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Anordnung zum induktiven Stumpfschweißen von metallischen Werkstücken
Nach einem vorbekannten Vorschlag kann beim Stumpfschweißen metallischer Werkstücke
die Schweißstelle induktiv vorgewärmt und anschließend das Verschweißen im unmittelbaren
Stromdurchgang vorgenommen werden. Die dazu benötigten Einrichtungen arbeiten für
das induktive Vorwärmen mit Heizleiterschleifen oder Spulen, die unmittelbar oder
unter Zwischenschaltung eines Transformators an die Stromquelle höherer Frequenz
angeschlossen sind. Das Vorwärmen der Schweißstelle durch induktives Beheizen wird
mit einem Strom höherer als normaler Frequenz durchgeführt, und anschließend wird
im unmittelbaren Stromdurchgang mit einem Strom gleicher Stärke und gleicher Frequenz
geschweißt, der den beiden zu verschweißenden Werkstücken zugeleitet wird. Der Induktor,
meist eine Heizleiterschleife, und die Klemmen für den unmittelbaren Stromdurchgang
können hierbei entweder in vollkommen getrennten Stromkreisen liegen, oder aber
der Induktor kann zu den Anschlußklemmen, die den Werkstücken den eigentlichen Schweißstrom
zuführen, parallel geschaltet sein. Sobald das induktive Vorwärmen beendet ist,
wird der Induktor herausgeklappt, die Werkstückenden werden zusammengeführt, und
nunmehr fließt der Strom unmittelbar im Werkstück, so daß an der übergangssteile
das Verschweißen eintritt.
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Diese Einrichtungen haben jedoch gewisse betriebstechnische Nachteile.
Bei der erstgenannten Einrichtung sind zwei völlig getrennte Stromkreise vorhanden
und damit zwei getrennte Transformatonen,
von denen der eine für
das eigentliche Schweißen mit einer niedrigeren Frequenz und der andere zum Vorwärmen
mit einer höheren Frequenz gespeist wird. Da im allgemeinen der Strom mit der niederen
Frequenz über den Schweißtransformator dem Werkstück einphasig zugeführt wird, treten
in dem Versorgungsnetz, namentlich bei größeren Schweißaggregaten, äußerst ungleichmäßige
Belastungen auf. Außerdem ist bekanntlich der Leistungsfaktor solcher Schweißapparate
ungünstig, wodurch weitere Schwierigkeiten im Versorgungsnetz eintreten. Es ist
zwar bekannt, durch Spezialschaltungen an diesen Schweißtransformatoren eine gleichmäßige
Belastung des speisenden Netzes herbeizuführen, jedoch haben bisher diese Kunstschaltungen
nicht zum vollen Erfolg geführt.
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Bei der zweiten Einrichtung, die für das Vorwärmen und für das anschließende
Verschweißen Strom gleicher Frequenz verwendet, ergibt sich zwar der Vorteil, daß
eine gleichmäßige Belastung des speisenden Niederfrequenznetzes infolge der Zwischenschaltung
des Motorgenerators des Röhren- oder Funkstreckensenders gegeben und nur ein Transformator
erforderlich ist. Schweißtechnisch ergeben sich jedoch gewisse Schwierigkeiten,
-da infolge der magnetischen Blaswirkung die beim Schweißen entstehenden Lichtbögen
die Neigung haben, nur an den Außenkanten der zu verschweißenden Flächen zu brennen.
Hierdurch wird das erforderliche Abbrennen der Schlacke und das Herausschleudern
dieser Oxydteile nur in unvollkommenem Maße erreicht.
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Um den genannten Übelständen beim Stumpfschweißen metallischer Werkstücke
unter induktivem Vorwärmen der zu verschweißenden Flächen und anschließendem Verschweißen
im unmittelbaren Stromdurchgang abzuhelfen, wird gemäß der Erfindung eine Anordnung
vorgeschlagen, bei welcher zwischen Stromquelle und Heizeinrichtungen ein Transformator
eingeschaltet ist, der mit an sich bekannten primärseitigen Anzapfstellen zur Beeinflussung
der sekundärseitigen Spannungen unterschiedlicher Frequenz ausgerüstet ist und für
das induktive Vorwärmen mit einem Strom höherer, für das Schweißen im unmittelbaren
Stromdurchgang mit einem Strom niederer Frequenz beaufschlagt wird.
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Die Abb. i zeigt schematisch die Anordnung und die dazu gehörige Schaltung.
Es sollen die beiden Werkstücke i und a an ihren Stirnflächen miteinander verschweißt
werden. Es kann sich hierbei um Werkstücke mit beliebigem Querschnitt, also Stangen,
Rohre, Schienen od. dgl., handeln. Zum Vorwärmen wird zwischen die beiden zu verschweißenden
Flächen der Heizinduktor 3 angeordnet. Dieser kann die Form eines Mäanders, einer
Flachspirale oder einer Rundspule aufweisen, die sich in bezug auf die Stirnflächen
über der Werkstückoberfläche schließt und mithin eine Leiterschleife darstellt.
Er kann mit geeigneten Blechjochen versehen werden, um die beiden aufzuheizenden
Stirnflächen während des Vorwärmvorganges gleichmäßig zu beaufschlagen. Der Induktor
ist angeschlossen an die Sekundärwicklung q. eines Transformators, der mit einem
Eisenkern 5 und der Primärwicklung 6 versehen ist und der beispielsweise die Form
eines Schweißtransformators aufweist. Die Primärseite dieses Transformators wird
an den Klemmen 9' und 9" mit einem Strom höherer Frequenz, wie bei 8 angedeutet,
gespeist, der dem induktiven Vorwärmen mit dem Induktor dient, Nach Beendigung des
Vorwärmvorganges wird über einen nicht dargestellten Schalter der Strom höherer
Frequenz abgeschaltet, und es wird der Primärseite des Transformators ein Strom
niederer Frequenz, wie bei 9 angedeutet, zugeführt.
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Dieser Strom niederer Frequenz dient dem Schweißvorgang selbst. Über
die Kontaktklemmbacken io und io' wird-dieser Strom den an ihren Stirnenden hocherhitzten
Werkstücken zugeführt, worauf sich der übliche Schweißvorgang abspielt, nachdem
der Induktor 3 aus der Berührungsebene der Werkstücke i und :2 herausgeklappt worden
ist. Während dieses Schweißens kann der Induktor 3 abgeschaltet werden, oder es
kann dafür Sorge getragen sein, daß der Gesamtwiderstand der Schweißstrecke, verglichen
mit dem Gesamtwiderstand des Induktors 3, so klein bemessen ist, daß die durch den
Induktor 3 fließenden Ströme beim Schweißvorgang geringstmögliche Werte annehmen.
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Je nach der Form und der Größe des zu verschweißenden O_uerschnittes
sowie nach den verwendeten Frequenzen wird die Sekundärspannung des Transformators
für das Vorwärmen und für das Schweißen in verschiedener Höhe benötigt. Um die Höhe
dieser Sekundärspannung beeinflussen und gegebenenfalls regeln zu können, kann die
Primärseite des Schweißtransformators mit Anzapfungen versehen sein. So kann beispielsweise
die für das Vorwärmen im allgemeinen am Induktor erforderliche höhere Sekundärspannung
dadurch erzielt werden, daß der höhenfrequente Strom 8 den Klemmen g' und 7 bzw.
9' und 7' zugeführt wird. Bei der elektrischen Auslegung des Schweißtransformators
ist darauf zu achten, daß sich ein guter Wirkungsgrad für beide Stromfrequenzen
ergibt.. Hierzu wird von der an sich bekannten elektrotechnischen Maßnahme für die
Auslegung der Primär- und Sekundärwicklungen sowie für die Bemessung des Transformatorkerns
Gebrauch gemacht. Außerdem kann das Spannungsverhältnis des höhenfrequenten und
niederfrequenten Primärstromes gegeneinander so bemessen werden, daß sich für beide
Stromarten eine optimale Ausnutzung des Transformators ergibt.
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Die schematisch in Abb. i dargestellte beispielsweise Ausführungsform
bringt den wesentlichen Vorteil mit sich, daß nur ein Transformator für das zeitlich
aufeinanderfolgende Vorwärmen und Verschweißen erforderlich ist. Hierdurch ergeben
sich nicht nur erhebliche Ersparnisse beim Bau entsprechender Schweißmaschinen,
sondern es entfallen auch alle räumlichen Schwierigkeiten für die Anordnung des
sonst erforderlichen zweiten Transformators. Auf diese Weise ist für das Vorwärmen
eine
völlig gleichmäßige , Phasenbelastung des speisenden Netzes gegeben. Stromstöße
treten beim induktiven Vorwärmen praktisch nicht auf, sind aber jedenfalls geringer
als beim bekannten Vorwärmen, bei welchem die Werkstückenden im unmittelbaren Stromdurchgang
liegend wiederholt gegeneinander geführt und zur Bildung wärmender Lichtbögen wieder
auseinandergezogen werden. Der Transformator braucht daher nur für die beim Verschweißen
im unmittelbaren Stromdurchgang auftretenden Leistungsspitzen ausgelegt zu sein,
die ihrerseits geringer sind als die Spitzen, die bei dein sonst üblichen Vorwärmen
im unmittelbaren Stromdurchgang entstehen. Der gemeinsame Transformator kann daher
wesentlich kleiner bemessen sein, als dies auf Grund der Erfahrung zu erwarten war,
und außerdem sind aus den oben geschilderten Gründen die einphasigen Netzbelastungen
ebenfalls wesentlich geringer als bei anderen Anordnungen. Es können daher mit Transformatoren
einer bestimmten Durchgangsleistung erheblich größere Querschnitte geschweißt werden,
als dies bisher möglich war.
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Besonders günstige Bedingungen ergeben sich dann, wenn die Anordnung
unter Anwendung eines Frequenzverhältnisses zwischen Vorwärm- und Schweißstrom von
beispielsweise 2ooo :5o betrieben wird. Noch günstiger ist es indes, wenn die Frequenz
für den Schweißstrom auf geringere Werte gesenkt wird, beispielsweise zwischen 5
und 20 Per/Sek. Erfahrungsgemäß wird es hierdurch möglich, auch große Querschnitte
einwandfrei zu verschweißen. Das Vorwärmen kann beispielsweise mit Frequenzen von
ioo bis 2o ooo- Hz erfolgen. Es kann jedoch auch in manchen Fällen zweckmäßig sein,
das Vorwärmen mit einer Frequenz von iooo Hz und das eigentliche Schweißen mit einer
solchen von 3oo Hz durchzuführen.
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Die Wahl der geeigneten Frequenzen richtet sich dabei nach der Werkstückzusammensetzung
der zu schweißenden Werkstücke und nach der Größe und Form der Querschnitte sowie
der Art der Werkstücke.
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In den Abb. 2 bis-4 ist die Schaltung eines Transformators für das
Stumpfschweißen von langgestreckten Werkstücken, beispielsweise von Rohren mit zuvorigem
induktivem Aufheizen dargestellt, und zwar für die Anwendung eines Stromes von 2ooo
Hz für das induktive Vorwärmen und von 5o Hz für den endgültigen Schweißvorgang.
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Über die Anschlüsse 21 und das Schütz 22 wird der Primärwicklung 23
des Transformators 24 der Strom mit 2ooo Hz zugeführt. Von der Sekundärwicklung
25 wird der Strom abgenommen und dem Induktor 26 zugeleitet, der das Vorwärmen der
zu schweißenden Stoßstellen übernimmt. Während dieses Abschnittes des Verfahrens
ist das Schütz 27 abgeschaltet. Wenn die Vorwärmung beendet ist, wird das Schütz
22 ausgeschaltet und das Schütz 27 eingerückt, so daß nunmehr ein Dreiphasenstrom
mit 5o Hz über die Anschlüsse 28 der Primärwicklung 23 des Transformators 24 zugeführt
wird. Von der Sekundärwicklung 25 wird der Strom über Anschlußschellen den beiden
zu verschweißenden Werkstücken 29 zugeführt.
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Bei diesem Schweißvorgang sind die Primärwicklung 23 und die Sekundärwicklung
25 so geschaltet, wie dies aus Abb. 3 ersichtlich ist, während bei dem Vorwärmvorgang
die Schaltung von Primärwicklung 23 und Sekundärwicklung 25 so erfolgt, wie in Abb.
q. gezeigt.