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Hochfrequenz-induktions-Rohrschweißmaschine Die Erfindung betrifft
eine Rohrschweißmaschine, in welcher Bandmaterial zu einem C-Rohr vorgebogen und
dessen, in einem V-förmigen Spalt, aufeinander zu laufenden Bandkanten durch hochfrequente,
mittels eines das C-Rohr ganz oder teilweise umfassenden Ringinduktors übertragene
Ströme auf Schweißtemperatur gebracht und mittels Stauchwerkzeugen zusammengepreßt
und verschweißt werden.
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Bekannt sind derartige Rohrschweißmaschinen in verschiedenen Ausführungsarten,
z. B. mit und ohne Impeder aus magnetisch leitfähigem, in das C-Rohr eingebrachtem
Material (britisches Patent 377 655), mit und ohne Konzentrator (bekanntgemachte
deutsche Patentanmeldung 5161 V1H d / 21h), mit engster Kopplung (USA.-Patente 2146
430, 2 205 424) oder loser Kopplung (USA: Patent 2 912 549), mit oder ohne auf dem
Umfange des C-Rohres angeordnetem Gleitschuh aus Kupfer, von dem die induktiv übertragene
Energie konduktiv in das C-Rohr eingeführt wird (USA: Patent 3 i337105) und mit
konstanten oder wählbaren Frequenzen (z. B. Mittelfrequenz, USA:-Patent 2146 436,
oder Hochfrequenzen, 30 kHz, britisches Patent 377 655, 100 kHz, USA.-Patent 2 205
424, bis 10 000 kHz, Patentanmeldung C 5161). Mit allen diesen Ausführungsarten
sind in Einzelfällen brauchbare Verschweißungen von C-Rohren aus magnetisch leitfähigem
Stahl, Aluminium, Kupfer, Messing u. dgl. mehr mit unterschiedlichem Wirkverbrauch
und Arbeitsgeschwindigkeiten erzielt worden. Jedoch zeigen sich in der Praxis in
einer gegebenen Rohrschweißeinrichtung bereits bei geringfügigen Veränderungen der
Dimensionen oder des Ringinduktors ganz auffällige Unterschiede in der Qualität
der Schweißnaht oder in der Schweißgeschwindigkeit. Obwohl dem Verfahren der berührungslosen
Energieübertragung mittels vor dem Schweißpunkt angeordnetem Ringinduktor die physikalische
Vorstellung zugrunde liegt, daß auf dem Umfang des C-Rohres unter dem Ringinduktor
eine EMK induziert wird, welche einen sich wegen des Spaltes nur über die Bandkanten
und den Schweißpunkt schließenden Strom erzeugt, sind in der Literatur bei den Erfolgsmeldungen
über erzielte Arbeitsgeschwindigkeiten keine Angaben über die dabei gewählten Spaltlängen
zu finden. Die an moderne Rohrschweißmaschinen gestellten Anforderungen an die Vorherbestimmbarkeit
des wiederholbaren Erfolges können daher finit den bekannten Ausführungen nicht
erfüllt werden. Vielmehr erstrecken sich die Lehren der Patentschriften darauf,
eine Anordnung so zu treffen, daß der Strom in den Bandkanten einen kleinstmöglichen
Scheinwiderstand erhält. Da sich der Strom im bewegten C-Rohr der Messung entzieht,
wird allgemein nur der Strom im Ringinduktor betrachtet und von dessen Scheinwiderstandswert
auf einen diesem entsprechenden im C-Rohr geschlossen (USA.-Patent 3 037 105).
Tatsächlich ist der auf dem Ringinduktor bezogene meßbare Scheinwiderstand beim
Rohrschweißen gegenüber dem bei der induktiven Erwärmung zum Zwecke des Härtens,
Glühens und Anlassems von Vollmaterial sehr viel größer. Dies ist schon dadurch
bedingt, daß im letzteren Falle eine sehr enge Kopplung (bis auf etwa 0,5 man herab)
angewandt werden kann, da hierbei nicht nur dei Ringstrom, sondern auch die um jede
Ein- bzw. Austrittsstelle einer magnetischen Feldlinie herum entstehenden Oberflächen-Wirbelströme
zur Erwärmung mit ausgenutzt werden können. Dagegen läßt das durch den Ringinduktor
bewegte C-Rohr infolge seines hier noch nicht kreisförmigen Querschnittes nur eine
losere Kopplung mit Mindestabständen von 4 bis 10 mm zwischen dem Ringinduktor und
dem C-Rohr zu. Hierdurch wird bei gleicher Feldstärke am C-Rohr der Magnetisierungsstrombedarf
im Ringinduktor und damit der Scheinwiderstandswert der Anordnung sehr viel größer.
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Da sowohl für den um ein Vielfaches größeren Bedarf an Generatoren
zum Zwecke des Glühens, Härtens und Anlassems als auch für die seltenen Fälle des
berührungslosen, induktiven Rohrschweißens die gleichen serienmäßigen Röhrengeneratoren
verwendet
werden, ergeben sich aus den sehr viel größeren Scheinwiderstandswerten beim Rohrschweißen
erhebliche Anpassungsschwierigkeiten für die Röhrengeneratoren. Bekanntlich bestehen
diese aus einer eine hohe HF-Wechselspannung erzeugenden Röhre, deren Kathode und
Anode an einem aus Kapazität und Jnduktvität bestehenden Schwingkreis gelegt sind,
von dem die Schweißenergie transformatorisch abgenommen'wird. Da der Schwingkreis
nur dann ein Maximum -an HF-Energie von der Röhre auf das Rohr überträgt, wenn der
innere Widerstand der Röhre und der äußere, auf den Schwingkreis bezogene Gesamtwirkwiderstand
gleich groß sind, muß der beim HF-Schweißen von C-Rohren auftretende Scheinwiderstand
außer den auch beim Glühen erforderlichen Anpassungsmaßnahmen, z. B. der übersetzungsänderung,
durch zusätzliche Maßnahmen, z. B. durch-Zu- und Abschalten von Kapazitäten und/oder
Induktivitäten, der Gleichgewichtsbedingung entsprechend angepaßt werden. Hierdurch
wird zwar die Übertragung eines Maximums an HF-Energie auf das C-Rohr gewährleistet,
jedoch ist es hierdurch allein nicht möglich, einen optimalen Anteil der Wärmeentwicklung
auf den allem interessierenden Nutzstromkreis der zu erhitzenden Bandkanten zu konzentrieren.
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Der Erfindung geht die bekannte überlegung voraus, daß die Konzentration
der Wärmeentwicklung auf den Nutzstrompfad in den Bandkanten um so größer ist, je
niedrigohmiger dieser Strompfad gegenüber den Verluststrompfaden auf dem Umfange
des C-Rohres, d. h. je kürzer die Spaltlänge ist.
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Jedoch ist es in der Praxis nicht möglich, den Ringinduktor näher,
,als es die von der Ausführung der Rohrschweißmaschine bedingte Mindestspaltlänge
gestattet, an den Schweißpunkt heranzubringen. Diese Mindestlänge ist durch den
Halbmesser der Stauchrollen und einen kleinen Sicherheitsabstand bestimmt. Obwohl
für jeden Rohrdurchmesser durch Auswechseln der Stauchrollen das gleiche kleinstmögliche
Durchmesserverhältnis angestrebt wird, werden die Stauchrollendurchmesser gegenüber
dem kleiner werdenden Rohrdurchmesser innerhalb eines die Ausführung der Rohrschweißmaschine
bestimmenden Fabrikationsprogramms relativ größer, da einerseits die Lagerung der
Stauchrollen auf die größte Preßbiegearbeit, d. h. für das ungünstigste Verhältnis
von Wandstärke zu Rohrdurchmesser, bemessen und andererseits die Tiefe des Kalibers
in der Stauchrolle berücksichtigt werden müssen. Hieraus ergeben sich schon bei
gleichen Rohrdurchmessern bei verschiedenen Schweißmaschinenmodellen erhebliche
Unterschiede in der kleinstmöglichen Spaltlänge für eine Rohrdimension.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen,
mit welcher die Konzentration eines optimalen Anteiles der Wärmeentwicklung auf
die Bandkanten bei maschinengegebener Mindestspaltlänge erzielt wird.
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Hierbei geht die Erfindung von der Vorstellung aus, daß beim induktiven
Rohrschweißen der tatsächliche Verlauf des Spannungsabfalles längs des Schweißspaltes
das Ergebnis der überlagerung eines »Spannungsabfalles« entsprechend längs des Schweißspaltes
von Induktoren induzierten »Klein- i menspannungen« und den Auswirkungen von Verlustströmen
ist und daß dann die Verluste ein Minimum sind, wenn es - gelingt, die induzierten
»Klemmenspannungen« längs des Schweißspaltes -so- zu erzeugen, daß sie dem
Spannungsabfall beim Schweißen mit konduktiv zugeführtem Strom entsprechen, welch
letzterer also als »wahrer« Spannungsabfall bezeichnet werden kann.
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Beim konduktiven Schweißen wird an zwei gegenüber am V-förmigen Spalt
liegenden Stellen mittels der Kontaktbürsten eine Spannung angelegt, welche im wesentlichen
auf zwei sehr niedrigohmigen Verluststrompfaden auf dem äußeren und auf dem inneren
Umfang des C-Rohres je einen Stromanteil fließen läßt, deren Strompfade sich von
Kontaktbürste zu Kontaktbürste fächerförmig verbreitern und wieder zusammenziehen.
Der auf -dem hoch= ohmigen Nutzpfad längs der Bandkanten fließende Stromanteil verzweigt
sich zwar zusätzlich von den Bandkanten fort in den äußeren und inneren Strompfad.
Die in Richtung auf den Schweißpunkt zu nachfließenden bzw. wieder zusammenfließenden
Stromanteile tragen aber zur Erwärmung der nach den Kontaktbürsten zu gelegenen
Bandkantenteile bei.
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Bei stehendem Rohr und bei gleichmäßiger Erwärmung der Bandkanten
im ganzen Spalt kann der Spannungsabfall längs der Kanten gemessen werden. Unabhängig
davon, ob die Stromanteile auf den inneren und/oder äußeren Verluststrompfad durch
Anordnen von magnetisch leitfähigem Material im inneren und/oder parallel zum äußeren
Umfang des C-Rohres gedämpft werden, ergibt sich stets annähernd ein prozentualer
Spannungsabfall über der prozentual aufgeteilten Spaltlänge. Hierbei fällt die Spannungskurve
zunächst sehr steil ab und sinkt in der zweiten Hälfte flach bis auf eine dem Übergangswiderstand
am Berührungs- bzw. Schweißpunkt entsprechende Spannung ab.
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Bei bewegtem Rohr und sich von Raumtemperatur unter den Bürsten auf
Schweißtemperatur am Berührungspunkt erhöhendem Widerstand muß sich die Spannungsabfallkurve
über der Spaltlänge nach der Spaltspitze zu verschieben, d. h. zunächst weniger
stark abfallen.
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Bei magnetisch leitfähigem Schweißgut tritt eine zusätzliche Veränderung
ein, wenn bei Erreichung des Curiepunktes infolge der sich hierbei vergrößernden
Eindringtiefe des elektrischen Stromes (Hütte, 1957, IV A, S. 692) der Widerstand
sich vermindert und die Spannungsabfallkurve zunächst wieder flacher und dann stärker
fällt. Soweit für die konduktive Zuführung des Stromes.
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Die Verhältnisse bei der induktiven übertragung von elektrischer Energie
sei zunächst an einem C-Rohr mit über seiner ganzen Länge gleich breitem Spalt erläutert.
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Abgesehen von dem schmalen Bereich des offenen Spaltes ist das Magnetfeld
im Inneren des Rohres merklich kleiner, so daß bereits hier ein Ringstrom vom äußeren
über den inneren Umfang zu fließen beginnt. Mit wachsender Frequenz nimmt die Eindringtiefe
bei allen Materialien so rasch ab, daß bereits bei Mittelfrequenzen bis 10 kHz die
Eindringtiefe gleich oder geringer als die Wandstärke des zu verschweißenden C-Rohres
wird. Somit stellt jeder Abschnitt des C-Rohres mit seinem äußeren Umfang eine Sekundärwindung
eines mit dem Ringinduktor gebildeten Transformators dar, wobei längs des Spaltes
»Klemmenspannungen« auftreten, welche über den inneren Umfang Ströme fließen lassen,
deren Größe durch die Summe des »inneren« Wider-
Standes der Sekundärwindung
und dem »äußeren« Widerstand auf dem inneren Umfang bestimmt sind. Der hierbei sich
insgesamt auf den Umfängen ergebende Strom ungleicher Stromdichte weist unter dem
Ringinduktor eine gleich hohe maximale Stromdichte auf, die sich von den Stirnflächenebenen
des Induktors nach auswärts theoretisch im Verhältnis
vermindert, wobei a den Abstand des Ringinduktors von dem äußeren Umfang des C-Rohres
und x den Abstand des betrachteten Rohrstreifens von der Stirnflächenebene des Induktors
bedeutet (Hütte, 1957, IV A, S. 69ß).
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Bei den üblichen, möglichst engen Kopplungen sinkt also die Spannung
auf den beiden Seiten des Ringinduktors sehr stark ab.
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Wird bei enger Kopplung die »Klemmenspannung« unter dem Ringinduktor
so gewählt, daß diese der Kontakt-Bürstenspannung beim konduktiven Schweißen entspricht,
so zeigt es sich, wie Messungen bewiesen haben, daß letztere auf einem sehr großen
Bereich der Schlitzlänge wesentlich größer ist als die in diesem Bereich vorhandenen
Spannungen bei induktivem Schweißen. Hier müssen also - nach den oben erwähnten
Vorstellungen - beachtliche Verlustströme fließen.
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Würden die induzierten Spannungen durch Erhöhung des Induktorstromes
dem Spannungsabfall am Spalt angepaßt, so würde sich der Verlust-Stromanteil auf
dem inneren Umfang unter dem Ringinduktor vervielfachen.
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Mit loserer Kopplung jedoch verflacht sich die Kurve der induzierten
Spannungen und deckt sich in ihrer Neigung mehr und mehr mit der Kurve des »wahren«
Spannungsabfalles am Spalt bei konduktiver Stromzufuhr.
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Gleichzeitig erhöht sich in allerdings sehr geringem Maße der Verlustanteil
auf der offenen Seite des C-Rohres. Würde die Kurve der induzierten Spannungen gegenüber
der Kurve des »wahren« Spannungsabfalles am V-förmigen Spalt überhöht, so ließe
sich zwar die Wärmeenergie im Nutzstrom steigern, jedoch unter Inkaufnahme eines
sehr viel stärker wachsenden Verlustanteiles auf dem gesamten Strompfad des inneren
Umfanges.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen - unabhängig von
den gegebenenfalls zusätzlich angewandten Mitteln - jeweils optimalen Wärmeanteil
auf den Nutzstrompfad der Bandkanten zu konzentrieren, wird daher bei einer Anordnung
des Ringinduktors so nahe wie möglich vor dem Berührungs- bzw. Schweißpunkt dadurch
gelöst, daß der durchschnittliche Abstand a des Ringinduktors vom Mantel des C-Rohres
in Abhängigkeit von der - vom jeweils zu fertigendem Rohrdurchmesser maschinenseitig
bedingten - Mindestspaltlänge, welche der Summe des Halbmessers der Stauchwalzen
R" und des Sicherheitsabstandes 1, entspricht, nach der Tangensfunktion
bestimmt wird, wobei a zwischen 6° für Wandstärken um 1 mm bis zu 17° für Wandstärken
von 10 bis 12 mm zu wählen ist. Bei Wahl der Kopplung nach der erfindungsgemäßen
Tangensfunktion ergeben sich stets jeweils optimale Verhältnisse für diese maximale
Konzentration der Wärmeentwicklung auf dem Nutzstromkreis bei einem Minimum an Verlusten
auf den Verluststrompfaden auf dem äußeren und inneren Umfang des C-Rohres. Gleichzeitig
wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung des berührungslosen, induktiven HF-Schweißens
erreicht, daß sein Energiebedarf erheblich kleiner ist als beim konduktiven Rohrschweißen,
bei dem die Übertragung der Wärmeenergie zusätzlich mit dem Nachteil der reibenden
Kontaktbürsten behaftet ist.
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Die Verwendung loserer Kopplung, als bisher beim induktiven Rohrschweißen
üblich war, hat allerdings zur Folge, daß der Blindstrom für die Erzeugung des Magnetfeldes
wächst, so daß an den Röhrengeneratoren besondere Maßnahmen getroffen werden müssen.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich dann voll ausschöpfen,
wenn der Schwingkreis - wie bekannt - außerhalb des übrigen Röhrengenerators direkt
neben der Rohrschweißmaschine angeordnet wird, so daß der Blindstrom mit geringem
ohmschem Verlust in einem kurzen Stromkreis zirkulieren kann. Der übrige Teil des
Röhrengenerators kann über eine, nur mit der Wirklast belastete Leitung mit dem
Schwingkreis verbunden an einer den Produktionsfluß nicht hemmenden Stelle mit anderen
Schalt- und Steuerelementen für die Rohrschweißmaschine zusammen in einer Schaltanlage
untergebracht werden. Der Mehrpreis für die - durch die verstärkte Ausführung des
Schwingkreises bedingten - einmaligen Investitionskosten läßt sich durch die laufende
Verminderung der Energiebedarfskosten innerhalb kurzer Zeit amortisieren. Vorteilhaft
kann auch der Schwingkreis in an sich bekannter Weise (deutsche Auslegeschrift 1177
702) mit einem -- innerhalb des von den Wicklungen gebildeten magnetischen Hauptfeldes
- auch unter Last stufenlos verstellbaren Abgriffarm mit einem entlang der Primärwicklung
gleitenden Kontaktkopf zur stufenlosen Anpassung versehen sein.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise erläutert, und
zwar zeigt F i g. 1. eine schematische Wiedergabe der Anordnung, F i g. 2 einen
Vergleich der durch den Induktor üblicher enger Kopplung induzierten »Klemmenspannung«
längs des Schweißspaltes mit der Kurve des »wahren« Spannungsabfalles bei konduktiver
Stromzufuhr, F i g. 3 einen entsprechenden Vergleich bei erfindungsgemäß loser Kopplung,
F i g. 4 dasselbe für sehr kurze Schweißspalte.
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In der F i g. 1. ist die Anordnung schematisch wiedergegeben. Das
linke zu denkende Bandcoil wird in der Rohrschweißmaschine abgewickelt, gegebenenfalls
gerichtet, beschnitten und in einem Formwalzwerk zum C-Rohr 1 vorgebogen. Die im
Spalt S V-förmig aufeinander zu laufenden Bandkanten berühren sich im Schweißpunkt
P zwischen den den Stauchdruck liefernden Stauchrollen 2, 2', in welche ein entsprechendes
Kaliber mit dem Grund 3, 3' eingearbeitet ist. Der Halbmesser Rst des Stauchrollen-Kaliberumfanges
4, 4', welcher beim Stauchen die Rohrwand zu stützen hat, bestimmt mit dem zusätzlichen
Sicherheitsabstand 1, die Mindestspaltlänge Rst+lz zwischen dem Schweißpunkt
P und der ihm
benachbarten Stirnflächenebene des Ringinduktors 5.
Diese ist beispielshalber als ein zweiwindiger Ringinduktor mit den Anschlüssen
6, 6' dargestellt, welche mit den Zuleitungen 7, 7' von der Sekundärwicklung des
Schwingkreises gespeist wird. Die erfindungsgemäßeAusführung des durchschnittlichen
Abstandes a des Ringinduktors von der Mantelfläche des C-Rohres in Abhängigkeit
der Tangensfunktion von der Mindestlänge des Spaltes Rst+l, ist unabhängig von der
Ausführung des Ringinduktors ein-oder mehrwindig.
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Im. Diagramm F i g. 2 ist die Kurve des »wahren« Spannungsabfalles
1 über eine Spaltlänge von 300 mm aufgetragen und die Kurve der induzierten Spannungen
einmal unter 2 für einen Abstand a=4 mm aufgetragen, wie er beim Rohrschweißen in
kleineren Rohrdurchmessern üblich ist. Zum Vergleich ist zum anderen die Kurve der
induzierten Spannungen 3 für einen Abstand a=1 mm, wie er beim Glühen, Härten und
Anlassen verwendet wird, gegenübergestellt. Im Bereich 0 bis 180 mm überwiegt die
jeweils in einem Rohrquerschnitt an den Bandkanten auftretende Spannung die dort
induzierten Spannungen, so daß in dem genannten Bereich ein VexIuststrom auf dem
äußeren Umfang fließt.
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Im Bereich von 3.80 bis 300 mm sind in jedem Querschnitt die induzierten
Spannungen höher, so daß dort der Verluststrom auf dem inneren Rohrumfang und der
Nutzstrom im Spalt vergrößert wird. Zu beachten ist, daß im letztgenannten Bereich
nach dem Berührungspunkt zu das Feld durch die Stauchwalzen verzerrt und hinter
dem Berührungspunkt praktisch abgeschirmt ist. In der F i g. 3 sind für die gleiche
Spaltlänge und die gleiche Kurve des Spannungsabfalles 1 am Spalt die Kurven 4 und
5 der induzierten Spannungen gegenübergestellt. Bei Kurve 4 beträgt der Abstand
a=20 mm -tg=0,1-bei Kurve 5 a=50 mm - tg=0,25. Hier ist die Spannungsdifferenz zwischen
1 und 4 in dem kleineren Bereich von 0 bis 110 mm Spalt sehr viel kleiner als in
F i g. 3 und verschwindet bei Kurve 5 ganz.
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In F i g. 4 sind für eine sehr kurze Spaltlänge von 100 mm die Kurve
des Spannungsabfalles 6 und die Kurve der induzierten Spannungen 7 bei einem Abstand
a=10 mm - tg=0,1 - aufgezeichnet. Es zeigt sich, daß ein Wert von tg=0,1 als untere
Grenze für alle Spaltlängen stets wirtschaftlich günstige Verhältnisse ergibt. Bei
größeren Spaltlängen können die flach verlaufenden Kurven ein Optimum bei tg=0,2
erreichen.