DE803995C

DE803995C - Metallband zur Herstellung geschweisster Rohre

Info

Publication number: DE803995C
Application number: DEP24359D
Authority: DE
Inventors: Raymond H Hobrock
Original assignee: Bundy Tubing Co
Current assignee: Bundy Tubing Co
Priority date: 1944-01-03
Filing date: 1948-12-11
Publication date: 1951-04-16
Also published as: GB637054A; US2398937A

Description

Metallband zur Herstellung geschweißter Rohre Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen, insbesondere zur elektrischen Widerstandsschweißung, und dient hauptsächlich zur Herstellung von Rohren und Rohrleitungen mit einer Schweißnaht.
Wie der Fachwelt auf dem Gebiete des Rohrschweißens bekannt ist, wird zu diesem Zweck von einer Vorratsrolle ein Metallband, normalerweise aus Stahl, in der Längsrichtung zwischen Formwalzen hindurchgeführt und dabei derart rohrförmig gebogen, daß die Längskanten stumpf gegeneinanderstoßen. Dann geht dieses Rohr durch eine Schweißvorrichtung, die die Längskanten zusam menpreßt und durch den zwischen diesen liegenden Spalt elektrischen Strom hindurchführt. Dadurch werden diese Längskanten erhitzt und miteinander verschweißt. Der hierfür verwendete Strom hat gewöhnlich eine geringe Spannung, aber eine hohe Stromstärke. Ungleichmäßigkeiten, die bei diesem Schweißvorgang auftreten und gering erscheinen könnten, verursachen dabei verhältnismäßig große Schwankungen in der Stromstärke, die ihrerseits Ungleichmäßigkeiten in der Schweißnaht längs des Rohres bedingen. So liegt zwischen den Elektroden und dem Rohr eine ausschlaggebende Stelle im Stromkreis, an der die `Viderstandsschwankung:n groß sind. Eine andere Ursache, die Unregelmäßigkeiten in der Schweißnaht bedingt, liegt darin, dai3 sich die Stelle oder der Punkt, an dem die Rohrlängskanten während des Schweißens gegeneinandergepreßt werden,-gegenüber einem ortsfesten Bezugspunkt in der Längsrichtung verschiebt. Diese Verschiebung mag vom Standpunkt einer tatsächlichen Messung aus nicht groß sein. Der Erfinder hat jedoch festgestellt, daß der Anfangspunkt des Kontaktes zwischen den miteinander zu verschweißenden Rohrlängsrändern, der mit dem Fortschreiten der Schweißnahtbildung mit dem Rohr mitwandert, gegenüber einem ortsfesten Bezugspunkt innerhalb gewisser Grenzen in der Rohrlängsrichtung vor- und zurückpendelt. Die Lage des Kontaktes zwischen den Elektroden und dem Rohr bleibt zwar an sich unveränderlich, da aber der im Zusammenlauf der Rohrlängskanten liegende Scheitelpunkt dieses Kontaktes gegenüber einem ortsfesten Bezugspunkt in der Rohrlängsrichtung nicht immer an derselben Stelle liegt, kann er ebenso innerhalb wie außerhalb des Hauptstromweges zwischen den Elektroden fallen. Daraus entstehen nach der Erkenntnis des Erfinders Veränderungen in der Schweißnaht des Rohres.
Die Erfindung umschließt ein Verfahren zum Schweißen von Rohren, das Stromschwankungen im Schweißstromkreis ebenso wie Schwankungen im Stromfluß durch den Scheitelpunkt der Schweißnaht auf ein Mindestmaß herabsetzt, die bislang durch die Ortsveränderlirhkeit._ dieses Scheitelpunktes in Längsrichtung des Rohres bedingt waren. Mit Hilfe des neuen Verfahrens können nurmehr geschweißte Rohre mit einer verbesserten Schweißnaht von gleichmäßiger und dichter Beschaffenheit hergestellt werden. Zu diesem Zwec'!c wird gemäß der Erfindung zwischen den Elektroden und dem sich vorwärts bewegenden Werkstück ein besserer elektrischer Kontakt geschaffen, der die Widerstandsschwankungen des durch diesen Kontakt fließenden elektrischen Stromes ausgleich-Außerdem wird die Stromverteilung oder der Hauptweg des Stromflusses von Elektrode zu Elektrode in der Längsrichtung des Rohres verbreitert, so daß die normale und unvermeidliche Axialverschiebung des oben definierten Scheitelpunktes diesen nicht aus dem zur Erzeugung einer guten Schweißung ausreichenden Stromweg herauszubringen vermag. Auf diese Weise entsteht ein gegenüber den bekannten Ausführungsformen verbessertes Rohr, dessen Schweißnaht eine weitgehend gleichmäßige Beschaffenheit und eine Mindestzahl von schwachen Schweißstellen oder Fehlstellen aufweist. Diese und andere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung.
Fig. i zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Formen und Schweißen von Rohren aus Bandmaterial in Seitenansicht; Fig. 2 stellt einen vergrößerten Querschnitt durch die Schweißvorrichtung nach der Linie 2-2 von Fig. i dar (dieser zeigt die Elektroden und die Druckrollen mit einem eingeführten Rohr) Fig. 3, 4 und 5 zeigen zur Ausführung des neuen Verfahrens dienende Metallbänder ebenfalls im Querschnitt; Fig. 6 stellt wiederum einen vergrößerten Querschnitt durch die auf das Rohr aufgesetzten Elektroden dar; , Fig.7 zeigt schematisch die Kontaktflächen zwischen den Elektroden und dem Rohr sowie die Verteilung bzw. den Weg des Stromflusses durch das Metall nahe der Rohrnaht; Fig. 8 ist eine der Fig. 7 ähnliche Ansicht, die die Verschiebung des Scheitelpunktes des Kontaktes zwischen den Rohrlängskanten in der Bewegungsrichtung des Rohres erkennen läßt; Fig. 9 ist eine den Fig. 7 und 8 ähnliche Schema tische Ansicht, die zeigt, wie dieser Scheitelpunkt an eine Stelle vorgerückt ist, die noch vor der Kontaktfläche zwischen den Elektroden und den Rohr liegt; nach Fig. io liegt der Scheitelpunkt außerhalb des Hauptstromweges des zwischen den Elektroden fließenden Stromes.
Die Erfindung läßt sich zum Schweißen von Rohrnähten mit Wechsel- oder Gleichstrom ausführen. Der Einfachheit halber wird das Werkstück in folgendem mit Rohr bezeichnet und umfaßt damit alle Röhren und Leitungen der verschiedensten Größen. Das neue Verfahren kann beispielsweise mit einem Strom von i'/4 bis 4 Volt und 6o ooo bis 70 ooo Ampere durchgeführt werden. Dies sind jedoch nur beispielsweise Werte, die je nach den zur Verwendung kommenden Maschinen und Werkstoffen und den gewünschten Eigenschaften, Stärken und der Güte des fertigen \#lerk;-stücks geändert werden können.
Gemäß Fig. i wird ein auf eine Rolle i aufgespultes langes Band 2 in der Längsrichtung durch eine Vorrichtung 3 zum Formen von Rohren geführt. Letztere kann aus einer Anzahl von Rohr-Formrollen o. dgl. bestehen. Das in dieser Weise geformte Rohr geht dann durch eine aus Elektroden 4, 5 und Druckrollen 6, 7 bestehende Schweißvorrichtung (Fig.2). Die Längskanten des Bandes 2 werden in der Schweißvorrichtung gegeneinander gesperrt, und dabei geht der zwischen den Elektroden fließende Strom durch sie hindurch und erhitzt das Metall bis auf Schweißtemperatur, so daß sie miteinander vereinigt werden. Das Blechband 2 kann seinen Vorschub durch Treibrollen 8, 9 erhalten. Auch können alle oder nur einige Rollen der Vorrichtung 3 angetrieben werden, um den Vorschub des Bandes 2 zu unterstützen. Die Darstellung in Fig. i ist weitgehend schematisch gehalten und gibt keine Einzelheiten der Vorrichtung zum Formen der Rohre oder der Schweißvorrichtung oder der Treibrollen, da solche Vorrichtungen dem Fachmann allgemein bekannt sind.

Das neue Verfahren betrifft eine Behandlung des Bandmaterials zur Verbesserung des Verfahrens und besonders Verbesserungen des Übergangswiderstandes zwischen den Elektroden und dem Werkstück und außerdem die Stromverteilung im Stromfluß zwischen den Elektroden. Zu diesem Zweck ist das Band gemäß der Erfindung auf einer oder auf beiden Seiten mit einem Überzug oder einer Plattierung versehen, so daß die Elektroden den Kontakt mit diesem Überzug bzw. mit dieser Plattierung- herstellen. Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Band 2, das einen

Überzug t; auf seiner einen Seite trägt. Fig. -4

zeigt das Band 2 mit einem Überzug oder einer

Plattierung i .s auf der einen und einem Überzug

oder einer Plattierting ifi auf der anderen Seite.

Fig. 5 zeigt ein Band 2 rnit schmalen Überzugs-

streifen oder -plattierungen 17. :Aus den Fig. 2

und 6 ist zu ersehen, daß die Elektroden 4 und 5

nur auf verhältnismäßig schmalen, einander

"Zonen der aneinandergepreßten

Rolirlängskanten anliegen, und demgemäß, genüg!

es auch, wenn das Band 2 nur scliinale Überzugs-

oder Plattierungsstreifen trägt. Aus praktischen

Gründen inag es jedoch zweckmäßiger oder st)gar

notwendig sein, die eine oder sogar beide Seiten

des Bandes gemäß Fig. 3 und .I mit dem Überzug

zu versehen.

Dieser auf das Band aufgebrachte Überzug be-

steht aus einen Metall vorzugsweise hoher elek-

trischer Leitfähigkeit, (las außerdem trotz der üb-

lichen Schwankungen des Elektrodendrucks und

anderer bei derartigen Schweißverfahren auftreten-

der mechanischer Veränderlichungen einen im

wesentlichen gleichmäßigen elektrischen Übergangs-

widerstand mit den Elektroden gewährleistet. I@ie

Elektroden d. und ; bestehen im allgemeinen aus

Kupfer oder einem kupferhaltigen Metall. Ist dies

der Fall, so wird dementsprechend zwischen den

Elektroden und dein Rohr stets ein vollkommener

Kontakt von Kupfer zu Kupfer gebildet. Beirr

Schweigen von Stahlrohren hatte man bislang stets

einen Kontakt zivisclieri Kupferelektroden und

Stahl.

Die Schwztnkungen <ges Übergangswiderstandes

sind wahrscheinlich namentlich bei bestimmten

Stahllegierungen groß, z. 13. bei solchen, die Chrom

oder NIolvbdän enthalten und die einen dünnen.

aber dichten Legierungsflin auf der Oberfläche des

Stahls bilden. Solche Filtre verhindern. wenn sie

gut auf den Stahl aufgebracht sind, eine Oxydation

oder andere Beläge, die normalerweise auf Stählen,

insbesondere legierten Stählen, haften. Man kann

aber auch andere Überztigsmetalle verwenden, deren

elektrische Eigenschaften einen guten Kontakt mit

den Elektroden gewährleisten, wie z. B. Silber oder

Gold. Auf diese Weise werden die Widerstands-

schwankungen im Schweißstromkreis zwischen dem

Werkstück und den Elektroden auf ein Mindestmaß

beschränkt, was eine gleichmäßigere Stromstärke

im Schweißstromkreis ergibt, dessen einer Teil

durch die aneinander angelegten Rohrlängskanteri

gebildet wird.

Die Plattierungen bzw. der Überzug kann in ver -

schiedenerWeise auf dieBandunterlage aufgebracht

werden. Wichtig aber ist es, daß die Plattierung

oder der Überzug sehr gleichmäßig mit dem Band

verbunden und dadurch eine sehr gute und haupt-

sächlich gleichmäßige elektrische Leitfähigkeit zwi-

schen den miteinander vereinigten Teilen erzielt ist.

So kann die Plattierung bzw. der Überzug auf elek-

trischem Wege auf das Band aufgebracht werden.

Nach dem elektrischen Aufbringen kann das über-

zogene Band einer `'Wärmebehandlung unterworfen

werden, uni die Bindung; zwischen dem Cberzti`

bzw. der Plattierung und der Bandgrundlage zu er-

höhen. Ebenso kann der Metallüberzug durch ein

Wärmeverfahren auf das Band aufgebracht werden,

indem man beispielsweise das Band in ein Bad des

geschmolzenen Plattierungs- oder Überzugsinetall,

bringt. Ein anderes N` ärmeverfahren besteht darin.

tiaß man ein Gemisch aus Überzugs- oder Plattie-

rungsmetall in Pulverform mit einem geeigneten

Träger mischt, um davon eine pastenartige

Mischung herzustellen, die auf das Band auf-

getragen und dann erhitzt wird, so daß das

Pulver schmilzt und in Form eines Überzugs

bzw. einer I'lattierung zerfließt. Diese Er-

hitzung kann in einer reduzierenden Atmosphäre

durchgeführt werden. In manchen Fällen kann es

notwendig sein, die Bandoberfläche vor dem Auf-

bringen des tTlierzttgs zu beizen, zu ätzen oder mit

einem Sandstrahlgebläse oder in anderer Weise zu

behandeln. Das Cberzugsinetall kann auch durch

-Ietallspritzverfahren auf das Band oder auf be-

stimmte Stellen davon aufgebracht werden, wobei

das 'Metall auf eine gut vorbereitete Oberfläche auf-

gespritzt wird. Derartige Verfahren sind dem Fach-

niann bekannt. Da der Überzug bzw. die Plat

tierurig in erster Linie zur Herstellung des elek-

trischen Kontakts mit den Elektroden dienen soll,

so braucht er nicht besonders stark zu sein. Tat-

sächlich wird auch ein dünner Überzug bzw. eine

diinne Plattierung bevorzugt, so daß kein Metall-

überschuß vorhanden ist, der beim Schmelzen des

der Schweißnaht benachbarten Überzugs bzw. der

Plattierung in die Schweißnaht fließen könnte. Bei-

spielsweise kann man 20 g (o,75 Unzen) Überzugs-

inaterial auf i <lni (square foot) des Grundmetalls

aufbringen. Im allgemeinen ist es nicht wünschens-

wert, daß die aneinanderliegenden Längskanten des

Metallbandes. wo die Schweißnaht entsteht, Über-

zugsmetall tragen, weil sich dieses mit dem Band

nietall legieren und dadurch der Schweiße uner-

wünschte Eigenschaften verleihen kann. Ebenso

könnte es während des Schweißausganges ver-

brennen oder verzundern. Sollten deshalb die

Längsränder des Bandes beim Aufbringen des

Überztigsmetalls von diesem bedeckt worden sein.

so wäre es zweckmäßig, einen solchen Randiiberzw;

wieder zu entfernen. Dies kann man beispiels-

weise vor dem eigentlichen SchNveißvorgang mittels

Schneide- oder Schleifwerkzeugen durchführen. Ist

<las Überzugsmetall auf breite Bänder aufgebracht,

die anschließend auf eine bestimmte Breite ge-

bracht, z. B. geschnitten werden müssen, so kann

die Notwendigkeit, das Überzugsmetall von den

Schnittkanten zu entfernen, entfallen.

Die elektrische Leitfähigkeit des Überzugsmetalls

dient auch dem Zweck, eine bessere Verteilung des

elektrischen Stromes zwischen den Elektroden zu

erreichen, wie dies schematisch in den Fig. 7 bis 9

dargestellt ist. In Fig. 7 ist die Kontaktfläche zwi-

schen dem Werkstück und den Elektroden mit .Ia

und ;" bezeichnet. Theoretisch bildet dieser Kon-

takt nur eine Linie, aber während der Einwirkung

des I>rtickes breitet er sich in der Rohrlängsrich-

tung etwa gemäß der Darstellung in Fig. 7 aus.

1 )er %\"eg des Schweißstromes zwischen den Elektroden ist in Fig.7 durch Flußlinien, und zwar gegenüber den tatsächlichen Kontaktflächen etwas axial versetzt dargestellt. Wenn das Überzugsmetall eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist als das überzogene Metallband, so wird sich der elektrische Strom in axialer Richtung des Rohres ausdehnen. Fig. 7 läßt außerdem erkennen, wie die Längskanten des zu schweißenden Rohres in der Schweißvorrichtung zusammenkommen und sich in dem vorspringenden Scheitelpunkt 21 Vereinigen. Gemäß Fig. 7 liegt dieser Punkt zwischen den Kontaktflächen, und dies gewährleistet eine gute Schweißung. Wandert der Scheitelpunkt weiter nach vorn oder zurück, so kann die Schweißun trotzdem gut bleiben, sofern dieser Punkt innerhalb eines Hauptflusses des elektrischen Stromkreises bleibt. Eine gute Schweißung wird beispielsweise so lange erreicht, als der Scheitelpunkt nicht außerhalb der durch die Linien 22, 23 gekennzeichneten Grenzen fällt, wo ein für das Schweißen ausreichender Strom zur Verfügung steht. Wie weiter oben bereits erwähnt wurde, verschiebt sich die tatsächliche Lage des Scheitelpunktes. Sie kann mit dem Vorschub des Metallbandes bzw. Rohres in Achsrichtung des Rohres vor- und zurückwandern. Dies kann von den unvermeidlichen Toleranzen in der Dicke und Breite des Metallbandes-abhängen. So ist beispielsweise in Fig. 8 gezeigt, daß der Scheitelpunkt bis außerhalb der tatsächlichen Kontaktfläche zwischen den Elektroden und dem Rohr voraus gewandert ist, aber er liegt immer noch innerhalb der durch die Linie 23 angegebenen zu.-lässigen Grenzen.. Gemäß Fig.9 ist der Scheitelpunkt zurückgewandert, jedoch befindet er sich noch in einem zum Schweißen ausreichenden Stromweg. In Fig. io ist der Stromweg zwischen den Elektroden gezeigt, wie er entsteht, wenn das Metallband nicht mit einem Metallüberzug versehen ist. Daraus läßt sich erkennen, daß unter diesen Verhältnissen der zum Schweißen ausreichende Stromweg schmaler ist. Dementsprechend geht der Schweißstrom bei der gezeichneten Lage des Scheitelpunktes erst dann durch die Rohrlängskanten, nachdem diese im Scheitelpunkt bereits zusammengetroffen sind. Verschiebt sich der Scheitelpunkt so weit nach vorn, wie dies- in Fig. 8 gezeigt ist, so wird der elektrische Strom den Seiten des Rohres zugeführt, bevor dessen Längskanten sich berühren. Das hat zur Folge, daß ein großer Teil des Stromes rund um den Rohrkörper herum, nicht aber durch dessen Längsnaht hindurchgeht. Folglich kann man bei Verwendung einer stromleitenden Überzugsschicht, namentlich, wenn diese sehr gut leitend ist, gleichmäßige Verhältnisse über die ganze Länge der Schweißnaht erzielen, selbst wenn der Scheitelpunkt wandert.

Die Verwendung einer ÜberAgsschicht, die keine größere elektrische Leitfähigkeit aufweist als das Metallband, fällt in den Rahmen der Erfindung. Eine solche Metallschicht kann einen im wesentlichen gleichmäßigen Übergangswiderstand zwischen den Schweißelektroden und dem Band bewirken und somit die Vorteile sichern, die aus den gleichmäßigeren Bedingungen im Stromkreis resultieren. Hat jedoch das Überzugsmetall eine höhere elektrische Leitfähigkeit als das zu überziehende Metallband, so wird eine Ausbreitung des Stromflusses zwischen den Elektroden in der Rohrlängsrichtung erzielt, und dadurch werden die oben beschriebenen zusätzlichen Vorteile erreicht.
Das Überzugsmetall soll nicht als Bindemittel o. dgl. für die Schweißnaht dienen. Es bedeckt die gegeneinanderstoßenden Rohrlängskanten nicht so weit und dringt nicht in einem solchen Umfang in die Schweißnaht ein, daß es die Schweiße selbst wesentlich beeinflussen könnte. Es kann sein, daß die Stromverteilung zwischen den Elektroden gewisse Energieverluste mitbringen kann, die eine Herabsetzung des elektrischen Wirkungsgrades des Schweißverfahrens, bezogen auf die Längseinheit des geschweißten Rohres, bedingen. Dies ist aber mit Rücksicht auf die Erzielung gleichmäßigerer Schweißeigenschaften auf der Gesamtlänge der Schweißnaht bedeutungslos, da nunmehr jener Rohranteil verringert ist, der durch eine oder mehrere Fehlstellen in der Schweiße ausgeschieden werden muß.

Claims

PATENTA\SPRCCIIE: i. Metallband zur Herstellung geschweißter Rohre, die aus diesem Band zunächst in einer Biegevorrichtung geformt und nach dem Zusammenlegen seiner Längskanten durch eine Widerstandsschweißvorrichtung geführt werden, deren Elektroden auf dem Rohr beiderseits der Längsnaht anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß das z. B. aus Stahl bestehende Band auf seiner einen oder auf beiden Seiten ganz oder nur an den Anlageflächen der Elektroden mit einem überzugsmetall versehen ist, das einen im wesentlichen gleichmäßigen Übergangswiderstand gewährleistet.
2. Metallband nach Anspruch i, gekennzeichnet durch ein Überzugsmetall, dessen elektrische Leitfähigkeit höher ist als jene des Metallbandes und dadurch den Stromfluß zwischen .den Elektroden verbreitert.
3. Metallband nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es unter dem überzugsmetall gebeizt, geätzt, mit einem Sandstrahlgebläse oder in anderer Weise bearbeitet ist, di!= ein gutes Haften des Überzugsmetalls gewährleistet.
4. Metallband nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallüberzug; aus dem gleichen oder einem ähnlichen Material wie die Elektroden, beispielsweise aus Kupfer, besteht.
5. Metallband nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in den an die Schweißnaht grenzenden Randzonen frei von Überzugsmetall ist.
6. Metallband nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugsmetall durch Plattieren, Spritzest oder Galvanisieren auf (las Band aufgetragen und daß seine Bindung mit dem Band durch eine nachträgliche Wärmebehandlung verbessert ist.
7. Metallband nach eirein der Ansprüche i bis 3. dadurch gekeiitizeichnet, daß das Ü berzugsinetall in Forin eines beispielsweise mit einem Träger gemischten Pulvers, gegebenenfalls in Pastenform, auf das Band aufgetragen und dann durch eine Wärmebehandlung, evtl. in einer reduzierenden Atmosphäre, finit diesem vereinigt wird. B. Metallband nach eitlem der Ansprüche i bis 5, dadurch gekennzeichnet. daß das Band durch Tauchen in ein Schmelzbad des Ülterzug,-inetalls mit dieseln überzogen wird. (). Metallband nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Überzugsmetall von solchen elektrischen Eigenschaften und einer solchen Anordnung, daß es cincis Stromübergang zwischen den Elektroden über (las Werkstück von einer Breite gewährleiste=, da!') der Scheitelpunkt der zu erzeugenden Schweißnaht mit Sicherheit in einen zur Schweißung ausreichenden Stromfluß fällt. io. Metallband nach einetn der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß et« a =o g (0,7-5 Unzen) des Überzugimetalls auf i dir (i s<luare Foot) des Metallbandes aufgebracht sind.