DE2834275A1

DE2834275A1 - Stumpfschweissverfahren und vorrichtung zu seiner durchfuehrung

Info

Publication number: DE2834275A1
Application number: DE19782834275
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Lamote; Jean Reboux
Original assignee: TOCCO STEL
Current assignee: TOCCO STEL
Priority date: 1977-08-05
Filing date: 1978-08-04
Publication date: 1979-02-15
Also published as: FR2399299B1; US4300031A; DE2834275C2; FR2399299A1; JPS5435845A; IT7850588A0; IT1109379B; GB2001891B; GB2001891A

Description

- 6 Patentanwälte

Dipl.-Ing. Dipl.-Chpm. ■ C.pl.-Inj.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19 fc ν ν T * f *#

8 München 60

Unser Zeichen: T 5143 2.August 1978

TOCCO-STEL

173 Bd.Haussmann

75008 Paris, Frankreich

Stumpfschweißverfahren und Vorrichtung

zu seiner Durchführung

Di® Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum stumpfen Verschweißen v©n Metallteilen durch Induktion;, insbesonder© zum Verschweißen von Stahlteilen_ff beispielsweise von Eisenbahnschienen»

Zum stumpfen Verbinden von Metallteilen _s insbesondere von Metallteilen mit asymmetrischem Querschnitt oder mit unregelmässigera Profil, mirde bisher das bätannte Abschmelzschweißverfahren angewendet_s bei dem jedes der an den benachbarten Enden zu verschweißenden Metall=» teile an ©ine elektrische Energiequelle mit Hilfe von IClejambacken angeschlossen wird, die mit den Metallteilen ©inen guten Kontakt bilden müssen»

Schw/Ba

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Dieses bekannte Abschmelzschweißverfahren ergibt im' allgemeinen zwar befriedigende Ergebnisse, doch erfordert seine Anwendung viel Sorgfalt, und es kann hinsichtlich der Qualität der Schweißverbindung ernste Nachteile haben; beispielsweise können an der Schweißstelle zufällig Hohlräume mit verschiedenen Größen entstehen, die die Ermüdungsfestigkeit wesentlich ·· herabsetzen. Da die Klemmbacken elektrische Energie mit sehr großer Stärke auf die zu verschweißenden Teile übertragen sollen, müssen sie häufig gereinigt werden, damit ihr Kontaktwiderstand auf ein Minimum herabgesetzt wird. Ein weiteres bedeutendes Problem beim stampfen Verschweißen unter Anwendung des Abschmelzschweißverfahrens, bei dem die Teile gegeneinander gedrückt werden, nachdem ihre gegeneinander gerichteten Flächen auf die Schmelztem>peratur gebracht worden sind, ist das Entstehen großer und unregelmässiger Schweißwülste, die anschließend durch Entgraten, beispielsweise mit Hilfe von Hobeln oder Schleifscheiben (durch Ebnen . öder Abschleifen) entfernt werden müssen.

Zur Verbesserung der Qualität der Verschweißung durch Abschmelzen ist in der FR-PS 1 235 372 vorgeschlagen worden, die anschliessend durch Abschmelzen zu verbindenden Flächen vorher durch Induktion mit Hilfe einer zwischen den zwei Enden angebrachten beweglichen Induktionsvorrichtung zu erwärmen, und diese Induktionsvorrichtung so zu verschieben, daß die ganze Oberfläche der zwei Enden überstrichen wird.

Zum stumpfen Verschweißen von Metallteilen mit im wesentlichen symmetrischem oder regelmässigem Querschnitt, beispielsweise Rohre oder zylindrische Stangen ( rund oder mehreckig) ist auch vorgeschlagen worden, eine Erwärmung durch Induktion mit Hilfe einer einteiligen Induktions-

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vorrichtung anzuwenden, die die TJmfangslinie der zu verschweißenden Teile an der Stelle aussen umgibt, an der sich ihre benachbarten ' Enden berühren, die gegeneinander gepreßt werden, wenn diese Enden die Schmiedetemperatur des Metalls (1000 bis 1300⁰C für Stahl) erreicht haben. Ein solches Verfahren ist auf den Seiten 637 bis 640 des Buchs von .Lozinskij mit dem Titel !"Industrial Applications on Induction Heating" beschrieben, das von Pergamon Press 1969 herausgegeben wurde; in diesem Buch wird vorgeschlagen, eine Induktionsvorrichtung mit einteiliger Windung zu verwenden, die mit einem Wechselstrom mit 2000 Hz gespeist wird, der beispielsweise von einem Wechselstromgenerator geliefert wird. Dabei wird die Anwendung von Drücken in der Größenordnung von 250 bis 400 Kg/cm vorgeschlagen. Dieses Verfahren ist beim stumpfen Verschweißen von Teilen mit unregelmässigem Querschnitt, beispielsweise von Eisenbahnschienen, schwierig anzuwenden, bei denen die Unterschiede der Dicken der verschiedenen Bestandteile (der Schienenkopf, der Schienensteg und der Schienenfuß) die gleichzeitige Erwärmung auf die Schmiedetemperatur ( 1300⁰C ) in einer relativ kurzen Zeit ( unter 3 Minuten) praktisch unmöglich ist; es kann daher keine Konkurrenz zum Schweißen durch Abschmelzen darstellen.

Es wurden bereits Versuche durchgeführt, Eisenbahnschienen mit zwei ebenen Induktionsvorrichtungen stumpf zu verschweißen, die mit Strömen mit mittlerer Frequenz ( 1 bis 10 kHz) gespeist wurden und die gegenüber den Flächen der zwei zu vereinigenden Enden angebracht und mit Magnetflußkonzentrationsvorrichtungen ausgestattet wurden, die als U-förmige Blechpakete ausgebildet waren

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und die Leiter an den diese Flächen bedeckenden Abschnitten überbrückten (siehe Seiten 155 bis 16O des oben erwähnten Buchs von Lozinskij). ·

Dieses Verfahren ist zwar durch Begrenzen der Tiefe der Erwärmung vom thermischen^ Standpunkt aus vorteilhaft, doch ist es nicht industriell einsetzbar, da es eine präzise Anbringung der Tonnen wiegenden Schienen bis auf einige Zehntel Millimeter bei den Induktionsvorrichtungen erfordert; die zum Zurückziehen der Induktionsvorrichtungen und zum Anbringen der Schienen erforderlichen Zeitperioden liegen deutlich über den Zeitperioden bei anderen konkurrierenden Verfahren. Ferner ergibt sich das Problem der starken Oxydation der zu vereinigenden Flächen bei ihrer Erhitzung, was zu unzulänglichen Schweißstellen führt.

Mit Hilfe der Erfindung können die oben erwähnten Nachteile vermieden werden, indem zum stumpfen Verschweißen von Metallteilen mit unregelmässigem Profil eine Erhitzung durch Induktion angewendet wird, wobei Zeitperioden benötigt werden, die mit den Zeitperioden konkurrierender Verfahren (Abschmelzverfahren, Gießverfahren) vergleichbar sind und merklich" überlegene Schweißqualitäten erhalten werden können.

Die Erfindung betrifft ein Stumpfschweißverfahren zum Verschweißen von Metallteilen, insbesondere von Metallteilen mit unregelmässiger Form, mit Hilfe einer in zwei Abschnitte (Schalen) unterteilten Induktionsvorrichtung, die beim Zusammenfügen eine einteiliege Windung bilden, die die zu vereinigende» Enden umgibt, die mit einem vorbestimmten Anfangsdruck (5 bis 10 t) gegeneinander gedrückt werden, wobei die zu den Metallteilen gerichteten Innenflächen der Windung der Umfangsform der Metallteile

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so folgen, daß sie in einem vorbestimmten und im wesentlichen konstanten Abstand bezüglich der Außenflächen der zu verschweißenden-Metallteile verlaufen. Die Induktionsvorrichtung wird während eines ersten Zeitintervalls zunächst mit einem ersten Strom mit einer ersten mittleren Frequenz (etwa 1 oder 3 kHz) mit konstanter Stärke gespeist, der dazu bestimmt ist, vor allem die massiven Abschnitte der Metallteile zu erwärmen, und er wird dann während eines zweiten Zeitintervalls mit einem zweiten Strom mit konstanter Stärke mit einer zweiten mittleren Frequenz (3 oder 9 bis 10 kHz) gespeist, die zwei- bis viermal größer als die erste Frequenz ist, wobei dieser zweite Strom insbesondere dazu bestimmt ist, die dünneren Abschnitte sowie die zwei Enden insgesamt auf die Schmiedetemperatur des die Teile bildenden Metalls, zu bringen. Am Ende des zweiten Zeitintervalls wird der auf die zwei Enden ausgeübte Druck schnell auf einen Wert angehoben, der als Schmiededruck bezeichnet wird (über 30 t).

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zu beiden Seiten der Induktionsvorrichtung mit im wesentlichen gleichen Abständen Kurzschlußwindungen angebracht, die die Umrißlinien der zwei Metallteile eng umgeben, so daß das Eindringen des Magnetflusses und somit die Tiefe der Erwärmung auf den Wert begrenzt wird, der zur Erzielung einer Schweißverbindung mit guter Qualität notwendig und ausreichend ist. Zur Erzielung einer gleichmässigeren Erwärmungstiefe können die die massiven Abschnitte (den Schienenkopf) umgebenden Teile der Kurzschlußwindungen weiter von der Induktionsvorrichtung entfernt werden, als die die weniger dicken Abschnitte umgebenden Teile, indem sie schräg angebracht werden.

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Die Kurzschlußwindungen sind auch in zwei Schalen geteilt, und sie können derart verwirklicht werden, daß sie aus mehreren Teilen bestehen, die in unterschiedlichen Abständen von der von der Induktionsvorrichtung festgelegten Ebene liegen.

Zur Erhöhung ihrer Wirksamkeit können die Kurzschluß· windungen vorteilhafterweise mit herkömmlichen Magnetflußkonzentrationseinrichtungen in ihrer gesamten Länge oder an einem Teil.ihrer Länge ausgestattet werden, damit der von diesen KurzSchlußwindungen, die von rohrförmigen Leitungen gebildet sind, die von einem Kühlmittel durchflossen sind, induzierte Strom auf ihre der Fläche des von ihnen umgebenen Netallteils gegenüberliegenden Wände konzentriert wird, die nicht von U-förmigen Paketen aus ferromagnetischem Blech bedeckt ist, die sie überdecken und die Flußkonzentrationsvorrichtungen bilden.

Die Induktionsvorrichtung wird vorzugsweise so ausgebildet, daß sie ein inertes Gas wie Argon während der gesamten Betriebszeit oder während eines Teils der Betriebszelt gegen den Erwärmungsbereich blasen kann.

Die erfindungsgemäße Stumpfschweißvorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens enthält Vorrichtungen zum Gegeneinanderpressen der Metallteile, eine von einer Induktionsvorrichtung gebildete Heizeinrichtung, zwei Kurzschlußwindungen beiderseits der Induktionsvorrichtung, die in zwei Abschnitte unterteilt sind und mit Hilfe von Arbeitszylindern zusammengefügt werden, die ermöglichen, die zwei Abschnitte gegeneinander und voneinander weg zu bewegen, einen beweglichen Anpassungstransformator, dessen niederohmlge Sekundärwicklung fest

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mit einem der Abschnitte der Induktionsvorrichtung verbunden ist und dessen hochohmige Primärwicklung parallel zu einem Abstimmkondensator gesdaltet ist, der so umschaltbar ist, daß ein auf zwei Resonanzfrequenzen abstimmbarer Parallelresonanzkreis entsteht, von denen die zweite Resonanzfrequenz zwei- bis viermal größer als die erste ist, und einen mit Thyristoren ausgestatteten Umformer an dem Parallelresonanzkreis mit ,einer frequenzumschaltbaren Steuerschaltung. Die Stumpfschweißvorrichtung enthält außerdem ein ZeitablaufSteuerwerk zum aufeinanderfolgenden Einschalten des Umformers für einen Betrieb mit einer ersten Frequenz entsprechend der ersten Resonanzfrequenz des Schwingkreises, wenn die Induktionsvorrichtung von den Arbeitszylindern gf schlossen worden ist, zum Abschalten des Umformers nach einem ersten Zeitintervall zum Umschalten der Frequenz der Steuerschaltung und des Kondensators zum Abstimmen des Schwingkreises auf die zweite Frequenz, zum Einschalten des Umformers für einen Betrieb mit der zweiten Frequenz während eines zweiten Zeitintervalls, zum Abschalten des Umformers und gegebenenfalls zum gleichzeitigen Entfernen der Heizvorrichtung sowie zum Anlegen des Schmiededrucks an die zu verschweissenden Teile vor, während oder nach dem Ende des zweiten Zeitintervalls.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert.Eö zeigen:

Fig.1 eine schematische perspektivische Teildarstellung der erfindungsgemäßen Stumpfschweißvorrichtung und

Fig.2 ein sehr schematisches Blockschaltbild der elektrischen Schaltung der erfindungsgemäßen Stumpfschweißvorrichtung.

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In allen Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig.1 ist in einer perspektivischen Ansicht schematisch ein Teil einer mit Induktion arbeitenden Stumpfschweißvorrichtung dargestellt, mit deren Hilfe unter Druck die angrenzenden Enden von einem oder von zwei Metallteilen mit beliebigem Querschnitt, insbesondere mit unregelmässigem Querschnitt wie bei Eisenbahnschienen aus Stahl, zusammengeschweißt werden können, ohne daß von außen Material aufgetragen wird; dabei wird ein Verfahren angewendet, mit dessen Hilfe durch Induktion mittels eines Stroms mit mittlerer Frequenz (1 bis 10 kHz) die zwei Enden auf die Schmiedetemperatur (bei Stahl etwa 1250⁰C) gebracht und die zwei Enden dann mit einem rasch ansteigenden Druck (Schmiededruck) gegeneinander gedrückt werden.

In Fig.1 ist eine erste Schiene 1 dargestellt, deren Ende mit dem Ende einer zweiten Schiene 2 verbunden werden soll; der Verlauf ihrer Kontaktfläche ist mit 3 gekennzeichnet. Diese Kontaktfläche 3 liegt in der Mitte einer Induktionsvorrichtung 10, die längs ihrer mittleren Querebene zwei Teile 11 und 12 unterteilt ist. Diese Teile sind so ausgebildet, daß dann, wenn sie vereinigt sind, die Innenfläche der Induktionsvorrichtung 10 im wesentlichen parallel zur Umrißlinie des Querschnitts der Teile 1 und 2 verläuft. Der optimale Abstand zwischen der Außenfläche der Teile 1, 2 und der Innenfläche der Induktionsvorrichtung wird experimentell so festgelegt, daß vermieden wird, daß der beim Zusammenschmieden durch Qegeneinanderdrücken der Enden entstehende Schweißwulst die Indukstionsvorrichtung berührt. Jede der Hälften 11, 12 der Induktionsvorrichtung 10 besteht

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aus zwei parallelen Rohrleitern 11 und 14, die durch einen Mittelraum 15 voneinander getrennt sind, der zwischen ihren benachbarten Seitenwänden liegt und von Außen- und Innenwänden aus Metall abgeschlossen ist; die Außenwand ist mit einer Klemmvorrichtung 16 ausgestattet, die an eine Quelle angeschlossen werden kann, die ein inertes Gas, beispielsweise Argon, unter Druck liefert, während die zur Außenfläche der zu verbindenden Teile 1, 2 gerichtete Innenwand im gleichmässigen Abstand mit Löchern 17 ausgestattet ist, durch die dieses Gas gegen die erwärmten Enden der Teile geblasen werden kann. Jeder Rohrleiter 13, 14 trägt an seinem Ende Rohranschlüsse 18, an die ein Kühlmittelkreislauf, beispielsweise ein Kühlwasserkreislauf, angeschlossen werden kann.

Die Enden der zwei Hälften 11, 12 der Induktionsvorrichtung 10 tragen massive Kontaktblöcke 19, von denen die einen mit Einkerbungen 20 und die anderen mit Vorsprüngen 21 in V-Form ausgestattet sind, damit die Blöcke bei ihrem Zusammenfügen präzise angebracht werden können. Die Rohranschlüsse 18 and mit diesen Kontaktblöcken 19 verschweißt, die durchgehende Löcher aufweisen, die Leitungen für das umlaufende Kühlmittel bilden und die Rohranschlüsse 18 mit den Rohrleitern 13, 14 verbinden, damit die Kontaktblöcke 19 und insbesondere ihre Kontaktflächen gekühlt werden können, die starke Ströme übertragen müssen.

Die erste Hälfte 11 der Induktionsvorrichtung 10 ist nochmal in zwei im wesentlichen gleiche Abschnitte 101 und 102 längs einer zur mittleren Querebene senkrechten Ebene unterteilt, in der die zwei Hälften 11, 12 geteilt sind.

Die benachbarten Enden der zwei Abschnitte 101 und 102 liegen in geringem Abstand isoliert voneinander (gegebenenfalls

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mit Hilfe eines nicht dargestellten Zwischenstücks aus hitzebeständigem Isoliermaterial), und sie sind dazu bestimmt, die Induktionsvorrichtung 10 mit den Klemmen einer in Fig.1 nicht dargestellten Speisequelle zu verbinden, die elektrische Energie mit mittlerer Frequenz abgibt.

Die Verbindung zwischen der Induktionsvorrichtung 10 und der Speisequelle erfolgt mit Hilfe von zwei Rohrleiterabschnitten 103, 104, 105, 106 für jeden der Abschnitte 101 und 102, die auch dazu bestimmt sind, ihre Verbindung mit dem Kühlkreislauf zu gewährleisten, wobei sie zu diesem Zweck an die die Induktionsvorrichtung 10 bildenden Rohrleiter 13 und 14 angeschlossen sinde

Die Rohrleiterabschnittpaare 103, 104 und 105, 106 sind jeweils elektrisch und mechanisch (durch Löten oder Schweißen) fest mit zwei Leiterplatten 107 und 108 verbunden, deren Kühlung sie gewährleisten; diese Platten sind jeweils an die Klemmen der Speisequelle angeschlossen und mittels einer Platte 109 aus Isoliermaterial voneinander getrennt.

Jede der zweiten Hälften 11, 12

der Induktionsvorrichtung 10 ist mit Hilfe von Befestigungslaschen 22 an einem festen Träger 23 befestigt, der aus einem isolierenden, starren und hitzebeständigen Material, beispielsweise aus einer Zusammensetzung aus Asbest und einem Kunstharz, wie sie unter der Bezeichnung "Syndanio" erhältlich ist, besteht.

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Die Träger 23, die jeweils die zwei Hälften der Induktionsvorrichtung 10 tragen, werden ihrerseits von starren Rahmen aus isolierendem, gegen die Beanspruchung und die Hitze beständigen Material (feuerfestem Material) gehalten, die zu beiden Seiten der zu verschweissenden Schienen angebracht sind. Diese Rahmen 24 tragen auch die anderen Elemente, die gleichzeitig mit den zwei Hälften 11, 12 der Induktionsvorrichtung 10 verschoben werden müssen und die unten noch genauer erläutert werden. Die zwei Rahmen sind an den freien Enden der Stangen 25 von zwei hydraulisch oder elektrisch betätigten (nicht dargestellten ) Zylindern "befestigt, die sie in entgegengesetzten Richtungen bewegen.

Der Träger 23, der eine der Hälften 12 der Induktionsvorrichtung 10 (ebenso wie andere oben genannte Elemente) trägt, ist mit dem Rahmen 24 mit Hilfe von Kompensationsfedern 26 und mit Hilfe von Führungsstangen 27 verbunden, die von Löchern 28 aufgenommen sind, während der Träger der anderen Hälfte 11 fest mit dem ihn haltenden Rahmen verbunden ist, so daß eine präzise Anbringung mit Hilfe der Einkerbungen 20 und der Vorsprünge 21 sowie ein genau festgelegter Kontaktdruck zwischen den zwei Blockpaaren ermöglicht werden.

Es sei hier bemerkt, daß auf Grund der Tatsache, daß die erste Hälfte 11 der Induktionsvorrichtung 10 fest mit der Sekundärwicklung eines (nicht dargestellten) Transformators verbunden ist, der diese über die starren Leiterabschnitte 103 bis 106 und die Platten 108 und 107 speist, die fest mit dieser Sekundärwicklung verbunden sind, dieser Transformator fest mit den an die Arbeitszylinder angeschlossenen Rahmen in Verbindung steht, der die Hälfte 11 der Induktionsvorrichtung trägt, wobei er auf Führungsrollen auf ( nicht dargestellten) Schienen

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angebracht ist, die seine Verschiebungen parallel zu den Verschiebungen d,es ArbeitsZylinders führen.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die durch Induktion wirkende Heizvorrichtung außer der Induktionsvorrichtung 10 zwei Kurzschlußwindurigen 30 und 40, die dazu bestimmt sind, die Tiefe der von der Induktionsvorrichtung erhitzten Zone auf einen Wert zu begrenzen, der notwendig ist, eine korrekte Verbindung zwischen den zwei benachbarten Enden der zu verschweißenden Teile sowie richtige Abmessungen des Schweißwulstes zu erzielen.

Diese Begrenzungswirkung der Tiefe der Erwärmung läßt sich durch die Tatsache erklären, daß die in diesen Kurzschlußwindungen 30, 40, die die Rolle der Sekundärwicklungen eines Transformators spielen, deren Primärwicklung von der Induktionsvorrichtung 10 gebildet ist, induzierten Ströme ein Magnetfeld erzeugen, das dem von der Induktionsvorrichtung 10 erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt ist, so daß auf diese Weise das Eindringen des Magnetflusses der Induksionsvorrichtung 10 auf etwa die halbe Entfernung zwischen dieser und den KurzSchlußwindungen 30, 40 begrenzt wird.

Die zwei Kurzschlußwindungen 30, 40 zur Begrenzung des Eindringens der Wärme bestehen ebenfalls aus Rohr le item mit vorzugsweise quadratischem oder rechtwinkligem Querschnitt; sie sind in zwei Hälften 31, 32 und 41, 42 längs ihrer Mittelquerebene unterteilt und ihre Enden tragen Kontaktblöcke 33 und 43 mit Vorsprüngen und Einkerbungen wie bei der Induktionsvorrichtung 1©, sowie mit Anschlüssen43, 44 für den Umlauf eines Kühlmittels.

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Die Hälften der Kurzschlußwindungen 30, 40 sind mit den zwei Bewegungszylindern,der Induktionsvorrichtungen 10 über Rahmen (24) und isolierende und hitzebeständige Träger (45) in der gleichen Weise wie die Induktionsvorrichtung verbunden, so daß sie gleichzeitig verschoben werden können.

Die von den Zylindern getragenen Rahmen können vorteilhafterweise so angetrieben werden, daß eine Einstellung der Abstände zwischen den Kurzschlußwindungen 30, 40 und der Induktionsvorrichtung 10 ermöglicht wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Dicke der hitzebeständigen Träger (45) kleiner als der Abstand zwischen den Befestigungslaschen 36, 46 der Hälften der Kurzschlußwindungen 31» 32 und 41, 42 gewählt, damit diese in eine Schrägstellung gebracht werden können, wenn sie mit Hilfe (nicht dargestellter) Zwischenstücke angebracht werden, so daß die Abschnitte der Kurzscäußwindungen, die die massiven Abschnitte des Metallteils (1, 2) umgeben, weiter von der Induktionsvorrichtung entfernt liegen, als die, die den dünneren Abschnitten benachbart sind. Dies hat die Wirkung, daß die Tiefe der erwärmten Zonen bezüglich der Berührungsfläche 3 der Teile 1 und 2 gleichmässiger wird.

Eine analoge Wirkung kann erreicht werden, wenn die Kurzschlußwindungen 30, 40 eine kompliziertere Form erhalten, bei der sich der Abstand von der Induktionsvorrichtung 10 mit der Dicke der angrenzenden Abschnitte des Metallteils ändert, was auf Kosten einer reduzierten Steifheit derKurzschlußwindungen erfolgt, die durch die Steifheit der isolierenden und hitzebeständigen Träger kompliziert werden muß.

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Der Abstand zwischen der Innenfläche der Kurzschlußwindungen 30, 40 und der ,Oberfläche der Metallteile 1, 2 kann kleiner als der bei der Indukti'onsvorrichtung 10 sein, da sich dort, wo sich diese KurzSchlußwindungen befinden, kein Schweißwulst bildet.

Eine Verbesserung der Wirksamkeit der Kurzschlußwindung kann dadurch erhalten werden, daß sie mit Magnetflußkonzentrationsvorrichtungen aus U-förmigen geschichteten Paketen 47 aus ferromagnetischen Blechen versehen werden, die auf drei Seiten des hohlen Leiters mit. Ausnahme der zum Metallteil gewandten Wand sitzen, in der auf diese Weise der induzierte Strom fließt.

Die Flußkonzentrationsvorrichtungen 47 können auf der gesamten Länge der Kurzschlußwindungen oder auch auf einem Teil dieser Länge angebracht sein. Insbesondere können diese Flußkonzentrationsvorrichtungen 47 wahlweise an den Abschnitten der Kurzschlußwindung angebracht werden, die die dünnsten Teile umgeben, damit dort die stärkste Beschränkung der Erwärmungstiefe in Bezug auf die Berührungsfläche 3 erzielt wird, damit die durch Wärmeleitung auftretenden Wärmeverluste in den dickeren Abschnitten ( in den massiven Teilen) kompensiert werden und ein Resultat ähnlich wie bei der Schrägstellung oder der Verformung der Kurzschlußwindungen 30, 40 erhalten wird, wie oben erwähnt wurde.

Für Eisenbahnschienen mit normierten Abmessungen liegt der mittlere optimale Abstand zwischen den Kurzschlußwindungen 30, 40 und der Induktionsvorrichtung 10 etwa bei 30 mm, wenn die Schrägstellung,die Verformung oder die magnetische Beaufschlagung der Kurzschlußwindungen 30, 40 symmetrisch

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bezüglich der Induktionsvorrichtung 10 vorgenommen wird, während für andere Teile mit verschiedenen Formen die optimale Anordnung experimentell entsprechend dem Profil, der Art und der elektrischen sowie thermischen Eigenschaften ihres Materials bestimmt wird.

In Fig.2 ist schematisch in Form eines Blockschaltbildes eine elektrische Schaltung der erfindungsgemäßen Stumpfschweißvorrichtung dargestellt.

In-dieser Schaltung ist die Induktionsvorrichtung mit der glieder ohmigen) Sekundärwicklung 62 eines Impedanzanpassungstransformators 60 verbunden, dessen (hochohmige) Primär· wicklung 61 an eine Speisequelle angeschlossen ist, die hier vorzugsweise von einem statischen (beispielsweise in einer Brückenschaltung verbundenen) mit Thyristoren arbeitenden Umformer 50 ausgebildet ist, mit dessen Hilfe die Spannung des Dreiphasennetzes (mit 50 oder 60 Hz), die an seine Versorgungseingänge 51 angelegt ist, nach einer Gleichrichtung und Filterung in eine einphasige Wechselspannung mit mittlerer Frequenz (1 bis 10 kHz) umgesetzt werden kann. Der Hauptvorteil dieses Umformers 50 besteht darin, daß einerseits die Frequenz des von seinen Ausgängen 54 und 55 abgegebenen Wechselstroms in einfacher Weise geändert werden kann, was lediglich die gleichzeitige Änderung der Resonanzfrequenz seiner Last, die an seine Ausgangsdiagonale angeschlossen ist und hier aus der Parallelschaltung der Primärwicklung 61 des Transformators 60 und einer Kondensatorbatterie 70 besteht, sowie seiner Steuerfrequenz erfordert, was bedeutet, daß die (wechselweise) Auslösung der Trigger-Elektroden der zwei Thyristorpaare durch die wiederholt won einer Steuerschaltung des Umformers 50 abgegebenen Impulse geändert werden muß; diese Änderung oder Umschaltung wird

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von einem ZeitablaufSteuerwerk 80 der Stumpfschweißvorrichtung gesteuert.

Das ZeitablaufSteuerwerk 80 enthält Zeitgeber, mit deren Hilfe die Dauer der Heizperioden mit den zwei Frequenzen festgelegt werden können; dieses Zeitablaufsteuerwerk 80 steuert nacheinander oder gleichzeitig folgendes:

- Das Anbringen der Schienen 1, 2 mit ihrer Berührungsfläche in der Mitte der Induktionsvorrichtung 10;

- das Ausüben eines ersten Drucks mit vorbestimmtem Wert, der insbesondere unter dem Schmiededruck liegt auf die zwei Schienen mit Hilfe eines cder zweier Arbeitszylinder, die symbolisch durch die Pfeile 4 und 5 angegeben sind,

- das Schließen der Induktionsvorrichtung 10 mit Hilfe von zwei Arbeitszylindern, die symbolisch durch die Pfeile und 7 angegeben sindj

- nach Empfang des Schließungssignals der Induktionsvorrichtung durch den Leiter 91, das das Inbetriebsetzen des Umformers 50 freigibt, das Parallelschalten der zwei die Kondensatorbatterie 70 bildenden Kondensatorgruppen 71 und 72, damit die Resonanzfrequenz ihren niedrigen Wert ( F^ ) hat, wobei das erste Inbetriebsetzen des Umformers mit der niedrigen Steuerfrequenz erfolgt, die dieser Resonanzfrequenz entspricht;

- das Abschalten des Umformers 50 nach einem ersten Zeitintervall t^ mit vorbestimmter Dauer in Abhängigkeit von der Größe der massiven Abschnitte der stumpf zu verbindenden Teile;

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- das Umschalten der Kondensatorbatterie 70 in der Weise, daß die zweite Kondensatorgruppe 70 abgetrennt wird, so daß die Resonanzfrequenz den zweiten Wert (Fp) annimmt, der abhängig von der Dicke der dünnen Abschnitte der Teile zwei- bis viermal größer als der erste Wert (F₁) ist;

- das zweite Inbetriebsetzen des Umformers mit der zweiten Steuerfrequenz (F₂) ;

- das Abschalten des Umformers 50 nach Ablauf eines zweiten Zeitintervalls t₂, das ausreicht, die beiden Enden auf die Schmiedetemperatur zu bringen;

- das Ausüben eines Schmiededrucks auf die Teile mit Hilfe von Arbeitszylindern 4, 5, dessen Wert vier- bis achtmal größer als der Anfangsdruck ist;

- das Trennen der geteilten Induktionsvorrichtung;

- das Transportieren der Teile zu einer Entgratungsstation zum Entfernen des Schweißwulstes.

Die Arbeitsweise der gesamten Stumpfschweißvorrichtung, die für das erfindungsgeeäße Stumpfschweißverfahren kennzeichnend ist, läuft folgendermaßen ab:

Wenn eine (nicht dargestellte) Transportvorrichtung die Teile 1, 2 mit ihren stirnseitig aneinander angrenzenden Enden im Feld der Induktionsvorrichtung 10 angebracht hat, werden sie Jeweils an Arbeitszylinder angeschlossen, die auf sie in Abhängigkeit von einem vom Ausgang 83 des Steuerwerks 80 gelieferten Signal einen Anfangsdruck (von

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etwa 5 bis 10 t für genormte Schienen) ausüben, der die angrenzenden .Flächen gegeneinanderdrückt, was ihre Oxydation beträchtlich herabsetzt.

Nachdem die Teile 1, 2 so angebracht worden sind, daß ihre Berührungsfläche 3 im wesentlichen in der Mitte der Induktionsvorrichtung 10 liegt, werden die zwei diese Vorrichtung bildenden Hälften 11, 12 ebenso wie die Kurzschlußwindungen 30 und 40 mit Hilfe einer Gruppe aus zwei weiteren Arbeitszylindern in Richtung der Teile 6 und 7 zusammengefügt, wobei diese Arbeitszylinder von einem Signal gesteuert werden, das am Ausgang 81 des Steuerwerks 80 abgegeben wird.

Wenn ein (nicht dargestellter) Positionsschalter über den Leiter 91 an den Eingang 86 des Steuerwerks 80 ein Signal anlegt, das das Schließen der Induktionsvorrichtung 10 durch Freigabe der Inbetriebsetzung des Umformers 50 anzeigt, steuert der Ausgang 84 des Steuerwerks 80 die Wicklung 74 des Kontakts.73 in der Weise, daß die Kondensatoren 71 und 72 parallelgeschaltet werden, während der erste Zeitgeber, der an diesem Zeitpunkt in Betrieb gesetzt wird, die Steuerschaltung des Umformers 50 über den mit dem Eingang 52 verbundenen Ausgang 85 so steuert, daß sie an die Trigger-Elektroden der Thyristoren Impulse mit einerFolgefrequenz anlegt, die der niedrigen Resonanzfrequenz F^ des Parallelresonanzkreises 61, 70 zwischen den Ausgangsklemmen 54, 55 des Umformers entspricht, wobei diese Frequenz mit einem Wert von ungefähr bis 3 kHz entsprechend den Abmessungen der massiven Abschnitte der Teile gewählt wird { für Schienen erscheint eine Frequenz F₁ = 3 kHz vorteilhaft).

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Nach Ablauf eines ersten Zeitintervalls fcj, das sich abhängig von der vom Umformer gelieferten Leistung, von den Abmessungen der Teile und von deren Material ändert und das bei voller Leistung (etwa 150 kW) ungefähr 2 Minuten für Standardschienen beträgt, befiehlt der erste Zeitgeber des Steuerwerks 80 über den Ausgang 85 das Abschalten des Umformers 50 und Über den Ausgang 83 das Umschalten des Kontakts 73 zum Abtrennen des Kondensators 72, damit eine zweite Resonanzfrequenz F₂ des Schwingkreises 61, 71 erhalten wird,die zwei- bis viermal größer als die erste Resonanzfrequenz F₁ ist (für Standardschienen ist die Frequenz F₂ = 10 kHz besonders .vorteilhaft).

Wenn die Kapazität der Kondensatorbatterie 7 geändert worden ist, setzt das Steuerwerk 80 ihren zweiten Zeitgeber in Betrieb, der über den Ausgang 87 dem Steuereingang 53 ein Signal zum Umschalten der Folgefrequenz der Steuerschaltung des Umformers 50 anlegt, damit diese Folgefrequenz der zweiten Resonanzfrequenz F₂ entspricht (die für Standardschienen mit 9 bis 10 kHz gewählt ist); ferner setzt dieses Signal den Umformer 50 für die Dauer eines zweiten Zeitintervalle t₂ ( von etwa 20 Sekunden) in Betrieb, das ausreicht, die zwei zu verbindenden Enden in ihrer Gesamtheit auf die Schmiedetemperatur ( von 1250 bis 1300⁰C für Stahlschienen) zu bringen.

Am Ende des zweiten ZeitIntervalls tp befiehlt der zweite Zeitgeber des Steuerwerks 80 beispielsweise über den Ausgang und den Eingang 53 das Abschalten des Umformers 50, woran sich das Trennen der zwei Hälften der Induktionsvorrichtung 10 mit Hilfe der Arbeitszylinder 6, 7 anschließt , die vom Ausgang des Steuerwerks 80 gesteuert werden.

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In einer ersten Abwandlung des hier beschreibenen Verfahrens wird der Schmiededruck mit dem drei- "bis sechsfachen Wert des Anfangsdrucks (in der Größenordnung von 30 Tonnen oder mehr für Standardschienen) nur im Augenblick des Abschaltens des Umformers 50 mittels eines auf die Arbeitszylinder 4 und 5 einwirkenden Signals am Ausgang 82 angelegt, das durch das Abschalten des zweiten Zeitgebers hervorgerufen wird; dies ermöglicht es, einen geringeren Abstand und eine festere Kopplung zwischen der Induktionsvorrichtung und der Oberfläche der Schiene vorzusehen, da das Öffnen der Induktionsvorrichtung und das Schmieden der Schienenfläche, das zur Erzeugung der Schweißwulst führt, gleichzeitig beginnen.

Bei einer zweiten Abwandlung dieses Verfahrens wird der Schmiededruck einige Sekunden (beispielsweise 5 bis 10 Sekunden) vor dem Abschalten des bei seiner hohen Frequenz F arbeitenden Umformers 50, also vor dem Trennen der zwei Hälf ten der Induktionsvorrichtung 10 angelegt. In diesem Fall wird das vom Ausgang 82 an die Arbeitszylinder 4 und 5 abgegebene Signal beispielsweise von einem dritten Zeitgeber des Steuerwerks 80 abgegeben, der im gleichen Zeitpunkt wie der.zweite Zeitgeber in Betrieb gesetzt wird.

Nach Beendigung des Schmiedevorgangs und nach der Trennung der Hälften der Ipduktionsvorrichtung voneinander wird die herkömmliche Transportvorrichtung wieder in Betrieb gesetzt, damit die Schiene zum Entgraten (Glätten durch Entfernen des Schweißwulstes) zu einer Schleifstation befördert wird und damit zwei weitere zu verschweißende Teile an Ort und Stelle gebracht werden.

Der Schmiedevorgang, der allgemein weniger als 10 Sekunden in Anspruch nimmt, kann auch mit einer fortschreitenden Vergrößerung des Drucks vom Anfangswert ( von 5 bis 10 t) bis zum Maximalv;ert ( von etwa 30 t) mit Hilfe einer Gruppe

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von Absperrorganen erhöht werden, die nacheinander derart gesteuert werden, daß sie einer aus Experimenten resultierenden optimalen Anstiegsfunktion folgen.

Die Gesamtdauer des oben beschriebenen Operationszyklus beträgt etwa 2 bis 3 Minuten, was zeigt, daß das mittels Induktion ( und Schmieden ) durchgeführte Stumpfschweißen mit andren bekannten Verfahren (Abschmelzschweißverfahren, Thermitschweißverfahren- Schmelzen und Gießen - mit oder ohne Druck ) konkurrenzfähig ist.

Die hier beschriebene Stumpfschweißvorrichtung kann wirtschaftlicher ausgestaltet werden, indem ein einziger Schmiedearbeitszylinder (4,5) benutzt wird, der auf eines der Teile (1,2) einwirkt, während das andere Teil beispielsweise mit Hilfe von Spannbacken mit einem starren Rahmen fest verbunden wird. In diesem Fall und bei Anwendung der zweiten Abwandlung des beschriebenen Verfahrens, bei dem während der Ausübung des Schweißdrucks erhitzt wird, müssen die Anordnung aus der Induktionsvorrichtung-, den Kurzschlußwindungen, den Trägern, dem Transformator (60),der die Induktionsvorrichtung speist, sowie die ihre Verschiebungen senkrecht zur Schmiededruckrichtung steuernde Arbeitszylinder an einem in dieser Richtung verschiebbaren Schlitten angebracht und fest mit dem von dem Schmiedearbeitszylinder bewegten Teil angebracht sein,damit die Induktionsvorrichtung in Bezug auf die Berührungsfläche der zwei zu verschweißenden Enden ortsfest bleibt .

Wie oben bereits erwähnt wurde, wird die Tiefe der durch Induktion erwärmten Zone durch den Abstand zwischen der Induktionsvorrichtung und den zwei Kurzschlußwindungen zu beiden Seiten der Induktionsvorrichtung festgelegt; dieser Abstand bestimmt daher auch die Dicke des Schweiß-

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wulstes, und er wird in Abhängigkeit von einem Kompromiß zwischen der Festigkeit der Schweißstelle und der Dicke des Schweißwulstes gewählt, die so klein wie möglich sein sollte.

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Claims

Patentanwälte T 3143 Dipl.-Ing. λ
G. Leiser ^ DipL-lng.
E. Prinz DipL-Chem.
Dr. G. Hauser Ernsbergerstrasse 19 S München 60 2.August 1978
f Unser Zeichen:

TOCCO-STEL

173 Bd.Haussmann

75008 Paris, Frankreich

Patentansprüche

f A AStumpfschweißverfahren zum Verschweißen von Metallteilen, \/ insbesondere von Metallteilen mit unregelmässlgem Querschnitt, durch Induktion mittels einer Induktionsvorrichtung mit einteiligen Windungen^ di© den Guerschnitt des Metallteils parallel zu seiner Umrißlinie umgeben, wobei die Induktionsvorrichtung von der niederohmigen Sekundärwicklung eines Transformators gespeist wird, dessen hochohmige Primärwicklung mit einer zwischen zwei Kapazitätswerten umschaltbaren Kondensatorbatterie einen Resonanzkreis bildet, der von einem statischen, mit Thyristoren ausgestatteten Umformer gespeist ist, und mit einer Steuerschaltung, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Enden der Metallteile aneinandergefügt werden, wobei die Berührungsfläche zwischen den zwei benachbarten, in Kontakt stehenden Enden im wesentlichen in der Längsmittelebene der Induktionsvorrichtung liegt,

b) daß die zu verschweißenden Metallteile in Befestigungsvorrichtungen eingesetzt werden, die mit Hilfe von Arbeitszylindern am ort der Berührungsfläche die Metallteile gegeneinander drücken,

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c) daß mit Hilfe der Befestigungsvorrichtungen ein Anfangsdruck mii vorbestimmten! Wert ausgeübt wird,

d) daß die in zwei Hälften geteilte Indukt ions vorrichtung durch Zusammenrücken dieser Hälften mit Hilfe einer Gruppe weiterer Arbeitszylinder geschlossen wird,

e) daß die Kondensatorbatterie so zusammengeschaltet wird, daß ihre Kapazität den ersten hohen Wert hat,

f) daß während eines ersten Zeitintervalls der Umformer mit seiner Steuerschaltung zu einem Arbeiten bei einer ersten Folgefrequenz entsprechend der ersten Resonanzfrequenz des Resonanzkreises zum ersten Mal in Betrieb gesetzt wird,

g) daß am Ende dieses ersten Zeitintervalls der Umformer zum ersten Mal abgeschaltet wird und die Kondensatorbatterie so umgeschaltet wird, daß ihre Kapazität den zweitens, niedrigen Wert hat„

h) daß während eines zweiten Zeitintervalls der Umformer mit seiner Steuerschaltung zu einem Arbeiten mit einer zweiten Folgefrequenz entsprechend der zweiten Resonanzfrequenz des Resonanzkreises, die zwei- bis viermal höher als die erste Resonanzfrequenz ist,ein zweitesmal in Betrieb gesetzt wird,

i) daß der Umformer am Ende des zweiten Zeitintervalls ein zweitesmal abgeschaltet wird_s

j) daß auf die zwei auf die Schmiedetemperatur erwärmten Metallteile mit Hilfe der Befestigungsvorrichtungen ein Schmiededruck ausgeübt wird_p der drei·= bis mehr als sechsmal größer als der Anfangsdruck ist, und

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daß die Induktionsvorrichtung durch Trennen ihrer zwei Hälften mit- Hilfe der anderen Arbeitszylinder geöffnet wird-. '--■-·
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

mit Hilfe der Gruppe der anderen ArbM tszylinder zwei Kurz-schlußwindungen, die die Metallteile ebenfalls parallel zu den Umrißlinien ihres Querschnitts umgeben und symmetrisch in vorbestimmten Abständen zu beiden Seiten der Induktionsvorrichtung liegen, gleichzeitig mit dem Schli eßen der Induktionsvorrichtung um die Metallteile gelegt werden, damit die Tiefe der erwärmten Zone zu beiden Seiten der Berührungsfläche begrenzt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet_t daß das zweite Abschalten des Umformers oder das öffnen derInduktionsvorrichtung der Anlegung des- Schmiededrucks vorangeht.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlegen des Schmiededrucks für die Dauer eines dritten Zeitintervalls dem zweiten Abschalten des Umformers vorangeht.
5. Stumpfschweißvorrichtung zum Verschweißen von-Metallteilen, insbesondere von_Metallteilen mit unregelmäßigem Querschnitt_r durch Induktion, mit einer"Induktionsvorrichtung:, die in ihrer Quermittelebene in zwei Hälften geteilt ist und eine an die Umrißlinie der Querschnitte der Metallteile folgende Form hat, einem Transformator, dessen niederohmige Sekundärwicklung die Induktionsvorrichtung speist, einer Kondensatorbatterie, die mit der hochohmigen Primärwicklung des Transformators so zusammengeschaltet ist, daß sie mit dieser einen Schwingkreis bildet,

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einem statischen, mit Thyristoren ausgestatteten Umformer, der den Schwingkreis speist und eine Steuerschaltung enthält, die den Schwingkreis mit Hilfe von Steuerimpulsen steuert, deren Frequenz der Resonanzfrequenz des Schwingkreises entspricht, Vorrichtungen zum Ausüben von gegeneinander gerichteten Drücken mit unterschiedlichen Werten auf die zu verschweißenden Metallteile am Ort ihrer Berührungsfläche mit Hilfe gesteuerter Arbeitszylinder,Vorrichtungen zum Verschieben der zwei Hälften der Induktionsvorrichtung mit Hilfe einer weiteren Gruppe von Arbeits^lindern zum Zusammenfiel oder zum Trennen dieser Hälften und einem Zeitablaufsteuerwerk für die Schweißvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschaltvorrichtung für die Kondensatorbatterie vorgesehen ist, die von einer ersten Zeitsteuereinheit des ZeitablaufSteuerwerk so gesteuert \*ird, daß sich während eines ersten Zeitintervalls eine erste , hohe Kapazität ergibt, die den Schwingkreis auf eine ^-jte, niedrige Resonanzfrequenz abstimmt, und daß sich wenigstens während eines zweiten, sich an das erste Zeitintervall anschliessenden Zeitintervalls eine Kapazität mit niedrigem Wert ergibt, die den Schwingkreis auf eine zweite Resonanzfrequenz abstimmt, die zwei- bis viermal höher als die erste Resonanzfrequenz ist, daß Frequenzumschaltvorrichtungen vorgesehen sind, die die Frequenz der von der Steuerschaltung gelieferten Impulse derart steuern, daß sie stets der Resonanzfrequenz des Schwingkreises entspricht, und daß das Zeitablauf-Steuerwerk eine zweite Zeitsteuereinheit enthält, die die Dauer, des zweiten Zeitintervalls und die Steuereinheiten für die Vorrichtungen zum Ausüben der Drücke so steuert, daß die letzteren während des ersten Zeitintervalls und wenigstens während eines Teils des zweiten Zeitintervalls auf die zu verschweißenden Metallteile einen ersten, niedrigen Druck ausüben, und während eines dritten

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Zeitintervalls vor dem Ende oder am Ende des zweiten Zeitintervalls einen zweiten Druck, nämlich einen Schmiededruck, ausüben.
6. StumpfSchweißvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kurzschlußwindungen (30, 40) vorgesehen sind, die ebenfalls längs ihrer Quermittelebene in zwei Hälften geteilt sind, und die zu verschweißenden Metallteile parallel zu ihrer Umrißlinie umgeben, und daß diese Kurzschlußwindungen symmetrisch beiderseits der Induktionsvorrichtung angeordnet sind und mit ihren jeweiligen zwei Hälften von den Verschiebungsvorrichtungen der Induktionsvorrichtung so vereinigt werden, daß sie gleichzeitig mit der Induktionsvorrichtung angebracht werden, damit die Tiefe der von der Induktionsvorrichtung erhitzten Zone beiderseits der Berührungsfläche d©r Metallteile begrenzt wird.
7. Stumpfschweißvorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den verschiedenen Teilen der Kurzschlußwindungen und der Induktionsvorrichtung einstellbar sind, damit sie zum Ausgleichen der Tiefe der erwärmten Zonen in Abhängigkeit von der Dicke der von den Kurzschlußwindungen umgebenen Metallteile verändert werden.
8. Stumpfschweißvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurζschlußwindungen in ihrer gesamten Länge oder an einem Teil ihrer Länge mit Magnetflußkonzentrationsvorrichtungen in Form von Paketen aus ferromagnetisehen Blechschichten ausgestattet sind.

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