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Verfahren und Vorrichtung zur Erzielung einer maximalen Heizwirkung
am Schweißpunkt eines C-förmig vorgebogenen und einen V-förmigen Spalt aufweisenden
Rohrmantels Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzielung
einer maximalen Heizwirkung am Schweißpunkt eines C-förmig vorgebogenen und einen
V-förmigen Spalt aufweisenden Rohrmantels, dessen Spaltkanten durch mittel- oder
hochfrequente Ströme mit Hilfe einer den Rohrmantel ganz oder teilweise umgebenden
Induktionsspule auf Schweißtemperatur gebracht und mit Hilfe von Druckgliedern im
Schweißpunkt zusammengepreßt werden.
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Es ist bereits eine Einrichtung zum elektrischen Schweißen der Längsnaht
rohrförmiger Körper bekannt, die die Kombination einer Außen- und Innenprimärwicklung
vorsieht, deren jede nahezu die gleiche Wicklungszahl aufweist, um die magnetische
Streuung der einen Wicklung durch das Rohr hindurch vermittels der anderen auszuschalten.
Eine derartige Problemstellung tritt jedoch bei der im folgenden näher zu beschreibenden
Erfindung nicht auf, weil bei der Anwendung von mittel- oder hochfrequenten Strömen
die Eindringtiefe des durch den äußeren Induktor induzierten Stromes immer geringer
sein wird als die Wandstärke des zu verschweißenden Rohres.
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Ferner ist es sowohl beim induktiven als auch beim konduktiven Schweißen
mit Mittel- bzw. Hochfrequenzströmen bekannt, daß sich die im Rohr induzierten Ströme
verzweigen. Der eine Zweigstrom umläuft den V-förmigen Spalt über den Schweißpunkt
und schließt sich über die Außenfläche des zu schweißenden Rohres. Der andere Zweigstrom
berührt den Schweißpunkt überhaupt nicht, sondern zweigt von dem vorgenannten Zweigstrom
ab und schließt sich über den Innenteil der Rohrwandung, so wie es in F i g. 1 mit
gestrichelten Pfeilen angedeutet ist. Dieser gestrichelt gezeichnete und sich im
Querschnitt des Rohres schließende Strom ist ein reiner Verluststrom, der zur Erwärmung
des Materials im Schweißpunkt nicht beiträgt, sondern nur die unerwünschte Erwärmung
des dem V-förmigen Spalt gegenüberliegenden Rohrteiles bewirkt. Um diesen Strom
zu vermindern, hat man bereits Vorkehrungen getroffen, um die Impedanz der um das
Rohr herumlaufenden Strompfade zu erhöhen, und zwar durch Anbringung in an sich
bekannten Kerneinrichtungen (Impedanzkörper) im Bereich dieser Strompfade. Mit den
bekannten Maßnahmen läßt sich zwar in gewissen Grenzen eine Verringerung des unerwünschten
Ringstromes erreichen, eine überschreitung dieser Grenze bis zur völligen Aufhebung
dieses schädlichen Ringstromes läßt sich mit den bekannten Einrichtungen jedoch
nicht erreichen. Hier setzt die vorliegende Erfindung ein und löst die Aufgabe dadurch,
daß während des Schweißvorganges durch einen zusätzlich im Innern des Rohres und/oder
Spaltes angebrachten Induktor Gegenfelder im Innern des Rohres zur Einwirkung gebracht
werden, welche durch Kompensation den entlang der Rohrinnenwandung fließenden Teilstrom
schwächen bzw. ganz unterdrücken. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Gegenfeldes im Rohr- und/ oder
Spaltinneren ein Inneninduktor mit entsprechender Amperewindungszahl im Bereich
des Außeninduktors angeordnet ist, der entweder mit dem Außeninduktor in Reihe geschaltet
oder so von der den Außeninduktor speisenden Stromquelle gespeist wird, daß der
Strom im Außen- und Inneninduktor im gleichen Zeitpunkt gleiche Richtung und gleiche
Stärke hat. Ferner ist es vorteilhaft, daß der Außeninduktor und/oder der Inneninduktor
so geformt und bemessen ist, daß ein Teil von ihm den Spalt derart durchragt, daß
er in den Spaltkanten einen Strom erzeugt, der dem inneren Ringstrom entgegengesetzt
gerichtet ist. Ebenso ist es vorteilhaft, daß zusätzlich im V-förmigen Spalt eine
ein- oder mehrwindige Induktionsspule angeordnet ist. Ferner ist es von Vorteil,
daß die Spulenleiter außerhalb des Rohres und gegebenenfalls auch innerhalb des
Rohres bzw. im V-förmigen Spalt an sich bekannte magnetische Rückschlüsse tragen.
Ebenso ist es von Vorteil, daß in Richtung der Rohrachse gesehen zwei oder mehrere
aus einem Innen- und/oder Außeninduktor bestehende
Einheiten hintereinander
angeordnet sind, wobei jede Einheit von einer Stromquelle unterschiedlicher Frequenz
gespeist wird. Hierbei ist es vorteilhaft, daß sämtliche Induktoren gleichzeitig
beaufschlagbar sind. In manchen Fällen kann es jedoch auch von Vorteil sein, daß
die Induktoren nacheinander, gegebenenfalls wechselweise mit teilweise zeitlicher
Überschneidung, beaufschlagbar sind.
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An Hand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele nach der Erfindung
näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt den an sich bekannten Stromverlauf im Rohr, wobei der
unerwünschte innere Ringstrom gestrichelt angedeutet wird; F i g. 2 zeigt die Anordnung
eines Inneninduktors gemäß der Erfindung mit dem dadurch erzielten Stromverlauf
im Rohr; F i g. 3 zeigt die Anordnung eines Induktors im V-förmigen Spalt; F i g.
3 a zeigt eine entsprechende schematische Skizze mit der Anordnung des zusätzlichen
Induktors im V-förmigen Spalt und der Stromrichtungen; F i g. 4 zeigt eine Ausbildung
des Induktors, der das zu schweißende Rohr nicht vollständig umschließt, sondern
dieses nur zum Teil bedeckt, und der gleichzeitig den Spalt durchragt und bis in
das Rohrinnere hineinragt; F i g. 5 zeigt eine von F i g. 4 abweichende Form des
Induktors, wobei die Induktorschleife im Rohrinneren größer ausgebildet ist und
der Induktor sowohl innere als auch äußere Impedanzkörper umschließt; F i g. 6 und
6 a zeigen eine schematische Schaltung, welche die elektrischen Verhältnisse am
V förmigen Spalt und im Rohr klar erkennen läßt.
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Das zu schweißende Rohr 1 ist durch zeichnerisch nicht dargestellte
Vorrichtungen C-förmig vorgebogen. Der Schweißpunkt ist mit SP bezeichnet, der jeweils
die Spitze des V-förmigen Spaltes 2 bildet. Das Rohr 1 wird in Richtung des Pfeiles
A bewegt. Sobald der Induktor 3 an die zeichnerisch nicht dargestellte Hoch- oder
Mittelfrequenzquelle angeschlossen ist, fließen - im gleichen Zeitpunkt betrachtet
- die durch Pfeile angedeuteten Ströme im Rohr, wobei der den Schweißpunkt SP erwärmende
Strom 4 in einer vollen Pfeillinie und der innere Ringstrom 5 in gestrichelten
Pfeillinien dargestellt wurde. Dieser innere Ringstrom 5 bewirkt eine unerwünschte
Erwärmung der Rohrwand, so daß sich erhebliche Energieverluste ergeben. Darüber
hinaus ist die Aufheizung der Rohrwand wegen der dabei entstehenden Verwerfung des
fertigen Rohres nachteilig; d. h. daß in solchen Fällen besondere Richt-und Abkühlungsvorrichtungen
erforderlich sind, um als Endprodukt gerade Rohre zu erhalten. Dabei ist jedoch
auch zu berücksichtigen, daß diese Rohre im Endzustand frei von inneren Wärmespannungen
sein sollten.
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F i g. 2 zeigt eine der möglichen Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung,
die den vorstehend genannten Forderungen gerecht wird. Abweichend von der in F i
g. 1 dargestellten Anordnung ist hier zusätzlich der Inneninduktor 6 vorgesehen,
der ein Gegenfeld hervorbringt und einen Strom erzeugt, der den in F i g. 1 mit
5 bezeichneten inneren Ringstrom 5 aufhebt, so daß lediglich der Nutzstrom 4, der
den Schweißpunkt SP erwärmt, noch den Rohrmantel umfließt. Entsprechend der Größe
des zu verringernden bzw. zu beseitigenden inneren Ringstromes 5 muß der Inneninduktor
6 für eine entsprechende Amperewindungszahl ausgelegt bzw. über eine einstellbare
Stromquelle, z. B. eines Anpassungstransformators, eingestellt werden, die sich
leicht durch Versuche festlegen läßt.
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Bei der Anordnung nach F i g. 3 und 3 a wird die Beeinflussung des
inneren Ringstromes 5 durch einen im V-förmigen Spalt 2 angeordneten ein- oder mehrwindigen
Induktor 7 erreicht, durch den der den inneren Ringstrom 5 aufhebende Strom im Rohr
erzeugt wird, der durch die Pfeile 8 angedeutet ist. Auch hierbei gilt das oben
Gesagte bezüglich der Amperewindungszahl.
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Bei der Vorrichtung nach F i g. 4 ist der Induktor 3 so geformt und
bemessen, daß er den Spalt 2 durchragt und seitlich die dem Spalt naheliegenden
Teile des Rohres 1 überdeckt. Die Anordnung der Induktorleiter im Spalt 2 zur Erzeugung
eines Gegenfeldes ist im Prinzip die gleiche wie bei der Anordnung nach F i g. 3
a. Lediglich zur Erhöhung der Impedanz der um das Rohr 1 herumlaufenden Strompfade
sind auf den Induktorleiter außerhalb des Rohres die Impedanzkörper (magnetische
Rückschlüsse) 9 und innerhalb des Spaltes 2 die Impedanzkörper 10 sowie innerhalb
des Rohres der Impedanzkörper 11 angebracht.
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In F i g. 5 ist eine ähnliche Anordnung dargestellt, jedoch ist der
Induktor 3 mehrfach so abgekröpft, daß er die außerhalb des Rohres angebrachten
Impedanzkörper 12 und die innerhalb des Rohres angebrachten Impedanzkörper 13 sowie
den nach innen und außen überstehenden und den Spalt 2 durchragenden Impedanzkörper
14 und die im Spalt selbst angebrachten Impedanzkörper 15 trägt. Alle Induktorformen
sind so gewählt, daß die in den meisten Fällen erforderliche Entgratvorrichtung
noch innerhalb des Rohres untergebracht werden kann. Ebenso wird durch die Formgebung
des Induktors ein starres und widerstandsfähiges Gebilde geschaffen, das ohne weiteres
imstande ist, als Träger für die Entgratvorrichtung zu dienen.
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Die Anordnung der Impedanzkörper kann sinngemäß auch bei dem Induktor
nach den Ausführungen der F i g. 2 und 3 erfolgen. Ebenso ist es in manchen Fällen,
insbesondere bei sehr hohen Schweißgeschwindigkeiten, vorteilhaft, in Richtung der
Rohrachse gesehen im Bereich des V förmigen Spaltes zwei oder mehrere aus einem
Innen- und/ oder Außeninduktor bestehende Einheiten hintereinander anzuordnen, wobei
jede Einheit von einer Stromquelle unterschiedlicher Frequenz gespeist wird. Hierdurch
ist -es möglich, eine besonders intensive Wirkung zur Beseitigung des inneren Ringstromes
5 zu erreichen, wobei es darüber hinaus durch eine überkömpensation möglich ist,
die Gegenfelder so zu erhöhen, daß dem Ringstrom 5 entgegengesetzt gerichtete Ströme
erzeugt werden, die größer als dieser sind und der Reststrom als zusätzlicher Nutzstrom
sich zum Nutzstrom 4 addiert. Hierbei kann die dem Schweißpunkt SP am nächsten liegende
Einheit beispielsweise mit einer Frequenz von 500 kHz und die anderen Einheiten
mit Frequenzen von 5000 bis 10 000 Hz beaufschlagt werden. Je nach den Betriebserfordernissen
können sämtliche Einheiten gleichzeitig beaufschlagt werden. Dies hat sich besonders
vorteilhaft beim Schweißen von Rohren mit großen Rohrdurchmessern erwiesen. Ebenso
ist es
möglich, innerhalb jeder Einheit mit verschiedenen Frequenzen
zu fahren, beispielsweise kann der Außeninduktor 3 mit 10 kHz und der Inneninduktor
mit 500 kHz oder umgekehrt gespeist werden. Ferner kann es bei einigen Werkstoffen
günstig sein, die Einheiten nacheinander, gegebenenfalls wechselweise mit teilweise
zeitlicher Überschneidung mit verschiedenen Frequenzen zu beaufschlagen.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach der Erfindung sei an Hand des
Schaubildes der F i g. 6 bezw. 6 a näher erläutert: Die Rohraußenwand 1 sei durch
die zwischen den Punkten x und y liegende relativ große Induktivität L5 und den
kleinen ohmschen Widerstand R, dargestellt. Die beiden Kanten des V-förmigen Spaltes
2 seien vom Punkt x aus durch die relativ kleine Induktivität L4 und vom Punkt y
aus durch die ebenfalls kleine Induktivität L, dargestellt, die sich im Schweißpunkt
SP in Form des Widerstandes R3 vereinigen. Dadurch wird der Brückenzweig zwischen
x und y geschlossen. Die Rohrinnenwand sei vom Punkt x ausgehend durch die relativ
große Induktivität L1, ferner durch den relativ kleinen ohmschen Widerstand R1 sowie
durch die relativ große Induktivität L, dargestellt. Mit 3 ist der Außeninduktor
und mit 6 der Inneninduktor bezeichnet. Der Außen-und Inneninduktor werden von dem
Strom in der gleichen Richtung durchflossen, wie durch die Richtungspfeile u und
v angegeben. Beide Induktoren sind bei 16 und 17 mit dem Hoch- oder Mittelfrequenzgenerator
G verbunden.
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Wie aus dem Schaubild ersichtlich ist, wird durch den Inneninduktor
6 ein Strom 18 in -der inneren Rohrwandung erzeugt, der dem unerwünschten
Strom 5 gleich groß und gegensinnig gerichtet ist, so daß nunmehr dieser dem eigentlichen
Schweißprozeß abträgliche Strom völlig unterdrückt werden kann, während der Stromkreis
des Nutzstromes 4 aufrechterhalten bleibt. Bei dickwandigen Rohren kann der Nutzstrom
4 sogar infolge Verringerung des Widerstandes R3 erhöht werden, da der Strom
an der Außen- und Innenkante des Spaltes fließt. In diesem Falle führt der Inneninduktor
6 zusätzlich Leistung, wobei der unerwünschte Strom 5 unterdrückt bleibt.