DE2834275C2

DE2834275C2 -

Info

Publication number: DE2834275C2
Application number: DE2834275A
Authority: DE
Inventors: Jean Savigny Sur Orge Fr Reboux; Jean-Pierre Esbly Fr Lamote
Original assignee: TOCCO-STEL PARIS FR
Current assignee: TOCCO-STEL PARIS FR
Priority date: 1977-08-05
Filing date: 1978-08-04
Publication date: 1987-07-30
Also published as: GB2001891B; FR2399299B1; JPS5435845A; US4300031A; IT1109379B; FR2399299A1; DE2834275A1; GB2001891A; IT7850588A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum stump fen Verschweißen von Metallteilen durch Induktion, ins besondere zum Verschweißen von Stahlteilen, beispiels weise von Eisenbahnschienen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zum stumpfen Verbinden von Metallteilen, insbesondere von Metallteilen mit asymmetrischem Querschnitt oder mit unregelmäßigem Profil, wurde früher das bekannte Abschmelzschweißverfahren angewendet, bei dem jedes der an den benachbarten Enden zu verschweißenden Me tallteile an eine elektrische Energiequelle mit Hilfe von Klemmbacken angeschlossen wird, die mit den Metall teilen einen guten Kontakt bilden müssen.

Dieses bekannte Abschmelzschweißverfahren ergibt im allgemeinen zwar befriedigende Ergebnisse, doch erfor dert seine Anwendung viel Sorgfalt, und es kann hin sichtlich der Qualität der Schweißverbindung ernste Nachteile haben; beispielsweise können an der Schweiß stelle zufällig Hohlräume mit verschiedenen Größen entstehen, die die Ermüdungsfestigkeit wesentlich herab setzen. Da die Klemmbacken elektrische Energie mit sehr großer Stärke auf die zu verschweißenden Teile übertra gen sollen, müssen sie häufig gereinigt werden, damit ihr Kontaktwiderstand auf ein Minimum herabgesetzt wird. Ein weiteres bedeutendes Problem beim stumpfen Ver schweißen unter Anwendung des Abschmelzschweißverfah rens, bei dem die Teile gegeneinander gedrückt werden, nachdem ihre gegeneinandergerichteten Flächen auf die Schmelztemperatur gebracht worden sind, ist das Ent stehen großer und unregelmäßiger Schweißwülste, die anschließend durch Entgraten, beispielsweise mit Hilfe von Hobeln oder Schleifscheiben (durch Ebnen oder Ab schleifen) entfernt werden müssen.

Zur Verbesserung der Qualität der Verschweißung durch Abschmelzen ist in der FR-PS 12 35 372 vorgeschlagen worden, die anschließend durch Abschmelzen zu verbin denden Flächen vorher durch Induktion mit Hilfe einer zwischen den zwei Enden angebrachten beweglichen In duktionsvorrichtung zu erwärmen und diese Induktions vorrichtung so zu verschieben, daß die ganze Oberflä che der zwei Enden überstrichen wird.

Aus der US-PS 32 02 791 ist bereits ein Stumpfschweiß verfahren zum Verschweißen von Metallteilen bekannt, bei dem diese Metallteile durch eine Induktionsvor richtung erhitzt werden, deren einteilige Windungen den Querschnitt der Metallteile parallel zu ihrer Um rißlinie umgeben. Die Induktionsvorrichtung wird aus der niederohmigen Sekundärwicklung eines Transforma tors gespeist, dessen hochohmige Primärwicklung mit einer zwischen zwei Kapazitätswerten umschaltbaren Kon densatorbatterie einen Resonanzkreis bildet. Dieser Re sonanzkreis wird von einem statischen, mit Thyristoren ausgestatteten Umformer gespeist. Die Enden der Metall teile, insbesondere Eisenbahnschienen, werden aneinan dergefügt, während die Berührungsfläche zwischen den zwei benachbarten, in Berührung stehenden Enden im we sentlichen in der Längsmittelebene der Induktionsvor richtung liegt. Ferner werden die zu verschweißenden Metallteile in Befestigungsvorrichtungen eingesetzt, die mittels Arbeitszylindern am Ort der Berührungsflä che die Metallteile zunächst mit einem Anfangsdruck und nach Erwärmung auf die Schmiedetemperatur mit Schmiededruck gegeneinander pressen.

Aus der DE-AS 10 68 831 ist es bekannt, metallische Werkstücke induktiv dadurch zu erwärmen, daß die Werk stücke in einem bestimmten Zeitintervall mit einer niedrigen Frequenz in Abhängigkeit vom Werkstückquer schnitt auf eine bestimmte Temperatur gebracht und anschließend in einem zweiten Zeitintervall mit einer höheren Frequenz auf die Endtemperatur erhitzt werden. Dabei werden entweder zwei verschiedene oder auch ein einziger Induktor verwendet. Ferner ist es aus der GB-PS 9 16 646 bekannt, den Induktor einer Stumpfschweiß vorrichtung geteilt auszubilden.

Zum stumpfen Verschweißen von Metallteilen mit im we sentlichen symmetrischem oder regelmäßigem Querschnitt, beispielsweise Rohre oder zylindrische Stangen (rund oder mehreckig) ist schließlich auch vorgeschlagen wor den, eine Erwärmung durch Induktion mit Hilfe einer einteiligen Induktionsvorrichtung anzuwenden, die die Umfangslinie der zu verschweißenden Teile an der Stelle außen umgibt, an der sich ihre benachbarten Enden berüh ren, die gegeneinander gepreßt werden, wenn diese Enden die Schmiedetemperatur des Metalls (1000 bis 1300°C für Stahl) erreicht haben. Ein solches Verfahren ist auf den Seiten 637 bis 640 des Buches von Lozinskÿ mit dem Titel: "Industrial Applications on Induction Heating" beschrieben, das von Pergamon Press 1969 herausgegeben wurde; in diesem Buch wird vorgeschlagen, eine Induk tionsvorrichtung mit einteiliger Windung zu verwenden, die mit einem Wechselstrom mit 2000 Hz gespeist wird, der beispielsweise von einem Wechselstromgenerator ge liefert wird. Dabei wird die Anwendung von Drücken in der Größenordnung von 25 · 10⁶ bis 40 · 10⁶ Pa vorgeschla gen. Dieses Verfahren ist beim stumpfen Verschweißen von Teilen mit unregelmäßigem Querschnitt, beispiels weise 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 (1300°C) in einer relativ kurzen Zeit (unter 3 Minuten) praktisch unmöglich ist; es kann daher keine Konkurrenz zum Schweißen durch Ab schmelzen darstellen.

Es wurden bereits Versuche durchgeführt, Eisenbahnschie nen 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 und die Leiter an den diese Flächen bedeckenden Ab schnitten überbrückten (siehe Seiten 155 bis 160 des obenerwähnten Buchs von Lozinskÿ).

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 Induktionsvor richtungen erfordert; die zum Zurückziehen der Induk tionsvorrichtungen und zum Anbringen der Schienen er forderlichen 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Stumpfschweißverfahren der aus der US-PS 32 02 791 bekannten Art die Qualität der Schweißstellen zu ver bessern und die für den Schweißvorgang erforderliche Zeit zu verkürzen.

Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die zu ver einigenden Enden der Metallteile mit einem vorbestimm ten Anfangsdruck, der insbesondere durch eine Anpreßkraft von 50 000 bis 100 000 N erzeugt wird, gegeneinander gedrückt, wobei die zu den Metallteilen gerichteten Innenflächen der Induk tionsvorrichtung der Umfangsform der Metallteile fol gen und in einem vorbestimmten und im wesentlichen konstanten Abstand von den Außenflächen der zu ver schweißenden Metallteile verbleiben. Die Induktions vorrichtung wird während eines ersten Zeitintervalls zunächst mit Strom einer ersten mittleren Frequenz (etwa 1 oder 3 kHz) und konstanter Stärke gespeist, um vor allem die massiven Abschnitte der Metallteile zu erwärmen, und dann während eines zweiten Zeitintervalls mit einem Strom konstanter Stärke und mit einer zweiten mittleren Frequenz (3 oder 9 bis 10 kHz) gespeist, die zwei- bis viermal größer als die erste Frequenz ist, wobei dieser höherfrequente 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 zwei ten Zeitintervalls wird der auf die zwei Enden ausge übte Druck schnell auf den Schmiededruck (Anpreßkraft über 300 000 N) angehoben.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wer den 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 gu ter Qualität notwendig und ausreichend ist. Zur Erzie lung einer gleichmäßigeren Erwärmungstiefe können die die massiven Abschnitte (den Schienenkopf) umgebenden Teile der Kurzschlußwindungen weiter von der Induk tionsvorrichtung entfernt werden, als die die weniger dicken Abschnitte umgebenden Teile, indem sie schräg angebracht werden.

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

Die von rohrförmigen und von einem Kühlmittel durch strömten Leitungen gebildeten Kurzschlußwindungen sind vorteilhafterweise mit herkömmlichen Magnetflußkonzen trationseinrichtungen versehen, die sich über ihre ge samte Länge oder zumindest einen Teil ihrer Länge er strecken und den von diesen Kurzschlußwindungen indu zierten Strom auf diejenige Fläche konzentrieren, wel che dem umgebenen Metallteil zugewandt ist. Diese Magnetflußkonzentrationseinrichtungen sind durch U- förmige Pakete aus ferromagnetischen Blechen gebildet.

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

Die Stumpfschweißvorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens enthält Vorrichtungen zum Ge geneinanderpressen der Metallteile, eine von einer In duktionsvorrichtung gebildete Heizeinrichtung, zwei Kurzschlußwindungen beiderseits der Induktionsvorrich tung, 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 Anpas sungstransformator, dessen niederohmige Sekundärwick lung fest mit einem der Abschnitte der Induktionsvor richtung verbunden ist und dessen hochohmige Primär wicklung parallel zu einem Abstimmkondensator geschal tet ist, der so umschaltbar ist, daß ein auf zwei Re sonanzfrequenzen abstimmbarer Parallelresonanzkreis entsteht, von denen die zweite Resonanzfrequenz zwei- bis viermal größer als die erste ist, und einen mit Thyristoren ausgestatteten Umformer an dem Parallel resonanzkreis mit einer frequenzumschaltbaren Steuer schaltung. Die Stumpfschweißvorrichtung enthält erfin dungsgemäß ferner ein Zeitablaufsteuerwerk zum aufein anderfolgenden Einschalten des Umformers für einen Be trieb mit einer ersten Frequenz entsprechend der ersten Resonanzfrequenz des Schwingkreises, wenn die Induk tionsvorrichtung von den Arbeitszylindern geschlossen 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 Einschal ten des Umformers für einen Betrieb mit der zweiten Frequenz während eines zweiten Zeitintervalls, zum Abschalten des Umformers und gegebenenfalls zum gleich zeitigen Entfernen der Heizvorrichtung sowie zum Anle gen des Schmiededrucks an die zu verschweißenden Teile vor, während oder nach dem Ende des zweiten Zeitinter valls.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispiels halber erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische perspektivische Teildar stellung der erfindungsgemäßen Stumpfschweiß vorrichtung und

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

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 Stumpfschweiß vorrichtung 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, zusammenge schweißt werden können, ohne daß von außen Material aufge tragen 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 Schmiede temperatur (bei Stahl etwa 1250°C) 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 Induktions vorrichtung 10, die längs ihrer mittigen Querebene zwei Teile 11 und 12 unterteilt ist. Diese Teile sind so aus gebildet, 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 experi mentell so festgelegt, daß vermieden wird, daß der beim Zusammenschmieden durch Gegeneinanderdrücken der Enden entstehende Schweißverlust die Induktionsvorrichtung berührt. Jede der Hälften 11, 12 der Induktionsvorrichtung 10 besteht 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 Kühlmittel kreislauf, beispielsweise ein Kühlwasserkreislauf, angeschlos sen 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 Zusammen fügen präzise angebracht werden können. Die Rohranschlüsse 18 sind 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 ver binden, damit die Kontaktblöcke 19 und insbesondere ihre Kon taktflächen gekühlt werden können, die starke Ströme über tragen 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 unter teilt, 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 mit Hilfe eines nicht dargestellten Zwischenstücks aus hitzebeständigem Isoliermaterial), und sie sind dazu be stimmt, 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 Rohr leiterabschnitten 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 Induktionsvor richtung 10 bildenden Rohrleiter 13 und 14 angeschlossen sind.

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

Jede der zweiten Hälften 11, 12 der Induktionsvorrichtung 10 ist mit Hilfe von Befestigungs laschen 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.

Die Träger 23, die jeweils die zwei Hälften der Induktions vorrichtung 10 tragen, werden ihrerseits von starren Rahmen 24 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 24 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 Induktions vorrichtung 10 (ebenso wie andere obengenannte Elemente) trägt, ist mit dem Rahmen 24 mit Hilfe von Kompensations federn 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 19 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) Transfor mators verbunden ist, der diese über die starren Leiterab schnitte 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 angeschlos senen Rahmen in Verbindung steht, der die Hälfte 11 der In duktionsvorrichtung trägt, wobei er auf Führungs rollen auf (nicht dargestellten) Schienen angebracht ist, die seine Verschiebungen parallel zu den Verschiebungen des Arbeitszylinders führen.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die durch Induktion wirkende Heizvorrichtung außer der Induktionsvorrichtung 10 zwei Kurzschlußwindungen 30 und 40, die dazu bestimmt sind, die Tiefe der von der Induktions vorrichtung 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 Kurz schlußwindungen 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 Induktions vorrichtung 10 erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt ist, so daß auf diese Weise das Eindringen des Magnetflusses der Induktionsvorrichtung 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 Rohrleitern mit vorzugsweise quadratischem oder rechtwinkligem Quer schnitt; 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 Ein kerbungen wie bei der Induktionsvorrichtung 10, sowie mit Anschlüssen 43, 44 für den Umlauf eines Kühlmittels.

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 Induktions vorrichtung verbunden, so daß sie gleichzeitig ver schoben werden können.

Die von den Zylindern getragenen Rahmen können vorteilhaf terweise so angetrieben werden, daß eine Einstellung der Abstände zwischen den Kurzschlußwindungen 30, 40 und der Induktionsvorrichtung 10 ermöglicht wird. In einer vor teilhaften Ausführungsform ist die Dicke der hitzebe ständigen Träger (45) kleiner als der Abstand zwischen den Befestigungslaschen 36, 46 der Hälften der Kurzschluß windungen 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 Kurzschlußwindungen, 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 Kurz schlußwindungen 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 der Kurzschlußwindungen erfolgt, die durch die Steifheit der isolierenden und hitzebeständigen Träger kompliziert werden muß.

Der Abstand zwischen der Innenfläche der Kurzschlußwindungen 30, 40 und der Oberfläche der Metallteile 1, 2 kann kleiner als der bei der Induktionsvorrichtung 10 sein, da sich dort, wo sich diese Kurzschlußwindungen befinden, kein Schweiß wulst bildet.

Eine Verbesserung der Wirksamkeit der Kurzschlußwindung 40 kann dadurch erhalten werden, daß sie mit Magnetflußkon zentrationsvorrichtungen 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 Flußkon zentrationsvorrichtungen 47 wahlweise an den Abschnitten der Kurzschlußwirkung angebracht werden, die die dünnsten Teile umgeben, damit dort die stärkste Beschränkung der Er wärmungstiefe in bezug auf die Berührungsfläche 3 erzielt wird, damit die durch Wärmeleitung auftretenden Wärmever luste 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 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 Eigenschaf ten ihres Materials bestimmt wird.

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

In dieser Schaltung ist die Induktionsvorrichtung mit der (niederohmigen) Sekundärwicklung 62 eines Impedanzanpassungs transformators 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 Um former 50 ausgebildet ist, mit dessen Hilfe die Spannung des Dreiphasennetzes (mit 50 oder 60 Hz), die an seine Ver sorgungseingänge 51 angelegt ist, nach einer Gleichrichtung und Filterung in eine einphasige Wechselspannung mit mitterer Frequenz (1 bis 10 kHz) umgesetzt werden kann. Der Hauptvor teil 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 Resonanz frequenz seiner Last, die an seine Ausgangsdiagonale an geschlossen ist und hier aus der Parallelschaltung der Primärwicklung 61 des Transformators 60 und einer Konden satorbatterie 70 besteht, sowie seiner Steuerfrequenz er fordert, was bedeutet, daß die (wechselweise) Auslösung der Trigger-Elektroden der zwei Thyristorpaare durch die wiederholt von einer Steuerschaltung des Umformers 50 abgegebenen Impulse geändert werden muß; diese Änderung oder Umschaltung wird von einem Zeitablaufsteuerwerk 80 der Stumpfschweißvor richtung 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 oder zweier Arbeits zylinder, die symbolisch durch die Pfeil 4 und 5 angegeben sind,
- das Schließen der Induktionsvorrichtung 10 mit Hilfe von zwei Arbeitszylindern, die symbolisch durch die Pfeile 6 und 7 angegeben sind;
- nach Empfang des Schließungssignals der Induktionsvor richtung 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 ₁) hat, wobei das erste Inbetriebsetzen des Umformers 50 mit der niedrigen Steuerfrequenz erfolgt, die dieser Re sonanzfrequenz entspricht;
- das Abschalten des Umformers 50 nach einem ersten Zeitinter vall t ₁ mit vorbestimmter Dauer in Abhängigkeit von der Größe der massiven Abschnitte der stumpf zu verbindenden Teile;
- das Umschalten der Kondensatorbatterie 70 in der Weise, daß die zweite Kondensatorgruppe 70 abgetrennt wird, so daß die Resonanzfrequenz den zweiten Wert (F ₂) annimmt, der abhängig von der Dicke der dünnen Abschnitte der Teile zwei- bis viermal größer als der erste Wert (F ₁) ist;
- das zweite Inbetriebsetzen des Umformers mit der zweiten Steuerfrequenz (F ₂);
- das Abschalten des Umformers 50 nach Ablauf eines zweiten Zeitintervalls t ₂, 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 erfindungsgemäße Stumpfschweißverfahren kenn zeichnend 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 am Ausgang 83 des Steuerwerks 80 gelieferten Signal einen Anfangsdruck (von etwa 5 bis 10 t für genormte Schienen) ausüben, der die angrenzenden Flächen gegeneinanderdrückt, was ihre Oxyda tion 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 Vor richtung bildenden Hälften 11, 12 ebenso wie die Kurz schlußwindungen 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 Induktions vorrichtung 10 durch Freigabe der Inbetriebsetzung des Umformers 50 anzeigt, steuert der Ausgang 84 des Steuer werks 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 Zeit punkt in Betrieb gesetzt wird, die Steuerschaltung des Umformers 50 über den mit dem Eingang 52 verbundenen Aus gang 85 so steuert, daß sie an die Trigger-Elektroden der Thyristoren Impulse mit einer Folgefrequenz anlegt, die der niedrigen Resonanzfrequenz F ₁ des Parallelresonanzkreises 61, 70 zwischen den Ausgangsklemmen 54, 55 des Umformers entspricht, wobei diese Frequenz mit einem Wert von ungefähr 1 bis 3 kHz entsprechend den Abmessungen der massiven Abschnitte der Teile gewählt wird (für Schienen erscheint eine Frequenz F ₁ = 3 kHz vorteilhaft).

Nach Ablauf eines ersten Zeitintervalls t ₁, das sich ab hängig 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 F ₂ des Schwingkreises 61, 71 erhalten wird, die zwei- bis viermal größer als die erste Resonanzfrequenz F ₁ ist (für Standardschienen ist die Frequenz F ₂ = 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 F ₂ entspricht (die für Standard schienen mit 9 bis 10 kHz gewählt ist); ferner setzt dieses Signal den Umformer 50 für die Dauer eines zweiten Zeitinter valls t ₂ (von etwa 20 Sekunden) in Betrieb, das ausreicht, die zwei zu verbindenden Enden in ihrer Gesamtheit auf die Schmiedetemperatur (von 1250 bis 1300°C für Stahlschienen) zu bringen.

Am Ende des zweiten Zeitintervalls t ₂ befiehlt der zweite Zeitgeber des Steuerwerks 80 beispielsweise über den Ausgang 87 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 81 des Steuerwerks 80 gesteuert werden.

In einer ersten Abwandlung des hier beschriebenen Ver fahrens wird der Schmiededruck mit dem drei- bis sechs fachen Wert des Anfangsdrucks (in der Größenordnung von 30 Tonnen oder mehr für Standardschienen) nur im Augen blick 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 vor zusehen, da das Öffnen der Induktionsvorrichtung und das Schmieden der Schienenfläche, das zur Erzeugung der Schweiß wulst 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 ₂ 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 Zeit geber des Steuerwerks 80 abgegeben, der im gleichen Zeit punkt wie der zweite Zeitgeber in Betrieb gesetzt wird.

Nach Beendigung des Schmiedevorgangs und nach der Trennung der Hälften der Induktionsvorrichtung 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 Maximalwert (von etwa 30 t) mit Hilfe einer Gruppe von Absperrorganen erhöht werden, die nacheinander derart gesteuert werden, daß sie einer aus Experimenten resultie renden 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 anderen bekannten Verfahren (Abschmelzschweißverfahren, Thermitschweißverfahren - Schmelzen und Gießen - mit oder ohne Druck) konkurrenzfähig ist.

Die hier beschriebene Stumpfschweißvorrichtung kann wirt schaftlicher ausgestaltet werden, indem ein einziger Schmiedearbeitszylinder (4, 5) benutzt wird, der auf eines der Teile (1, 2) einwirkt, während das andere Teil beispiels weise 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 An ordnung aus der Induktionsvorrichtung, den Kurzschluß windungen, den Trägern, dem Transformator (60), der die Induktionsvorrichtung speist, sowie die ihre Verschiebungen senkrecht zur Schmiededruckrichtung steuernden Arbeitszylinder an einem in dieser Richtung verschiebbaren Schlitten ange bracht und fest mit dem von dem Schmiedearbeitszylinder bewegten Teil angebracht sein, damit die Induktionsvor richtung 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 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.

Claims

1. Stumpfschweißverfahren zum Verschweißen von Me tallteilen, insbesondere von Metallteilen mit unregel mäßigem Querschnitt, durch Induktion mittels einer Induktionsvorrichtung, deren einteilige Windungen den Querschnitt der Metallteile parallel zu ihrer Umriß linie 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 und durch eine Steuerschaltung gesteuerten Umformer gespeist wird, wobei ferner die Enden der Metallteile aneinandergefügt werden, während die Berührungsfläche zwischen den zwei benachbarten, in Kontakt stehenden Enden im wesentlichen in der Längsmittelebene der In duktionsvorrichtung liegt, die zu verschweißenden Me tallteile in Befestigungsvorrichtungen eingesetzt wer den, die mittels Arbeitszylindern am Ort der Berüh rungsfläche die Metallteile zunächst mit einem Anfangs druck und nach Erwärmung auf die Schmiedetemperatur mit Schmiededruck gegeneinander drücken, dadurch gekennzeich net, daß

a) die in zwei Hälften geteilte Induktionsvorrichtung durch Zusammendrücken dieser Hälften mittels einer Gruppe weiterer Arbeitszylinder geschlossen wird,
b) die Kondensatorbatterie so zusammengeschaltet wird, daß ihre Kapazität den ersten hohen Wert hat,
c) der Umformer und die Steuerschaltung während eines ersten Zeitintervalls für den Betrieb bei einer ersten Folgefrequenz entsprechend der ersten Reso nanzfrequenz des Resonanzkreises erstmalig in Betrieb gesetzt wird,
d) der Umformer am Ende dieses ersten Zeitintervalls erstmals abgeschaltet und die Kondensatorbatterie so umgeschaltet wird, daß ihre Kapazität den zweiten, niedrigen Wert hat,
e) der Umformer mit seiner Steuerschaltung während eines zweiten Zeitintervalls für den Betrieb mit einer zweiten Folgefrequenz entsprechend der zweiten Re sonanzfrequenz des Resonanzkreises, die zwei- bis viermal höher ist als die erste Resonanzfrequenz ist, ein zweites Mal in Betrieb gesetzt wird,
f) der Umformer am Ende des zweiten Zeitintervalls ein zweites Mal abgeschaltet wird,
g) daß auf die zwei auf die Schmiedetemperatur er wärmten Metallteile mittels der Befestigungsvorrich tungen ein Schmiededruck ausgeübt wird, der drei- bis mehr als sechsmal größer als der Anfangsdruck ist, und
h) daß die Induktionsvorrichtung durch Trennen ihrer zwei Hälften mit Hilfe der weiteren Arbeitszylinder geöffnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der Gruppe der anderen Arbeitszylinder zwei Kurz schlußwindungen, die die Metallteile ebenfalls parallel zu den Umrißlinien ihres Querschnitts umgeben und symmetrisch in vorbestimmten Abständen zu beiden Seiten der Induktions vorrichtung liegen, gleichzeitig mit dem Schließen der In duktionsvorrichtung 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, daß das zweite Abschalten des Umformers oder das Öffnen der Induktionsvorrich tung der Anlegung des Schmiededrucks vorangeht.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Anlegen des Schmiededrucks für die Dauer eines dritten Zeitintervalls dem zweiten Abschalten des Umformers vorangeht.

5. Stumpfschweißvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Verschweißen von Metall teilen, insbesondere von Metallteilen mit unregel mäßigem Querschnitt, durch Induktion, mit einer In duktionsvorrichtung, die in ihrer Quermittelebene in zwei Hälften geteilt ist und eine an die Umriß linie 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, einem statischen, mit Thyristoren ausgestatteten Umformer, der den Schwingkreis speist und eine Steuerschaltung ent hält, die den Schwingkreis mit Hilfe von Steuerimpulsen steuert, deren Frequenz der Resonanzfrequenz des Schwing kreises entspricht, Vorrichtungen zum Ausüben von gegen einander gerichteten Drücken mit unterschiedlichen Werten auf die zu verschweißenden Metallteile am Ort ihrer Be rührungsfläche mit Hilfe gesteuerter Arbeitszylinder, Vorrichtungen zum Verschweißen der zwei Hälften der Induktionsvorrichtung mit Hilfe einer weiteren Gruppe von Arbeitszylindern zum Zusammenfügen oder zum Trennen dieser Hälften und einem Zeitablaufsteuer werk für die Schweißvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschaltvorrichtung für die Kondensatorbatterie vor gesehen ist, die von einer ersten Zeitsteuereinheit des Zeitablaufsteuerwerks so gesteuert wird, daß sich während eines ersten Zeitintervalls eine erste, hohe Kapazität ergibt, die den Schwingkreis auf eine erste, 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 Resonanz frequenz abstimmt, die zwei- bis viermal höher als die erste Resonanzfrequenz ist, daß Frequenzumschaltvor richtungen 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 Steuer einheiten für die Vorrichtungen zum Ausüben der Drücke so steuert, daß die letzteren während des ersten Zeit intervalls und wenigstens während eines Teils des zweiten Zeitintervalls auf die zu verschweißenden Metallteile einen ersten, niedrigen Druck ausüben, und während eines dritten Zeitintervalls vor dem Ende oder am Ende des zweiten Zeitintervalls einen zweiten Druck, nämlich einen Schmiede druck, ausüben.

6. Stumpfschweißvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß zwei Kurzschlußwindungen (30, 40) vor gesehen 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 wer den, damit die Tiefe der von der Induktionsvorrichtung er hitzten Zone beiderseits der Berührungsfläche der Metall teile begrenzt wird.

7. Stumpfschweißvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abstände zwischen den verschiedenen Teilen der Kurzschlußwindungen und der Induktionsvor richtung einstellbar sind, damit sie zum Ausgleichen der Tiefe der erwärmten Zonen in Abhängigkeit von der Dicke der von den Kurschlußwindungen umgebenen Metall teile verändert werden.

8. Stumpfschweißvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußwindungen in ihrer gesamten Länge oder an einem Teil ihrer Länge mit Magnet flußkonzentrationsvorrichtungen in Form von Paketen aus ferromagnetischen Blechschichten ausgestattet sind.