnahme wurden sie mittels Ammoniumsulfat in an sich
bekannter Weise (vgl. »Metals Handbook«,1939, S.1471, 1472 - veröffentlicht durch
American Society for Metals) geätzt. Ein derartiges Ätzen dient insbesondere dazu,
die Kornunterschiede bzw. -kontakte erkennbar zu machen, die sich naturgemäß ändern,
wenn das Kupfer geglüht wird. Jedoch ergibt sich aus den Mikroaufnahmen, daß die
Schweißung sowohl ohne als auch mit anschließender Glühbehandlung eine auffallend
gute Qualität aufweist. Die Dehnbarkeit der Schweißzone und die Zugfestigkeit der
Schweißnaht sind ebenso groß wie die der ungeschweißten Zone, und mit Ausnahme der
erwähnten,
schwach erkennbaren Spuren hat die Kornstruktur in der
Schweißzone dieselbe ungleichartige bzw. heterogene Beschaffenheit bezüglich Größe,
Form und Verteilung wie die Kornstruktur in anderen Zonen.