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Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen
Längsverschweißen
von langgestreckten Metall-
streifen
Die Erfindung betrifft ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Längsverschweißen von langgestreckten
Metallstreifen oder Metallbändern, bei dem die Bänder von Abwickelstationen einer
Schweißzone zugeführt und vor Erreichen der Schweißzone insbesondere mittels hochfrequentem
Schweißstrom auf Schweißtemperatur erhitzt und in der Schweißzone unter Druck zusammengepreßt
werden.
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Es sind verschiedene Verfahren zum kontinuierlichen Längsschweißen
von langgestreckten Metallstreifen oder -bändern bekannt, bei denen die Längskanten
der Bänder entweder in überlappter Form miteinander verschweißt werden, wie dies
. z.B. bei der Dosenherstellung-aus einem endlosen Rohr bekannt ist oder in dem
die Längskanten stumpf miteinander verschweißt werden, wie dies bei Rohren mit dicken
Wandstärken vorgeschlagen ist. Das Herstellen von Stumpfschweißnähten ist bei dünneren
Materialien, die im Bereich von wenigen Millime-, tern oder unter einem Millimeter
liegen, außerordentlich schwierig.
Es ist bei der Verschweißung
von Bändern auch bereits bekannt, die erforderliche Schweißtemperatur mit Hilfe
von Hochfrequenzstrom zu erzeugen, indem auf die Bänder vor der Schweißzone Elektroden
aufgesetzt werden, durch die der hochfrequente Schweißstrom zugeführt wird. Diese
Art der Erwärmung ist insbesondere bei Überlappungsnähten bekannt, bei -denen der
oberflächliche IIochfrequenzstrom sich entlang der Bandkanten im Überlappungsbereich
ausbreitet.
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%s ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe auch relativ dünne Blechbänder mit einer
Stumpfschweißnaht sicher und zuverlässig miteinander verbunden werden können, derart,
daß das zusammengesetzte endgültige Band über seine ganze Breite gleiche Dicke und
gleiche Eigenschaften aufweist.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daßdie Streifen
der Schweißzone so zugeführt werden, daß die Streifenkanten sich entlang von Linien
in Deckung mit der gewünschten Schweißnaht bewegen, wobei der eine Streifen in einer
Ebene der Schweißzone genähert wird, die gegenüber der,lewegungsebene des anderen
Streifens einen spitzen Winkel bildet, daß ferner die einander benachbarten Streifenkanten
wenigstens im Bereich der Schweißzone in geringer gegenseitiger Überdekkung geführt
und an einem seitlichen Ausreichen innerhalb der Bewegungshene gehindert werden,
derart, daß die Streifenkanten in der Schweißzone geringfügig senkrecht zu der Streifenebene
aneinander
entlanggewischt oder gedrückt werden. Mit Hilfe des neuen Verfahrens werden Letallstreifen
in Kantenberührung unter Druck gebracht, nachdem die Kanten soweit erwärmt worden
sind, daß sie den plastischen Schmiedezustand -erreicht..liaben. Die Erwärmung erfolgt
'vorteiihafterweise durch Hochfrequenzstrom. Die miteinander zu verschweißenden
Kanten sind bei dem neuen Verfahren im wesentlichen in einer gemeinsamen senkrechten
Ebene angeordnet,, und zwar während ihrer ganzen Zuführungsstrecke, wobei die beiden
`Kanten jedoch voneinander solange getrennt bleiben, bis sie den gemeinsamen Schweißpunkt
erreichen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die benachbarten Längskanten
der Streifen unter einem senkrechten Winkel zueinander so angeordnet, daß sie in
einer Ebene liegen derart, daß wenn die-beiden Streifen geschweißt 'sind und von
ihren gemeinsamen Schweißpunkt weggezogen werden, keine Verformung der beiden Streifen
stattfinden kann auf Grund der mechanischen Einwirkungen der Vorrichtung.
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Beim Ausführen des fortlaufenden Schweißverfahrens entlang benachbarter
kanten tritt bei dem neuen Verfahren der eine Streifen in die Schweißzone entlang
im wesentlichen einer horizontalen Ebene ein und verläßt die Lbene nach Vollendung
fier Stumpfschweißnaht im wesentlichen in der gleichen ebene. Der andere Streifen
gelangt jedoch in die Schweißzone von einer höheren Station aus und unter einem
spitzen Winkel gegenüber der Ebene des ersten Streifens, wobei sich die beiden Ebenen
der Streifen in einer Linie schneiden, die im wesentlichen
im oder
unmittelbar benachbart zum Schweißpunkt der beiden Streifen liegt. Da die beiden
Streii:enebenen durch eine Querebene geschnitten werden, die die Längskanten, die
geschweißt werden sollen, enthält, erfolgt der Schweißvorgang umso wirkungsvoller,
je mehr die Querebene sich gegenüber der Streifenebene der senkrechten Ebene nähert.
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Eine vollständige senkrechte Fluchtung der Kanten führt jedoch, wie
die Praxis gezeigt hat, zu keiner völlig befriedigenden Schweißnaht. Es hat sich
vielmehr gezeigt, daß dann wenn die benachbarten Streifenkanten gerade aneinander
vorbeigleiten oder nur schwach aneinander reiben, wenn sie in die gemeinsame Ebene
in Fluchtung gebracht werden, es notwendig ist, die Streifen-in der Schweißebene
mit einem solchen Ausmaß zusammenzupressen, daß eine Veiormung vor dem Schweißpunkt
die natürliche Folge ist, die Streifen also beginnen in unregelmäßiger Form auszubeulen
und Stellen zu
zeigen. Wenn dieser Vorgang auftritt, treten die aufeinandertreffertbn
Kanten unter die Einwirkung einer Zugspannung, während die entferntliegenden Kanten
einer Druckspannung unterliegen. Die Ebenenverformung stört die kontinuierliche
Herstellung einer zuverlässigen Naht.
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Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wurde jedoch eine befriedigende
praktische Lösung für das Stumpfschweißen der Streifenkanten dadurch gefunden, daß
man den hriherliegenden Streifen gegenüber den tieferliegenden Streifen im Bereich
der Schweißkanten geringfügig überdecken läßt. Die Uberdekkung
macht
nur einige wenige 1/1 000 cm aus, so daß die beiden Streifen praktisch mit Hilfe
einer Stumpfschweißnaht und unter Einwirkung von seitlichen Schmiederollen und senkrechten
Druckrollen vereinigt werden können und zwar in einem kontinuierlichen Verfahren
und durch eine Vorrichtung, die weiter unten beschrieben wird. Von besonderem Vorteil
ist es, wenn man die Ebene der Schmiedepreßung, das ist die senkrechte Ebene, welche
durch die senkrechten Achsen der an den Außenkanten angreifenden und in Querrichtung
wirkenden Schmiederollen enthält, geringfügig vor_der senkrechten Druckebene anordnet,
das ist die Ebene, welche die horizontalen Achsen der Druckrollen enthält.. Durch
diese gegenseitige Verschiebung der Schmiedeebene zu der Preßebene wird eine wesentlich
genauere und positivere Kontrolle über die Lage und den Vorgang am Schweißpunkt
erhalten.
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Diese Steuerung über den Schweißpunkt ist von größter Bedeutung. Die
von einem Radiofrequenzgenerator erzeugten Hochfrequenzströme, die mit einer Ausgangsleistung
von 60 oder mehr kW und einem Strom von 100 - 450 kHz erzeugt werden können, werden
verwendet, um die Kantenoberflächen jedes Metallstreifens zu erhitzen, welche Kanten
nachträglich mit Hilfe der Schmiederollen zusammengepreßt werden. Um diese Kanten
durch den Hochfrequenzstrom zu erzeugen, muß ein Generator von geeigneter Kapazität
und Frequenz zusammen mit entsprechenden Kontrolleinrichtungen im Bereich jedes
Streifens angeordnet werden. Von dem Generator und der Hilfseinrichturig
erstrecken
sich Stromleitungen zu Elektroden, die in Berührung mit den zu verschweißenden Streifen
stehen. Die Elektroden an jedem Streifen liegen einem kurzen Abstand .von der Ebene
der Schmiederollen, Die Ströme, die durch den Generator mit hoher Frequenz erzeugt
werden, laufen im,wesentlichen auf der Oberfläche der Streifen von und zwischen
den Kontaktpunkten der Elektroden bis zum Schweißpunkt. Ienn die leitenden Metalloberflächen
Unter der Erregung des alternierenden Stromes erhitzt werden, werden die-Kantenoberflächen
erhitzt auf die plastische Temperatur, welche für kaltgewalzten bzw. legierten Stahl
zwischen etwa 1 0930 und 1 316° C liegen.
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Die Temperaturen, die an den Kantenoberflächen erreicht werden, hängen
ab vom Abstand der Elektroden vom Schweißpunkt. Wenn die Lage des Schweißpunkts
variiert, ändert sich auch die Temperatur der Kantenoberflächen nach oben oder nach
unten und zwar indirektem Verhältnis,_d.h. wenn der Schweißpunktabstand von den
Elektroden zunimmt, nimmt auch die Temperatulzu und wenn der Schweißpunktabstand
abnimmt, sinkt auch die Temperatur. Unter diesen Verhältnissen wird. die Kontrolle
des Schweißpunktes eine höchst wünschenswerte wenn nicht sogar notwendige und wesentliche
Maßnahme bei dem Verfahren gemäß der Erfindung. Es wurde gefunden, daß span dadurch,
daß man die Ebene durch die Schmiederollen gertngfügig.vor die Ebene durch die freßrollen
legt, die Schwankungen und Veränderungen der Lage des Schweißpunktes auf einen äußerst
engen Bereich begrenzt werden können, und zwar wesentlieh
besser
und zuverlässiger, als wenn die beiden Ebenen zusammenfallen. Auf diese .eise wurde
erreicht,.daß eine . bedeutende veränderliche Größe in ihren Schwankungen außerordentlich
eng kontrolliert werden kann, so daß man relativ stabile und leicht steuerbare Temperaturen
an den Bandkanten erhalten kann..
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Ein weitererFaktor, der bei dem kontinuierlichen Verfahren gemäß der
Erfindung zu beachten ist, ist die Eindringtiefe der Hitze in die Metallstreifenkanten.
Die Eindringtiefe nimmt zu, wenn die Kantentemperatur ansteigt. Es ist in der Regel
eine nur geringe ift'ärmeeindringung höchst wünschenswert, da die Schmiededrücke
erheblich sind und übermäßiges Schmieden an den Stumpfschweißkanten zu einem wesentlichen
und ungewÜnschten Aufwölben des Schweißmetalls entlang der Naht führen würde. Die
Geschwindigkeit der Bänder*sowie die Leistung und die Frequenz des Stromes, der
an den Elektroden anliegt, ferner der Abstand der Elektroden vom Ochweißpunkt, die
relative konstante Lage des Schweißpunktes und der geringfügige bberhang der Streifenkanten,
die auf den plastischen Zustand gebracht werden, sind Faktoren, die eine gegenseitige
Anpassung erfordern, um das Verfahren zum Stumpfschweißen der Längskanten .von Metallstreifen
in-kontinuierlicher reise erfolgreich durchzuführen. Mit dem neuen Verfahren und
der weiter unten angegebenen Vorrichtung werden diese Größe in erfolgreicher .:eise
.stabilisiert und gesteuert, Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß es für
das erfindungsgemäße- Verfahren von großer Bedeutung ist, in engen
Grenzen
die Lage des Schweißpunktes in Bezug auf die Angriffsebene der Schmiedekraft und
der Angriffsebene der senkrecht zur Bandebene wirkenden Druckkräfte zu steuern.
Ein weiterer wesentlicher Faktor des neuen Verfahrens liegt darin, daß man bei Annäherung
der Kanten in die Schweißzone für eine geringfügige überdeckung der Schweißkanten
sorgt, die auch nicht annähernd vergleichbar ist mit einer uberlappung im Sinne
einer üblichen überlappungsnaht, jedoch gewährleistet, daß bei Ausrichtung der Bänder
in.die gleiche H,bene innerhalb der Schweißzone die erhitzten Kantenbereichegeringfügig
aneinander vorbeigequetscht werden. Dieser ."uetschvorgang wird gesteuert und kontrolliert
durch die an den Außenkanten angreifenden Schmiederollen. Das nachfolgende Zusammenpressender
Bänder und der Naht durch die senkrecht zur Oberfläche der "änder angreifenden Preßrollen
dient lediglich noch dazu, den Schweißwulst niederzuwalzen, aber nicht@dazu, um
die Kanten in eine Ebene auszurichten, also die Stumpfschweißnaht herzustellen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an 1-,Tand schematischer Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Ausführungsform der
Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Stumpfschweißen von Metallstreifen.
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Fig. 2 ist eine Stirnansicht teilweise im Schnitt, wobei der Schnitt
entlang der Schnittlinie II-II der Fig. 1 geführt ist
Fig. 3 zeigt
im geringfügig vergrößertem Maßstabe und perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt
der Vorrichtung; wobei der Ausgangspunkt der Blickrichtung kurz: vor dem Schweißpunkt
und den Schmiederollen liegt.
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Fig. 4 ist eine Teilansicht in perspektivischer Darstellung und zeigt
eine Gashaube oberhalb der Schweißzone, der.Schmiederolle und von horizontalen Druckrollen.
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Fig. 5a ist ein senkrechter Schnitt quer zu zwei Metallbändern während
ihrer Annäherung an den Schweißpunkt jenseits der Elektroden.
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Fig. 5b ist ein senkrechter Schnitt ähnlich dem der Fig. 5a und zeigt
den Augenblick in dem die beiden benachbarten Streifenkanten, welche bis auf den
plastischen Zustand erhitzt worden sind, gegeneinander gleiten und aneinander entlangwischen.
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Fig. 6 zeigt im vergrößertem Maßstabe einen senkrechten Querschnitt
entlang der Schweißzone des zusammengesetzten Streifens..
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Fig. 7 ist ein Ausschnitt in Draufsicht auf den zusammengesetzten
Streifen, während Fig. B eine Vorderansicht in Schnitt entlang
der Schnittlinie VIZI-VIII nach Fig. 1 ist.
Wie in mehreren
Darstellungen in den Zeichnungen wiedergegeben ist, umfaßt die Vorrichtung zum Stumpfschweißen
benachbarter Längskanten 12 und 14 von Metallstreifen oder Bändern 16 und 18 eine
Basis 20, Streifenführungsrollen 22 auf Unterbauten 24 sowie Streifenspannrollen
26. Weiterhin ist eine Befestigung 28 für die Elektroden der Kontaktschweißung vorgesehen.
Die Vorrichtung uräßt weiterhin Streifenunterstützungen 30, 32 unterhalb der Unterstützung
sowie in horizontaler Richtung wirkende Streifenschmiederollen 34, 36, die auf den
Stützen 38 und 40 unterstützt sind.-Die Rollen sind unter Druck gegen die äußeren
seitlichen Kanten der beiden Streifen mit Hilfe eines pneumatischen Zylinders gehalten.
Die Stützen 38 und 40 und der Zylinder 42 werden ihrerseits auf einer Hilfsbasis
44 unterstützt. tYeiterhin sind senkrecht wirkende Druckrollen 46 und 48 vorgesehen,
welche auf den geschweißten zusammengesetzten Streifen einwirken, um diesen in Richtung
auf eine Aufwickelrolle, die nicht gezeigt ist, von den Druckrollen wegzuziehen.
Ein Hochfrequenzstromerzeuger dient zur Versorgung und Lieferung des Stromes und
der elektrischen Leistung für den Schweißvorgang. Der Erzeuger ist nicht gezeigt,
ebenso wie andere zugehörige Einheiten, z.B. einen Transformator, mittels Hand bedienbarer
Kontrolleinrichtungen, welche insgesamt bekannt sind.
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Die Metallstreifen 16 und 18 sind-aus elektrisch leitendem Material
und bestehen, wenn auch nicht ausschließlich so doch vorzugsweise, .aus Eisenmaterial,
Die :Streifen können relativ
dick oder relativ dünn im Querschnitt
sein. Es wurden erfolgreiche Stumpfschweißungen mit de@Vorrichtung und dem Verfahren
gemäß der Erfindung ausgeführt bei Streifen mit einer Dicke von 0,45 - 0,71 mm,
obwohl die Streifendicke auch größer oder kleiner sein kann, um zufriedenstellende
Stumpfschweißungen mit dem vorliegenden Apparat und dem Verfahren gemäß der Erfindung
zu erhalten. Einige der Streifen, die miteinander stumpfgeschweißt worden sind,
waren elektrogalvanisiert,-d.h. mit-einem Zinküberzug versehen, und bestanden aus
kaltgewalztem oder legiertem Stahl. Ursprünglich kaltgewalzte Stähle und andere
Stähle wurden ebenfalls mit Erfolg stumpfgeschweißt, um zusammengesetzte Streifen
zu erhalten. Der Ausdruck "zusammengesetzter Streifen" umfaßt verschweißte identische
Streifen ebenso wie unterschiedliche Streifenmaterialien, die mit Hilfe der Stumpfschweißnaht
verbunden sind. Die beiden Streifen werden von an Abwickelst-ationen unterstützten
Wickeln, die nicht gezeigt sind, abgezogen und die auf Ständern unterstützt sind,
die gegeneinander und gegenüber der Basis:, auf wekcher die Abwickelstation unterstützt
ist, isoliert sind. Durch den Generator und die Kontrolleinrichtung wird elektrischer
Strom den beiden Streifen durch die Kontakteinrichtung 23 zugeführt, wobei der Strom
in Richtungen der geringsten Impedanz und geringsten Reaktanz fließt. Er gelangt
schließlich durch einen Rückflußkreis zu jedem Kontakt oder zur Erde. Um die Stromverluste
und ein ungewünschtes Erwärmen
des Metalls zu vermeiden, stehen
die 2lemente direkt in Kontakt mit den Ivietallstreifen und sind vorzugsweise voneinander
und von der Basis, auf denen sie unterstützt werden, isoliert. Dies gilt insbesondere
für die Unterstützungseinrichtungen 24, die Spannrollen 26, die Unterstützungen
38 und 40 für die Schmiederollen und die Druckrollen 46, 48.
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Die Basis 20 wird vorzugsweise auf einem starren `?ahmen unterstützt,
um die Schrjeißeinrichtung 28 oberhalb Brusthöhe oder geringfügig höher zu halten,
um eine bessere Beobachtungsmöglichkeit beim Durchgang der Streifen durch die Schweißeinrichtung
für die Bedienungsperson, welche die Kontrolleinrichtungen handhabt, zu schaffen.
Auf der Basis 20 sind Unterstützungseinrichtungen 24 für Führungsrollen mit wenigstens
vier Führungsrollen 22 montiert., die einstellbar auf der Unterstützungseinrichtung
angeordnet sind, so daß der Streifen 18 positiv in seitlicher Richtung neben dem
komplimentären Streifen 16 im Bereich der Schweißzone gemäß Fig. 3 geführt wird.
Eine Fluchtung der Streifen -16 und-18, die von den Wickeln in den Abwickelstationen
herkommen, ist kritisch-und es muß Sorge für eine solche Ausrichtung getroffen werden,
um die Streifen in einem kontinuierlichen Schweißverfahren mit Erfolg verbinden
zu können. Der Streifen 16 ist in ähnlicher sVeise durch eine Unterstützungseinrichtung
24 auf der Basis 20 geführt, welche Unterstützungseinrichtungw,jedoch in einer angehobenen
Stellung gehalten ist, so daß der Streifen 16 in die Schweiß--;zone unter einem
spitzen Winkel gegenüber der Ebene des Streifens 18 eintritt.
Unter
jeder Unterstützung 24 für die Führungsrollen sind Isolierkissen 56 angeordnet,
um die Unterstützungseinrichtungen und die zugehörigen Streifen voneinander zu isolieren.
Die Führungsrallen 22 sind einstellbar und zwar in seitlicher Richtung auf den Unterstützungseinrichtungen
24 angeordnet, so daß die Streifen 16 und 18.aufeinander so ausgerichtet werden
können, daß sie sich in Senkrechter Richtung geringfügig überlappen. Diese Überdeckung
wird bereits von der anfänglichen Lage der Bandwickel her aufrechterhalten und setzt
sich fort bis zu den Unterstützungen 24 für die Führungsrollen und die Streifenunterstützungen
30 und 32. Die Streifen kommen damit in die Schweißzone gemäß Fig. 5a in einer sich
in senkrechter Richtung geringfügig überdeckenden Stellung. Die Überdeckung des
Streifens 16 in Bezug auf den Streif en,18 beträgt nur einige 1/1 000 cm. Streifenwickel
werden bekanntlieh in Breiten von variablen Toleranzen hergestellt und verkauft.
Um die Breite des zusammengesetzten Streifens innerhalb von Grenzen zu halten, derart,
daß die Materialaufwölbung im Bereich der Schweißlinie relativ klein und steuerbar
ist, wird die Breite des zusammengesetzten Streifens geringfügig kleiner als die
kombinierten oder addierten Breiten der-beiden Streifen, die miteinander verschweißt
werden sollen gehalten. Der Unterschied beträgt etwa 0,125 - 0,25 mm. Die Auswahl
und die Bestimmung dieses breiten Unterschiedes beruht teilweise auf den Zusammendrückungskräf
ten der Druckrolleh46 und 48, welche gegen den aufgedrückten Schweißwulst wirken,
urid teilsweise
auf der Versänderung der Toleranzen der beiden
Streifen. Die normale ächwiedeverringerung der Rollen 34 und 36 für Streifen von
einer Dicke von etwa 0,5 mm beträgt etwa 0,2 mm, wodurch ein Schweißwulst an der
Schweißlinie entsteht, der leicht durch die Druckrollen 46, 48 zusammengedrückt
werden kann, um einen zusammengesetzten Streifen 49 von im wesentlichen gleichförmiger
Dicke zu erzeugen. nenn die Streifen 16 und 18 die Unterstützungen der Führungsrollen
verlassen, wird auf diese durch zwei Zugrollen 26, 26 eine Bremswirkung aufgebracht.
Diese (tollen sind in nicht dargestellten Ständern in einer solchen :eise montiert,
da:ß 'die Streifen einem nennenswerten Druck zwischen den Rollen ausgesetzt werden,
welche ihrerseits aus einem Kunststoff auf der Basis von Polyurethan hergestellt
sind, der unter dem .*arenzeichan "Disogrin" bekannt ist. Selbstverständlich können
auch andere Materialien, die in ihrer Wirkung ähnlich sind, verwendet werden. Der
durch die Rollen 26, 26 aufgebrachte Druck ist derart, daß die Streifen durch die
Rollen mit großer Reibung erfaßt werden, so- daß auf die Streifen.von den Rollen
26, 26 in Verbindung mit den Zugrollen 50, 52 eine nennenswerte Bremswirkung oder
Spannung aufgebracht wird. Indem die Streifen unter fester Spannung in der Schweißzone
gehalten werden, wird ein Aufwölben oder Ausbiegen der Streifen vermieden
und damit die Steuerung der Überdeckenden gegenseitigen Lage der Streifenkanten
12 und 14 im Bereich des Schweißpunktes verbessert.
:Penn der Streifen
18 die ;ollen 26, 26 verläßt, gelangt er in gleitende Berührung mit der Unterstützung
32. Diese umfaßt eine Basis 60, einen Ständer 62 und eine Streifenaufla-' ge 64,
die aii dem Ständer unterstützt #st, der seinerseits in senkrechter Richtung einstellbar
auf der Basis 60 angebracht ist. Die Auflage 64 ist drehbar einstellbar in einer
senkrechten Ebene und zwar mit Hilfe des Stiftes 66, der in dem Ständer montiert
ist. Die eingestellte Stellung kann mit Hilfe einer Schraube 68 festgestellt werden,
die durch einen halbkreisförmigen Schlitz in-der Auflageplatte 70 ragt. Die Auflage
64 der Streifenunterstützung 32 liegt im wesentlichen in einer- horizontalen Ebene
für den Streifen 18. Die Streifenunterstützung 30 ist aus den gleichen Elemente,
wie sie für die Unterstützung 32 beschrieben ist, zusammengesetzt, wobei die Auflage
64 unter einem -spitzen .ainkel zur Horizontalen ausgerichtet ist, um sich der Bann
des Streifens 16 anzupassen. Bei bereits geprüften und geschweißten Streifen hat
sich gezeigt, daß die Auflage 64 der Streifenunterstützung 30 unter einem spitzen
Winkel gegenüber der horizontalen Ebene ausgerichtet wird, der zwischen
3 0 und 100 liegt. Dieser Bereich wird bevorzugt. Beim Schweißen anderer
Streifen kann es jedoch zweckmäßig sein, die gegenseitige inkellage zu modifizieren,
um den ;iinkel zu vergrößern oder zu verkleinern und zwar in Abhängigkeit davon,
ob die Leistungszufuhr an den Elektrodenkoiitakten, sowie die Bewegungsgeschwindigkeit
der beiden Streifen kritisch sind bzw. in Abhängigkeit von der Ännäherung der den
Strom führenden Kantenabschnitten der relativen Verschiebung
oder
dem Fehlen einer solchen Verschiebung des Schweißpunkten und der Gegenwart von Bogenentladungen
zwischen den Streifen im Bereich der den Strom führenden Kanten. Da die elektrische
Wirksamkeit des Hochfrequenzkreises zwischen den Elektrodenkontakten und durch den
Schweißpuhkt zunimmt, wenn die Winkelbeziehung zwischen den Stromwegen dem Jerte
Null nahekommt, wird eine optimale Winkelbeziehung zwischen den . beiden Streifen
dann erreicht, wenn bei einer gegebenen Leistungszufuhr bei einer bestimmten Frequenz
und bei vorgegebener Streifengeschwindigkeit der Winkel zwischen den Streifen geringfügig
größer ist als der Linke 1, bei dem Lichtbogenentladungen zwischen den Elektroden
oder den Streifen stattfinden würde. Oberhalb der Streifen -1s und 8 ist im Bereich
der Unterstützungen 30 und 32 jeweils die Anordnung für die Elektroden 28 vorgesehen.
Diese Montageeinheit kann in verachiedender .-leise ausgeführt werden, wobei die
Konstruktion dieser Teile nicht zur vorliegenden Erfindung gehört. Eine representative
Ausführungsform für eine solche Anordnung, die verwendet werden kann, umfaßt einen
Elektrodenkantakt 80, der an einem Arm 82 angeordnet ist, der schwenkbar auf einem
Stift 84 montiert ist. Der'Arm wird in Anlage an eine nachgiebige Feder 86 gehalten,
so daß der Kontakt 80 freigleitbar und in elektrischen und mechanischen Kontakt
mit dem Streifen steht und zwar zu jeder Zeit. Das obere Ende 88 der Einrichtung
wird fest in Stützen, die nicht gezeigt sind, gehalten, die der Stromerzeugungseinrichtung
zugeordnet sind. Jede Bäte der Einrichtung
ist von der anderen
Seite isoliert und steht in direkter Verbindung mit dem Stromerzeuger durch entsprechende
durch Flüssigkeit gekühlte Stromleiter 90.
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Die Elektrodenkontakte 80 gleiten auf den Streifen 16 und 18 nahe
den Kanten 12 und 14, wobei der Schweißstrom auf der Oberfläche der Streifen nahe
-dessen Kanten verläuft und diese erwärmt, da das Metall dem Hochfrequenzstrom und
dem rÜckfliesenden Strom einen Widerstand entgegensetzt. Wenn man sich vor Augen
hält, da.ß die Streifen mit sehr hoher Geschwindigkeit an den Elektrodenkontakten
80 vorbeilaufen, an welchen der Schweißstrom den Streifen zugeführt wird, beträgt
der Zeitpunkt der Stromaufnahme nur einen geringen Bruchteil einer Sekunde. Jedoch
wird innerhalb dieser Periode die Oberfläche der Kanten auf eine Temperatur erhitzt,
in welcher das Material plastisch wird und die Kanten in einen schweißbaren Zustand
gelangen. Nur als representatives Beispiel und ohne Begrenzung gegenüber Abwandlungen
für andere Gegebenheiten wird auf das Stumpfverschweißen von elektrogalvanisierten,
kaltgewalzten Stahlstreifen verwiesen, die mit einem legierten Stahlstreifen in
kontinuierlicher Weise mit einer Geschwindigkeit von vetwa 120 m/Min. oder mehr
bewegt. Die Elektrodenkontakte 80 befinden sich in einem Abstand von etwa 7,5 cm
vom Schweißpunkt in Berührung mit dem galvanisierten Stahlstreifen und in einem
Abstand von etwa 5 cm vom Schweißpunkt auf den Edelstahlstreifen. Es wird ein 60
Kw-Generator verwendet, der bei einer Frequenz von 450 kHz arbeitet. Unter
diesen
Bedingungen wurde der galvanisierte Stahlstreifen nu seiner Kante erhitzt auf eine
Schweißtemperatur in etwa 0,0375 sec., während der Edelstahlstreifen im Bereich
seiner Kante erhitzt ist in etwa 0,025 sec.
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Es wurde festgestellt, daß beim Zusammenschweißen.eines Stahlstreifens
der mit einem galvanischen Zinküberzug versehen ist, mit einem rostfreien Stahlstreifen
ein Teil des Zinks in dem Öberflächenbereich, der-durch den elektrischen Strom erhitzt
worden ist, verdampft und oxydiert und die Schweißzone in einen Wolke von Zinkionen
oder Zinkoxydteilchen umgibt, derart, daß die Ströme wenigstens teilweise kurzgeschlossen
und damit deren Schweißwirksamkeit vermindert wird. Um diesen Nachteil zu vermeiden
in Fällen,@n denen ein oberflächlicher Zinküberzug auf dem Streifen vorhanden ist,
wird ein neutrales oder inerstes Gas z.B. Kohlendioxyd mit Hilfe einer Haube 96
durch eine Leitung 98 eingeführt, die von einer Gasquelle gemäß Fig. 4 ausgeht.
Stickstoff oder andere inerte Gase können innerhalb der Haube oder mit Hilfe von
Strahlen zugeführt werden, um das Zink zu beseitigen. Die Haube wird über den Bereich
der Schweißzone angeordnet und ist überall da offen, wo mechanische Teile oder andere
strukturelle Teile vorhanden sind. Das Gas wird kontinuierlich zugeführt oder zugemessen
und tritt in die Atmosphäre aus dem Bereich der Maschinenkomponenten nahe der Kanten
der Haube aus. Das Kohlendioxydgas vermindert die Oxydation des Zinkes, so daß die
Gefahr von
Lichtbögen oder Kurzschlüssen zwischen den
Strömen während
des Aufheizens und Schweißens eliminiert wird.
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Aus den Fig. 1, 3 und 8 ist deutlich, daß die Druckrollen
46,
48 in senkrechter Richtung gegenüber dem zusammengesetz-
ten Streifen
49 angeordnet und gegenüber den Schmiederollen 34, 36 geringfügig
nach rückwärts-versetzt sihde d.h. daß
eine senkrechte Ebene
durch die horizontalen Achsen der Druck-
rollen sich ein kleines Stück
rückswärts gegenüber der senk-
rechten Ebene befindet, die durch
die Achsen der horizontalen
Schmiederollen-verläuft. Es wurde festgestellt,
daß die Ein-
stellung der Druckrollen in senkrechter Fluchtung
mit den
Schmiederollen,die_Stumpfschweißung der Streifen beeinträch-
tigt.
`.'."enn die Druckrollen geringfügig hinter die Schmiederol-
len gelegt
werden, sind die letzteren besser im Stande, wirkungsvoll auf den Schweißpunkt
einzuwirken und dem kombinier-
ten Streifen zu verschweißen. Wenn man
nur einen Satz von
tollen, z.B. die Schmiederollen vorsieht, welche
auf die bei-
den Streifen im Bereich der Schmiedezone einwirken, wurde
weiterhin
festgestellt, daß der Schweißpunkt mit größerem
ßrfolg gesteurt und
seine Längsverschiebung in Grenzen gehal-
ten werden kann, als wenn
beide Rollensätze gleichzeitig auf
den Streifen einwirken.
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Die Druckrollen 46, 48 werden in gegenseitiger Druckanlage auf
den kombinierten Streifen 49 durch. Druckfedern 100 gehal- ten, welche an
Pfosten 102 angeordnet sind und sich gegen die
Unterstützungen
104, 104 der Wellen legen, um den Schweißwulst des zusammengesetzten Streifens 49
zusammenzupressen. Der durch die Federn au`fgebrachteDruck kann erhöht oder vermindert
werdeni indem man die Federwiderlagekappen 106 nach oben oder unten einstellt. Wenn
beide Streifen 16 und 18 die gleiche Dicke .aufweisen, sind die-Rollen 46, 48 gleichmäßig
ausgebildet. Wenn jedoch ein kombinierter Streifen hergestellt werden soll, bei
dem die beiden Streifen ungleicheDikke aufweisen, müssen die Rollen 46 und 48@so
bearbeitet und geschliffen werden, daß sie sich der Gestalt der Schweißlinie anpassen,
ohne daß ihre Funktion, das vorstehende Metall im Bereich des Schweißwulstes niederzuwalzen,
beinträchtigt wird. Dies ist die wesentliche tfirkung der Rollen 46, 48, d.h. sie
dienen nicht dazu, in senkrechter kichtung eine überlappte Verbindung, wie sie bei
bekannten Nahtschweßeinrichtungen vorgesehen ist, niederzuwalzen oder zusammenzudrücken.
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Nachdem der zusammengesetzte Streifen 49 die Druckrollen 46, 48 passiert
hat, wird er durch die Rollen 50, 52 unter Zug gehalten, wobei diese Rollen eines
Satzes oder mehrerer Sätze je nach Bedarf vorgesehen sein können,. um den zusammengesetzten
Streifen in Richtung auf eine Aufwickelstation, die nicht gezeigt ist, zu ziehen,
die in einem geeigneten Abstand von den Ro-Llen 50 und 52 angeordnet sein kann.
L-s muß eine ausreichende Zeit zur Verfügung dtehen, damit das geschweißte Nietall
sich ausreichend abkühlen kann, um den gewünschten me-
tallogischen Aufbau
zu erzeugen und zu stabilisieren, bevor
der Streifen der mechanischen
Beanspruchung beim Biegen während des Aufrellens unterworfen wird.
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Die sehr geringe Überdeckung der beiden Streifen 16 und 18 bei ihrer
Annäherung an den Schweißpunkt gemäß Fig. 2 und 3 wird so gesteuert, Uaß die erwärmten
Kanten 12 und 14, wie sie in den Figuren 5a, 5b und 6 gezeigt sind, dazu neigen,
aneinander vorbezuwischen oder zu reiben, so daß sie nicht mehr in überlappung sind.
Es wird angenommen, daß aui Grund der an den Kanten erzeugten aVärme und insbesondere
auf Grund der Konzentration der Wärme in den Oberflächen, die sehr nahe an den Kantenbereichen
liegen, das Nietall der einen Kante über das Metall der benachbarten Kante gewischt
wird, so daß unter dem Druck der Schmiederollen eine Schmiedeschweißnaht 110 gemäß
Fig, 6 entsteht, kurz bevor der herausgedrückte Schweißwulst durch die Druckrollen
46, 48 zusammengedrückt wird. Da die Geschwindigkeit des Schweißvorganges/einen
Wert von etwa 2 Meter oder mehr pro/sec. beträgt, ist es bis jetzt nicht möglich,
in vollem Ausmaße und mit derjgrößten Genauigkeit zu bestimmen, was sich-genau an
dem Bereich,-an dem die beiden Kanten aneinander entlanggewischt werden, also in
der Schweißzone passiert, es wird jedoch angenommen, daß die oben dargelegten Vorgängesehr
wahrscheinlich und recht genau die tatsächlichen Vorgänge wiedergeben.
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Das Schweißverfahren gemäß der grfiridung ist keine Lappschwoißung
oder eine Quetschschweißung der beiden .Streifen,
.sondern erscheint
tatsächlich als reine Stumpfschweißnaht indem die Kanten im wesentlichen in ebenen
Kontakt stehen, wenn die Schmiederollen 34, 36 ihre horizontalen Drücke ausüben.
Unter .einem solchen Druck wird der erhitzte Bereich in jeder Metallkante 12 und
18 ausgedehnt zu einer geringfügig größeren Tiefe, so daß eine noch gleichmäßigere
und befriedigernde Schweißnahtform erhalten wird, als dies bei einer Überlappnaht
oder einer Quetschnaht der Fall ist.
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Der Schmiededruck der Rollen 34 und 36 wird durch pneumatische Luftzylinder
42 kontrolliert, welche über die Kolbenstange 112 und die'Walzenunterstützung 114
wirksam sind. Die Einstellschraube 116 bestimmt die Breite der zusammengesetzten
Streifen 49 und damit die zulässige Bewegung nach vorne der Rolle 36.
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Die Schmiederollen 34 und 36 sind vorzugsweise aus Bronze, Messing
oder anderem nichtmagnetischem Material z.8. Keramik hergestellt.lEs besteht die
Überzeugung, daß auf Grund der großen Nähe der Rollen gegenüber den Schweißstromwegen,
Rollen aus Stahl induktiv auf Temperaturen erhitzt werden würden, bei denen sie
nicht mehr wirksam arbeiten können. Das Schmiermittel der Lager solcher Stahlrollen
würde so "flüssig werden, daß eswegläuft, so daß die Rollen auf trockenen Wellen
rotieren und ihren Lagern fressen. Die Schmiederollen arbeiten unter dem Druck des
Luftzylinders 42, welcher zu-" s$tzliche Belastung für die Lager bringt. Um einen
solchen Nachteil zu vermeiden, werden daher die Rollen 34 und 36 und
ihre
Lager aus den oben erwähnten nichtmagnetischen Materialien hergestellt, die keiner
induktiven Erwärmung unterliegen. Obwohl praktische Versuche dazu führten, daß ein
zusammengesetzter Streifen nach dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung hergestellt werden kann, mit einem Hochfrequenzgenerator, der-bei-etwa
450kRz arbeitet, ist jedoch ersichtlich, daß eine Hochfrequenzeinrichtung verwendet
werden kann, die bei Frequenzen in der Größenordnung von 100 kHz bis über 450 kHz
arbeitet. In---cten Fällen, in denen dünne Streifenmaterialien miteinander verschweißt
werden, können die höheren Frequenzen bevorzugt werden, um eine geeignete Oberflächenschweißtemperatur`mit
einem Minimum an Eindringtiefe der Erwärmung zu gewährleisten. Für Metallstreifen
von relativ großer Dicke-kann der Frequenzbereich niedriger als 450 kHz betragen,
um eine etwas größere Eindringtiefe der Wärme an den Kanten, die miteinander verschweißt
werden sollen, zu erzielen.
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Die Überdeckung und die Beziehung der sich überdeckenden Kanten der
Streifen 16 und 18 zwischen den -Stellungen nahe den Wickeln oder den Stellungen
der Zugrollen 26, 26 bis zu den Rollen 50, 52 ist selbstverständlich in gewissen
Umfange kritisch. Die Wischwirkung der erhitzten Kanten ist bei dem Behandeln und
der Herstellung des zusammengesetzten Streifens wünschenswert und wird beeinflußt,
wenn die Überdeckung geringer ist als die Überdeckung, die zu einer Überlappung
an
den Schweißkanten führt. Eine Überlappungsschweißnaht, welche
ein Zusammenquetschen der überlappten Bereiche erfordert, liegt nicht im Rahmen
der vorliegenden Erfindung, welche lediglich sich mit dem Stumpfschweißen dbr erhitzten
Kanten befaßt.
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Obwohl bei der Wischwirkung der Kanten im geringfügigen Ausmaß ein
Schweißwulst entsteht, erhält man dennoch von dem Überhang keine tatäschliche Überlappung
oder überdeckte Naht der beiden Streifen. Die Schmiederollen 34 und 36 drücken die
Streifen 16 und 18 in einer Stumpfschweißnaht zusammen, wodurch geringfügig Material
von jedem Streifen nach außen ge= drückt wird und zwar innerhalb der Ebene, welche
die Streifen kurz vor ihrem Eintritt zwischen die Preßrollen 46,48 einnehmen. Siehe
Figuren 5a, 5b und 6.
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Bei relativ leichten Streifenmaterial ergibt sich ein ausreichender
Überhang für-das Verfahren gemäß der Erfindung zur Herstellung einer geeigneten
Stumpfschweißnaht und eines brauchbaren zusammengesetzten Streifens, wenn der Überhang
gemessen von der Ebene unmittelbar über der Kante des einen Streifens etwa annähernd
die Hälfte der Dicke des Streifens beträgt, der überdeckt ist. Dieses Maß trifft
etwa zu für den dicken Bereich von 0,25 - 1,5 mm. Für schwereresStreifenmaterial
kann die Überdeckungsgröße bis zu der vollen Dicke des Streifens, der überdeckt
ist, betragen.
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Das. erfindungsgemäße Verfahren der Hochfrequenzschweißung eines zusammengesetzten
Streifens umfaßt das Anordnen von zwei
Metallstreifen in Ebenen,
die miteinander einen spitzen Winkel einnehmen, derart, daß die benachbarte innere-Kanie
des einen Streifens gerade geringfügig die benachbarte innere Kante des zweiten
Streifens überdeckt, wenn die Streifen in Richtung auf den Schweißpunkt gezogen
werden, wobei man dein Streifen an den benachbarten Kanten den entsprechenden Schweißstrom
zuführt und die inneren benachbarten Kanten, die nun bis zum Schweißzustand durch
den Strom erwärmt sind, aneinander entlangwischt, bis sie in stumpfer Anlage bereitliegen,
wobei man dann die beiden Streifen durch seitlich angeordnete Rollen und unter Druck,
der auf die äußeren Kanten der Streifen einwirkt, zusammenschmiedet, bevor man den
zusammengesetzten Streifen zwischen Rollen zusammendrückt, die nun auf den zusammengeschweißten
Streifen einwirken, Weder die
Schmiederollen noch die Druckrollen
sind Zug- oder Antriebs-
rollen. Der Antrieb oder der Zug wird jenseits
der Stellung
der Druckrollen aufgebracht, nachdem die Streifen in die zu-
sammengesetzte
Streifenform zusammengeschweißt worden sind.
Bei dem Verfahren
gemäß der Erfindung-worden die Streifen in
Bezug aufeinander so
angeordnet, daß ihre inneren Kanten im
wesentlichen in den gleichen
parallelen Linien gehalten wer-
den und zwar von der Abwickeistation
durch die Führungarolleneinrichtungen, die Spannungsrollen
26, 26 und die Streifenunterstützung 64 bis zum Schweißpunkt,
und zwar mit einem Minimum an Verschiebung und Fluchtungmfahlern:
Die zuvor beschriebene Vorrichtung gibt eine Ausführungsform
wieder, di4bei der Ausführung des Verfahrene nach der Erfin-
_dung
verwendet werden kann. Eine solche Vorrichtung umfaßt Führungsrollen, welche die
inneren Streifenkanten 12 und 14 positiv in geringfügiger Überdeckung halten, sowie
Unterstützungen, mit deren Hilfe ein Eingangswinkel zwischen den Streifen 16 und
18 in der Größenordnung aufrechterhalten wird derart, daß ein Entstehen von Lichtbögen
oder Bogenentladungen vermieden wird, während der Schweißstrom in seiner Wirksamkeit
auf einen optimalen ;fiert oder nahe an diesen optimalen E°derten gehalten wird.
Ule,iterhin umfaßt die Vorrichtung seitlich angreifende Schmiederollen,-welche die
zu schweißenden Streifen entlang einer*Linie zusammendrücken, welche vor den Druckrollen
liegen, welche den Schweißwulst zusammendrücken und den zusammengesetzten geschweißten
Streifen auf gleichmäßige Dicke bringen, wobei der Schweißpunkt im wesentlichen
in der äleichen Stellung in Bezug auf die festen Elektrodenkontakte gehalten wird.