DE2153179C3 - Vorrichtung zum kontinuierlichen induktiven Längs- oder Spiralnahtschweißen von Metallrohren - Google Patents

Description

iUel Hegt Bei diesem Induktor ist zur Vorheizung der Stoßflächen ein Ferritstab vorgesehen, der in Vora-hubrichtung ausgerichtet, am Induktor befestigt und unterhalb des Spaltes angeordnet ist

Um eine verbesserte Stromverteilung im zu verschweißenden Werkstück zu erhalten, ist es beim Hochfrequenz-Widerstandsschweißen nach der DT-OS 1902 611 bekannt, ein mit der Schweißelektrode einstückig ausgebildetes, zusätzliches Induktionselement 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 abarbeiteten, 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.

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 Längsinduktor 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 Längsinduktor im wesentlichen nur infolge der thermischen Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials von den Mittelzonen her erwärmt. Der Querschnitt der Leiterstreifen kann dabei der gewünschten Temperaturverteilung 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 Stoßflächen 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 Berührungsstelle der Stoßflächen abnimmt. Die Leiterstreifen können also beispielsweise keilförmig ausgebildet sein oder aus anderen langgestreckten Profilkörpern beste-

Wie bei der bekannten Vorrichtung kann der Längsinduktor mit Strömungskanälen 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 Längsinduktors 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 Längsinduktor, 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 1II-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 F i g. 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 1, dessen Wandstärke z.B. 10 Millimeter beträgt, wird durch nicht dargestellte Druckrollen 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 verse hen und über diese an einen nicht dargestellten Mittelfrequenzgenerator angeschlossen. Dieser erzeugt einen Mittelfrequenzstrom mit einer festen Frequenz von 2,4 oder 10 kHz. Infolge der Vorheizung mit dem Längsinduktor 8 ist der Abstand der in den Mittelzonen der Stoßflächen 3 und 4 erzeugten Temperatur vom

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, erhäit man eine wesentlich (etwa 100%) größere Schweißgeschwindigkeit als bei induktiven Schweißvorrichtungen ohne Längsinduktor 8. ίο

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 10 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 Stoßflächen 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 RückschluBteile 15 bzw. 16 aufgesetzt sind. Diese sind in den F i g. 1 und 3 der Obersichtlichkeit halber nicht mit eingezeichnet Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß die Rückschlußteile 15 und 16 die Stirnverbindung 10 jeweils an drei Seiten umschließea Sie sind aus einem hochpermeablen Material hergestellt und können beispielsweise aus geschichteten. U-förmig geschnittenen Blechen aus saniertem Eisen oder aus gleichartig gestalteten Dynamoblechen für Mittelfrequenz-Magnetfelder bestehen.

Die magnetischen Rückschlußteile 15 und 16 bewirken, daß der in den Längsinduktor 's eingespeiste Mittelfrequenzstrom praktisch nur auf den nichtumschlossenen Mittelzonen der Seitenflächen der Stirnverbindung 10, also im wesentlichen auf den Leiterstreifen 13 und 14 in Längsrichtung des Spaltes 5 fließt. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß durch die magnetischen Rückschlußteile 15 und 16, die einen hohen induktiven Widerstand darstellen, das magnetische Feld geführt wird. Der auf den schmalen Leiterstreifen 13 und 14 entlangfließende Strom induziert somit einen Aufheizstrom im wesentlichen nur in den Mittelzonen der gegenüberliegenden Stoßflächen 3 und 4 in der magnetischen Eindringtiefe.

Durch die Verwendung des Mittelfrequenzstromes erreicht man eine hohe Eindringtiefe. Prinzipiell läßt sich in den Längsinduktor 8 auch ein Hochfrequenzstrom einspeisen. Infolge der geringen Eindringtiefe des Hochfrequenzstromes sind mit diesem Vorgehen jedoch keine besonderen Vorteile verknüpft

Entsprechend der Außenbreite der Leiterstreifen 13 und 14 bleiben die erhitzten Mittelzonen der Stoßflächen 3 und 4 so klein, daß keine Verformung der Schweißnaht 7 im Druckrollenbereich bei derErhitzung mit der Induktio isspule 6 auftritt Bei Stahl als Rohrmaterial und Verwendung einer Frequenz von 1OkHz ist die Eindringtiefe im Schmelzpunkt theoretisch etwa 25fach größer als bei Zimmertemperatur. Deshalb wird die Temperatur in der vorerhitzten Mittelzone der Stoßflächen 3 und 4 ohne merkliche Abkühlung gehalten, bis die Mittelzone in der Induktionsspule 6 angelangt ist Mit der Schenkelbreite der magnetischen 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 des Längsinduktors 8 durch Versteifungen 17 und 18 gesichert sind.

Aus den F i g. 3 und 4 ist noch einmal ersichtlich, daß die beiden Seitenflächen der Stirnverbindung 10 mit Leiterstreifen 13 und 14 versehen sind, daß also durch besondere Formgebung der Flachseiten der Stirnverbindung 10 der Stromfluß vorteilhafterweise beträchtlich beeinflußt werden kann, so daß er vorwiegend die Mittelzonen der StoBflächen 3 und 4 stark erwärmt.

In den F i g. 5 bis 9 sind abweichend von F i g. 4 weitere 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 gewünschten 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 RückschluBteile 15 und 16 sowie trapezförmige Profile der Leiterstreifen 13 und 14. Die Schenkel der Rückschlußteiie 15 und 16 in Fig.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 mit 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 F i g. 7. In F i g. 9 schließlich werden Leiterstreifen 13 und 14 mit halbrundem Profil und kurzschenklige, abgeschrägte Rflckschlußteile 15 und 16 eingesetzt Selbstverständlich sind auch andere Zusammenstellungen von Leiterstreifenprofilen und Rückschlußquerschnitten verwendbar.

Ei 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 Weise lassen sich die Wärmezonen in den Stoßflächen 3 und 4 nach vorgegebenen Erfordernissen von der Mitte aus 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 StoQflächen in einem V-förmigen Spalt zusammenlaufen, durch eine Induktionsspule geführt ist, weiche vor der Berührungsstelle der Stoßflächen angeordnet und mit einem Hochfrequenzstrom gespeist ist, und bei der im Spalt zwischen den sich gegenüberliegenden Stoßflächen und in Vorschubrichtung des Metallrohres vor der Induktionsspule liegend die Stirnverbindung eines einwindigen L ängsinduktors 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 Lederstreifen (13, 14) über den Seitenflächen der Stirnverbindung (10) in Richtung auf die Berührungsstelle der Stoßflächen (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 de im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenei Art

Eine solche Vorrichtung ist aus der DT-OS 16 02 35: bekannt Bei der dort beschriebenen Vorrichtung wer den die beiden Stoßflächen des V-förmigen Rohrspal tes zunächst mit Hilfe eines von Mittelfrequenzstron gespeisten Längsinduktors vorerhitzt. Der Längsinduk tor besteht aus einer einwindigen, im wesentlichei rechteckförmigen Induktionsspule mit einer langge streckten Stirnverbindung, die in Längsrichtung in dei Spalt eintaucht Die Windungsfläche des Längsinduk tors verläuft also in jedem Querschnitt fast parallel zi den Stoßflächen. Im Inneren der einwindigen Induk IS tionsspule ist als magnetischer Rückschluß ein Eisen kern vorgesehen, der den Innenraum voll auskleide und beispielsweise aus geschichteten Eisenblechen her gestellt sein kann. Durch die Windung der Induktions spule verlaufen Strömungskanäle, die mit einem Kühl

zo mittel beschickt sind. Mit diesem Längsinduktor kanr eine Temperatur erzeugt werden, die über dem Curie punkt des Rohrmaterials liegt.

Anschließend wird der Rohrkörper, dessen Stoßflä chen mittels Druckrollen immer weiter zusammengepreßt werden, durch eine ringförmige Induktionsspule geführt, die mit einem Hochfrequenzstrom einer Frequenz von ungefähr 200 bis 450 kHz gespeist ist. Hiei findet der eigentliche Schweißvorgang statt. Durch die Induktionsspule wird ein Rirgstrom im vorgeformter Rohrkörper erzeugt, der vor allem die obere und die untere Kante jeder der beiden Stoßflächen sehr schnei bis zum Schmelzpunkt des Rohrmaterials erhitzt (Kan teneffekt).

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

Der aus der deutschen Offenlegungsschrift 16 02 352 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 Vorrichtung bekannt, bei der die Stirnverbindung des Längsinduktors nicht im Spalt, sondern oberhalb des Spaltes angeordnet ist. Die magnetischen Rückschlußteile sind hier U-förmig ausgebildet und von oben auf die Stirnverbindung aufgesetzt. Für die Hochfrequenz wird ein Wert von etwa 450 kHz und für die Mittelfrequenz ein Wert von 3 oder 10 kHz angegeben.

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