DE2227493C3 - Verfahren zum kontinuierlichen Hochfrequenzverschweißen eines Rohres aus Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kontinuierlichen Hochfrequenzverschweißen eines Rohres aus Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis, das aus einem Metallstreifen vorgeformt wird, dessen Kanten nach der Vorverformung in ein offenes Rohr einen sich in Rohrrichtung erstreckenden Spalt begrenzen und an einem Schweißpunkt durch Schweißrollen zusammengepreßt werden und dabei der Umfang des Rohres an dem Schweißpunkt reduziert und zur Erzielung einer Feuerschweißung das geschmolzene Metall zwischen den Streifenkanten herausgerückt wird.

Ein derartiges Verfahren ist zum Beispiel aus den US-Patentschriften 3037105 und 3030482 beschrieben. Bei diesen Verfahren wird der Umfang des Rohres so weit reduziert, daß beim Induktionsschweißen im wesentlichen das geschmolzene Metall aus dem Raum zwischen den Rohrkanten herausgedrückt wird, die miteinander verschweiß: werden. Bei diesem Ausdrücken und der Reduzierung des Rohrumfanges werden die Rohrkanten ferner so gestaucht, daß das herausgedrückte geschmolzene Metall einen Wulst an den inneren und äußeren Umfangsflächen des Rohres längs der Schweißnaht bildet; dieser Wulst wird dann durch bekannte Abschärfverfahren entfernt.

Bei den bekannten Verfahren wird der Umfang des Rohres nur so weit reduziert, daß praktisch die gesamte Dicke der gestauchten Rohrkanten auf Schweißtemperatur erhitzt wird, um eine Schweißung über die volle Dicke der Rohrwand zu erhalten. Hieraus ergibt sich eine Lache von geschmolzenem Metall an dem Schweißpunkt, wodurch die Lage des Schweißpunktes näher an die Hochfrequenzspule verschoben und dadurch auch die Wärmezufuhr zu den Rohrkanten an dem Schweißpunkt erhöht und andere zugehörige Nachteile in Kauf genommen werden. Durch die Änderung der Wärmezufuhr zu den Rohr-

kanten werden auch Änderungen der der Induktionsspule zugeführten Energie erzeugt, durch die der Schweißprozeß instabil wird und sich ungleichmäßige Schweißungen ergeben. Durch die Instabilität des Schweißprozesses kann die Oberfläche der Schweißnaht in einigen Abschnitten mehr eine Gußstruktur als eine Schweißstruktur aufweisen, solch eine Gußstruktur isUinerwünFcht und kann zu Rissen, Lunkern und schlechten mechanischen Eigenschaften führen. Weiterhin kann das geschmolzene Metall am Schweißpunkt unter dem Einfluß des Magnetfeldes der Induktionsspule wenigstens teilweise aus dem Schweißbereich geblasen werden, woraus sich eine Leerstelle ergibt, die sich im allgemeinen auch in die Rohrwand erstreckt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 den Schweißprozeß so zu stabilisieren und zu beeinflussen, daß eine Schweißung mit hoher Qualität erreicht wird. Diese Aufgabe ist gemäß der Erfin-

jo dung dadurch gelöst, daß der Umfang des Rohres beim Schweißen in Abhängigkeit des Verhältnisses von Rohrwanddicke zu Rohraußendurchmesser bei der Endverformung so weit reduziert wird, daß sich für das Verhältnis X von Rohrwanddicke zu Rohrau-

is ßenduichmesser die Umfangsreduzierung Y in Millimeter für X < 0,05 i\\ \0X f 2> Y > 2iX H- 0,88.
für 0,05 ^ X =£ 0,08 zu
10 X+2 2: γ > 2,03

und für X 2: 0,08 zu
Y S 2,03
ergibt.

Vorzugsweise beträgt die Umfangsreduzierung Y in Millimeter für X =£ 0,05

21,5 X+ 1,25 > y > 23 ^ + 0,88
und für X ^ 0,05
2,30 S γ > 2,03.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird der Umfang des Rohres in Abhängigkeit der Rohrwand-

>o dicke von dem Rohraußendurchmesser so weit reduziert, daß die Kanten des Metallstreifens in der Stauchzone am Schweißpunkt über die Wanddicke des Rohres Schweißtemperatur erreichen, daß jedoch die Ränder der Stauchzone am Schweißpunkt nicht auf Schweißtemperatur erhitzt werden. Die Umfangsreduzierung bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist wesentlich größer als bei bekannten Verfahren; gegenüber den in der genannten US-PS 3030482 aufgeführten Zahlenwerten ist die Umfangsreduzierung

ω beim Verfahren gemäß der Erfindung etwa doppelt so hoch wie bei diesem bekannten Verfahren. Hiermit können etwaige Fehlstellen in der Schweißung erst im Außenbereich der herausgedrückten, zu entfernenden Wülste in der Stauchzone auftreten, während über die

b5 Rohrwanddicke eine einwandfreie und gleichmäßige S hweißung erfolgt.

Obwohl bei dem Verfahren gemäß der Erfindung der Umfang des Rohres stärker reduziert und mehr

Material in der Stauchzone herausgedrückt wird als bei bekannten Verfahren, wird der Schweißpunkt nicht verschoben. Das Metall ist jiämlich im Außenbereich der SchweiSung am Schweißpunkt bereits nicht mehr so heiß, daß sich eine flüssige Metallache bilden könnte, die dann etwa durch das Magnetfeld verschoben wird. Auf diese Weise wird der Schweißprozeß erheblich stabilisiert.

Ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine bekannte Vorrichtung zum kontinuierlichen Kochfrequenzverschweißen, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann,

Fig. 2 eine Schnittansicht einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Verschweißung, Fig. 3 ein Diagramm, in dem Bereiche für die Reduzierung des Rohrumfanges für gegebene Verhältnisse von Rohrwanddicke zu Rohraußeridurchmesser gezeigt sind.

In Fig. 1 ist ein Schweißapparat 1 zum Verschweißen eines Metallstreifens in Form eines vorgeformten offenen Rohres 2 in ein Rohr gezeigt. Mit diesem Apparat können gegenüberliegende Kanten 3 und 4 des offenen Rohres verschweißt werden, die einen länglichen Spalt 5 in dem offenen Metallrohr 2 bilden. Das offene Rohr 2 ist in einem Formwerk (nicht gezeigt) geformt, welches unmittelbar vor der Vorrichtung 1 angeordnet ist. Die Formvorrichtung ist herkömmächer Art und kann eine Vielzahl von Walzgerüsten oder Formen aufweisen, die den Metallstreifen in das offene Rohr 2 formen. Zum Vortrieb des Rohres und auch zu dessen Formung können, wie in der Figur gezeigt, auch angetriebene Schweißrollen 6 vorgesehen sein.

Diese Schweißrollen 6 umfassen in Paar Druckrollen bekannter Ausbildung, welche gegenüberliegende Seiten des Rohres 2 ergreifen und dieses so zusammendrücken, daß sich der Spalt 5 im wesentlichen an dem Schweißpunkt 7 schließt, so daß sich hier ein V-förmiger Spalt 8 ergibt. Da das offene Rohr 2 in Richtung auf den Schweißpunkt 7 bewegt wird, werden die Kanten 3 und 4 an dem Spalt 8 längs einer Schweißnaht 9 zusammengeschweißt.

Die Kanten 3 und 4 des V-förmigen Spaltes 8 werden mit Hilfe einer Induktionsspule 10 oder aber auch Kontakten erhitzt. Die Induktionsspule 10 ist eine Spule mit einer einzigen Windung. Die Induktionsspule 10 ist aus geschmiedetem Metallrohr und mit einer nicht gezeigten Hochfrequenzstromquelle elektrisch verbunden. Der Hochfrequenzstrom hat üblicherweise eine Frequenz von wenigstens 10 kHz und oftmals 100 kHz oder mehr. Durch die Spule wird ferner ein Kühlmedium geleitet, wodurch die Induktionsspule vor Überhitzung geschützt wird.

Die Schweißvorrichtung kann ferner einen Widerstand / aufweisen, um so die Wirksamkeit der Induktionsspule 10 durch Erhöhung der Impedanz der Hochfrequenzstromwege um J^r. Umfang des offenen Rohres 2 zu verbessern. Dadurch wird der Stromfluß um die äußere Wölbung des offenen Rohres 2 reduziert und der Stromfluß längs den Rohrkanten 3 und erhöht, welcher von einem Punkt an der Rohrkante neben der Induktionsspule 10 zu dem Schweißpunkt 7 und zurück längs der gegenüberliegenden Rohrkante 4 zu einem Punkt in der Nähe der Induktionsspule 10 fließt. Hierdurch können die Kanten 3 und

4 des offenen Rohres 2 wirksamer erhitzt werden und am Schweißpunkt 7 Schweißtemperatur aufweisen. Der Widerstand / ist herkömmlicher Konstruktion und umfaßt einen Mantel 11, der einen Kern M aus magnetischem Material umfaßt und der mit einem hohlen Stützarm 12 verbunden ist, der sich durch den Spalt 8 abwärts erstreckt. Mit dem hohlen Stützarm 12 ist eine nicht gezeigte Quelle für ein Kühlmedium, ζ. B. Wasser, verbunden, so daß Wasser in den Mantel 11 und um den Kern M fließen kann. Das magnetische Material des Kerns ist isolierend, so daß dieser im wesentlichen frei von Wirbelstromverlusten ist. Das Kühlmedium, das in den Mantel 11 ein- und den Kern M umströmt, wird im allgemeinen innerhalb des •j geschweißten Rohres abgelassen.

Zur Einhaltung des Winkels des V-förmigen Spaltes 8 ist eine Nahtführungseinrichtung 14 an einem Punkt vor der Induktionsspule 10 vorgesehen, so daß die Kanten des Rohres 2 genau im Abstand gehalten (' werden. Die Nahtführungseinrichtung ist aus einem geeigneten Isoliermaterial, das in den Spalt ragt; die Rohrkanten 3 und 4 werden in der Gegend der Nahtführungseinrichtung durch hier nicht gezeigte Walzgerüste gegeneinander gedrückt, so daß sie in einem gleichförmigen Abstand gehalten werden.

Bei bisher bekannten Verfahren wurde die Umfengsreduzierung relativ niedrig gehalten. Bei Schweißmetallen mit relativ hohem spezifischen Widerstand gegenüber Kupfer oder Kupferlegierungen ι und vergleichbar großen Temperaturunterschieden zwischen ihren Fest- und Flüssigkeitspunkten gegenüber Kupfer oder Kupferlegierungen kann hiermit noch eine einwandfreie Schweißnaht erreicht werden. Bei Kupfer bzw. Kupferlegierungen ist dies nicht der > Fall. Um hier einen stabilen Schweißprozeß mit einer hochwertigen Schweißung zu erhalten, wird der Umfang des Rohres an den Schweißrollen 6 stärker reduziert, so daß eine gegenüber bekannten Verfahren relativ große Stauchzone 20 entsteht, ι Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die hier nur beispielhaft dargestellte Stauchzone 20 der Rohrkanten 3 und 4 größer als mit herkömmlichen Verfahren erzielbar. Es ist möglich, die Energiezufuhr zu der Induktionsspule 10 so zu steuern, daß die Gesamtdicke der gestauchten Rohrwandkanten 3' und 4' nicht auf Schweißtemperatur erhitzt werden. Die Dicke zwischen den gestrichelten Linien 21 in Fig. 2 ist die tatsächliche Wanddicke A, die erhalten wird, wenn die Wülste um die Stauchzone 20 mit den benachbarten Schweißraupen von den inneren Rohrflächen 13 und 13' entfernt sind.

Bei dem beschriebenen Verfahren ist die Schweißhitze zur mit der Bezugsziffer 23 bezeichneten Mitte der Rohrkanten 3' und 4' hin konzentriert. Es ist möglich, die Energiezufuhr zur Induktionsspule so einzustellen, daß lediglich ein Abschnitt 24, der etwas größer als die tatsächliche Rohrwanddicke A ist, auf Schweißtemperatur erhitzt und feuerverschweißt wird. Die verbleibenden Abschnitte 25 in der Stauchzone 20 der gestauchten Rohrwandkanten 3' und 4' bleiben entweder unverschweißt oder enthalten ausgedrücktes geschmolzenes Material aus dem Schweißzonenabschnitt 24, wodurch jedoch höchstens eine Gußschweißung erfolgt.

Risse oder Fehlstellen in den Abschnitten 25 der Schweißung können nur in der das Rohr überragenden Stauchzone 20 der Kanten 3' und 4' auftreten; diese Stauchzone wird iedoch entfernt, ςπ HaR cirh pinp

gleichmäßige, fehlstellenfreie Verschweißung in dem Rohr bildet. Da ferner der auf Schweißtemperatur erhitzte Abschnitt 24 etwas größer als die tatsächliche Rohrwanddicke A ist, greifen geringe Instabilitäten in der Wärmezuführung zu den Rohrkanten nicht auf den eigentlichen Schweißbereich über, so daß dieser keine Einschluß c von Restmaterial in der Rohrwand nach dem Abschärfen aufweist. Abschnitte in Form einer Gußschweißung 25 nahe der Oberfläche der Schweißnaht treten daher nicht auf.

Dadurch daß die Stauchzone 20 nicht auf Schweißtemperatur erhitzt wird, bildet sich auch keine Lache aus geschmolzenem Metall an dem Schweißpunkt 7, abgesehen von dem Metall, das aus der Schweißzone 24 ausgedrückt wird. Selbst wenn dieses ausgedrückte Metal! unter dem Einfluß des Magnetfeldes aus der Schweißzone herausgeblasen wird, tritt die sich ergebende Fehlstelle in der Stauchzone der Rohrwand auf und wird beim Abschärfen abgetrennt, so daß eine fehlerfreie Verschweißung bleibt. Durch Vermeidung

einer Lache aus flüssigem Metall wird auch dei Schweißpunkt 7 in einer nahezu konstanten Lage be züglich der Induktionsspule 10 gehalten, so daß dei Schweißprozeß stabilisiert ist.

Um Verschweißungen zu erhalten, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, ist es wesentlich, daß die Stauchung unc damit die Reduzierung des Umfanges an der Schweißrollen in bezug zu dem Verhältnis von Rohrwanddicke und Rohraußendurchmesser so proportioniert wird, daß die Umfangsreduzierung innerhalb des Bereiches A, ß, C, D in Fig. 3 und vorzugsweise innerhalb des Bereiches C, D, E, F liegt.

Die gezeigten Bereiche in Fig. 3 basieren auf üblichen Arbeitsbereichen bei einer Wanddicke von 0,4 bis 2,4 mm und Außendurchmessern von 12,7 bis 80 mm. Es sollte bemerkt werden, daß die bevorzugten Bereiche der Umfangsreduzierung zwischen 2 und 2,2 mm schwanken; dieser Bereich der Reduzierung des Umfanges ist anwendbar auf Verhältnisse von Wanddicke zu Rohraußendurchmesser über 0,08.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum kontinuierlichen Hochfrequenzverschweißen eines Rohres aus Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis, das aus einem Metallstreifen vorgeformt wird, dessen Kanten nach der Vorverformung in ein offenes Rohr einen sich in Rohrrichtung erstreckenden Spalt begrenzen und an einem Schweißpunkt durch Schweißrollen zusammengepreßt werden und dabei der Umfang des Rohres an dem Schweißpunkt reduziert und zur Erzielung einer Feuerschweißung das geschmolzene Metall zwischen den Streifenkanten herausgerückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang des Rohres beim Schweißen in Abhängigkeit des Verhältnisses von Rohrwanddicke zu Rohraußendurchmesser bei der Endverformung so weit reduziert wird, daß sich für das Verhältnis X von Rohrwanddicke zu Rohraußendurchmesser die Umfangsreduzierung Y in Millimeter für X < 0,05 zu

K)A" -· 2 > Y > 21 X + 0.8X.

für 0,05 =S χ < 0,08 zu

10 X+2 S FS 2,03

und für X ^ 0,08 zu

Y S 2,03

ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsreduzierung Y in Millimeter für X ^ 0,05

21,5 X+ 1,25 > y > 23 X+ 0,88
und für X ^ 0,05
2,30 S: y>2,03
beträgt.