DE2334106A1

DE2334106A1 - Vorrichtung zum verschweissen der stirnflaechen rohrfoermiger koerper, insbesondere von niob-kupfer-verbundrohren

Info

Publication number: DE2334106A1
Application number: DE19732334106
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Diepers; Karl-Heinz Jablonski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-07-04
Filing date: 1973-07-04
Publication date: 1975-01-16
Also published as: FR2235755B1; JPS5038657A; FR2235755A1

Description

Vorrichtung zum Verschweißen der Stirnflächen rohrförmiger Körper, insbesondere von Niob-Kupfer-Verbundrohren

Die· Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verschweißen der Stirnflächen rohrförmiger Körper, insbesondere von Niob-Kupfer-Verbundrohren, mittels eines von einer Ringlcathode erzeugten Elektronenstrahls.

Für supraleitende Kabel zur Übertragung hoher elektrischer Energie sind bekanntlich Niob-Kupfer-Verbundrohre gut geeignet. Insbesondere für supraleitende Wechsel- und Drehstromkabel können solche Verbundrohre, die aus einem Kupfer-Rohr bestehen, das außen oder innen mit einer Niob-Schicht versehen ist, koaxial angeordnet werden. Die Niob-Schicht befindet sich vorzugsweise auf der Außenseite des Innenrohres und auf der Innenseite des Außenrohres des koaxialen Leiterpaares. Bei Verwendung des Innenrohres als Hin- und des Außenrohres als Rückleiter kann dann erreicht werden, daß die elektrischen und magnetischen Felder nur im Räume zwischen den Niob-Schichten auftreten und die Kupferrohre feldfrei bleiben, so daß in ihnen keine Wirbelstromverluste auftreten können.

Solche Niob-Kupfer-Verbundrohre für supraleitende Kabel werden zweckmäßig mit einer begrenzten Länge von beispielsweise etwa 20 m gefertigt. Entsprechende Fertigungsmethoden sind beispielsweise in den deutschen Offenlegungsschriften 2141 636 und 2 141 621 näher erläutert. Es ist somit notwendig, eine Vielzahl solcher Verbundrohre und Federbälge, die zum Ausgleich von Dehnungsunterschieden erforderlich sind, miteinander stirnseitig zu verschweißen. Als Schweißverfahren ist hierfür das Elektronenstrahlschweißen besonders

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geeignet. Man erhält damit eine saubere und schnell herzustellende Schweißnaht bei verhältnismäßig geringer Wärmeeinbringung in das Verbundmaterial.

Die üblichen Elektronenstrahlschweißverfahren mit punktförmiger Schmelzzone und sich unter dem Strahl drehenden Rohren können nicht angewandt werden, da man auf Kilometerlänge zusammengeschweißte Verbundrohre nicht einfach unter dem Elektronenstrahl drehen kann. Handelt es sich außerdem insbesondere um ein Drehstromkabel mit im Dreieck angeordneten Leitern, so scheiden auch die beispielsweise beim Pipeline-Schweißen eingesetzten Verfahren mit umlaufender Elektronenstrahlkammer aus. Diese bekannten Geräte sind zu groß, und bei einem geringen Abstand der einzelnen Verbundrohre würde ein bereits verschweißter und verlängerter Leiter ein Verschweißen der beiden anderen behindern. Ein Auseinanderbiegen der Verbundrohre ist, um ein Überdehnen der Pederbälge zu vermeiden, nur in begrenzten Maßen möglich und erfordert eine große Arbeitsfläche.

Da somit für ein Aneinanderschweißen langer Verbundrohre die Anwendung.des Elektronenstrahlschweißens nur dann möglich ist, wenn entweder die Rohre unter dem Elektronenstrahl gedreht werden können oder, bei ausreichenden Platzverhältnissen, die strahlenquelle das Verbundrohr umfahren kann, scheiden diese beiden Schweißverfahren bei engen Platzverhältnissen oder sehr langen Rohren oder auf engem Raum parallel verlegter Rohrsysteme aus.

Es sind deshalb Elektronenstrahlschweißvorrichtungen mit Ringkathoden entwickelt worden, die auch in Zonenschmelzanlagen eingesetzt werden. Bei diesen Elektronenstrahlringsystemen dient beispielsweise ein Wolfram-Drahtring, der an mehreren Stellen gegen Durchbiegen beim Aufheizen abgestützt wird, als Emitter. In die Öffnung des Strahlsystems werden

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dann die zu verschweißenden Rohre zumeist waagerecht, oder bei kurzen Verbundrohrstücken auch senkrecht und zentrisch eingebracht. Das Verschweißen erfolgt im allgemeinen im Hochvakuum. Zwischen der Emissionsringkathode und den zu verschweißenden Verbundrohren liegt dann beispielsweise eine Spannung von einigen Kilovolt.

Es hat sich nun gezeigt, daß mit dieser einfachen Anordnung keine vollständige Schweißnaht um die Rohre, insbesondere um Niob-Kupfer-Verbundrohre, gelegt werden kann. Aufgrund geometrischer Asymmetrien und lokal schwankender Emissionsstärke der Ringkathode kann nämlich die Nahtstelle nur teilweise aufschmelzen. Nach einer Leistungserhöhung erreicht man zwar eine vollständige Aufschmelzung. Es muß dann jedoch mit einem stark verformten Nahtbereich und einer Lochbildung an überhitzten Stellen gerechnet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, deren Elektronenstrahl von einer Ringkathode erzeugt wird, anzugeben, bei der die genannten Schwierigkeiten vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Schweißnahtlinie an den zu verschweißenden Stirnflächen und der Ringkathode eine Strahlselektorblende vorgesehen ist, die auf einer wenigstens annähernd konzentrisch zur Ringkathode verlaufenden Kreisbahn verschiebbar angeordnet ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Stirnflächen zweier aneinandergefügter Rohre etwa punktförmig verschweißt werden können. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Vorrichtung nach der Erfindung können der Emissionsstrom der Ringkathode und/oder die Umlaufgeschwindigkeit der Strahlselektorblende geregelt

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werden. Lokale Unterschiede der Emissionsstärke der Ringkathode sowie Asymmetrien in der Aufschmelzung im Nahtbereich können somit ausgeglichen werden. Die Nachregelung kann dabei beispielsweise durch optische Beobachtung oder auch automatisch erfolgen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Es zeigen schematisch

Fig. 1 einen Längsschnitt und

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine um zwei aneinanderstcßende Verbundrohre angeordnete Vorrichtung zum ringförmigen Verschweißen gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 sind zwei Verbundrohre 1 und 2 senkrecht aneinandergesetzt. Diese Verbundrohre 1 und 2 sind beispielsweise Kupferrohre mit einem Innendurchmesser von etwa 38 mm und einem Außendurchmesser von etwa 40 mm, auf denen eine supraleitende Niobschicht von etwa 0,1 /u Dicke aufgebracht ist. Die anein&nlergefügten Stirnflächen 3 der beiden Verbundrohre 1 und 2 liegen in einer horizontalen Ebene, in der auch eine Ringkathode 4 konzentrisch um den Außenrand der Stirnflächen 3 angeordnet ist. Die Ringkathode 4 befindet sich in einem Gehäuse 5 mit etwa U-förmigem Querschnitt, das in der Figur nur angedeutet ist. Zwischen der Ringkathode 4 und dem Außenrand der Stirnflächen 3 ist eine ringförmige Strahlselektorblende 6 angeordnet. Sie besitzt eine Austrittsöffnung 8, durch die ein von der Ringkathode 4 ausgehender Elektronenstrahl TO etwa punktförmig austreten kann. Sie ist mittels einer Halterung 11 auf einem scheibenförmigen Bodenelement 12 befestigt, durch dessen mittlere Öffnung 13 das Verbundrohr 2 etwa zentrisch durchgeführt ist. Das Bodenelement ist in einer parallel zur Ebene der Stirnflächen 3 um eine mit den Verbundrohren 1 und 2 und der Ringkathode 4 gemein-

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same Rotationsachse 15 drehbar gelagert, so daß die Austrittsöffnung 8 der otrahlselektorblende 6 auf einem Kreis konzentrisch um den Außenrand der Stirnflächen 3 geführt werden kann. Der von der Ringkathode 4 ausgehende Elektronenstrahl 10 trifft dann stets auf den Außenrand der Stirnflächen 3 und kann dort somit die beiden Verbundrohre 1 und 2 verschmelzen.

Die Vorrichtung zum Verschweißen von Verbundrohren mittels eines Elektronenstrahls befindet sich vorteilhaft in einer in der Figur nicht dargestellten Vakuumkammer. In einem Anwendungsbeispiel wird eine derartige Vorrichtung mit einer Spannung von 5 kV und einem Heizstrom der Ringkathode von 5»8 A betrieben. Damit wird ein Emissionsstrom von ca. 300 mA im Elektronenstrahl erzeugt, der durch eine etwa 1C aim breite Austrittsöffnung einer Strahlselektorblende aus 1 mm starkem Stahl austreten kann. Die Strahlselektorblende rotiert dabei mit einer Geschwindigkeit von ca. einer Umdrehung pro Minute. Die Vorrichtung ist vorteilhaft zum Verschweißen von supraleitenden Wechselstromkabeln, insbesondere zum Verschweißen von Dreiphasendrehstromkabeln, verwendbar.

Fig. 2 stellt einen Querschnitt durch die Ebene der Stirnflächen 3, der Ringkathode 4 und der Austrittsöffnung8der Strahlselektorblende 6 nach Pig. 1 dar. aus ihr ist die konzentrische Anordnung der Verbundrohre 1 und 2, der Strahlselektorblende 6 mit ihrer Austrittsöffnung 8, der Ringkathode 4, die in der Figur gestrichelt dargestellt ist, und des sie umgebenden Gehäuses 5 ersichtlich.

8 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

VPA 73/7577 Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Verschweißen der Stirnflächen rohrförmiger Körper, insbesondere von Niob-Kupfer-Verbundrohren, mittels eines von einer Ringkathode erzeugten Elektronenstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Schweißnahtlinie an den zu verschweißenden Stirnflächen (3) und der Ringkathode (4) eine Strahlselektorblende (6) vorgesehen ist, die auf einer wenigstens annähernd konzentrisch zur Ringkathode (4) verlaufenden Kreisbahn verschiebbar angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlselektorblende (6) mittels einer Austrittsöffnung (8) einen etwa punktförmigen Elektronenstrahl (10) freigibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlselektorblende (6) aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlselektorblende (6) wenigstens teilweise aus Stahl besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Emissionsstrom des Elektronenstrahls (10) regelbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung zwischen der Ringkathode (4) und den Verbundrohren (1 und 2) regelbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufgeschwindigkeit der Austrittsöffnung (8) der Strahlselektorblende (6) regelbar ist.

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8. Verfahren zum Verschweißen der Stirnflächen zweier Rohre, insbesondere Niob-Kupfer-Verbundrohre, mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Hochvakuum in der Ebene der zu verschweißenden Stirnflächen (3) die Ringkathode (4) mit der Strahlselektorblende (6) angeordnet wird und daß der Emissionsutrom des Elektronenstrahls (10) und/oder die Spannung zwischen der Ringkathode (4) und den Rohren (1 und 2) und/ oder die Umlaufgeschwindigkeit der Austrittsöffnung (8) der 'itrahlselektorblende (6) so geregelt wird, daß eine annähernd gleichmäßige Schmelzzone zwischen den beiden Stirnflächen (3) entsteht.

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