DE3238833A1

DE3238833A1 - Anordnung und verfahren zum stossschweissen durch magnetischen antrieb

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Publication number: DE3238833A1
Application number: DE19823238833
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-11-02
Filing date: 1982-10-20
Publication date: 1983-06-16
Also published as: JPS58141888A; GB2110974B; CA1208463A; GB2110974A; US4504714A

Description

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Patentanwälte* ** European Päfent* "Attorneys 3 238 8 33·

München r· Stuttgart

Jack Katzenstein 20. Oktober 1982

855 Haverford Road

Ramona, California 92065 / USA

Unser Zeichen: K 1122

Anordnung und Verfahren zum'Stoßschweißen durch magnetischen Antrieb

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Stoßschweißen durch magnetischen Antrieb.

Das Stoßschweißen ist eine bekannte Technik. Beim Stoßschweißen prallt ein ballistisches Werkstück mit einer Geschwindigkeit von 350 Metern pro Sekunde und unter einem Winkel von 8 bis 12 Grad auf einem oder mehreren damit zu verschweißenden Teilen auf. Die Verbindung ist offenbar das Ergebnis eines Spritzeffektes zwischen den aufeinanderprallenden Oberflächen, der eine Reinigung der Oberflächen bewirkt, so daß durch die wohlbekannte Wechselwirkung zwischen glatten und sauberen Oberflächen eine Vereinigung hergestellt werden kann. Bei zahlreichen Anwendungen wird das Stoßschweißen bzw. Preßschweißen als sogenanntes Explosionsschweißen ausgeführt, bei welchem die erforderliche Kollisionsgeschwindigkeit durch eine chemische Explosion erreicht wird, die das ballistische Werkstück gegen die damit zu verbindenden Teile

HD/Ma

schleudert. Diese Technik wird in vielen Fällen angewendet, z.B. beim Rohrschweißen und dergleichen. Offensichtliche Nachteile des Explosionsschweißens sind jedoch das seitens des Schweißers erforderliche hohe Ausbildungsniveau, seine unvermeidbare Gefährlichkeit und die hohe Geräuschentwicklung.

Es wurden jedoch auch schon andere Verfahren angewendet, um die zum Stoßschweißen bzw. Preßschweißen erforderliche hohe Kollisionsgeschwindigkeit und den erforderlichen Kollisionswinkel zu erhalten. Dazu gehört die magnetische Implosion, durch die das ballistische Werkstück gegen das damit zu verschweißende Werkstück geschleudert wird. Bei dieser Technik ist eine Mehrzahl von Drähten, die als Antriebsspule bezeichnet werden, an dem ballistischen Werkstück befestigt und an eine Stromquelle angeschlossen, z.B. an eine Kondensatorbank. Die erforderliche Kollisionsgeschwindigkeit wird durch eine magnetische Implosion erreicht, die sich durch den Stromstoß aus der Stromquelle ergibt, und zwar durch die gegenseitige Abstoßung des Werkstückes und der Bestandteile der Antriebsspule. Diese Technik wurde insbesondere zum Verschweißen der Enden von Kernbrennstoffstäben angewendet, ebenso wie in anderen Fällen, bei denen die Durchmesser der zu verbindenden Teile gering sind.

Eine Ausweitung der Technik der magnetischen Implosion auf Teile größerer Abmessungen war bisher wegen zu geringer Leistungsausnutzung nicht möglich. .

Beispiele für Vorrichtungen, und Verfahren zum Stoßschweissen durch magnetische Implosion sind in den US-PSen 2 976 907 und 3 195 '335 sowie in Journal of Applied Physics, Bd. 50, November 1979, Nr. 11, Teil 2, unter dem Titel "Measurements of a 70 T Pulsed Magnetic System with Long Operational Life" beschrieben.

Ι Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung und eines Verfahrens zum Stoßschweißen, die auch bei Teilen großer Abmessungen anwendbar sind, z.B. beim Schweißen von Ölleitungen.

Die erfindungsgemäße Anordnung zum Stoßschweißen durch magnetischen Antrieb für das Stumpfschweißen von im wesentlichen flachen Platten enthält wenigstens ein ballistisches Werkstück in Form einer im wesentlichen geraden Stange, die nach einem zu verschweißenden feststehenden Werkstück ausgerichtet ist, und eine angrenzend an wenigstens das eine ballistische Werkstück angeordnete Antriebsspule, die mit einer Stromquelle derart verbindbar ist, daß bei Aktivierung der Stromquelle die Magnetkräfte in der Antriebsspule das ballistische Werkstück auf Schweißgeschwindigkeit beschleunigen und gegen das feststehende Werkstück aufprallen lassen.

Bei einer Ausführungsform zum Stoßschweißen durch magnetischen Antrieb für das Umfangsschweißen von Rohren ist das ballistische Werkstück im wesentlichen ringförmig ausgebildet und um ein zu verschweißendes Werkstück herum angeordnet. Eine Antriebsspule ist im wesentlichen ringförmig ausgebildet und angrenzend an das ballistische Werkstück angeordnet und mit einer Stromquelle verbindbar.

Bei einer anderen Ausführungsform der Anordnung zum Stoßschweißen durch magnetischen Antrieb für die Anwendung beim Zusammenschweißen von Wärmetauscherrohren und Rohrblechen ist das ballistische Werkstück zwischen Paaren von Wärmetauscherrohren und Wärmetauscher-Rohrblechen angeordnet, und die Antriebsspule ist angrenzend an das ballistische Werkstück angeordnet. Dieses ballistische Werkstück ist zu einem abgeschrägten Einschnitt zwischen dem Wärmetauscherrohr und dem Wärmetauscher-Rohrblech so ausgerichtet, daß die Antriebsspule das ballistische

Werkstück mit Schweißgeschwindigkeit in diesen abgeschräg ten Einschnitt hineinschleudert, wenn die Stromquelle aktiviert wird.

Bei einer anderen Ausführungsform zum Stoßschweißen durch magnetischen Antrieb für das Uberlapptschweißen von Rohren und für das zylindrische Beschichten umfaßt das balli stische Werkstück einen Rohrabschnitt, der in seinem Inneren einen zu verschweißenden Rohrabschnitt aufnehmen kann; eine Antriebsspule ist angrenzend an das ballistische Werkstück angeordnet. Diese Antriebsspule umfaßt eine Zylinderwicklung, die an eine Stromquelle anschließbar ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform zum Stoßschweißen durch magnetischen Antrieb für ebene Beschichtung weist das ballistische Werkstück die Form einer fliegenden Platte auf, die angrenzend an eine Mutterplatte angeordnet ist, um mit dieser verbunden zu werden. Eine Antriebsspule ist angrenzend an die fliegende Platte angeordnet und mit einer Stromquelle verbindbar. Bei Aktivierung der Stromquelle schleudert die Antriebsspule die fliegende Platte mit Schweißgeschwindigkeit gegen die Mutterplatte.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Stoßschweißen durch magnetischen Antrieb umfaßt folgende Schritte:

1. Bereitstellen eines ballistischen Werkstückes, das auf einem zu verschweißenden feststehenden Werkstück mit Schweißgeschwindigkeit aufprallen soll; und

2. Positionierung einer Antriebsspule derart, daß sie nach dem Anschließen an eine Stromquelle das ballistisehe Werkstück mit Schweißgeschwindigkeit gegen das feststehende Werkstück schleudert und darauf zum Aufprall bringt.

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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Äusführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Seitenaufriß einer"Ausführung s form der Anordnung zum Stoßschweißen durch magnetischen Antrieb, angewendet auf das Stumpfschweißen von flachen Platten;

Fig. 2 einen Schnitt längs Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Ausführungsform zum Umfangsrohrschweißen;

Fig. 4 einen Schnitt längs Linie 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Antriebsspule und eines ballistischen Werkstückes,

angewendet auf das Einschweißen von Rohren in ein Rohrblech zur Bildung eines Wärmetauschers;

Fig. 6 eine vereinfachte Vorderansicht einer Ausführungsform zum zylindrischen Beschichten bzw. Uberlappt-

schweißen;

Fig. 7 eine Vorderansicht einer Ausführungsform zum

ebenen Beschichten bzw. Stoßformen; 30

Fig. 8 einen Schnitt längs Linie 8-8 in Fig. 7;

Fig. 9 eine Seitenansicht einer Ausführungsform zum

Beschichten von großen Platten; und 35

Fig. 10 einen Schnitt längs Linie 10-10 in Fig. 9.

Bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsform werden flache Platten stumpfgeschweißt. Ein Werkstück bildet eine flache Platte. Ein ballistisches Werkstück in Form von zwei geeignet gestalteten Stangen ist syfrtmetrisch um das Werkstück 10 herum angeordnet. Ein elektrischer Isolator 16 ist auf dem ballistischen Werkstück angeordnet. Eine Antriebsspule 18 ist über dem elektrischen Isolator 16 angeordnet, der aus Gummi oder einem ähnlichen Material bestehen kann. Der Isolator 16 ist

_1{-) erforderlich, um einen Kurzschluß durch das ballistische Werkstück zu verhindern. Für ballistische Werkstücke, die eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, ist eine leitfähige Druckplatte zwischen dem Isolator und dem Werkstück zweckmäßig, um das Eindringen der Magnetflußlinien in das ballistische Werkstück minimal zu halten, wodurch nämlich der Wirkungsgrad des magnetischen Antriebsschweißens vermindert würde.

Die Antriebsspule 18 enthält mehrere Windungen eines elektrischen Drahtes, der an eine Kondensatorbank oder an eine andere (nicht dargestellte) Stromquelle anschließbar ist.

Bei einer Anwendung der Erfindung wird der magnetische Antrieb des ballistischen Werkstückes durch Implosion erreicht,·d.h. durch einen einwärts gerichteten Stoß bzw. das Zusammenfallen einer Anordnung von Drähten aufgrund der Magnetkräfte dazwischen. Ein magnetischer Antrieb kann jedoch auch durch magnetische Explosion erreicht werden, d.h. durch eine auswärts gerichtete Stoßwirkung einer Mehrzahl von Drähten aufgrund von Magnetkräften.

Das feststehende Werkstück 10 ist so abgeschrägt, das es für das ballistische Werkstück 12 ein Target bildet, wobei der Abschragungswinkel so gewählt ist, daß der erforderliche Winkel zwischen dem ballistischen Werkstück 12 und dem feststehenden Werkstück 10 erhalten wird.

Es wird nun auf die Figuren 3 und 4 Bezug genommen. Bei der dort gezeigten Ausführungsform werden eine ringförmige Antriebsspule und ein ringförmiges Werkstück verwendet. Eine solche Ausführungsform ist geeignet zur Verbindung eines Rohres mit anderen zylindrischen Teilen durch Stoßschweißen. Ein Werkstück 20 in Form eines Rohres, wie es für Ölleitungen verwendet wird, weist- Abschrägungen 21 auf, die in üblicher Weise einen Winkel von 60 bis 90 Grad aufweisen, wie bei dem herkömmlichen Schmelzschweißen.

Um die Abschrägungen 21 herum und präzise konzentrisch und mit der Abschrägung fluchtend ist eine Antriebsspule 28 angeordnet. Diese Antriebsspule 28 ist ringförmig.

j5 Ein ballistisches Werkstück 22 ist um das feststehende Werkstück herum und mit den Abschrägungen 21 fluchtend angeordnet. Zwischen der Antriebsspule 28 und dem ballistischen Werkstück 22 ist eine elektrische Isolierschicht 26 angeordnet. Das ballistische Werkstück 22 umfaßt einen Ring aus demselben Material wie das Rohr Ein Abschnitt des Werkstückes 28, der einen verminderten Querschnitt aufweist, ist so gestaltet, daß er, wenn das Werkstück 28 den Radius am Ende des Stoßvorganges erreicht hat, den Querschnitt der Abschrägung 21 angenommen hat, mit einem Winkel von etwa 5-8 Grad zwischen dem ballistischen Werkstück 28 und dem feststehenden Werkstück 20. Beim Aufprallen auf dem Rohr 20 verursacht also der Ring 28 eine Stoßschweißung mit der Abschrägung 21 und liefert das Füllmaterial für diese Schweißnaht.

Bei manchen Anwendungen ist ein Kern 24 erforderlich, der in das Rohr 20 eingesetzt wird, um zu verhindern, daß das Rohr verengt wird oder sich wellt, wenn das Rohr nicht äußerst massiv und steif ist.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform zum Schweißen von Rohrblechen bei einem Wärmetauscher. Insbesondere werden Rohrbleche 40 mit Wärmetauscherrohren 42 verschweißt.

Einkehlungen 43 werden zwischen den Rohrblechen 40 und den Wärmetauscherrohren 4 2 angebracht. Eine Antriebsspule 44 ist konzentrisch und fluchtend mit der Einkehlung 43 angeordnet. Angrenzend an die Antriebsspule 44 befindet sich eine elektrische Isolierung 46, und daran angrenzend befindet sich ein ballistisches Werkstück in Form eines Ringes 48. Die Antriebsspule 44 ist an eine (nicht gezeigte) Stromquelle anschließbar. Diese ist von gleicher Art wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Bei dieser Ausführungsform wird der magnetische Antrieb des ballistischen Werkstückes 28 zum Hineinschleudern in die Einkehlungen 43 der Wärmetauscherrohre 42 durch magnetische Explosion erreicht, d.h. das ballistische Werkstück wird nach außen gegen das feststehende Werkstück geschleudert, und zwar aufgrund der magnetischen Abstoßungskräfte im Inneren der Antriebsspule 44.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 werden Rohre durch überlapptschweißung verbunden. Bei einer analogen Ausführungsform erfolgt eine zylindrische Beschichtung. Die miteinander zu verbindenden Rohre 50, 52 sind innerhalb einer Antriebsspule 54 in Form einer Spulenwicklung angeordnet, wobei das Rohr 52 innerhalb des größeren Quer-Schnitts des Rohres 50 angeordnet ist. Ein Kern 56 ist im Inneren des Rohres 5 2 angeordnet, um eine Verwerfung und Verengung beim Aufprall zu verhindern. Die Antriebs- " spule 54 ist auf einem elektrischen Isolator 58 angeordnet, der seinerseits auf dem größeren Querschnitt des

^O Rohres 50, in welchem das Rohr 52 eingeschoben ist, angeordnet ist. Die Antriebsspule 54 ist mit einer Mehrzahl von Kondensatorbänken 60 verbunden, um eine Übertragungsleitung zu bilden. Der Schweißvorgang erfolgt, wenn die Kondensatorbänke aktiviert werden und der Antriebsspule

54 Strom zugeführt wird.

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Bei der in den Figuren 7 und 8 gezeigten Ausführungsform wird eine flache Metallplatte zur ebenen Beschichtung oder Aufprallformung beschleunigt. Beim Stand der Technik werden für diesen Zweck Explosivstoffe verwendet, um die erforderliche Geschwindigkeit des ballistischen Werkstükkes zu erreichen. Im Gegensatz hierzu werden erfindungsgemäß magnetische Antriebskräfte ausgenutzt, um diese Geschwindigkeit zu erreichen. Eine Antriebsspule 64 ist auf einer elektrischen Isolierung 66 aufgebracht, die

IQ ihrerseits auf einem ballistischen Werkstück in Form einer flachen fliegenden Metallplatte 68 angeordnet ist. Das feststehende Werkstück hat die Gestalt einer Platte oder Prägeform 70. Die Antriebsspule 70 ist kreisförmig und an eine (nicht gezeigte) Kondensatorbank angeschlossen. Die Enden der Antriebsspule sind durch einen elektrischen Isolator 72 voneinander isoliert. Bei Aktivierung der Stromquelle schleudern die aufgrund des Stromflusses in der Antriebsspule erzeugten Magnetkräfte das ballistische Werkstück mit der erforderlichen Geschwindigkeit gegen das feststehende Werkstück 70. Die fliegende Platte 68, die Antriebsspule 64 und das plattenförmige feststehende Werkstück 70 sind so angeordnet, daß der erforderliche Schweißwinkel zwischen der Platte 68 und dem Werkstück 70 erhalten wird.

Die Figuren 9 und 10 zeigen eine Ausführungsform zur Beschichtung von großen Platten. Auch bei dieser Anwendung ist es, wie bei der in den Figuren 8 und 9 gezeigten, bekannt, Explosivstoffe zu verwenden, um die erfor- derliche Aufprallgeschwindigkeit zu erreichen. Erfindungsgemäß wird jedoch die zu Schweißen erforderliche Geschwindigkeit durch Anwendung von Magnetkräften erreicht. Bei dieser Ausführungsform wird ein feststehendes Werkstück in Form einer Mutterplatte 80 verwendet. Eine Antriebsspule 82 ist "gefaltet" auf einem Isolator 83 angeordnet, der seinerseits an eine fliegende Platte 84 angrenzend angeordnet ist. Die Antriebsspule 82 ist an eine Strom-

quelle 86 in Form einer Mehrzahl von Kondensatoren einer Kondensatorbank angeschlossen, so daß eine übertragungsleitung gebildet ist. Bei Aktivierung der Stromquelle wird die fliegende Platte angetrieben, so daß sie mit Verschweißungsgeschwindigkeit auf der Mutterplatte aufprallt, um mit ihr eine Verbindung einzugehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Antriebsspule an eine Stromquelle angeschlossen und durch diese so aktiviert, daß Magnetkräfte erzeugt werden, die ein ballistisches Werkstück mit Schweißgeschwindigkeit gegen ein feststehendes Werkstück schleudern und zum Aufprall bringen.

-Jiff*

Leerseite

Claims

Patentanwätt©· *-· Eciropofcn Patent*"Attorneys ' 3238833 München Stuttgart Jack Katzenstein 20. Oktober 1982 Haverford Road . - Ramona, California 92065 / USA Unser Zeichen: K 1122 Patentansprüche

1. Anordnung zum Stoßschweißen durch magnetischen Antrieb für das Stumpfschweißen von im wesentlichen flachen Platten, gekennzeichnet durch:

- wenigstens ein ballistisches Werkstück in Form einer im wesentlichen geraden Stange, die nach einem zu verschweißenden feststehenden Werkstück ausgerichtet ist; und

- eine angrenzend an das wenigstens eine ballistische Werkstück angeordnete Antriebsspuleneinrichtung, die an eine Stromquelle anschließbar ist, so daß bei Aktivierung der Stromquelle die durch die Antriebsspuleneinrichtung erzeugten Magnetkräfte das ballistische Werkstück mit Schweißgeschwindigkeit gegen das feststehende Werkstück schleudern.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ballistische Werkstück so angeordnet ist, daß es auf dem feststehenden Werkstück an einer Stelle auf-

prallt, an der eine Abschrägung oder ein angeschrägter Einschnitt gebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsspuleneinrichtung an eine Stromquelle angeschlossen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle wenigstens eine Kondensatorbank umfaßt.

5. Anordnung zum Stoßschweißen durch magnetischen Antrieb für das Schweißen von Rohren, gekennzeichnet durch:

- ein ballistisches Werkstück, das im wesentlichen ringförmig ausgebildet und um das zu verschweißende Werkstück herum angeordnet ist; und

- eine Antriebsspuleneinrichtung, die im wesentlichen ringförmig ausgebildet und angrenzend an das ballistische Werkstück angeordnet ist und an eine Stromquelle anschließbar ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsspuleneinrichtung an eine Stromquelle in Form einer Kondensatoreinrichtung angeschlossen ist.

7. Anordnung zum Stoßschweißen durch magnetischen Antrieb für die Anwendung bei miteinander zu verschweißenden Wärmetauscherrohren und Rohrblechen, gekennzeichnet . durch:

- ein ballistisches Werkstück, das zwischen Paaren von Wärmetauscherrohren und Wärmetauscher-Rohrblechen angeordnet ist; und

- eine angrenzend an das ballistische Werkstück angeordnete und an eine Stromquelle anschließbare Antriebsspuleneinrichtung, wobei das ballistische Werkstück mit einem angeschrägten Einschnitt zwischen dem Wärmetauscherrohr und dem Wärmetauscher-Rohrblech ausgerichtet ist, so daß die Antriebsspuleneinrichtung das ballistische Werkstück mit Schweißgeschwindigkeit in den angeschrägten Einschnitt schleudert, wenn die Stromquelle aktiviert wird,

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsspuleneinrichtung an eine Stromquelle in Form einer Kondensatoreinrichtung angeschlossen ist.

9. Anordnung zum Stoßschweißen durch magnetischen Antrieb für das Uberlapptschweißen von Rohren sowie zum zylindrischen Beschichten, gekennzeichnet durch:

- ein ballistisches Werkstück, das einen Rohrabschnitt umfaßt, der in seinem Inneren einen zu verschweißenden Rohrabschnitt aufnehmen kann; und

- eine angrenzend an das ballistische Werkstück angeordnete Antriebsspuleneinrichtung, die eine Zylinderwicklung umfaßt, die an eine Stromquelle ansehließbar ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß. die Zylinderwicklung eine um das antreibende Spulenteil herumgelegte Windung umfaßt.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsspuleneinrichtung an eine Stromquelle in Form einer Kondensatoreinrichtung zur Bildung einer Übertragungsleitung angeschlossen ist.

12. Anordnung zum Stoßschweißen durch magnetischen Antrieb für das ebene Beschichten, gekennzeichnet durch:

- ein ballistisches Werkstück in Form einer fliegen" den Platte, die angrenzend an eine damit zu verschweißende Mutterplatte angeordnet ist; und

- eine angrenzend an die fliegende Platte angeordnete Antriebsspuleneinrichtung, die an eine Stromquelle anschließbar ist, so daß bei Aktivierung der Stromquelle die Antriebsspuleneinrichtung die fliegende Platte mit Schweißgeschwindigkeit gegen die Mutterplatte schleudert.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsspuleneinrichtung an eine Stromquelle in Form einer Kondensatoreinrichtung angeschlossen ist.

14. Verfahren zum Stoßschweißen durch magnetischen Antrieb, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

(1) Bereitstellen eines ballistischen Werkstückes,

das auf einem feststehenden, damit zu verschweißenden Werkstück mit Schweißgeschwindigkeit aufprallen soll; und

(2) Anschließen einer Antriebsspuleneinrichtung an eine Stromquelle, wobei die Antriebsspuleneinrichtung so positioniert wird, daß sie bei Aktivierung

^Q der Stromquelle das ballistische Werkstück mit

Schweißgeschwindigkeit gegen das feststehende Werkstück schleudert.