DE3726587C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Induktionsaufheizen und Druckverschweißen von zwei schweißbaren Oberflächen zweier abgestützter Bauteile, mit wenigstens einer Induktionsspule, die in einen Spalt zwischen den Bauteilen und in eine Ruhelage schwenkbar ist, mit einer die Induktionsspule mit Hochfrequenzstrom versorgenden Einrichtung und mit einer Anordnung zum Zusammendrücken der schweißbaren Oberflächen nach dem Erhitzen.

In der DE-OS 25 59 345 ist eine Vorrichtung zum metallurgischen Verbinden zweier Bauteile beschrieben, wobei die Induktionsspule, die im übrigen in ihrer äußeren Form nicht mit den zu erhitzenden und zu verschweißenden Oberflächen übereinstimmt, starr mit dem Transformator verbunden ist, so daß der Transformator und die Spule gemeinsam ausgeschwenkt werden müssen. Außerdem wird mit dieser bekannten Vorrichtung ein Schlag-Preßschweißen durchgeführt, bei dem Materialanteil gezielt über die Ausgangskontur hinausgepreßt wird, um an der Verbindungsstelle ein Schmiedegefüge zu erzielen.

Bei dem aus der DE-PS 9 57 778 bekannten Verfahren zum Verschweißen von aus Stahl bestehenden Bauteilen wird eine das Hochfrequenzfeld erzeugende und die Erhitzung der Flächen bewirkende Magnetspule nach dem Erhitzen aus dem Zwischenraum zwischen den zu verschweißenden Flächen herausgezogen, wonach die beiden Bauteile aufeinandergepreßt und so miteinander verschweißt werden. Eine besondere Ausbildung der eingesetzten Vorrichtung wird indessen nicht beschrieben.

Aus der DE-PS 9 73 755 ist es bekannt, zum Stumpfschweißen der Enden von Metallrohren eine Vorrichtung einzusetzen, bei welcher die Induktionsspule außen um die zu verschweißenden Teile herum angeordnet wird. Dabei ist der Axialabstand zwischen den eingeklemmten Rohrenden geringer als die Axialstärke der sie umgebenden Induktionsspule. Nach dem Verschweißen wird die aus zwei Teilen bestehende Induktionsspule entfernt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs umrissenen Art so auszubilden, daß die zur Betätigung der Induktionsspule bewegte Masse gering gehalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine zweiteilige leitende Sammelschiene mit je einer Zunge, welche mit der Hochfrequenzstromquelle verbunden ist, eine erste Isolierschicht zwischen einem Teil und dem anderen Teil der Sammelschiene, einen zweiteiligen leitenden Arm, welcher an der Sammelschiene angeordnet und um eine Achse schwenkbar ist, wobei die beiden Teile eines jeden Armes elektrisch mit den Zungen verbunden sind, eine zweite Isolierschicht, um den einen Teil des Armes von dem anderen Teil zu isolieren, und wobei die Induktionsspule mit der Form der schweißbaren Oberfläche übereinstimmt und mittels einer Verbindungsvorrichtung elektrisch mit Teilen des Armes verbunden ist, eine dritte Isolierschicht, welche die Enden der Induktionsspule und die Verbindungsvorrichtung voneinander isoliert, und durch eine Anordnung zum Verschwenken des Armes und der Induktionsspule um eine Achse.

Zweckmäßige weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden zwei Bauteile mit ihren schweißbaren Oberflächen in einem ausreichenden Abstand voneinander festgeklemmt, um dazwischen einen Spalt ausreichender Größe zu schaffen, welcher wenigstens eine Induktionsspule aufnimmt. Eine inerte Atmosphäre wird um die schweißbaren Oberflächen und eine Induktionsspule herum ausgebildet, die mit Hilfe eines Hochfrequenzstromes die schweißbaren Oberflächen erhitzt. Unmittelbar nach dem Entfernen der Induktionsspule werden die beiden Bauteile mit einer ausreichenden Kraft zusammengedrückt, um ihre erhitzten Oberflächen zu stauchen und miteinander unter Druck zu verschweißen.

Die Vorrichtung kann auch zum Verschweißen von Bauteilen unterschiedlicher Größen und Formen und unterschiedlicher Arten eingesetzt werden, wobei die schweißbaren Oberflächen zweier Bauteile mit Hilfe von unabhängig voneinander gesteuerten Induktionsspulen getrennt erhitzt werden. Die Vorrichtung kann von Hand betätigt werden, ist jedoch vorzugsweise halbautomatisch betätigbar, um gute Schweißungen zu schaffen, wenn eine Vielzahl von identischen Teilen zu verschweißen sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 perspektivisch und teilweise geschnitten die wesentlichen Bestandteile einer Vorrichtung,

Fig. 1A eine vertikale Schnittansicht zweier miteinander verschweißten Bauteile, wobei in einem Bauteil ein aufblasbarer Pfropfen vorgesehen ist,

Fig. 2 eine Vorderansicht der Vorrichtung, wobei Teile weggebrochen sind,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Induktionsschweißvorrichtung, wobei Teile weggebrochen sind,

Fig. 4 eine Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 1 von links gesehen,

Fig. 5 perspektivisch und auseinandergezogen eine Sammelschienenanordnung und zwei Induktionsspulen, wobei Teile weggebrochen sind, um Abschnitte der Wasserkühldurchgänge innerhalb der Drehverbindung zu zeigen,

Fig. 6 schematisch den Weg und die Richtung der durch die linke Hälfte der Sammelschiene, die Sammelschienenverbindung und die linke Induktionsspule strömenden Kühlflüssigkeit,

Fig. 7 eine Seitenansicht, wobei die Induktionsspulen in einer Heizposition innerhalb der inerten Atmosphäre und in ihrer Ruhelage gestrichelt dargestellt sind,

Fig. 8 die Induktionsspulen in ihrer Position zum Erhitzen der Bauteile, wobei eine Haube mit inerter Atmosphäre gestrichelt dargestellt ist,

Fig. 9 die beiden miteinander innerhalb der Haube mit inerter Atmosphäre verschweißten Bauteile,

Fig. 10 perspektivisch eine Schnittansicht durch Induktionsspulen, die unabhängig Bauteile unterschiedlicher Größe erhitzen und Lamellen aufweisen,

Fig. 11 eine Ansicht ähnlich Fig. 10, wobei geschichtete Induktionsspulen zum Erhitzen zylindrischer Bauteile gezeigt sind,

Fig. 12 eine der Fig. 10 ähnliche Ansicht, wobei geschichtete Induktionsspulen zum Erhitzen von rechteckigen Bauteilen gezeigt sind.

Die Vorrichtung 20 zum Induktionsaufheizen und Druckverschweißen (Fig. 1 bis 4) umfaßt einen Rahmen 22, welcher eine einstellbare Klemmechanik 24 trägt, die ein Bauteil M1 festhält, welches als Rohr gezeigt ist, das zwischen 63,5 bis wenigstens 212,4 mm im Durchmesser variieren kann. Das Bauteil M1 ist auf einer Längsachse A mit einem Futter 26 genau zentriert, welches bewegbare Klauen 28 aufweist, die mittels einer Schraubmechanik (nicht gezeigt) gleichzeitig eingestellt werden. Der Rahmen 22 trägt einen Hydraulikzylinder 30, dessen Längsachse konzentrisch mit der Längsachse A ist. Der Zylinder hat eine Kolbenstange 32 und einen Gewindeabschnitt 32′, der sich aus dem linksseitigen Ende (Fig. 2) eines Zylindergehäuses 34 erstreckt und mit einem Adapter verbunden ist. Der Adapter weist einen Hohlraum 35 (Fig. 8 und 9) auf, um mit Paßsitz ein Ende eines zweiten Bauteiles aufzunehmen. Das zweite Bauteil M2 ist als kurzes Rohr mit Ausnahme von Fig. 1A gezeigt, in welcher ein Ansatz M2′ mit dem ersten Bauteil M1 durch Induktion verschweißt ist und einen weiteren Ansatz M2″ (gestrichelt) aufweist, welcher mit dem Ansatz M2′ mit Hilfe eines Stiftes 36′ verbunden ist. In Fig. 1A ist gezeigt, daß lange rohrförmige Bauteile (6 bis 12 m) mit Ansätzen verschweißbar sind, um schnell, genau und zuverlässig Ausleger für Kräne oder dgl. herzustellen. Ein ausdehnbarer Pfropfen 37 ist in das Bauteil M1 eingesetzt und in dem Bauteil mittels komprimierter Luft aus einem Ventil und einer Leitung 37′ expandiert, um zu verhindern, daß Luft in dem Bauteil M1 um die schweißbaren Oberflächen S1, S2 (Fig. 8) während des Erhitzungs- und Schweißvorganges strömt.

Der Rahmen 22 trägt eine Drehsammelschienenverbindung 38 (Fig. 1, 5 und 7), wobei zwei Induktionsspulen 40, 42 vorgesehen sind, die zwischen den Enden der Bauteile M1, M2 (Fig. 8) bewegbar sind, wenn deren verschweißbare Endflächen S1 und S2 auf Stauchtemperatur zu erhitzen sind. Diese Spulen werden von diesen Bauteilen M1, M2, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist, weggedreht, um zu gestatten, daß ein Zylinder 30 das Bauteil M2 in Eingriff mit dem Bauteil M1 drückt. Das Erhitzen und Stauchen erfolgt innerhalb einer Haube 44 mit inerter Atmosphäre, die mit der Kolbenstange 32 des Zylinders 30 verbunden ist, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Zwei Transformatoren 46, 48 (Fig. 3 und 4) enthaltende Heizstationen sind ebenfalls am Rahmen 22 angeordnet. Der Transformator 46 versorgt die Induktionsspule 40 mit Strom, während der Transformator 48 die Spule 42 mit Strom versorgt.

Weiterhin umfaßt der Rahmen 22 eine Vielzahl sich quer erstreckender I-Träger 50 und einen kurzen, sich longitudinal erstreckenden I-Träger 52 (Fig. 1 und 4), welche auf einem Betonboden gelagert sind, wobei die Träger ein Paar sich längs erstreckender I-Träger 54 abstützen. Eine horizontale Bodenplatte 56 ist mit Ausnehmungen 58 versehen. Die I-Träger und die Platte 56 sind miteinander verbolzt, um einen starren Boden 60 zu schaffen.

Wie am besten in Fig. 2 gezeigt ist, passen drei Querwände 62, 64 und 66 in die zugeordneten Ausnehmungen 58 und ebenfalls in Ausnehmungen 68, 70 und 72, die in einer Abdeckplatte 74 vorgesehen sind. Die Bodenplatte 56 und die Abdeckplatte 74 sind mit den Wänden 62, 64 und 66 mit Hilfe nicht gezeigter Schrauben verbunden. Die Wand 62 weist ein Loch 76 (Fig. 1) zur Aufnahme des Bauteils M1 auf und kann mit einer der vier Ausnehmungen 58 am linken Abschnitt der Bodenplatte 56 befestigt werden, wenn das Bauteil M1 übermäßig lang ist und es erforderlich ist, die Klemmtechnik 24 nach links zu bewegen.

Die Klemmechanik 24 (Fig. 1 bis 4) umfaßt voneinander in Abstand zugeordnete Wände 80, 82, die mit einem Boden 84 und einer oberen Wand 86 fest verbunden sind, an welcher hydraulische Klemmzylinder 88 befestigt sind. Die Zylinder 88 umfassen je ein Zylindergehäuse 90 (Fig. 1 und 4) sowie eine Kolbenstange 92. Ein oberer V-Block-Greifkopf 94 ist an jeder Kolbenstange 92 befestigt und weist zwei Greifklauen 96 auf, die zueinander in einem Winkel von 90° angeordnet sind und mit einem Paar unter Greifklauen 92 zusammenwirken, die ebenfalls zueinander um 90° versetzt und an einem unteren V-Block-Greifkopf 98 befestigt sind, der am Boden 94 starr festgelegt ist. Die Klauen 94, 96 sind ausreichend lang (ungefähr 25,4 cm) und zueinander um 90° versetzt, um die Form des Bauteiles M1 zu bewahren, wenn das Bauteil ein Rohr ist und um das Bauteil M1 gegen eine Bewegung festzuklemmen, wenn es einer Stauchkraft ausgesetzt wird, die so hoch wie ungefähr 107 047,75 kp sein kann, was von der Größe der Bauteile M1, M2 abhängt. Die Klemmechanik 24 und die Festigkeit der Vorrichtung 20 lassen ein Stauchen von Metall zu, das einen verschweißbaren Oberflächenbereich von bis zu 19 355 mm² aufweist. Die Klemmechanik kann Bauteile M1 mit einem Durchmesser von bis zu 152,4 mm halten.

Die Klemmechanik 24 (Fig. 1 bis 4) ist horizontal bewegbar, indem die Wand 62 in verschiedenen der Ausnehmungen 58 angeordnet und eine Abdeckplatte 74 zweckmäßiger Länge vorgesehen wird. Die gesamte Klemmechanik 24 ist mittels einer Stellschraube 100 einstellbar, die mittels eines Handrades 102 betätigbar ist. Die Stellschraube ist an einem Rahmen 104 (Fig. 4) angeordnet, welcher Stützschienen 106 aufweist, welche Flansche der I-Träger ergreifen. Eine Längsbewegung der Klemmtechnik 24 in eine andere Position längs der Bodenplatte 56 ist erst gestattet, nachdem das Handrad 102 und dessen Welle 108 entfernt worden sind.

Um eine Vertikalbewegung der Klemmtechnik 24 zu bewirken und sie dort fest an der Wand 62 während des Stauchvorganges zu halten, ist die Wand 62 mit einem Paar T-Schlitze 110 (Fig. 2) versehen, welche T-Schienen 112 gleitbar aufnehmen. Jede T-Schiene 112 ist mit einer Kolbenstangenerstreckung 114 eines Hydraulikzylinders 116 verbunden. Jede Kolbenstangenerstreckung 114 erstreckt sich durch ein Rohr 118, welches an den Endwänden 80, 82 anliegt. Jede Erstreckung 114 ist mit einer Kolbenstange 119 (Fig. 1) gekoppelt, die sich durch ein Zylindergehäuse 120 mit einer Mutter am vorspringenden Ende erstreckt. Beim vertikalen Einstellen der Klemmechanik wird Hydraulikdruck dem linken Ende eines jeden Zylindergehäuses 120 zugeführt, so daß die Kolbenstange 119 und die Erstreckung 114 nach rechts außer Klemmeingriff mit der Wand 62 bewegt werden. Wenn es gewünscht ist, die Klemmechanik 24 an der Wand 62 festzuklemmen, wird Hydraulikdruck dem linken Ende eines jeden Zylinders 120 gegeben, um somit den Stauchdruck zu überbrücken, der während des Stauchvorganges gegen das Bauteil M1 ausgeübt wird.

Das Zylindergehäuse 34 (Fig. 1 bis 3) ist in einer Bohrung in der Wand 66 angeordnet. Ein teilweise mit Gewinde versehener Vorsprung 32′ der Kolbenstange 32 erstreckt sich durch ein Loch in der Wand 64, welches gesenkt ist, um einen Haltering 130 aufzunehmen, der als Anschlag für einen einstellbaren Halter 132 dient. Dieser Halter begrenzt den Hub der Kolbenstangenerstreckung 32′, wenn sie sich in Stauchrichtung bewegt, die in Fig. 1 bis 3 links liegt. Der Ring 130 hat zwei Funktionen. Die erste Funktion besteht darin, ein unbeabsichtigtes Verletzen der Finger einer Bedienungsperson zu verhindern, wenn der Halter 132 in Eingriff mit dem Ring 130 bewegt wird. Die zweite Funktion besteht darin, ein leichtes Austauschen des Ringes 130 zu gestatten, wenn er durch wiederholtes Auftreffen aus den Halter 132 beschädigt ist. Der Halter 132 in der Form eines kalibrierten Ringes ist auf die Kolbenstange geschraubt und weist Marken auf, welche gestatten, den Stauchhub Stufen von einem Tausendstel eines Millimeters einzustellen.

Das linke Ende (Fig. 2) der Kolbenstangenerstreckung ist an einem Wandler 133 befestigt, der an einer Werkzeugfixierplatte 134 befestigt ist, auf welcher ein Distanzteil 136 aufgebolzt ist. Ein eine Haube mit inerter Atmosphäre stützender Block 137 und ein Adapter sind lösbar mit dem Distanzteil 136 verbunden. Der Adapter 138 ist mit dem Raum 35 (Fig. 8 und 9) versehen. Der Raum 35 stimmt mit der Außenform des Bauteiles M2 überein. Der Adapter 138 ist lösbar mit dem Bauteil M2 mittels einer Einstellschraube 140 verbunden, wie dies am besten in Fig. 8 gezeigt ist; er kann entfernt und durch andere Adapter ersetzt werden, wenn beispielsweise die Bauteile M2′ oder M2″ (Fig. 1A) mit dem Bauteil M1 zu verschweißen sind.

Der Zylinder 136 (Fig. 1 bis 3) ist starr mit vier Zugstäben 144 verbunden, von denen sich jeder durch Buchsen 146 erstreckt, die in die Bohrungen in den Wänden 64 und 66 eingepaßt sind. Jeder Zugstab 144 weist eine Staubkappe 147 und einen mit Schultern versehenen Abschnitt an dem anderen Ende auf, das in einer Bohrung in dem Zylinder 136 sitzt. Wie am besten in Fig. 2 gezeigt ist, sind Kopfschrauben 150 in Gewindebohrungen 152 in den Zugstäben 144 befestigt, um somit die Fixierplatte 134 starr mit den Zugstäben 144 zu verbinden.

Wenn eine große Vielzahl identischer Bauteile miteinander zu verschweißen sind (Fig. 8 und 9), kann der kalibrierte Ring 132 von dem Ring 130 geschraubt werden, so daß sich die Ringe während des Druckstauchvorganges nicht berühren. Die erforderliche Druckkraft kann bestimmt und in einem Steuerkreis (nicht gezeigt) eingestellt werden, der mit dem Wandler 133 verbunden ist, um die gewünschte Stauchkraft auf die Enden der Bauteile M1 und M2 aufzubringen. Somit sorgt der Wandler für ausreichenden Schweißdruck, um zu gewährleisten, daß die erhitzten Enden der Bauteile M1 und M2 zuverlässig miteinander verschweißt werden.

Wie in Fig. 1 bis 3 und 7 bis 9 schematisch gezeigt ist, ist eine Haube 44 mit inerter Atmosphäre an dem Block 137 entfernbar angeordnet. Ein inertes Gas wie beispielsweise Argon, Helium, Stickstoff oder ein Gemisch von ungefähr 95% Argon und 5% Stickstoff wird an den schweißbaren Oberflächen S1, S2 der Bauteile M1 und M2 während des Induktionserhitzens und des Schweißvorganges geführt, der innerhalb von Sekunden stattfindet. Das inerte Gas entfernt Sauerstoff von den zu verschweißenden Oberflächen und verhindert somit schlechte Schweißungen aufgrund von Oxidation oder Zunderbildung des Materials. Die Vorrichtung 20 ist auch zum Schweißen in einer sauerstofffreien Atmosphäre wie beispielsweise im Weltraum geeignet, weil das Schweißen sauber und spritzfrei ist.

Die beiden Transformatoren 46, 48 (Fig. 3 und 4), die Drehsammelschienenverbindung 38 und die Induktionsspulen 40, 42 sind an dem Rahmen 22 und mit Hilfe einer Führungsbahn 162 einstellbar getragen. Die Führungsbahn 162 umfaßt einen Schlitten 164 (Fig. 4), der fest am Rahmen 22 und mit einem Support 165 verbunden ist, auf welchem die Transformatoren 46, 48 und die Sammelschienen 166, 166′ (Fig. 5 und 7) fest gelagert sind. Die Führungsbahn 162 umfaßt ein Handrad 170 (Fig. 3) und eine Spindelmechanik (nicht gezeigt), die es dem Bedienungsmann gestatten, die Transformatoren 46, 48 und die Induktionsspulen 40, 42 längs der Vorrichtung 20 zu bewegen, um die Induktionsspulen 40, 42 zwischen den schweißbaren Oberflächen S1, S2 der Bauteile M1, M2 auszurichten.

Die Sammelschienenverbindung 38 ist am besten in Fig. 5 und 7 gezeigt, wobei die Strömung des Kühlmittels in Fig. 6 gezeigt ist. Da die rechte Hälfte der Sammelschienenverbindung spiegelbildlich zur linken Hälfte ist, wird die linke Hälfte nachfolgend im einzelnen beschrieben, während die rechte Hälfte mit Bezugsziffern bezeichnet wird, welche einen (′) aufweisen.

Die Sammelschienenverbindung 38 umfaßt eine linke Sammelschiene 166, die Kupferblöcke 182, 184 einschließt, welche starr mit Blöcken 185, 186 der Sammelschienen 187, 188 des Transformators verbunden sind, welche durch eine Isolierung 190 voneinander getrennt sind.

Die linke Sammelschiene 166 weist Kupferplatten 192, 194 auf, die entsprechend mit den zugeordneten Blöcken 182, 184 verlötet sind. Die Kupferplatten und Blöcke 182, 184 sind durch einen Isolierstreifen 196 voneinander getrennt und weisen eine 90°-Biegung auf. Der Isolierstreifen 196 erstreckt sich zwischen den Kupferblöcken 182, 184, die in Klemmeingriff mit dem Isolierstreifen 196 mittels isolierter Kopfschrauben (nicht gezeigt) gehalten sind, die am Transformator 46 befestigt ist. Somit begrenzen die beiden Kupferplatten 192 und 194 zwei getrennte elektrische Leiter, die Starkstrom führen können.

Zwei rechtwinklige Kupferrohre 202, 204 sind mit den Außenflächen der Platte 192 und mit dem Block 182 verlötet, welcher Wasserdurchgänge aufweist, um dadurch Wasser als Kühlmittel zu leiten. Ähnliche nicht gezeigte Rohre, die ähnlich den Rohren 197′, 198′ an der rechten Sammelschiene 166′ sind, sind mit der Außenfläche der Platte 194 und dem Block 184 verlötet, welcher zum Kühlen der Platte 194 Wasserdurchgänge aufweist.

Die anderen Enden der Kupferplatten 192, 194 und Kupferrohre sind mit zugeordneten Kupferblöcken 216, 218 mit Hilfe von Messingschrauben (nicht gezeigt) verbunden. Die Kupferblöcke 216, 218 sind mit Kupferzungen 222, 224 verlötet, die alle mittels eines Isolierstreifens 225 voneinander getrennt sind. Die Blöcke und die Zungen bilden Erstreckungen der Platten 192, 194 und unterliegen einer Reibungskraft, so daß ihre Außenfläche vorzugsweise mit Silber plattiert ist, um Reibung herabzusetzen und die Leitfähigkeit zu verbessern.

Die Kupferblöcke 182, 184, 212, 214, 216, 218 und die Kupferrohre 202, 204 (und die Äquivalente der rechten Rohre (192′, 198′) weisen Durchgänge auf, wie dies schematisch in dem Kühlkreissystem 26 nach Fig. 6 gezeigt ist. Wasser tritt durch eine Leitung 228 ein, strömt durch den Durchgang 230 in den Block 182, durch die Kupferrohre 202, 204 in die Blöcke 212 und 216 und einen Durchgang 232 in den Blöcken 216, 212. Ein Querdurchgang 234 in den Blöcken 212, 214 verursacht, daß das Wasser aus dem Block 212 durch einen Durchgang in den Isolierstreifen 196 und durch Durchgänge in den Block 214, 218 und die Außenrohre 197, 198 zurückströmt, die mit der Kupferplatte 194 verbunden sind. Damit strömt das Wasser zum Block 184 zurück und wird durch eine Leitung 236 abgeführt.

Um elektrischen Strom und Kühlwasser zu der Induktionsspule 40 zu leiten und die Wege, die zur Spule 40 führen, zu separaten horizontalen Wegen ändern, ist ein zweiteiliger, leitender Arm 240 mit zwei Teilen 242 und 244 vorgesehen.

Das Teil 242 ist nicht-linear und nimmt die Zunge 222, 224 zwischen sich und dem weiteren Teil 244 auf. Das Teil 242 umfaßt ein rechtwinkliges Kupferkühlrohr 246, wobei das Teil und das Rohr miteinander und mit einem unteren 248 verlötet sind, welcher Wasserdurchgänge 250, 262 (Fig. 5 und 6) aufweist. Dabei steht der Durchgang 252 mit einem Wasserschlauch 254 in Verbindung.

Das Teil 244 ist linear und umfaßt ein Kupferkühlrohr 256 und einen oberen Kupferblock 258, der Kühlmitteldurchgänge 260, 262 aufweist, welche mit gegenüberliegenden Enden des Rohres 256 verbunden sind. Das Teil 244, das Kupferrohr 256 und der obere Block 258 sind miteinander verlötet. Eine vertikale Isolierschicht 266 ist zwischen den Außenenden der Teile 242, 244 angeordnet; eine horizontale Isolierschicht 268 ist zwischen dem unteren Block 248 und dem oberen Block 258 angeordnet, um die beiden Teile und Blöcke voneinander isolieren. Die Oberflächen der Teile 242, 244, welche die Oberflächen der Zungen 222, 224 berühren, sind mit Silber plattiert, um Reibungsverschleiß auf ein Minimum herabzusetzen und die Leitfähigkeit zu erhöhen und zu verbessern.

Um den Arm 240 mit den Zungen 222, 224 drehbar zu verbinden, sind ein die Induktionsspule haltendes Blatt 269 und eine Welle 270 starr miteinander verbunden und aus einem nicht-metallischen Material hergestellt. Eine Seite der Welle 270 ist in einer geflanschten und mit Gewinde versehenen Buchse 271 gelagert. Die Buchse weist eine aufgeschraubte Einstellmutter 272 auf, die an einem nachgiebigen O-Ring 273 aus nicht-leitendem Material anliegt, der komprimierbar ist, so daß ein guter elektrischer Kontakt zwischen den Zungen 222, 224 und den zugeordneten Teilen 242, 244 geschaffen ist. Die Enden der Welle 270 erstrecken sich durch die Löcher 274, 274′ in Hebelarmen 276, 276′ und sind damit mittels Einstellschrauben 278, 278′ verbunden. Die Hebelarme 276, 276′ sind mit den drehbaren Armen 240, 240′ und mit dem Blatt 269 mittels nicht-leitender Bolzen 278 verbunden, die sich durch die Löcher in den Hebelarmen 276, 276′ durch die Löcher in den unteren Blöcken 248, 248′ und oberen Blöcken 258, 258′ und durch Löcher in dem Blatt 269 erstrecken.

Die Induktionsspule 40 ist aus Kupferrohr hergestellt und so geformt, daß sie in Form und Größe der auf Stauchtemperatur zu erhitzenden schweißbaren Oberfläche S1 (Fig. 8) entspricht. Ein Ende der Induktionsspule ist an ein oberes Rohr 282 angelötet, dessen anderes Ende mit einem oberen Block 284 verschweißt ist, welcher einen Strömungsdurchgang 286 aufweist, der mit dem Durchgang 262 in dem oberen Block 258 in Verbindung steht, wenn die Blöcke 258 und 284 miteinander verbolzt sind.

Ähnlich ist ein unteres Kupferrohr 288 an das andere Ende der Induktionsspule 40 und an einen unteren Kupferblock 290 gelötet, der mit dem unteren Kupferblock 248 verbolzt ist. Der Strömungsdurchgang 250 im Block 248 steht mit einem Strömungsdurchgang 292 im Block 290 in Verbindung. Somit strömt das Kühlmittel aus dem Schlauch 254 durch Leitungen in der Richtung, die in Fig. 6 angezeigt ist. Insbesondere strömt es aus dem Schlauch 254 in die untere Leitung 252, das Kupferrohr 246 in den Durchgang 250 im unteren Block 248, durch einen Durchgang 292 im Block 290, durch das untere Kupferrohr 288, durch die Induktionsspule 40, das obere Rohr 282, den Durchgang 286 in dem oberen Block 284 und in einen Durchgang 262 in dem oberen Block 258; danach strömt es durch das Kupferrohr 256 und den Durchgang 260 im oberen Block 258 und wird über einen Schlauch 293 abgelassen.

Die Enden der Induktionsspulen 40, 42, das obere Rohr 282 und das untere Kupferrohr 288, der obere Block 284 und der untere Block 248 sind mittels eines Isolierstreifens 294 elektrisch voneinander isoliert. Diese Bauteile sind ebenfalls voneinander mit Hilfe eines oder mehrerer vertikaler Isolierstreifen 296 isoliert. Um die Spulen 40, 42 fest zu stützen, sind Winkelstäbe 298, 298′ mit den Hebelarmen 276, 276′ verschweißt und erstrecken sich unterhalb der Induktionsspulen. Eine nicht-metallische Isolierplatte 299 ist mit den Stäben 298, 298′ verbolzt und schafft eine Stütze für die unteren Flächen der Kupferrohre 288, 288′, die mit den Induktionsspulen 40, 42 verbunden sind.

Ein Luftzylinder 300 (Fig. 4, 5 und 7) weist eine Kolbenstange 302 auf, die an einer Stange 304 angelenkt ist, welche an dem Hebelarm 276 befestigt ist. Das Gehäuseende ist an einem Träger 308 (Fig. 4) angelenkt, der mit der longitudinal bewegbaren Führung 165 verbunden ist, so daß die Induktionsspulen 40, 42 in unterschiedlichen Lagen längs der Vorrichtung 20 bewegbar sind.

In Fig. 10 sind Bauteile M1a und M2a gezeigt, deren schweißbare Oberflächen S1a und S2a von unterschiedlichem Querschnitt sind. Um gleichzeitig beide Oberflächen S1a und S2a auf ihre Stauchtemperatur anzuheben, ist eine große Induktionsspule 40a neben der großen Oberfläche S1a angeordnet, während neben der Oberfläche S2a eine kleinere Induktionsspule 42a vorgesehen ist. Um die induzierte Hitze in den Oberflächen S1a und S2a zu konzentrieren, weisen beide Induktionsspulen 40a und 42a U-förmige Lamellen 310, 312 auf, die aus SiFe mit einer Dicke von ungefähr 1,8 mm hergestellt sind und sehr hohe Magnetfelder steuern. Zwischen den beiden Induktionsspulen 40a, 42a ist eine Isolierscheibe 314 vorgesehen.

Temperaturfühler 316, 318 wie beispielsweise Infrarotpyrometer sind vorgesehen, um die Temperatur der Oberflächen S1a und S2a anzuzeigen. Die zu den Induktionsspulen 40a, 42a gerichtete Strommenge oder die Zeitlänge der Stromzuführung oder beide können variiert werden, so daß beide Oberflächen S1a und S2a zur gleichen Zeit auf die Stauchtemperatur angehoben werden.

In Fig. 11 sind Induktionsspulen 40b und 42b gezeigt, mit denen die Oberflächen S1b und S2b zylinderischer Bauteile M1b und M2b auf Stauchtemperaturen erhitzt werden können. Die Endflächen der Bauteile weisen Löcher 318, 320 auf, welche einen Teil des gestauchten Materials während des Druckstauchens aufnehmen.

In Fig. 12 sind zwei rechteckige Induktionsspulen 40c und 42c gezeigt, mit denen die Oberflächen S1c und S2c quadratischer oder rechteckiger Bauteile M1c und M2c auf Stauchtemperatur erhitzt werden können.

Im Betrieb der Vorrichtung 20 (Fig. 1-4) bestimmt die Bedienungsperson zunächst den Typus der Bauteile M1 und M2, die miteinander verschweißt werden sollen. Wenn die Bauteile rohrförmig mit einem kleinen Durchmesser wie beispielsweise 63,5 mm und einer Wanddicke von etwa 5,08 mm aus dem gleichen Material hergestellt sind und schweißbare Oberflächen S1, S2 gleicher Größen aufweisen, kann die Betriebsperson eine einzige Induktionsspule auswählen, um beide zu verschweißende Oberflächen S1 und S2 der Bauteile M1 und M2 zu erhitzen.

Es sei angenommen, daß die Betriebsperson beide Induktionsspulen 40, 41 (Fig. 1-4 und 5) auswählt, um die Bauteile M1 und M2 miteinander zu verschweißen. Zunächst werden die beiden Induktionsspulen an den Blöcken 248, 258 und 248′, 258′ angeordnet, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Dann positioniert die Betriebsperson das Bauteil M2 in dem Raum 35 (Fig. 8) des Adapters 138, wobei die Kolbenstange 32 des Stempels vollständig zurückgezogen ist. Dann wird das Handrad 170 (Fig. 3) betätigt, um die beiden Transformatoren 46, 48 und die Induktionsspulen 40, 42 längs der Vorrichtung 20 einzustellen, in welcher ein kleiner Luftspalt zwischen der schweißbaren Oberfläche S2 des Bauteiles M2 und der benachbarten Fläche der Induktionsspule 42 vorhanden ist. Die Betriebsperson ordnet dann das Bauteil M1 in dem Futter 26 und in der Klemmechanik 24 an und klemmt das Bauteil M1 zwischen den Klauen 48 des Futters ein. Danach schließt sie hydraulisch die Klauen 96 durch Betätigung der Zylinder 88, wobei die schweißbare Oberfläche 6S1 des Bauteiles M1 von der benachbarten Fläche der Induktionsspule 40 durch einen kleinen Luftspalt beabstandet ist, wenn sich die Induktionsspulen 40, 42 in ihrer Aufheizposition befinden, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Mit dem eingeklemmten Bauteil M1 bestimmt die Betriebsperson, ob die Längsachse des Bauteiles M1 mit der des Bauteiles M2 zusammenfällt. Wenn die Achsen der Bauteile nicht zusammenfallen, betätigt die Betriebsperson den Zylinder 116, um die Kolbenstangen 119 und ihre Erstreckungen 114 nach rechts (Fig. 1 und 2) zu bewegen, betätigt dann das Handrad 102, um das Bauteil M1 anzuheben oder abzusenken, bis es in der Schweißposition mit dem Bauteil M2 ausgerichtet ist. Dann betätigt die Betriebsperson ein Ventil, um die Zylinder 116, die Kolbenstangen und die Erstreckungen 114 nach links (Fig. 1 und 2) zu bewegen, um somit die Klemmechanik 24 gegen die Wand 62 und das Bauteil M1 zwischen den Klauen 94, 98 festzuklemmen.

Nach Positionieren der Bauteile M1 und M2 wird die Haube 44 (Fig. 1-3 und 7-9) mit inerten Atmosphäre an dem Block 137 angeordnet, wie dies gestrichelt in Fig. 8 und in Fig. ? gezeigt ist.

Die Haube 44 wird um die Bauteile M1 und M2 angeordnet und umfaßt einen oberen Abschnitt, der lösbar mit einem unteren Abschnitt verbunden ist, so daß beide Abschnitte von den Bauteilen entfernt werden können, wenn sie miteinander verschweißt sind. In der Betriebslage wird ein Inertgas an den Oberflächen S1, S2 in einer laminaren Strömung vorbeigerichtet, so daß Luft von den Oberflächen S1, S2 entfernt wird. Dabei wird das Gas durch Polster aus Vinyl- oder Urethanschaum in das untere Ende der Haube geleitet. Die Polster sind geschlitzt, so daß die Induktionsspulen 40, 42 in die und aus der Haube bewegt werden können.

Wenn das Inertgas an den Oberflächen S1 und S2 vorbeiströmt und die beiden Induktionsspulen in die in Fig. 8 gezeigte Betriebslage angehoben sind, fühlt ein Sauerstoffanzeiger das Gas in der Haube 44 ab und erregt die Induktionsspulen. Wenn die Oberflächen S1, S2 auf Stauchtemperatur erhitzt sind, wird der Zylinder 300 betätigt, um die Induktionsspulen 40, 42 aus dem Raum zwischen den Bauteilen M1, M2 zu bewegen. Danach sorgt der Hydraulikzylinder 30 dafür, daß das Bauteil M2 gegen das Bauteil M1 gepreßt wird, um das erhitzte Material im Bereich der Oberflächen S1, S2 zu stauchen, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. Induktionserhitzen und Druckschweißen erfordern ungefähr 5 Sekunden. Während dieser Zeit wird das Wasser durch die Sammelschiene und die Induktionsspulen geleitet, wie dies in Fig. 5 und 6 gezeigt ist. Die Kupferrohre 246, 256 und 246′, 256′ (Fig. 5) kühlen dabei die Oberflächen der Drehverbindung.

Nach dem Druckverschweißen wird die Schraube 140 (Fig. 8) von dem Bauteil M2 gelöst, der Zylinder 30 zieht den Kasten 136 und den Block 137 (Fig. 9) von dem Bauteil M2 in die in Fig. 8 gezeigte Position, während die Gaszufuhr zu der Haube 44 abgeschaltet, die Haube getrennt und von der Vorrichtung 20 entfernt wird. Die geschweißten Bauteile M1, M2 werden dann aus dem Futter 26 und der Klemmechanik 24 gelöst und von der Vorrichtung 20 entfernt.

Wenn die Bauteile M1a und M2a (Fig. 10) mit unterschiedlichen schweißbaren Flächenabschnitten miteinander zu verschweißen sind, werden die Induktionsspulen 40a, 42a angeordnet, und der Betrieb wird wiederholt.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Induktionsaufheizen und Druckverschweißen von zwei schweißbaren Oberflächen zweier abgestützter Bauteile,

• - mit wenigstens einer Induktionsspule, die in einen Spalt zwischen den Bauteilen und in eine Ruhelage schwenkbar ist,
• - mit einer die Induktionsspule mit Hochfrequenzstrom versorgenden Einrichtung und
• - mit einer Anordnung zum Zusammendrücken der schweißbaren Oberflächen nach dem Erhitzen,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - eine zweiteilige leitende Sammelschiene (166, 166′) mit je einer Zunge (222, 224), welche mit der Hochfrequenzstromquelle verbunden ist,
• - eine erste Isolierschicht (190, 196, 225), zwischen einem Teil (192) und dem anderen Teil (194) der Sammelschiene,
• - einen zweiteiligen leitenden Arm (240, 240′), welcher an der Sammelschiene (166, 166′) angeordnet und um eine Achse (270) schwenkbar ist,
• - wobei die beiden Teile (242, 244) eines jeden Arms (240, 240′) elektrisch mit den Zungen (222, 224) verbunden sind,
• - eine zweite Isolierschicht (266), um den einen Teil (242) des Armes (240, 240′) von dem anderen Teil (244) zu isolieren,
• - und wobei die Induktionsspule (40, 42) mit der Form der schweißbaren Oberflächen (S₁, S₂) übereinstimmt und mittels einer Verbindungsvorrichtung (282, 288) elektrisch mit Teilen (284, 290) des Armes (240, 240′) verbunden ist,
• - eine dritte Isolierschicht (294, 268), welche die Enden der Induktionsspule und die Verbindungsvorrichtung (282, 288) voneinander isoliert,
• - eine Anordnung (276, 276′, 300, 302, 304) zum Verschwenken des Armes (240, 240′) und der Induktionsspule um eine Achse (270).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (190, 196, 229) und die zweite Isolierschicht (268) zueinander senkrecht angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelschiene (166, 166′), die Zungen (222, 222′, 224, 224′) und jeder Arm (240, 240′) leitende Platten aufweisen, die horizontal schmal und vertikal breit sind, und daß die Induktionsspule (40, 42) und die Verbindungsvorrichtung (282, 288) horizontal breit und vertikal schmal sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühleinrichtung (226) vorgesehen ist, welche in der zweiteiligen Sammelschiene (166, 166′), dem zweiteiligen Arm (240, 240′), der Verbindungsvorrichtung (282, 288, 282′, 288′) und der Spule (40, 42) Kühlmitteldurchgänge umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die zweiteilige, elektrisch leitende Zunge (222, 222′, 224, 224′) von einem Ende der Sammelschiene (166, 166′) abragt und Löcher zur Aufnahme der Schwenkachse (270) aufweist,
• - daß der zweiteilige elektrisch leitende Arm (240, 240′) Löcher in einem Endabschnitt und einen separaten Block (248, 248′, 258, 258′) an seinem anderen Endabschnitt aufweist,
• - daß sich ein rohrförmiges Verbindungsglied (271, 271′) aus nicht-leitendem Material durch die Löcher erstreckt, um den Arm (240, 240′) in elektrischem Kontakt mit der zweiteiligen Zunge (222, 222′, 224, 224′) schwenkbar zu lagern,
• - daß die dritte elektrische Isolierschicht (268, 268′) in einer Ebene liegt, die senkrecht zu der Ebene der ersten Isolierschicht (190, 190′, 225, 225′) liegt, so daß zwei separate elektrische Kreise geschaffen sind,
• - daß die Induktionsspule (40, 42) rohrförmig ausgebildet und so geformt ist, daß sie mit der Form der schweißbaren Oberflächen (S₁, S₂) zweier miteinander zu verschweißender Bauteile (M₁, M₂) übereinstimmt,
• - daß die Induktionsspule voneinander beabstandete Endabschnitte aufweist, die mittels der Verbindungseinrichtung (282, 282′) mit den Blöcken (258, 258′, 248, 248′) verbunden ist, und
• - daß ein Halteblatt (269) aus nicht-leitendem Material mit dem Arm (240, 240′) verbunden ist.