NO164583B - Anordning ved induksjonsoppvarming. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for induksjonsoppvarming, spesielt for buttsveising av to hovedsakelig rør- eller boltformede elementer av metall som er anordnet nær hverandre langs hovedsakelig samme senterakse, og som ved sine sveisekanter danner en smal, åpen spalte eller fuge som holdes tilnærmet konstant under oppvarmingsfasen, idet den smale spalte lukkes i én operasjon ved stuksveising av de til sveisetemperatur oppvarmede sveisekanter.

I forbindelse med buttsveising av rør- og stangformede gjenstander av metall- er det tidligere foreslått såvel høyfrekvent motstandsoppvarming som induksjonsoppvarming .

En spesiell form for motstandsoppvarming er omtalt i

norsk patentsøknad nr. 850049, og denne har i praksis vist seg effektiv og hensiktsmessig i forbindelse med sveising av rørelementer med diameter opp til 16".

Det trengs da en høyfrekvensgenerator med en effekt på

ca. 300 kW og en frekvens på ca. 20.000 Hz. Ved stør-

re rørdiametre, f.eks. i området 42" og rørtykkelser på 1-1 1/4" vil det imidlertid kreves en høyfrekvens-generator på ca. 800 kW. Ved større, kontinuerlige sveiseoperasjoner, f.eks. ved sammensveising av rør-elementer til lange rørledninger, vil det være påkrev-

et med en ekstra høyfrekvensgenerator som tjener som reserve i fall den ene generator skulle svikte eller må repareres. Slike høyfrekvensgeneratorer er meget kostbare og vil derfor utgjøre hovedinvesteringen ved et høyfrekvensmotstandsveisesystem.

Videre er det fra norsk patentsøknad 833729 kjent en fremgangsmåte for sammenføyning av deler av metall ved smisveising, hvor delene forut for smisveisingeh opp-varmes ved hjelp av en induksjonsspole. Av hensyn til rasjonell sammensveising er det meget viktig at oppvarmingen blir mest mulig lokalisert til fugeområdet.

Dersom varmen tillates å bre seg for langt fra fugen,

tar oppvarmingen lengre tid, elementenes knekkstyrke re-duseres under smisveisingen, den gunstige triaksiale spen-ningstilstand blir redusert og nødvendigheten av varmebe-handling etter fullført sveising øker.

Til grunn for den foreliggende oppfinnelse ligger den oppgave å gi anvisning på en anordning for buttsveising av rør, som bygger på induksjonsoppvarming, og som er adskillig rimeligere å fremskaffe enn anlegg som omfatter dyre høyfrekvensgeneratorer. Samtidig tas der sikte på en anordning ved induksjonsoppvarming som ikke er beheftet med de ulemper som tidligere systemer ved induksjonsoppvarming er beheftet med, f.eks. at induksjonsspolen må plasseres så nær inntil fugen at oppvarmingen bare skjer der, noe som er viktig for å oppnå en konsentrert varmesone i området for fugen.

Fra GB 2 001 891 er der kjent U-formede enkeltblikk, men her brukt i forbindelse med sveising av skinner med "ikke-regulært" tverrsnitt, f.eks. for tog, samtidig som der foreslås en frekvensomformer som kan gi ut to forskjellige frekvenser, en første frekvens i området 1 eller 3 kHz, som man benytter for oppvarming av de massive seksjoner av delene, hvoretter man i en annen periode benytter en annen frekvens i området 3 eller 9-10 kHz. Den sist-nevnte høyere frekvens, opptil 10 kHz, er tenkt å benyttes i forbindelse, med de tynnere seksjoner av skin-nene for således å bringe de to endepartier opp til sveisetemperatur for det metall som delene består av. Følgelig vil en fagmann ved gjennomlesning av GB

2 001 891 ikke kunne finne anvisning på den foreliggende induksjonsoppvarmingsteknikk, nemlig en teknikk som bygger på forsyning til induksjonsspolen fra et van-lig forsyningsnett, nemlig med en spenning i frekvensområdet 50 - 60 Hz. En direkte tilkobling til et forsyningsnett kan også være fra en vekselstrømgenerator, som kan avgi én spenning i frekvensområde 50 - 5000 Hz, men også her uten fordyrende mellomliggende frekvensomform-ere, slik tilfellet er ved teknikken ifølge GB 2 001 891, og teknikken i det nedenfor omtalte US-patentskrift 3 031 554.

Fra GB 2 001 891 er det riktignok slik at det ved omtal-en av den kjente teknikk i denne publikasjon blir nevnt en induktor med én eneste vikling som mates med 2.000 Hz vekselstrøm levert fra for eksempel en generator, men det sies intet om i hvilken forbindelse denne frekvens og induktor blir brukt i sveisesammenheng.

Imidlertid går oppfinnelsen ifølge GB 2 001 891 ut på

en sveiseteknikk som innebærer ikke bare bruken av en frekvensomformer som kan gi ut to forskjellige frekvenser, en første frekvens i området 1 eller 3 kHz, og en annen frekvens i området 3 eller 9-10 kHz, men som også foreskriver at der under den innledende sveisepro-sess påtrykkes et begynnelses-trykk på de gjenstander som skal sveises, nemlig .ved hjelp av trykkutøvende organer. Følgelig er det.her ikke tale om rør eller boltformede elementer som.ved.sine sveisekanter danner en åpen smal spalte eller;; fuge som holdes tilnærmet konstant under oppvamingsfasen,: men om gjenstander som presses tett inntil hverandre under den innledende oppvarmingsfase, og som.deretter presses ytterligere sammen ved hjelp av et sveisetrykk som er 3-6 ganger høyere enn det innledende sammenpresningstrykk.

Selv om det ifølge GB 2 001 891 er foreslått U-formede enkeltblikk , gir denne publikasjon anvisning på en helt annen sveiseteknikk enn den som er foreslått i-følge den foreliggende oppfinnelse, hvilken foreliggende oppfinnelse utelukker bruken av frekvensomformer og således gir anvisning på rimelig sveiseutstyr selv ved sveiseoperasjoner som krever 1000 kW, idet en spole som skal levere denne wattstyrke vil koste i størrel-sesorden 200.000 kr, mens en frekvensomformer for denne effekt vil koste i størrelsesorden 4-5 millioner kroner.

Videre gir GB 2 001 891 på side 1, linje 115-125 anvisning på å avvike fra det å bruke midlere frekvens-strøm-mer (1-10 kHz) sammen med U-formede lamineringer, idet det menes at den tidligere kjente teknikk ville begrense materialdybden som blir oppvarmet, et forhold som gir anvisning på en teknikk som distanserer seg ytterligere fra den kombinasjon av trekk som den foreliggende oppfinnelse foreslår, og som tar sikte på å gi så smal varmesone som mulig, for derved å oppnå høye triaksi-

ale spenninger under smiingen.

Heller ikke gir GB 2 001 891 anvisning på sveiseflater som er tildannet med skrå flater for dannelse av en tilnærmet innvendig V-form, noe som ytterligere hensiktsmessig i forbindelse med en smal oppvarmingssone i u-middelbar nærhet av den tilnærmet konstante, åpne spalte som under oppvarmingsfasen foreligger mellom de to gjenstander som skal sammensveises.

US-patentskrift 3 031 554 vedrører høyfrekvensinduksjons-oppvarming, idet der er angitt et eksempelvis område på 10.000 Hz, hvilket er til forskjell fra den foreliggende induksjonsoppvarming som blir foreslått i et frekvensområde ca. 50 - 1000 Hz.

Ifølge nevnte patentskrift foreslås der som fluks-konsentrerende organer 60 - 60' halvsirkelformede, kompakte deler som er fylt med små partikler, hvilket er til forskjell fra de U-formede enkeltblikk i kransform, som er foreslått i henhold til den foreliggende anordning.

Fra US-patentskrift 3 178 549 er der kjent bruken av en induksjonsspole med flere viklinger, men ikke i kombinasjon med fluks-konsentrerende organer, hvilket innebærer at fagmannen ikke vil kunne finne anvisning på

den kombinasjon av trekk som er foreslått i den foreliggende oppfinnelse.

US-patentskrift 1 915 047 omtaler induksjonssveising ved en frekvens på for eksempel 60 Hz, idet en slik frekvens kan benyttes sammen med en fysisk magnetisk krets. Imidlertid gir nevnte patentskrift kun anvisning på sammensveising av kantene av metallplater, og langsgående kant-er i et sammenrullet rør-emne. Kantene som skal sammensveises forløper således i rørets lengderetning, og har en overlappende form, før de ved hjelp av en spredebolt presses fra hverandre for kontinuerlig dannelse av en V-formet langsgående spalte, som passerer selve induk-sjonsinnretning. Med andre ord er det her tale om en sveiseteknikk hvor den gjenstand,som skal sveises, her et sammenrullet rør-emne som skal påføres en langsgående sveisesøm, føres kontinuerlig forbi selve sveiseinn-retningen, hvilket er til forskjell fra den foreliggende teknikk hvor de to elementer er anordnet nær hverandre med en tilnærmet konstant spalte under oppvarmingsfasen. Ifølge US 1 915 047 er det således tale om en kontinuerlig foranderlig spalte som dessuten ikke befinner seg på tverrendene av de elementer som skal sammensveises, dvs. en stadig foranderlig langsgående spalte som ved passering forbi sveiseinnretning-en presses kontinuerlig sammen ved hjelp av den ibo-ende ettergivenhet i selve rør-emnet, dvs. den sammen-rullede plate som skal utgjøre det ferdig sveisede rør etter sveiseprosessens avslutning.

Ifølge US 1 915 047 blir det videre foreslått ikke ba-re en ytre spole, men også en indre spole, noe som ytterligere indikerer et fravik fra det som foreslås

i henhold til den foreliggende oppfinnelse, idet en indre spole ville komplisere den foreliggende prosess,

spesielt med hensyn til sammensveising av rør- eller boltformede elementer, hvor det indre hulrom av de rør-formede elementer fortrinnsvis bør gi adgang for. til-førsel, av red^serendé gass under oppvarmings/svexseope-rasjonen, for derved å fremskaffe en mindre oksyda-sjonspåvirket sveis som gir større endelig sveise-

styrke.

Forøvrig gir heller ikke US-patentskrift 1 915 047 anvisning på U-formede blikk som er anordnet i en krans rundt lav/mellomfrekvensspolen og rundt den under oppvarmingsfasen tilnærmet konstante smale spalte mellom sveisekantene på de elementer som skal sammensveises. Heller ikke gir US-patentskrift 1 915 047 anvisning på sveiseflater som har en tilnærmet innoverrettet V-form, dvs.

en V-form sett i et snitt tatt langs elementenes lengderetning. Ifølge US-patentskrift 1 915 047 kan man riktignok tale om en v-formet spalte, men dette har intet med selve formen av sveiseflåtene å gjøre, idet US-patentskrift 1 915 047 foreslår rett avkappede sveiseflater som dessuten under oppvarmingsfasen ikke hold-

es konstant, men har et stadig varierende avstands-forhold.

Den sveiseteknikk som er angitt i US-patentskrift

1 915 047, vil kunne være anvendelig i forbindelse med sammensveising av vannrør av stål på langs, idet material-tykkelsen her er begrenset til 2-4 mm ved rørdiametre på 3/4" - 2", men erfaring viser at slike langsgående sveis-er vil lett kunne briste eller sprekke dersom det sammen-sveisede rør utsettes for bøyepåkjenninger. Dette forhold blir ytterligere forverret fordi sveisingen vanlig-vis foregår i luft, hvilket innebærer oksydasjonspro-blemer.

Ved en anordning av den innledningsvis angitte art, er denne ifølge oppfinnelsen karakterisert ved følgende kombinasjon av trekk: a) en rundt den åpne, men smale spalte anordnet spole er innrettet for påtrykking av en spenning direkte

fra en nettfrekvens i frekvensområdet ca. 50-60 Hz, eventuelt direkte fra en generator med frekvens opp til 1.000 Hz,

b) en rundt spolen anordnet kapsling av ferro-magnetisk materiale omfatter en flerhet av hovedsakelig symmetriske U-formede enkeltblikk anordnet i en krans rundt spolen for å styre det elektromagnetiske felt til området for de sveisekanter som danner den smale, åpne sveisefuge,

c) et redusert materialtverrsnitt i fugeområdet i form av for eksempel skrå sveiseflater er tildannet med

en tilnærmet V-form med spissen innoverrettet,

d) idet der oppnås en indusert strøm konsentrert

til de reduserte, stasjonære sveiseflater for å bringe

disse raskt opp til ønsket sveisetemperatur.

Et ytterligere trekk ved den foreliggende anordning går ut på at spolen omfatter fra 1-40 vindinger, fortrinnsvis 5-10 vindinger, og at vindingene er anordnet i parallellkoblede sett rundt spalten, og hensiktsmessig har vindingene et hult tverrsnitt for kjøling av disse,

for eksempel med vann.

I tillegg kan den magnetiske kapsling ved de partier

som ligger nærmest;elementene som skal sammensveises og den mellomliggende smale spalte, være forsynt med en tetningsleppe for under bruk å omslutte spalteområdet sammen med andre tetningsorganer, for dannelse av et rom som kan gjennomspyles med reduserende gass under oppvarmingen.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli beskrevet nærmere under henvisning til tegninger som viser skjematiske utførelseseksempler på anordning ifølge oppfinnelsen. Fig. 1 er et skjematisk snitt gjennom en utførelses-form for anordning ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 og 3.er grafiske fremstillinger over utviklet effekt ved forskjellige punkter i fugen under oppvarm-ings fasen. Fig. 4 er et grunnriss av anordningen vist på fig. 1. Fig..5 viser i større målestokk et skjematisk utsnitt av en variant av anordningen ifølge oppfinnelsen. Fig. 5a viser utsnitt av en ytterligere variant av anordningen ifølge oppfinnelsen.

På fig. 1 er der vist to rørdeler 11 og 12 som er slik sammenstilt at der dannes en fuge 13 mellom dem. Fugen 13 er begrenset av fugeflater 14 og 15 på henholdsvis rørdelen 13 og 15.

Rundt området for fugen 13 er der anordnet en induksjonsspole 16 som kan være tilknyttet et ikke vist forsyningsnett med en spenning i frekvensområdet 50-60 Hz. Alternativt kan spolen 16 være tilknyttet en veksel-strømsgenerator som avgir en spenning i frekvensområdet 50-5000 Hz.

Rundt induksjonsspolen 16 er der anordnet en kapsling

17 av ferromagnetisk materiale som tjener til å styre det elektromagnetiske felt til området for sveisefugen 13..

Den magnetiske kapsling 17 omfatter hensiktsmessig en flerhet av hovedsakelig U-formede enkeltblikk som er anordnet i en krans rundt lavfrekvensspolen 16.

Hensiktsmessig er de U-formede enkeltblikk anordnet

i to halvsirkler som er leddet sammen for å kunne åpnes og lukkes rundt spolen, slik dette fremgår av fig. 4.

På fig. 5 er der vist en alternativ utførelsesform

for anordningen ifølge oppfinnelsen, idet kapslingen 17a her er utført med en tetningsleppe 18 som tjener til å danne et rom rundt fugen og sammen med andre av-tetninger gir adgang for gjennomspyling av en reduserende gass gjennom fugen 13 under oppvarmingen.

Induksjonsspolen 16a kan her omfatte fra 1 til 40 vindinger, fortrinnsvis 5-10 vindinger, samtidig som vindingene er anordnet parallellkoblede rundt spalten eller fugen 13. Hensiktsmessig kan vindingene ha et hult tverrsnitt for kjøling av disse, f.eks. med vann.

Sveisekantene er ved den smale spalte 13 tildannet med skrå flater, hovedsakelig for dannelse av en innoverrettet V-form.

Selv om materialtverrsnittet er redusert i fugeområdet for å oppnå høye triaksiale spenninger under smiingen,

er det ikke avgjørende at induksjonsspolen 16a er plas-sert helt inntil fugen under oppvarmingsfasen. Det skyldes den magnetiske kapsling 17a som bidrar til å styre det elektromagnetiske felt til området for sveisekantene, slik at varmen utvikler seg der uten å spre seg altfor mye til sidene.

På fig. 5a er der vist et utsnitt av en ytterligere variant av anordningen ifølge oppfinnelsen, idet der er benyttet samme henvisningstall som ved fig. 5, men med tilføyelsen

I det følgende vil det bli gitt et eksempel på hvor-

dan en lavfrekvensinduksjonsoppvarming ifølge oppfinnelsen vil kunne virke i praksis.

Lavfrekvens-induksjon

Man forutsetter at det går et skille hvor det ikke er praktisk mulig å benytte spoler med en vinding. Den induktive motstand er frekvensavhengig og den samlede motstand

For at ikke strømstyrken skal bli ekstremt høy med store omhske tap ved synkende f, benytter man flere vindinger. L øker proporsjonalt med antall vindinger n i annen potens, hvor K er en proporsjonalitetskonstant og D er diameteren av spolen:

Den magnetiske feltstyrken rundt en spole er vindinger • amp i spolen, og man kan derfor kompensere lavere amperestyrke med mange vindinger. Imidlertid forårsaker kjølevannet for spole med mange vindinger konstruksjonsproblemer. Virvelstrømmer i ugunstig plasserte vindinger skaper store ohmske tap.

Ved lave frekvenser som 50-60 Hz er inntrengingsdybden mange centimeter. Således vil en lavfrekvent spole varme en rørvegg rundt fugen i uakseptabel lengde med hensyn til knekk. Det samme fenomen gir langsom oppvarming, idet stor masse varmes opp.

Dette kan kompenseres ved at spolen gis en magnetisk kapsling av ferritisk blikk og fugen gis en innvendig V-form. Feltet dirigeres inn i fugen, og den største feltintensitet oppstår der man ønsker oppvarmingen, fra midten av fugen og avtagende ut til sidene.

Praktisk testing av. lavfrekvens induksjon er utført med spole, jernblikk og rør som vist på fig.l.

Testen ble gjort to ganger med noe ulik strømstyrke og spenning, og resultatene er repeterbare. Høyere effekt i annet forsøk viste enda tydeligere at den induserte strøm i røret er størst der magnetfeltet er sterkest fokusert.

Spolen er for lettvindthets skyld ikke kjølt og utvikler betydelig varme. MSlt temperatur i spole og blikk-kjerne er 180 og 60<* >respektivt fra utgangspunktet 20<*>C.

Spesifikk ohmsk motstand: 0.0175-0.0285, middel 0,0230 ohm/mm<2>/m Spolediameter: gjennomsnitt 150 mm

Antall vindinger: 40

Tverrsnitt: 0.7 • 10 mm

Utviklet omhsk effekt: I<2> • R

I det følgende skal et eksperiment gjennomgås:

MSlt spenning : 88 - 91V gir 89.5 V i gjennomsnitt

Målt strømstyrke: 164 - 136 A gir 150 A i gjennomsnitt

Impedans Z = U/I = 89.5/150 = 0.60 ohm

Omhsk motstand: 0.023 • 40 . 0.15/0.7 • 10 = 0.062 ohm

2

For flate spoler er K = u

Reaktans uten kobling til jernkjerne:

Impedans ved aktuell kobling:

Blikk-kapslingen gir 0.598/0.075 ~ 8 ganger bedre kobling mellom spole og rør enn bare luft.

Forenklede beregninger av induktans for konfigurasjon spole-rør viser at cos<j> ~ 0.65.

Temperaturstigning i kjernen antyder at tapene i kjernen er ca. lik 50% av ohmske tap i viklingen.

Total aktiv effekt:

Tap i kjerne og vikling:

Tilført effekt til stålrøret:

Virkningsgrad for spole:

Fra målingene kan vi anta for enkelthets skyld en 16 cm bred sone i gjennomsnitt er varmet i to minutter. Temperaturøkningen "teoretisk": Energi/vekt • spesifikk egenvarme

Høyeste målte temperatur er 300°C midt inne i fugen og gjennom-snittlig forøvrig 200°C.

Det er også interessant å se på en teoretisk varmesone som følge av lavfrekvens induksjon.

Teoretisk kan man anta all varme utviklet mellom punktene 3 og 4 som er noe forenklet. Den interessante del av varmesonen som skaper knekkproblemer er mellom 600" og 1200°C.

Ved å benytte 30 W/m • °C som varmeledningstall for austenittisk jern og varmeledning som eneste tapskilde, kan vi regne ut varmesonens lengde for forskjellige effekter.

For 0100 • 22 mm rør vil 40 kW være passe effekt for høyfrekvens induksjon som er enklest å sammenlikne med. Med 50% innsnevring i fugen vil fugetykkelsen i gjennomsnitt være 16 mm. Konstante forhold vil oppstå i det øyeblikket bortledning av varme er lik tilførsel.

Tilført varme = bortledet varme = temperaturgradient • varme-1edningskoeffisient • areal • 2

Temperaturgradient = (1200 - 600)/50% knekklengden '

Eksemplet viser hvor viktig det er med oppvarming i fugen i stedet for fra utsiden. Varmesonen ville blitt kontinuerlig 1200<*>C i 30 - 40 mm før innsiden er varmet tilstrekkelig med høyfrekvens induksjon.

Claims (5)

1. Anordning for induksjonsoppvarming, spesielt for buttsveising av to hovedsakelig rør- eller boltformede elementer (11, 12) av metall som er anordnet nær hverandre langs hovedsakelig samme senterakse, og som ved sine sveisekanter (14, 15) danner en smal, åpen spalte eller fuge (13) som holdes tilnærmet konstant under oppvarmingsfasen, idet den smale spalte lukkes i én operasjon ved stuksveising av de til sveisetemperatur oppvarmede sveisekanter, karakterisert ved følg-ende kombinasjon av trekk: a) en rundt den åpne, men smale spalte (13) anordnet spole (16) er innrettet for påtrykking av en spenning direkte fra en nettfrekvens i frekvensområdet ca. 50-60 Hz, eventuelt direkte fra en generator med frekvens opp til 1.000 Hz, b) en rundt spolen (16) anordnet kapsling (17) av ferro-magnetisk materiale omfatter en flerhet av hovedsakelig symmetriske U-formede enkeltblikk anordnet i en krans rundt spolen (16, 16a) for å styre det elektromagnetiske felt til området for de sveisekanter (14, 15) som danner den smale, åpne sveisefuge (13), c) et redusert materialtverrsnitt i fugeområdet i form av for eksempel skrå sveiseflater (14, 15) er tildannet med en tilnærmet V-form med spissen innoverrettet, d) idet der oppnås en indusert strøm konsentrert til de reduserte, stasjonære sveiseflater (14, 15) for å bringe disse raskt opp til ønsket sveisetemperatur.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at spolen (16, 16a) omfatter fra 1-40 vindinger, fortrinnsvis 5-10 vindinger, og at vindingene er anordnet i parallellkoblede sett rundt spalten.

3. Anordning som angitt i et av kravene 1 eller 2, karakterisert ved at vindingene har et hult tverrsnitt for kjøling av disse, for eksempel med vann.

4. Anordning som angitt i et av kravene 1-3, karakterisert ved at de U-formede enkeltblikk er anordnet i to halvsirkler (17x, 17y) som er leddet sammen for å kunne åpnes og lukkes rundt spolen (16).

5. Anordning som angitt i et av kravene 1-4, karakterisert ved at den magnetiske kapsling (17a) ved de partier som ligger nærmest de elementer (14, 15) som skal sammensveises og den mellomliggende smale spalte (13), er anordnet med en tetningsleppe (18) for under bruk å omslutte spalteområdet sammen med andre tetningsorganer, for dannelse av et gasstett rom for tilførsel av reduserende gass under oppvarmings/sveiseoperasjonen.