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Verfahren zum kontinuierlichen Schweißen von Rohren oder ähnlichen
Hohlkörpern aus Bändern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen
Schweißen schnell bewegter, aus endlosen Bändern geformter Schlitzrohre oder ähnlicher
Hohlkörper durch Elektronenstrahlerhitzung.
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Eine in Anwendung befindliche Methode zur Schwedßung schnell bewegter,
aus endlosen Bändern geformter Schlitzrohre, die an der Schweißstelle durch Druckrollen
zusammengepreßt werden, benutzt für die Aufschmelzung der Schlitzrohrkanten eine
Induktionsheizung, die aber einen großen Einsatz an elektrischer Energie erfordert.
Beispielsweise werden, zum Schweißen von Rohren aus 3 mm starkem Band bei einer
Laufgeschwindigkeit von etwa 45 mlmin 600 kW Energie verbraucht. Dies erklärt sich
daraus, daß die Induktionsheizung, abgesehen von großen Streuverlusten, die Erhitzung
eines etwa 14 mm breiten Streifens am Rohrumfang auf einer Länge von etwa 1 m, im
Gefolge hat.
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Diese bekannte Schweißmethode verursacht aber auch Entmischungen im
Gefüge des Materials, die für die Schweißnaht nicht tragbar sind, so daß die jetzige
Fabrikation der Rohre auf die Verwendung von unberuhigt vergossenem, zu. Bändern
ausgewalztem Stahl angewiesen ist, bei dem die Bandkanten ja praktisch als reines
Eisen anzusehen. sind.
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Diese Mängel des bekannten Verfahrens werden bei Anwendung einer hochkonzentrierten
Wärmeübertragung durch Elektronenstrahlerhitzung vermieden, bei der nur schmale
Bezirke schnell auf Schmelztemperatur gebracht werden. Da die aneinanderstoßend'en
Schlitzkanten augenblicklich weit über die Schmelztemperatur erhitzt werden, ist
ein starker Anpreßdruck nicht erforderlich, so. daß praktisch keine Schweißgrat
entsteht, der gerade im Innern. der Rohre schwer zu entfernen ist. Weiter kann die
Schweißgeschwindigkeit infolge der extrem hohen Wärmeübertragung gerade bei linear
ausgedehnten Elektronenquellen gesteigert werden. Damit alle Punkte des Rohrschlitzes
erfaßt werden, kann die Ebene des Elektronenstrahls etwas schräg zur Schlitzkantenriehtung
eingestellt werden.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Schlitzrohre oder geschlitzten
Hohlkörper mittels Elektronenstrahlerhitzung innerhalb einer Vakuumkammer zu verschweißen,
die sie durchlaufen.
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Es ist zwar bereits bekannt, Werkstoffe innerhalb eines abgeschlossenen
Vakuumraumes, der auf einen Druck von 10-5 bis 10r4 Torr gehalten wird, mittels
Elektronenstrahlerhitzung zu schweißen. Doch lassen sich diese bekannten Methoden
nicht mit dein neuen Vorschlag vergleichen, da es bei letzterem gar nicht möglich
ist, einen abgeschlossenen Hochvakuumraum herzustellen. Das bewegte Schlitzrohr
enthält nicht nur Luft von Atmosphärendruck sondern führt diese auch immer wieder
neu heran. Auch würde das Durchlaufen einer abgeschlossenen Vakuumkammer nicht erlauben,
diese auch bei Auswahl bester Dichtungsmanschetten auf Hochvakuum zu halten.
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Andererseits sollen die Schlitzkanten von einem Elektronenstrahl getroffen
werden, der nur in einem Hochvakuum erzeugt und weitergeleitet werden kann.
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Diese technische Situation ist neu und ungewöhnlich; zu ihrer Beherrschung
sind demgemäß auch ungewöhnliche Mittel erforderlich, zumal die Glühkathode als
Qulle der Elektronen diese nicht nur kurzzeitig emittieren soll, sondern auch eine
lange Lebensdauer bei voller Emission im Dauerbetrieb haben muß.
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Zur Bewältigung der vakuumtechnischen Schwierigkeiten beim urgang
von Atmosphärendruck auf Hochvakuum wird von dem, bekannten vakuumtechnischen Prinzip
der notwendigen Verbindung von Vorvakuum- und Hochvakuumräumen erfindungsgemäß in.
der Art Gebrauch gemacht, d'aß zwischen Rohr und Glühkathode entlang des Elektronenstrahls
Luftpumpen verschiedener Wirkungsart in Abständen voneinander eingesetzt werden,
um eine kontinuierliche Druckabnahme bis zur Kathode zu erreichen. So wird z. B.
ein erstes. Vorvakuum erfindungsgemäß
dadurch hergestellt, daß innerhalb
des sich bewegenden Rohres ein feststehender Saugstutzen, der mit einer Vorvakuumpumpe
verbunden ist, angeordnet wird, der zusammen mit zwei Dichtungsmanschetten einen
luftverdünnten Raum .erzeugt und abteilt. Weitere Pumpen innerhalb der Vakuumkammer
schließen sich an.
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Aber auch diese Maßnahmen allein reichen zum Schutze der Glühkathode
gegen.Gasangriff nicht aus. Es ist eine bekannte Tatsache, daß die Lebensdauer einer
Glühkathode, in verstärktem Maße einer hochempfindlichen Oxydkathode mit starker
Emission, inmierhalb eines nicht .abgeschlossenen .Raumes, der laufend evakuiert
wird, sehr begrenzt ist, da die Restgase auch bei extrem niedrigem Druck aus Sauerstoff
und Stickstoff bestehen, welche chemisch mit dem Kathodenmetall reagieren; dies
erfolgt um so- schneller, je mehr diese Restgase durch den durchgehenden Elektronenstrom
jonisiert sind. Als noch weit gefährlicher .erweist sich das Jonenbombardement,
dem die Glühkathode als tiefste Potentialstelle im elektrischen Kraftfeld ausgesetzt
ist. Jedes positive Jon des Vakuumraumes erreicht nach einigen Hin- und Hergängen
schließlich die Kathode, und zwar bei Spannungen von 104 bis 105 Volt mit.Starker
Wucht, und zerstört diese mechanisch.
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Erfindungsgemäß werden deshalb die weiteren Maßnahmen vorgeschlagen:
1. Die Glühkathode wird in einem praktisch geschlossenen metallischen Behälter (Kathoden-
; behälter) untergebracht, der durch eine Diffu-- sionspumpe evakuiert werden kann,
in Richtung auf die Schweißnaht einen schmalen, beispielsweise mehrere Millimeter
breiten Schlitz frei läßt, in Spuren verdampfendes Gettermetall enthält und an eine
elektrische Spannung gelegt wird, die niedriger als. die Kathodenspannung ist.
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2. Der Kathodenbehälter ist in Richtung zur Schweißnaht metallisch
und dicht mit einem weiteren Behälter (Getterbehälter) verbunden, der kurz vor der
Schweißnaht einen schmalen, beispielsweise mehrere Millimeter breiten Schlitz frei
läßt und in seinem Innern eine Glühanordnung enthält, die räumlich gegen die Schlitzöffnung
versetzt ist.
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3. Der Getterbehälter ist auf seiner Grundfläche unter Freilassung
des Schlitzes außen mit einem hochisolierenden Material belegt.
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Die beiden Behälter stellen also hintereinandergeschaltete Teilvakuumräume
dar mit kontinuierlichem Druckgefälle über Spaltbreiten. von mehreren Millimetern,
die sich jedoch nicht mit bekannten Zwischendruckkammern vergleichen lassen, in
denen sich der Druck beiderseits. einer engen Bohrung sprunghaft ändert. Bei den
letzteren wird das Druckgefälle mechanisch erreicht, im neuen Vorschlag werden zum
Evakuieren der beiden Behälter im wesentlichen die chemischen Mittel der Gettermetalle
zur Absorption der Luftreste und die elektrischen Mittel der Jonenfänger zur Ablenkung
der Gasjonen von der Kahodenoberfläche angewandt. Da man die Breite des Spaltes
sowohl in dem Kathoden- als auch Getterbehälter nicht größer wählen wird als den
Durchmesser der röhrenförmigen Glühkathode, werden diese Spalten von einem breiten
Elektronenstrahl voll ausgefüllt. Praktisch jedes in den Spalt des Getterbehälters
z. B. eintretende Luftmolekül wird durch den Elektronenstrahl dissoziiert. Infolge
ihrer Trägheit gelangen die positiven Jonen bei geringster Abweichung ihrer Bahn
von der Elektronenstrahlrichtung in das Innere des Behälters und damit in ein starkes
negatives Kraftfeld, wo sie von den Behälterwänden aufgefangen und neutralisiert
werden. Die so rückgebildeten einatomigen Gase werden abgepumpt oder von den Metalldämpfen
gebunden. Da außerdem die vom Rohr kommenden elektrischen Kraft-Linien. zum größten
Teil an der Kathode scharf umbiegen, um auf deren Oberfläche als Potentialfläche
senkrecht zu stehen, fallen die restlichen Jonen im Kathodenbehälter an der Kathode
vorbei und erreichen ebenfalls eine Behälterwand. Andere erzeugte Jonen wandern
in zur Kathode senkrechter Richtung zum Behälter ab.
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Die Anordnung einer horizontalen Glühkathode, die senkrecht zu den
Feldlinien steht, ist nicht so günstig wie eine vertikal angeordnete Kathode, da
im ersteren Fall die Feldlinien an der oberen Zylinderfläche der Kathode nicht angreifen
und damit nur der halbe Sättigungsstrom zustande kommt, während im zweiten Fall
alle emittierten Elektronen von dem Feld erfaßt werden. In diesem. Falle würden
die Elektronen durch eine kreisförmige Öffnung des Kathodenbehälters austreten.
Praktisch verlaufen dann die Feldlinien parallel zum Strahl und zur Kathode, auf
der sie zum Teil nach scharfer Umbiegung in unmittelbarer Nähe der Kathodenoberfläche
enden. Damit erreicht man aber gleichzeitig den weiteren Vorteil, daß alle von der
Schweißnahtöffnung laufend eintretenden Gasmoleküle im jonisierten Zustand lediglich
dem geradlinigen Teil der Feldlinien infolge ihrer Trägheit folgen und damit von
der Kathode ferngehalten werden.
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Es ist bekannt, da.ß bei der Emission von Glühelektronen eine negative
Raumladung an der Kathodenoberfläche überwunden werden muß, welche ein Spannungsgefälle
erfordert. Sofern diese Raumladung durch jonisierte Gasreste kompensiert wird, kann
der Austritt der Elektronen auch bei ungünstiger Feldverteilung durch kleinste elektrische
Kräfte bewirkt werden. Erfindungsgemäß erreicht man dies dadurch, daß man an der
Diffusionspumpe, entgegen der üblichen Weise, keine Kühlfälle, gefüllt mit flüssiger
Luft, vorsieht und damit dem Quecksilberdampf Einlaß in die Umgebung der Kathode
verschafft( Druck= 10-3 mm Hg); dessen jonisierten Atome kompensieren
dann die Raumladung. Diese Maßnahme ist unter Berücksichtigung der Lebensdauer der
Kathode möglich, da Quecksilberdampf chemisch neutral ist und seine jonisierten
Atome zum negativ geladenen Kathodenbehälter abwandern.
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Der westere an den Kathodenbehälter angeschweißte Behälter hat auch
den Zweck, ein. günstiges Vorvakuum für den Kathodenraum herzustellen. Im besonderen
enthält er eine Glüheinrichtung mit spiralförmigem Heizdraht, über den ein Porzellanröhrchen
und darüber ein Röhrchen aus Gattenmetall, vorzugsweise Zirkon, gestülpt ist. Je
nach der Stärke des Heizstromes kann die Menge des spurenförmigen Getterdampfes
reguliert werden: Es empfiehlt sich, auch diesen Raum durch eine besondere Pumpe
zu evakuieren.
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Da der Getterbehälter ebenfalls auf negatives Potential infolge der
metallischen Verbindung gebracht ist, wirken die Wände desselben nicht nur als Jonenfänger,
sondern auch als elektrische »Linse«, welche den Strahl zusammenhält. Da in elektrischer
Hinsicht
das zu schweißende Rohr auf Erdpotential gehalten werden muß, kommen lohe negative
Spannungen an der Kathode zustande, zumal die beiden aufeinander zwar abgestimmten,
aber engen Schlitze nur einen kleinen. »Durchgriff« der elektrischen Kraftlinien
zulassen. Die Spannung der beiden Behälter ist demgemäß dem absoluten Betragen nach
erst recht hoch. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer guten Isolation der
Herausführung durch die äußere Wand des Vakuumbehälters. So ist es auch erforderlich,
die Grundplatte des Getterbehälters, welche entweder direkt auf oder unmittelbar
nahe bei dem zu verschweißenden Rohr angebracht ist, mit einem isolierenden Belag
zu versehen. Ebenfalls zu isolieren sind die Stützen zwischen Innen- und Außenbehälter.
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Ein Ausführungsbeispiel der Vorschläge bringen die Fig. 1 bis 5. Dabei
stellt Fig. 1 den Längsschnitt der Vakuumanlage, Fig. 2 den Querschnitt derselben
nach der Schnittlinie II-11 der Fig. 1 dar, während Fig. 3 und 4 die jeweiligen
Grundplatten der beiden Behälter und Fig. 5 eine isolierte Durchführung versinnbildlichen.
Es bedeutet in der Fig. 1 und 2 B den Vakuumbehälter, durch den: das zu verschweißende
Rohr R geführt ist, Sp den Schweißspalt, K1 die Kathodenkammer, k die indirekt geheizte
Kathode, K, den Getterbehälter, Ge die Gettervorrichtung, S1, S-., s3 Saugstutzen
von Vakuumpumpen; s den Schlitz für den Durchtritt des Elektronenstrahls, El, E.,
elektrische Spannungen, 1 Isolationsplattem, H -Haltevorrichtungen. Fig. 3 stellt
die Grundplatte Gr des Getterbehälters nach Schnitt III-111 der Fig.1 dar, die auch
den Kathodenbehälter nach unten abschließt. Fig. 4 zeigt eine Ansicht der Grundplatten
mit kreisförmiger Durchtrittsöffnung, während Fig.5 die isolierten Durchführungen
in. der Vakuumanlage schematisch darstellt.
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Die Möglichkeit der Schweißung mit Elektronenstrahlerhitzung setzt
scharf gebündelte Strahlen in einem luftverdünnten Raum voraus. Es ist nun ein kennzeichnendes
Merkmal der Erfindung, daß diese Elektronenstrahlen im Gegen atz zur Technik der
in einem Hochvakuum arbeitenden Elektronenoptik in einem Teilvakuum realisiert werden
müssen. Diese neue Technik wird erhellt durch bekanntgewordene Laboratoriumsversuche,
in denen man fadenförmige Elektronenstrahlen auch in einem Teilvakuum von 5 - 10-g
mm Hg auf längeren Strecken aufrechterhielt. Dies wird dadurch ermöglicht, daß die
negative Raumladung innerhalb des Strahls durch die positiven Jonen der Gasreste
neutralisiert wird und damit die Abstoßungskräfte aufgehoben werden, womit als Ergebnis
ein selbstfokussierter Strahl entsteht. Da nun nach dem Vorhergehenden bis zum Schlitz
des Getterbehälters ein Teilvakuum von ungefähr 5 - 10-gmm Hg aufrechterhalten werden
kann, lassen sich selbstfokussierte Elektronenstrahlen bis in die Nähe des Schweißspaltes
heranführen. Bezüglich des dort herrschenden Vakuums können folgende Bemerkungen
gemacht werden. Der Dampfdruck des öls innerhalb der ölgetränkten Dichtungsmanschette
an der Durchführung für das Rohr R ist klein. Wirken Saugstuzen und Pumpenlagen
im Hauptbehälter richtig zusammen, dann läßt sich für die Umgebung des Schweißspaltes
ein Unterdruck von 10-2 mm Hg abschätzen. Damit ist die Gewähr gegeben, daß der
Elektronenstrahl den Schweißspalt auf der kurzen Entfernung vom Behälterschlitz
zum Rohr mit einigen Millimetern. Abstand ohne Lichtbogenbildung erreicht.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, durch Gasreste fokussierte Elektronenstrahlen
dadurch zu ermöglichen, daß der Teilvakuumdruck innerhalb der Getterkammer auf ungefähr
5 - 10-g mm Hg gehalten wird.