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Verfahren und Vorrichtung zum Längsnahtschweißen von Rohren im fortschreitenden
Verfahren unter induktivem Erhitzen Die Erfindung betrifft das Erzeugen von Rohren
durch Formen eines Bandes zu einem Schlitzrohr und Verschweißen der Längsnaht. Es
ist bekannt, dieses Längsnah.tschweißen unter induktivem Erhitzen durchzuführen
und zu diesem Zweck einen Induktor zu verwenden, der das Schlitzrohr in einem gewissen
Abstand von der endgültigen Schweißstelle umfaßt. Der Induktor kann eine ein- oder
mehrwindige Spule sein.
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Die Spule induziert in dem Schlitzrohr einen Strom in Richtung des
Rohrumfanges. Dieser fließt in dem der Einfachheit halber als Rücken zu bezeichnenden
Abschnitt, der dem Schlitz gegenüberliegt und von diesem Rückenteil ausgehend längs
der beiden Schlitzkanten und schließt sich über den eigentlichen Schweißpunkt, der
sich dort befindet, wo die Kanten unter Druck zusammengeführt werden. Im Bereich
der beiden Schlitzkanten, die V-förmig aufeinander zulaufen, fließt der Strom in
entgegengesetzten Richtungen.
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Für das Verständnis der Zusammenhänge sei darauf hingewiesen, daß
der Scheinwiderstand des Stromweges über den Rücken des Rohres sowie der Scheinwiderstand
des Stromweges über das V des Schlitzes und den Umkehrpunkt in Reihe geschaltet
sind.
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Je größer der Scheinwiderstand des Weges über dem Rohrrücken wird.
desto ungünstiger wird der Gesamtwirkungsgrad der Erhitzung und damit des Schweißverfahrens.
Bei einem Rohr großen Umfanges wird entsprechend bei dieser Reihenschaltung ein
großer Anteil der zugeführten Energie in dem verhältnismäßig großen Widerstand des
Rohrrückens verlorengehen, und nur ein geringer Teil der Energie wird in dem durch
die Schlitzkanten dargestellten Widerstand nutzbringend verwertet.
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Dieser Nachteil des induktiven Erhitzens für das Längsnahtschweißen
von Rohren hat dazu geführt, daß es in erster Linie verwendet wird für Rohre verhältnismäßig
geringen Durchmessers, beispielsweise 15 bis 60 mm. Für Rohre größeren Durchmessers
ist das Verfahren aus den oben angeführten Gründen weniger vorteilhaft.
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Der Erfinder hat es sich zum Ziel gesetzt, die angeführten Nachteile
des induktiven Schweißens von Längsnahtrohren zu beseitigen und ein Verfahren zu
schaffen, welches die Energieverluste im Rücken des Rohres weitgehend vermeidet.
Das Verfahren ist geeignet für die Verwendung von Wechselstrom aller Art, vorzugsweise
soll jedoch Wechselstrom mit einer Frequenz, höher als Normalfrequenz, und zwar
insbesondere im Bereich von 150 Hz bis 2 000 kHz verwendet werden. Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß den Strombahnen, die in dem dem Schlitz
abgekehrten Rückenteil des Rohres induziert werden, ein Leitweg geringeren Widerstandes
geboten wird, um so im Rohrrücken praktisch keinen Strom fließen zu lassen. Es treten
infolgedessen im Rückenteil des Rohres keine elektrischen Verluste und damit keine
Wärmeverluste auf. Das Verfahren ist infolgedessen praktisch unabhängig vom Rohrdurchmesser
wirtschaftlich anwendbar, und es können dabei Ströme hoher und auch höchster Frequenzen
verwendet werden.
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Es ist zwar bekannt, bei Induktionserwärmung von Werkstücken bestimmte
Abschnitte dieser Werkstücke vor der erhitzenden Wirkung des Induktionsstromes zu
schützen, indem elektrisch gut leitende Hilfsleiter, über die der Induktionsstromkreis
geschlossen wird, vorgesehen werden. Diese bekannte Anordnung dient jedoch nicht
dem induktiven Erwärmen zum Zweck des Längsnahtschweißens von Rohren, sondern der
induktiven Erwärmung von Werkstücken, die zur Komplettierung des Induktionsstromkreises
eines zusätzlichen Leiters bedürfen, während gemäß der Erfindung ein Hilfsleiter
vorgesehen ist, der an sich zur Schließung des Stromkreises nicht erforderlich wäre,
sondern der Vermeidung von elektrischen Verlusten dient.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann mit Vorrichtungen verschiedener
Art ausgeübt werden.
Erfindungsgemäß wird zwischen dem Schlitzrohr
und dem dieses umfassenden Induktor ein in Achsrichtung geschlitzter Metallzylinder
vorgesehen, dessen Schlitzkanten zur Herstellung einer leitenden Verbindung zwischen
Metallzylinder und Werkstück als Gleitkontakte ausgebildet sind. Der Metallzylinder
wird aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff hergestellt, d. h. vornehmlich
aus Kupfer oder auch Kupferlegierungen sowie Silber und Silberlegierungen. Der induzierte
Strom wird durch diese Maßnahme daran gehindert, im Rohrrücken zu fließen. Er fließt
vielmehr praktisch ausschließlich im geschlitzten Metallzylinder, und er schließt
sich über die V-förmig verlaufenden Nahtkanten des Rohres und den Schweißpunkt.
Dieses ist darauf zurückzuführen, daß zumindest bei der Verarbeitung von ferritischen
oder austenitischen Stahlbändern der Wechselstromwiderstand im Schlitzrohr wesentlich
größer ist als der Wechselstromwiderstand des geschlitzten Metallmantels. Da zusätzlich
besonders bei höheren Frequenzen die Ströme nach außen gedrängt werden, ist zusätzlich
dafür gesorgt, daß der Rücken des Rohres vom Stromfuß frei bleibt. Der Metallzylinder
schirmt den Rohrrücken gegen den Induktor ab. Ein ähnliches Ergebnis kann auch bei
anderen metallischen Werkstoffen erzielt werden, aus denen Rohre durch Längsnahtschweißen
erzeugt werden.
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Im allgemeinen wird die Anordnung so getroffen, daß die Gleitkontakte
in unmittelbarer Nähe der Schlitzkanten die Verbindung zwischen Werkstück und Metallzylinder
herstellen. Es kann aber auch so vorgegangen werden, daß der geschlitzte, metallische
Mantel nicht den gesamten Umfang des Rohrrückenteiles umschließt, sondern beispielsweise
nur die Hälfte oder nur zwei Drittel des Umfanges bedeckt, so daß im Bereich des
V-förmigen Schlitzes gewisse Gebiete frei bleiben.
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Hierdurch kann je nach den gegebenen Umständen eine günstigere Wärmeverteilung
derart erzielt werden, daß nicht nur die Schlitzkanten und schließlich der eigentliche
Schweißpunkt besonders hohe Temperaturen annehmen, sondern auch gewisse Teile des
Schlitzrohres.
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Hierdurch kann die Verformung zum Rohr erleichtert und außerdem derAbbau
der bei derVerformung und dem Schweißen entstehenden Spannungen begünstigt werden,
die sonst die Gefahr eines Wiederaufplatzens der geschweißten Naht mit sich bringen.
Unter Anwendung derartig geschlitzter Zylinder verschiedener Teilumfangslängen zur
Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es somit möglich, die Wärmeverteilung
über den Rohrumfang wählbar zu beeinflussen. Es kann eine Wärmeverteilung erzielt
werden, die von einer hohen Erwärmung im Umkehrpunkt des V-förmigen Stromflusses
mit unmittelbarem Temperaturabfall zu den anderen Gebieten führt. Es ist jedoch
auch möglich, bei geeigneter Vorwärmung der Kanten des V-förmigen Schlitzes einen
allmählichen Temperaturausgleich zum Rohrrücken herbeizuführen.
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Welche Frequenz bei der Durchführung der erfindungsgemäßen Maßnahmen
anzuwenden ist, richtet sich in erster Linie nach den geometrischen Abmessungen
des Rohres, den physikalischen Eigenschaften des zu schweißenden Werkstoffes und
nach der Schweißgeschwindigkeit. Bei geringer Permeabilität und großemWiderstand
sind hohe Frequenzen zweckmäßig. Das gleiche gilt für Werkstoffe hoher Wärmeleitfähigkeit.
Auch bei geringen Wandstärken und kleinen Durchmessern der zu erzeugenden Rohre
ist es erfindungsgemäß zweckmäßig, höhere Frequenzen anzuwenden als bei der Erzeugung
von Rohren mit großen Durchmessern und großen Wandstärken. Hieraus ergibt sich,
daß je nach Verwendung Frequenzen angewendet werden können, die zwischen 50 Hz und
mehreren Millionen Hz liegen.
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Vielfach ist es notwendig, den Schlitzzylinder zu kühlen. Dieses kann
durch Anblasen erfolgen. Der Schlitzzylinder kann jedoch auch für einen Kühlmitteldurchfluß
hohlwandig ausgebildet sein, und es ist möglich, auf ihm Kühlrohre, beispielsweise
durch Aufschweißen oder Hartlöten, zu befestigen. Auf diese Weise ist es möglich,
die verhältnismäßig geringe Verlustwärme des Zylinders abzuführen und den Schlitzzylinder
kühl zu halten.
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In weiterer Ausgestaltung des Schlitzzylinders wird vorgeschlagen,
auf den Innenumfang verteilt Leisten anzubringen zur Kontaktgabe mit dem Werkstück
an mehreren Stellen. Hierdurch wird erreicht, daß der Schlitzzylinder und das geschlitzte
Werkstück an allen Stellen des Umfanges gleiches Potential aufweisen. Infolgedessen
kann im Rückenteil des Rohres ein Stromfluß vollständig verhindert werden, und es
wird des weiteren verhindert, daß sich das Zusammenwirken von geschlitztem Metallzylinder
und Schlitzrohr als elektrischer Konzentrator auswirkt.
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Ferner können die dem Schlitz des Zylinders benachbarten Kanten in
Richtung des Schlitzes nasenartig verlängert werden. Am Ende dieser Verlängerungen
wird je ein Kontaktschuh vorgesehen. Durch diese Maßnahme ist die Möglichkeit zusätzlicher
Beeinflussung der Wärmeverteilung gegeben.
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Bekanntlich kann beim induktiven Schweißen von Längsnahtrohren die
endgültige Form des Schlitzrohres mittels einer Düse aus Isolierstoff oder eines
Trichters vorgenommen werden. Gemäß einerWeiterbildung der Erfindung läßt sich das
Verfahren gemäß der Erfindung auch hier anwenden. Zu seiner Ausübung wird die Düse
aus einem Material geringen elektrischen Widerstandes hergestellt und parallel zu
ihrer Achsrichtung geschlitzt und der Schlitz mit einem verschleiß- und warmfesten
Isolierwerkstoff angefüllt. Die Düse selbst wird von der Induktionsspule umschlossen.
Diese parallel zur Achsrichtung geschlitzte Düse tritt in diesem Falle an die Stelle
des geschlitzten Zylinders.
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Die elektrische Auswirkung dieser Anordnung ist sinngemäß die gleiche,
wie in Verbindung mit dem Schlitzzylinder beschrieben. Die Düse muß aus gut elektrisch
leitendem Werkstoff, wie beispielsweise Kupfer-Cadmium, Kupfer-Beryllium, Kupfer-Wolfram
oder ähnlich verschleißfesten Werkstoffen hoher Festigkeit und Leitfähigkeit hergestellt
sein. Als Isolierwerkstoff kommen vorzugsweise die Karbide oder Oxyde des Aluminiums,
Siliziums oder Bors in Frage.
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Es ist ferner möglich, die Düse aus plattiertem Werkstoff herzustellen,
beispielsweise Kupfer oder Silber auf Stahl. Ähnlich wie beim Metallzylinder ist
es bei der Düse ebenfalls zweckmäßig, für geeignete Kühlung durch Kühlkanäle oder
aufgebrachte Rohre zu sorgen oder durch Gas- oder Flüssigkeitsstrom zu kühlen.
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In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgedankens
dargestellt.
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Abb. 1 stellt einen senkrechten Längsschnitt durch eine Ausführungsform
dar;
Abb. 2 ist eine perspektivische Darstellung einer weiteren
Ausführungsform; Abb.3 zeigt eine Ausführungsform in perspektivischer Darstellung;
Abb. 4 ist ein senkrechter Längsschnitt durch eine Anordnung, die in Abb. 5 in Aufsicht
dargestellt ist; Abb. 6 ist eine Abwandlung der Ausführungsform nach Abb.4 und 5.
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Das zu einem Schlitzrohr 1 geformte Band soll beim Punkt 2 fortlaufend
geschweißt werden. In an sich bekannter Weise bewegt sich zu diesem Zweck das zum
Schlitzrohr geformte Band in Richtung des Pfeiles 3 durch den Induktor 4 hindurch.
Der Induktor ist, wie ebenfalls bekannt, als einwindiger Hohlleiter dargestellt,
dessen Hohlraum 6 von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden kann. Dem Induktor
wird der Strom über Anschlüsse zugeführt, von denen nur ein Anschluß 7 aus der Abb.
1 ersichtlich ist. An Stelle eines einwindigen Induktors kann auch .ein mehrwindiger
Induktor verwendet werden, wenn die verwendete Stromquelle einen höheren Anpaßwiderstand
der Schweißeinrichtung erfordert.
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Zwischen dem Induktor 4 und dem sich bildenden Rohr ist der in Längsrichtung
geschlitzte Metallzylinder 8 angeordnet, vorzugsweise ist er aus Kupfer hergestellt.
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Dieser Zylinder ist, wie bei 9 angedeutet, mit Gleitkontakten versehen,
die sich in der Nähe der Schlitzkanten 10 befinden. Es ist zweckmäßig, den Metallzylinder
zu kühlen, und zu diesem Zweck sind flache Kühlrohre 11 aufgesetzt.
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Im Bereich des Induktors 4 und des geschlitzten Metallzylinders 8
kann im Innern des Schlitzrohres zur Feldbeeinflussung in an sich bekannter Weise
ein Magnetkern 13 angeordnet sein, der je nach der verwendeten Frequenz als gewickelter
oder lamellierter Kern oder für höhere Frequenz als sogenannter Massekem ausgebildet
ist.
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Die zweckmäßigste räumliche Lage des Induktors 4 und des Schlitzzylinders
8 zum Schweißpunkt 2 ist abhängig von der Art des zu verschweißenden Werkstoffes
sowie dem Durchmesser und der Wandstärke des zu erzeugenden Rohres und ferner von
der zur Verfügung stehenden Leistung, der Schweißgeschwindigkeit und der Beschaffenheit
der Schweißkanten. Der Abstand kann auch von der Bauart und der Betriebsweise der
mechanischen Teile der Schweißmaschine beeinfiußt werden. Im allgemeinen wird dieser
Abstand A zwischen mindestens 5 und höchstens 200 mm liegen.
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Die Wirkung des Zylinders 8 mit seinen Gleitkontakten 9 besteht darin,
daß in dem rückwärtigen Teil des Rohres 1, d. h. also in dem den Nahtkanten 10 abgekehrten
Teil, praktisch keine induktiven Ströme fließen. Der induktive Strom fließt vielmehr
im Zylinder 8 über die Kontakte 9, im Bereich des Abstandes A an den Nahtkanten
10 entlang bis zum Umkehrpunkt 2, wo das Verschweißen zur Längsnaht stattfindet.
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In Abb. 2 wird das Rohr 1 mit seinen Schlitzkanten 10 und der Schweißstelle
2 mittels eines mehrwindigen Induktors 14 erwärmt, der der Übersicht halber nur
teilweise dargestellt ist. Zwischen dem mehrwindigen Induktor 14 und dem Rohr 1
befindet sich der geschlitzte Zylinder 15 mit seinen Gleitschuhkontakten 16. Der
Zylinder 15 weist außer diesen im Bereich der Nahtkanten 10 befindlichen Gleitkontakten
16 auf dem Umfang verteilte Kontaktleisten 17 auf, die mit dem Außenumfang des Schlitzrohres
1 in Berührung stehen. Die Leisten stellen sicher, daß im Rohr 1 und im Zylinder
15 stets gleiches Potential herrscht. Dadurch wird verhindert, daß im Rohrrückenteil
ein Strom fließt, und außerdem, d'aß sich der Metallzylinder 15 und das Rohr 1 wie
ein elektrischer Kondensator verhalten.
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Bei dieser Anordnung ist auch angedeutet, daß die Kontakte 16 nicht
unmittelbar an den Schlitzkanten anliegen, sondern in einer gewissen Entfernung,
beispielsweise 5 mm von den Kanten entfernt, gleiten können. Auf diese Weise kann
eine besondere Verteilung der entstehenden Wärme gewährleistet werden. In diesem
Falle wird die höchste Temperatur bei 2 auftreten. In den Nahtkanten 10 wird eine
Vorwärmung hervorgerufen, die aber gegenüber dem kaltbleibenden Rückenteil des Rohres
1 nicht schroff abfällt, sondern langsamer übergeht.
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Der Schlitzzylinder 15 wird zweckmäßigerweise gekühlt. Dies kann beispielsweise
geschehen durch ein mäanderförmig verlegtes Rohr 18, das in der Innenwand des Zylinders
angebracht ist. Der Induktor 14 kann aus mehreren in Reihe geschalteten Wicklungen
bestehen, die mit Strom geeigneter Spannung, Frequenz und Leistung gespeist werden.
Wenn bei einem Rohr großen Durchmessers mit einer hohen Frequenz im Bereich 300
bis 600 kHz gearbeitet wird, so kann für die Einspeisung des Induktors vielfach
auf die Anordnung eines Transformators verzichtet werden; denn der mehrwindige Induktor
kann mit verhältnismäßig hoher Spannung gefahren werden, ohne daß Schwierigkeiten
zu gewärtigen sind. Die axiale Länge des Metallzylinders 15 kann größer oder kleiner
als die axiale Länge des Induktors 14 sein. Welches Verhältnis für die axialen Längen
dieser beiden Teile zueinander zu wählen ist, ergibt sich durch orientierende Versuche.
Das Verhältnis ist abhängig vom Durchmesser und der Wandstärke des Rohres, den Eigenschaften
des verwendeten Werkstoffes sowie von der Leistung der Anlage und der verwendeten
Stromfrequenz.
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Abb. 3 zeigt eine Anordnung, die im wesentlichen derjenigen nach Abb.
2 entspricht. Jedoch sind Induktor 14 und Zylinder 15 verhältnismäßig weit vor dem
Schweißpunkt 2 vorgesehen. Die Schlitzkanten des Zylinders 15 sind, wie bei 19 angedeutet,
nasenartig in Richtung auf den Schweißpunkt 2 vorgezogen, so daß mit diesen Ansätzen
ein weiter Bereich des V-förmigen Schlitzes 20 bestrichen wird. Am vorderen Ende
dieser nasenartigen Verlängerungen 19 befinden sich Kontaktschuhe 21. Die Verlängerungen
19 können ferner hohl sein, so daß auch sie gekühlt werden können. Diese Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung macht es möglich, das Induktionsschweißen auch
in solchen Maschinen anzuwenden, deren bauliche Gestaltung es nicht gestattet, den
eigentlichen Induktor in nächster Nähe des Schweißpunktes anzuordnen. Die erfindungsgemäße
Anordnung kann auch dann zu empfehlen sein, wenn es zweckmäßig ist, den Induktor
in weiterer Entfernung vom Schweißpunkt vorzusehen, um magnetische Streuungen auf
benachbarte Einrichtungsteile zu vermeiden.
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Das Formen des Bandes zum Schlitzrohr kann in an sich bekannter Weise
auch durch eine Düse oder
einen Trichter erfolgen. Eine solche Anordnung
ist in Abb. 4 dargestellt. Das sich formende Rohr 1 wird in Richtung des Pfeiles
3 durch die Ziehdüse 22 hindurchgezogen. Diese Ziehdüse ist, wie insbesondere aus
Abb. 5 erkennbar, parallel zur Achsrichtung geschlitzt, wie bei 23 angedeutet. Der
Schlitz selbst ist mit einem verschleißfesten Isolierwerkstoff ausgefüllt. Der Schlitz
23 befindet sich über dem V-förmigen Schlitz 20 des Rohres 1. Der verschleißfeste
Isolierwerkstoff kann in Richtung auf das Schlitzrohr vorstehen, um in dem V-förmigen
Spalt als Führung des Schlitzrohres zu dienen.
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Die Ziehdüse selbst ist von einem mehrwindigen Induktor 24 umgeben,
der in an sich bekannter Weise aus runden oder flachen Hohlleitern gebildet sein
kaLn. Die Düse 22 kann mit Kühlkanälen 25 versehen sein.
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Infolge der verformenden Berührung zwischen Rohr 1 und Düse 22 im
Bereich 26 wird auch bei dieser Anordnung verhindert, daß im Rückenteil des Schlitzrohres
ein induzierender Strom fließt. Die Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß die
Düse 22 aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff hergestellt ist. Zweckmäßigerweise
sind an sich bekannte Kupferlegierungen zu verwenden, die die erforderliche Verschleißfestigkeit
aufweisen, um den mechanischen Beanspruchungen im Bereich 26 widerstehen zu können.
Der Schlitz 23 wird mit Karbiden oder Oxyden des Aluminiums, Siliziums oder Bors
gefüllt. Diese Werkstoffe sichern. die elektrische Isolation und weisen genügend
Wärme- und Verschleißfestigkeit auf.
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Die Düse kann. auch aus Stahl hergestellt werden. In diesem Falle
muß aber eine Auflage aus elektrisch gut leitendem Werkstoff vorgesehen werden.
Eine solche Anordnung ist in Abb. 6 dargestellt. Die Düse 22 aus Stahl hat eine
Auflage 26 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Es kann aber auch eine Silberlegierung
verwendet werden. Solche Legierungen sind an sich bekannt. Die Auflage ist, wie
bei 27 angedeutet, am Düsenvorderteil von der Außenseite der Düse zur Innenseite
herumgezogen. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist die gleiche wie die in Verbindung
mit Abb. 4 und 5 beschriebene.
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Mit den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen lassen sich folgende
Vorteile beim induktiven Längsnahtschweißen erzielen: Es werden die sonst beim Induktionsschweißen
von Schlitzrohren auftretenden hohen Verluste vermieden.
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Durch Unterbinden eines Stromflusses im Rücken des Rohres wird ein
Erwärmen in diesem Abschnitt völlig vermieden, wodurch sich für das Einformen des
Rohres vereinfachte mechanische Verhältnisse ergeben. Der Induktor kann in vielen
Fällen ohne zusätzlichen Zwischentransformator an die Stromquelle angeschlossen
werden. Es kann bei kleiner erforderlicher Leistung mit höheren Schweißgeschwindigkeiten
gearbeitet werden, als dies bei bekannten Anordnungen für das induktive Schweißen
möglich ist.
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Das Verfahren ist für alle gängigen Rohrdurchmesser und Wandstärken
anwendbar.
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Die Temperaturverteilung kann durch geeignete Wahl der Lage der Kontakte
des geschlitzten Zylinders zu den Nahtkanten und dem Schweißpunkt so gestaltet werden,
daß sich nur ein geringfügiger Schweißgrad außen und innen am Rohr ergibt und praktisch
keine Beeinflussung des Gefüges eintritt.