DE2153179B2 - Vorrichtung zum kontinuierlichen induktiven laengs- oder spiralnahtschweissen von metallrohren - Google Patents

Description

illel liegt. Bei diesem induktor ist zur Vorheizung der Stoßflächen ein Ferritstab vorgesehen, der in Vorichubrichtung ausgerichtet, am Induktor befestigt und jnterhalb des Spaltes angeordnet ist.

Um eine verbesserte Stromverteilung im zu ver- > schweißenden Werkstück zu erhalten, ist es beim Hochfrequenz-Widerstandsschweißen nach der DT-OS 19 02 611 bekannt, ein mit der Schweißtlektro'ie einstückig ausgebildetes, zusätzliches Induktionselcmem vorzusehen, welches gegenüber den zu verschweißenden Stellen vor dem Verschweißungspunkt steht. Hierdurch werden durch Induktion gezielt bestimmte Bereiche des Werkstücks zusätzlich aufgeheizt.

Nach der DT-AS 11 42 672 ist es weiter bekannt, auf den mit seiner Längsrichtung in den Rohrspalt eingeführten Induktorzweig eines Schweißinduktors oberhalb und unterhalb des Spaltes geblechte magnetische Rückschlußteile aufzusetzen.

Schließlich kann man nach der US-PS 29 64 607 die Stirnverbindung eines Längsinduktors mit einem unten angearbeiteten, in den Spalt eintauchenden Ansatzstück versehen, das sich in Richtung auf die Berührungsstelle der Stoßflächen verjüngt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Vorrichtung derart auszubilden, daß beim Verschweißen von insbesondere dickwandigen Rohrkörpern neben einer ausreichenden Erhitzung der Kanten auch eine ausreichende Erwärmung der Mittelzone jeder Stoßfläche zwecks Verbesserung der Schweißnaht gewährleistet ist. 5,0

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Längsinduktor so ausgestaltet, daß er gezielt auf die Mittelzonen der Stoßflächen induktiv einwirkt. Die auf die Stirnverbindung des Längsinduktors aufgesetzten magnetischen Rückschlußteile sorgen dafür, daß der den Langsinduktor speisende Mittelfrequenzstrom vorwiegend über die beidseitig an der Stirnverbindung befestigten Leiterstreifen fließt. Da die Leiterstreifen den Mittelzonen der Stoßflächen gegenüberliegen, werden in erster Linie diese Mittelzonen durch den hier induzierten Strom erwärmt. Die Kanten der Stoßflächen, deren induzierte Aufheizung erst anschließend in der ringförmigen Induktionsspule erfolgt, werden durch den Langsinduktor im wesentlichen nur infolge der thermischen Wärmeleitfähigkeit des Rohrmatcrials von den Mittelzonen her erwärmt. Der Querschnitt der Leiterstreifen kann dabei der gewünschten Tempera- so turverteilung in den Stoßflächen angepaßt werden. Ebenso richtet sich die Außenbreite der Leiterstreifen nach der Wandstärke des zu verschweißenden Rohrmaterials und nach der gewünschten Breite der zu erwärmenden Mittelzonen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein gleichbleibender Abstand zwischen den Leiterstreifen und den Stoßflachen in Längsrichtung des Spaltes vorgesehen. Das läßt sich am einfachsten dadurch erreichen, daß die Höhe der Leiterstreifen über den Seitenflächen der Stirnverbindung in Richtung auf die Beruh rungsstelle der Stoßflächen abnimmt. Die Leiterstreifen können also beispielsweise keilförmig ausgebildet sein oder aus anderen langgestreckten Profilkörpern bestehen. (15

Wie bei der bekannten Vorrichtung kann der Längsinduktor mit Strotnungskanälen für ein Kühlmittel versehen sein. Wird ein rechteckiger Querschnitt zumindest für die Stirnverbindung gewählt, so können U-förmig ausgebildete, magnetische Rückschlußteile verwendet werden. Vorzuziehen ist dabei eine Ausführungsform, bei der die Stirnverbindung ein flacher, rechteckiger Hohlleiter ist.

An den beiden Enden der im Spalt angeordneten Stirnverbindung des Längsmduktcrs können Distanzhalter vorgesehen sein, die für die Einhaltung eines gleichbleibenden Abstandes zwischen den Leiterstreifen und den Stoßflächen auch bei seitlichen Bewegungen des Rohrkörpers während des Schweißvorgangs sorgen. Als Distanzhalter können z. B. konisch geformte, teilweise in den Spalt eingesetzte und bei der Längsbewegung des Rohrkörpers mitlaufende Rollen verwendet werden.

Die Erfindung wird an Hand der in den F i g. 1 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispiele im folgenden näher erläutert. Für entsprechende oder gleiche Bauteile werden dabei dieselben Bezugszeichen verwendet. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung einer induktiven Rohrschweißvorrichtung mit einer ringförmigen Induktionsspule und einem Langsinduktor,

F i g. 2 eine Seitenansicht des Längsinduktors,

F i g. 3 einen Schnitt durch den Längsinduktor der F i g. 2 entlang der Linie ill—III,

F i g. 4 einen Querschnitt des Rohrkörpers, der Stirnverbindung, der Leiterstreifen und der magnetischen Rückschlußteile entlang der Linie IV-IV der F i g. 2 und

F i g. 5 bis 9 Querschnitte entsprechend Fig. 4 mit weiteren Ausbildungen der Leiterstreifen und der magnetischen Rückschlußteile.

F i g. 1 zeigt eine Rohrschweißvorrichtung, mit der ein aus einem aufgebogenen Metallband zylinderförmig vorgeformter Rohrkörper 1 zu einem geschlossenen zylindrischen Rohr 2 verschweißt wird. Der Rohrkörper I, dessen Wandstärke z.B. 10 Millimeter betrag!, wird durch nicht dargestellte Druckroilen zusammengepreßt und in Pfeilrichtung vorwärtsbewegt. Die Stoßflächen 3 und 4 bilden dabei einen V-förmigen Spalt 5. Zur Erzeugung der Schweißtemperatur an der Berührungsstelle der beiden Stoßflächen 3 und 4 ist eine ortsfeste ringförmige Induktionsspule 6 vorgesehen, die den Rohrkörper 1 umgibt. Die Induktionsspule 6 kann aus einer oder mehreren Windungen bestehen; sie ist an einen nicht gezeigten Hochfrequenzgenerator angeschlossen und wird mit Hochfrequenzstrom einer Frequenz etwa zwischen 200 und 450 kHz gespeist. Durch die Induktionsspule 6 wird im vorgeformten Rohrkörper 1 ein Ringstrom induziert, der über den Spalt 5 und die Berührungsstelle im Druckrollenbereich fließt, und der vor allem die obere und die untere Kante der beiden Stoßflächen 3 und 4 erhitzt. Durch die erhöhte Temperatur in der Berührungsstelle kommt es zur Ausbildung der Schweißnaht 7.

Mit dem Längsinduktor 8, der vor der ringförmigen Induktionsspule 6 angeordnet ist, wird vor allem der mittlere Bereich der beiden Stoßflächen 3 und 4 auf eine Temperatur vorerhitzt, die unterhalb, aber nahe dem Schmelzpunkt des Rohrmaterials liegt. Bei Eisenmaterial kann die erzeugte Temperatur zwischen 1000 und 1250⁰C, also oberhalb des Curiepunktes, liegen Der Längsinduktor 8 ist mit Stromzuführungen 9 versehen und über diese an einen nicht dargestellten Mittelfrequenzgenerator angeschlossen. Dieser erzeugt einer Mittclfrcquenzstrom mit einer festen Frequenz von 2, A oder 10 kHz. Infolge der Vorheizung mit dem Längsin duktor 8 ist der Abstand der in den Mittelzonen dei Stoßflächen 3 und 4 erzeugten Temperatur vorr

Schmelzpunkt gering, so daß für die Nacherhitzung in der Induktionsspule 6 eine kleinere Wärmeleistung erforderlich ist als für die Vorerhitzung mit dem Längsinduktor 8. Bei einer in den Längsinduktor 8 eingespeisten Mittelfrequenzleistung, die etwa um einen Faktor 3 größer ist als die an die Induktionsspule 6 abgegebene Hochfrequenzleistung, erhält man eine wesentlich (etwa 100%) größere Schweißgeschwindigkeit als bei induktiven Schweißvorrichtungen ohne Längsinduktor 8.

Der Längsinduktor 8 besteht aus einer einwindigen, rechteckigen Induktionsspule mit einer langgestreckten Stirnverbindung 10. Als Material kann z. B. ein flacher Hohlleiter aus Kupfer verwendet werden, dessen Querschnitt rechteckig ausgebildet ist. Durch den Längsinduktor 8 verläuft somit ein Strömungskanal 11, der von einem Kühlmittel 12, z. B. von Wasser, durchflossen wird. Durch die Kühlung wird der Verschleiß vermieden. Die Stirnverbindung 10 des Längsinduktors 8 ist in ihrer Längsrichtung im V-förmigen Spalt 5 angeordnet. Ihre Stärke ist der Spaltbreite angepaßt. Die Windungsfläche des Längsinduktors 8 verläuft dabei praktisch parallel zu den beiden Stoßflächen 3 und 4.

Die Stirnverbindung IO ist an ihren beiden den Stoßflächen 3 und 4 zugewandten Seitenflächen mit. Leiterstreifen 13 und 14 versehen, welche in Längsrichtung des Spaltes 5 ausgerichtet sind. Diese sind dort elektrisch leitend befestigt und können ebenfalls aus Kupfer bestehen. In F i g. 1 sind sie als keilförmig zulaufende Metallstreifen abnehmender Höhe und rechteckigen Querschnitts dargestellt. Ihr Keilwinkel ist vorzugsweise gleich dem Einlaufwinkel 19 der beiden Stoßflächen 3 und 4, so daß ein gleichbleibender Kopplungsabstand zwischen ihnen und den Stoßfiächen 3 und 4 gewährleistet ist. Die Breite der Leiterstreifen 13 und 14 ist so bemessen, daß sie kleiner als die Wandstärke des Rohrkörpers 1 ist. Durch nicht eingezeichnete einstellbare Distanzhalter an beiden Enden der Stirnverbindung 10 kann dafür gesorgt werden, daß sich die Leiterstreifen 13 und 14 stets in halber Höhe und symmetrisch zwisehen den Stoßflächen 3 und 4 befinden.

Der Kopplungsabstand der Leiterstreifen 13 und 14 von den zugehörigen Stoßflächen 3 bzw. 4 sollte weniger als 5 Millimeter betragen. Ihre Breite richtet sich nach der Wandstärke des Rohrkörpers 1. und ihre Lange bestimmt die Vorheizzeit der Stoßflächen 3 und 4. Ihre Höhe über den Seitenflächen der Stirnverbindung verringert sich z. B. von 2 bis 3 Millimeter auf einen Wert, der durch den Einlaufwinkel 15 gegeben ist. Dabei ist angenommen, daß die Spaltbreite in der Mitte der Stirnverbindung 10 etwa 25 Millimeter beträgt.

Aus F i g. 2, die eine Seitenansicht des Längsinduktors 8 zeigt, geht hervor, daß auf dessen Stirnverbindung 10 oberhalb und unterhalb der Leiterstreifen 13 und 14 magnetische Rückschlußteile 15 bzw. 16 aufgesetzt sind. Diese sind in den F i g. 1 und 3 der Über sichtlichkeit halber nicht mit eingezeichnet. Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß die Rückschlußteile 15 und 16 die Stirnverbindung 10 jeweils an drei Seiten umschließen. Sie sind aus einem hochpermeablen Material herge- όο stellt und können beispielsweise aus geschichteten. U-förmig geschnittenen Blechen aus siliziertem Eisen oder aus gleichartig gestalteten Dynamoblechen für M ittelfrequenz-Magnetfelder bestehen.

Die magnetischen Rückschlußteile 15 und 16 bewirken, daß der in den Längsinduktor 8 eingespeiste Mittelfrequenzstrom praktisch nur auf den nichtumschlossenen Mittelzonen der Seitenflächen der Stirnverbindung 10. also im wesentlichen auf den Leiterstreifen Ii und 14 in Längsrichtung des Spaltes 5 fließt. Der Grunc dafür ist darin zu sehen, daß durch die magnetischer Rückschlußteile 15 und 16, die einen hohen induktiver Widerstand darstellen, das magnetische Feld gefahr wird. Der auf den schmalen Leiterstreifen 13 und 14 entlangfließende Strom induziert somit einen Aufheizstrom im wesentlichen nur in den Mittelzoncn dor ge genüberliegenden Stoßflächen 3 und 4 in der magnetischen Eindringtiefe.

Durch die Verwendung des Mitlelfrequen/.stmme; erreicht man eine hohe Eindringtiefe. Prinzipiell laß! sich in den Längsinduktor 8 auch ein Hochfrequenz strom einspeisen. Infolge der geringen Eindringtieft des Hochfrequenzstromes sind mit diesem Vorgeher jedoch keine besonderen Vorteile verknüpft.

Entsprechend der Außenbreite der Leiterstreifen \~> und 14 bleiben die erhitzten Mittelzonen der Stoßflachen 3 und 4 so klein, daß keine Verformung dei Schweißnaht 7 im Druckrollenbcreich bei derErhit/unj; mit der Induktionsspule 6 auftritt. Bei Stahl nis Rohr material und Verwendung einer Frequenz von 1OkHy ist die Eindringtiefe im Schmelzpunkt theoretisch etw;> 25fach größer als bei Zimmertemperatur. Deshalb «:r; die Temperatur in der vorerhitzten Mittclzone der Stoßflächen 3 und 4 ohne merkliche Abkühlung scha! ten, bis die Miltelzone in der Induktionsspule 6 ;>nge langt ist. Mit der Schenkelbreite der magnetischer Rückschlußteile 15 und 16 können die magnetische Abschirmwirkung und die damit verbundene Stromverdrängung in bekannter Weise verändert werden.

Aus F i g. 2 geht ferner hervor, daß die Winkel de Längsinduktors 8 durch Versteifungen 17 und 18 gesi chert sind.

Aus den F i g. 3 und 4 ist noch einmal ersichtlich, dafi die beiden Seitenflächen der Stirnverbindung 10 mil Leiterstreifen 13 und 14 versehen si-nd, daß also durch besondere Formgebung der Flachseiten der Stirnver bindung 10 der Stromfluß vorteilhafterweise beträcrr lieh beeinflußt werden kann, so daß er vorwiegend die Mittelzonen der Stoßflächen 3 und 4 stark erwärmt.

In den F i g. 5 bis 9 sind abweichend von F i g. 4 wei tere Querschnitte der Leiterstreifen 13 und 14 und der magnetischen Rückschlußteile 15 und 16 gezeigt. Durch die Formgebung dieser Teile kann die Temperaturverteilung in den Stoßflächen 3 bzw. 4 einer gewünschter Temperaturverteilung angepaßt werden. Auch diese Leiterstreifen 13 und 14 können entsprechend der Verjüngung des Spaltes 5 keilförmig ausgebildet sein.

Die F i g. 5 zeigt U-förmige Rückschlußteile 15 unc 16 sowie trapezförmige Profile der Leiterstreifen 13 und 14. Die Schenkel der Rückschlußteile 15 und 16 ir F i g. 6 sind demgegenüber schmaler, und die Leiterstreifen 13 und 14 zeigen ein außen abgerundetes Profil. In F i g. 7 sind wiederum Leiterstreifen 13 und 14 mil rechteckigem Profil dargestellt; die verwendeten Rückschlußteile 15 und 16 sind gleichfalls U-förmig ausgebildet, besitzen aber abgeschrägte Schenkel. Gemäß Fig. 8 können auch trapezförmige Leiterstreifen 13 und 14 mit geringerer Außenbreite verwendet werden, als in F i g. 5 dargestellt, und die Basis der Rückschlußteile 15 und 16 kann breiter ausgebildet sein als in Fig. 7. In Fig. 9 schließlich werden Leiterstreifen 13 und 14 mit halbrundem Profil und kurzschenklige, abgeschrägte Rückschliißteile 15 und 16 eingesetzt. Selbstverständlich sind auch andere Zusammenstellungen von Leiterstreifenprofilen und Rückschlußquerschnitten verwendbar.

lis sei abschließend darauf hingewiesen, daß die Leiterstreifen 13 und 14 in ihrer Querrichtung bezüglich der Stoßflächen 3 bzw. 4 einstellbar sein können. Am einfachsten wird sich das natürlich mit einer Justiervorrichtung zur Höhenjustierung des gesamten

Längsinduktors 8 erreichen lassen. Auf diese Weis sen sich die Wärmezonen in den Stoßflächen 3 ι nach vorgegebenen Erfordernissen von der Mitt nach oben oder unten verlagern.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum kontinuierlichen induktiven Längs- oder Spiralnahtschweißen von insbesondere dickwandigen Metallrohren mittels Wechselstrom, bei der ein aus einem aufgebogenen Metallband geformter Rohrkörper, dessen Stoßflächen in einem V-förmigen Spalt zusammenlaufen, durch eine Induktionsspule geführt ist, welche -όγ der Berührungsstelle der Stoßflächen angeordnet und mit einem Hochfrequenzstrom gespeist ist, und bei der im Spalt zwischen den sich gegenüberliegenden Stoßflächen und in Vorschubrich'.ung des Metallrohres vor der Induktionsspule liegend die Stirnverbindung eines einwindigen Längsinduktors mit einer in Längsrichtung des Spaltes verlaufenden Stirnverbindung angeordnet ist, der mit magnetischen Rückschlußteilen versehen und mit einem Mittelfrequenzstrom gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Seitenflächen der Stirnverbindung (10) des Längsinduktors (8) mit je einem in Längsrichtung der Stoßflächen (3, 4) verlaufenden und deren Mittelzonen gegenüberstehenden Leiterstreifen (13, 14) versehen sind, die in einem guten elektrischen Kontakt mit der Stirnverbindung (10) stehen und deren radiale Außenbreite kleiner ist als die Wandstärke des Rohrkörpers (1) und daß die magnetischen Rückschlußteile (15, 16) oberhalb und unterhalb der Leiterstreifen (13, 14) auf die Stirnverbindung (10) aufgesetzt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Stoßflächen (3, 4) zugewandten Flächen der Leiterstreifen (13, 14) und die Stoßflächen (3. 4) annähernd parallel zueinander verlaufen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Leiterstreifen (13, 14) über den Seitenflächen der Stirnverbindung (10) in Richtung auf die Berührungsstelle der Stoßflächcn (3,4) abnimmt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Leiterstreifen (13,14) rechteckig ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsinduktor (8) mit Strömungskanälen (11) für ein Kühlmittel (12) versehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Stirnverbindung (10) rechteckig ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnverbindung (10) ein flacher Hohlleiter ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Rückschlußteile (15,16) U-förmig ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden der Stirnverbindung (10) Distanzhalter vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Leiterstreifen (13, 14) bezüglich der Mitte der Stoßflächen (3, 4) einstellbar ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DT-OS 10 62 352 bekannt. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung werden die beiden Stoßflächen des V-förmigen Rohrspaltes zunächst mit Hilfe eines von Mittelfrequenzstrom gespeisten Längsinduktors vorerhitzt. Der Längsinduktor besteht aus einer einwindigen, im wesentlichen ίο rechteckförmigen Induktionsspule mit einer langgestreckten Stirnverbindung, die in Längsrichtung in den Spalt eintaucht. Die Windungsfläche des Längsinduklors verläuft also in jedem Querschnitt fast parallel zu den Stoßflächen Im Inneren der einwindigen Induktionsspule ist als magnetischer Rückschluß ein Eisenkern vorgesehen, der den Innenraum voll auskleidet und beispielsweise aus geschichteten Eisenblechen hergestellt sein kann. Durch die Windung der Induktionsspule verlaufen Strömungskanäle, die mit einem Kühlmittel beschickt sind. Mit diesem Längsinduktor kann eine Temperatur erzeugt werden, die über dem Curiepunkt des Rohrmaterials liegt.

Anschließend wird der Rohrkörper, dessen Stoßflächen mittels Druckrollen immer weiter zusammengepreßt werdeil, durch eine ringförmige Induktionsspule geführt, die mit einem Hochfrequenzstrom einer Frequenz von ungefähr 200 bis 450 kHz gespeist ist. Hier findet der eigentliche Schweißvorgang statt. Durch die Induktionsspule wird ein Ringstrom im vorgeformten Rohrkörper erzeugt, der vor allem die obere und die untere Kante jeder der beiden Stoßflächen sehr schnell bis zum Schmelzpunkt des Rohrmaterials erhitzt (Kanteneffekt).

Infolge des Kanteneffekts fließt der von der ringförmigen Induktionsspule induzierte Strom nicht gleichmäßig über die gesamten Stoßflächen. Die Kanten jeder Stoßfläche werden wesentlich stärker erwärmt als ihr mittlerer Teil. Das macht sich, wenn kein Vorerhitzer verwendet wird, insbesondere beim Schweißen von starkwandigen Metallrohren nachteilig bemerkbar Beim Zusammenpressen der Stoßflächen ergibt sich eine Verformung der Schweißnaht und des Rohrkörpers, und die Schweißnaht ist in sich inhomogen. Der vorgeformte Rohrkörper muß daher mit einer entsprcchend herabgesetzten Geschwindigkeit durch die Induktionsspule geführt werden, um eine zur Verschweißung ausreichende Erhitzung der gesamten Stoßflächen zu erhalten. Die Schweißgeschwindigkeit und da mit die Rohrerzeugung werden daher mit zunehmendei Wandstärke des Rohrkörpers geringer.

Der aus der deutschen Offenlegungsschrift 16 02 35: bekannte, als Vorerhitzer verwendete Längsinduktor arbeitet bei kleineren Rohrwandstärken weitgehend zufriedenstellend. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei Rohrwandstärken von 4 bis 20 Millimetern und mehr eine Verbesserung der Vorrichtung zum induktiven Schweißen angezeigt ist, um eine stärkere Erwärmung der Mittelzonen der beiden Stoßflächen zu erreichen.

Aus der US-PS 32 48 512 ist eine ähnliche Vorrich

(>o tung bekannt, bei der die Stirnverbindung des Längsin duktors nicht im Spalt, sondern oberhalb des Spalte: angeordnet ist. Die magnetischen Rückschlußteile sine hier U-förmig ausgebildet und von oben auf die Stirn verbindung aufgesetzt. Für die Hochfrequenz wird eir Wert von etwa 450 kHz und für die Mittelfrequenz eir Wert von 3 oder 10 kHz angegeben.

Aus der DT-PS 11 95 886 ist ein einwindiger Induk tor bekannt, dessen Spulenfläche zum Rohrmantel par