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Vorrichtung zum elektrischen Schweißen von Metallrohren Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Schweißen von Metallrohren unter Verwendung
hochfrequenter elektrischer Heizströme, die übel Stromleitungswege zugeführt werden.
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Es sind bereits Vorrichtungen zum elektrischen Verschweißen der Ränder
eines längsverlaufenden V-förmigen Spaltes in einem Metallrohr bekannt, das in der
Längsrichtung gegenüber einem am Scheitel des Spaltes liegenden Schweißpunkt vorwärts
bewegt wird und dessen Spalträndern Hochfrequenzstrom mit einer Frequenz in der
Größenordnung von 50 000 Hz oder mehr durch Kontaktglieder zugeführt wird, die vor
dem Schweißpunkt angeordnet sind. Hierbei wird der in jedem Augenblick auf den gegenüberliegenden
Rändern des Spaltes in entgegengesetzten Richtungen fließende Strom an der Oberfläche
dieser Ränder wegen der gegenseitigen Induktionswirkung in starkem Maße konzentriert,
so daß nur die - eigentlichen Kantenflächen bis auf die Schweißtemperatur erhitzt
werden, sobald der Schweißpunkt erreicht wird. Bei diesen Vorrichtungen wird der
V-förmige Längsspalt des Rohrmantels an dem Schweißpunkt oder in dessen Nähe durch
Druckrollen geschlossen, die auf einander gegenüberliegenden Seiten an den Außenflächen
des Rohrs angreifen.
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Bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art sind die Kontaktglieder
zum Zuführen des hochfrequenten Stroms gewöhnlich so angeordnet, daß sie an dem
Metall der Ränder des Spaltes mit ihrer Unterkante gleitend angreifen und vor den
Druckrollen liegen. Diese Anordnung hat sich in den meisten Fällen sehr gut bewährt.
Bei längerer Betriebsdauer kann es jedoch vorkommen, daß sich die Kontaktglieder
infolge unregelmäßiger Bewegungen oder Schwingungen des vorwärts bewegten Metallrohrs
unregelmäßig abnutzen, so daß sie das Metallrohr mehr oder weniger verkratzen. Derartige
Beschädigungen können entweder infolge einer geringen mechanischen Schleifwirkung
oder möglicherweise in manchen Fällen auch als Folge des Entstehens kleiner Lichtbögen
insbesondere dann auftreten, wenn das Metall des Rohrs relativ weich ist oder leicht
schmilzt oder aus anderen Gründen dem Entstehen von Kratzern oder anderen Schäden
keinen ausreichenden Widerstand entgegensetzt. Es wurde daher bereits vorgeschlagen,
an Stelle von gleitenden bzw. schleifenden Kontaktgliedern rollenartige Kontaktglieder
zu verwenden. Diese müssen jedoch in einem erheblichen Abstand vor den Druckrollen
bzw. dem Schweißpunkt angeordnet werden, wodurch andere Schwierigkeiten bedingt
sind. Durch die Erfindung soll demgegenüber eine Vorrichtung dieser Art derart weiter
ausgebildet werden, daß bei Beibehaltung kurzer Abstände der Kontaktglieder von
dem Schweißpunkt jegliches Verkratzen oder eine sonstige Beschädigung der Oberfläche
des Rohrs vermieden wird, wobei zugleich erreicht werden soll, daß Rohre von kleinem
Durchmesser auf wirtschaftliche Weise und mit hoher Geschwindigkeit geschweißt werden
können. Insbesondere soll die Erfindung zum Schweißen von Rohren aus Nichteisenmetallen,
z. B. Kupfer oder Aluminium oder deren Legierungen, sowie anderer Metalle geeignet
sein, bei denen leicht Kratzer oder andere Beschädigungen entstehen können. Ferner
soll die Erfindung unter Bildung einer sogenannten Schmiedeschweißung das Schweißen
von Rohren aus Metallen ermöglichen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben und
bei denen es erwünscht ist, den Heizstrom in einer solchen Weise zuzuführen, daß
die Erhitzung der Ränder des Spaltes auf die Schweißtemperatur vor dem Schweißpunkt
so schnell erfolgt, daß sich keine Gelegenheit dafür ergibt, daß die Wärme von den
Kanten des Spaltes fortgeleitet wird oder daß eine überhitzung oder Erweichung des
Metalls an anderen Punkten erfolgt als an den Kantenflächen, die miteinander verschweißt
werden sollen.
Demgemäß bestehen die wesentlichen Merkmale der Erfindung
darin, daß die Kontaktglieder jeweils an vor dem Schweißpunkt liegenden Stellen
mit den im gegenseitigen Abstand voneinander angeordneten Umfangsrändern der Druckrollen
in an sich bekannter Weise in Berührung stehen und hierdurch für den Heizstrom ein
Stromweg gebildet ist, der von einem der Kontakte zum Umfang einer der Druckrollen
und von dort unmittelbar zu einer vor dem Schweißpunkt liegenden Stelle des Rohrmetalls
an einem der Spaltränder, dann weiter an der Fläche dieses Spaltrandes entlang zum
Schweißpunkt und von dort an der gegenüberliegenden Fläche des anderen Spaltrandes
entlang zum Umfang der anderen Rolle und dem anderen Kontaktglied zurückführt.
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Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Vorrichtung sind die vorstehend
geschilderten Schwierigkeiten in einfacher Weise vermieden, da die Druckrollen,
mittels deren der Spalt am Schweißpunkt geschlossen wird, nunmehr als Kontaktglieder
zum Zuführen des hochfrequenten Stroms auf entgegengesetzten Seiten des Spaltes
dienen, und zwar an Punkten, die nach wie vor kurz vor dem Schweißpunkt liegen.
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Andere Kontaktmittel, die . vor dem Schweißpunkt an dem Rohr anliegen,
sind dabei überflüssig, da gemäß der Erfindung nur die mit dem Rohr in Berührung
kommenden Teile der Druckrollen als Kontakte verwendet werden. Dafür können gleitende
Kontakte verwendet werden, um den Strom in die Druckrollen an solchen Stellen einzuleiten,
an denen für die Anordnung der Kontaktglieder genügend Platz zur Verfügung steht.
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Bei Verwendung von niederfrequentem Schweißstrom ist es zwar an sich
bekannt, den Schweißstrom über Schleifkontakte und Druckrollen zu übertragen. Bei
diesen bekannten Anordnungen erfolgt jedoch das Schweißen der Rohre im Gegensatz
zu der vorliegenden Vorrichtung nicht durch Verschweißen der Längsränder eines beim
Vorwärtsbewegen des Rohrs offen gehaltenen V-förmigen Längsspaltes. Bei Anwendung
eines solchen Spaltes und dem Verschweißen der Längsränder des Spaltes mit Hochfrequenzstrom
liegen anders geartete Verhältnisse vor, und es bedurfte hierfür erst der Erfindung,
um die hierbei bestehenden Schwierigkeiten in einfaches Weise zu überwinden.
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Die Druckrollen sollen bei der Vorrichtung nach der Erfindung im Vergleich
zum Durchmesser des zu schweißenden Rohrs einen relativ großen Durchmesser haben
und sind am Umfang mit Nuten versehen, die im Querschnitt halbkreisförmig sind.
Wenn die Druckrollen die richtige Form haben und in der richtigen Weise angeordnet
sind, kann das Metallrohr zwischen ihnen derart vorwärts bewegt werden, daß zunächst
nur die oberen Teile des Rohrs auf beiden Seiten des Spaltes und der untere Teil
des Rohrs zur Anlage an Flächenteile innerhalb der Nuten am Umfang der Druckrollen
kommen, wobei sich dieser Vorgang ebenso wie das spätere Abheben der Druckrollen
hinter dem Schweißpunkt zügig abspielt, so daß das Metall des Rohrs nicht verkratzt
oder auf andere Weise beschädigt werden kann. Die seitlichen Flächen des Rohrs bleiben
tatsächlich im Abstand von den Nutenflächen am Umfang der Druckrollen, abgesehen
von dem Augenblick, in dem der Spalt des Rohrs endgültig geschlossen wird. Wenn
das Rohr in den Raum zwischen den Druckrollen eintritt, ergibt sich somit ein nahezu
idealer Leitungsweg für den Strom entlang den einander gegenüberliegenden Kantenflächen
am Spalt des Rohrs zu und von dem Schweißpunkt, und da das Metall des Rohrs von
den Druckwalzen umschlossen und daher unter Druck gehalten wird und da unregelmäßige
Bewegungen des Rohrs bei der Vorbeibewegung am Schweißpunkt verhindert sind, können
die Nuten der einen großen Durchmesser aufweisenden Druckrollen mit glatten Flächen
versehen sein, so daß das Metall des an den Druckrollen vorbeibewegten Rohrs keine
Reibstellen oder Kratzer u. dgl. aufweist.
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Ferner ist es gemäß der Erfindung möglich, die Berührungspunkte, an
denen der hochfrequente Strom dem Metall des Rohrs zugeführt wird, sehr nahe an
den Schweißpunkt heranzubringen und trotzdem mit einer ausreichenden Stromstärke
zu arbeiten, so daß eine schnelle Erhitzung der Ränder des Spaltes in dem Rohr auf
die Schweißtemperatur erfolgt, bevor die Wärme Gelegenheit hat, von den Rändern
des Spaltes abgeleitet zu werden und so eine Erweichung des Metalls an Stellen herbeizuführen,
an denen dies nicht erwünscht ist, z. B. an von den eigentlichen Kantenflächen weiter
entfernten Stellen. Hierdurch wird nicht nur das Schweißen von Metallen mit hoher
Wärmeleitfähigkeit erleichtert, sondern auch ermöglicht, einen Leitungsweg für den
Heizstrom an den Rändern des Spaltes dort vorzusehen, wo dies erwünscht ist, wobei
dieser Leitungsweg so kurz ist und einen so geringen Widerstand besitzt, daß das
Abwandern des Heizstroms bzw. eines Teiles desselben zur Rückseite des Rohrs nicht
zu befürchten ist. Hierdurch wird wiederum ermöglicht, die Erfindung beim Schweißen
von Rohren mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser anzuwenden, bei denen es schwierig
oder unmöglich sein würde, Widerstands- oder Kernmittel in das Rohr einzuführen,
wie es bei Rohren von größerem Durchmesser häufig geschieht, um das Abwandern von
Heizstrom zur Rückseite des Rohrs zu verhindern.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnungen.
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F i g. 1 ist eine schematisch gezeichnete perspektivische Darstellung
einer bevorzugten Ausbildungsform einer Vorrichtung zum Durchführen der Erfindung;
F i g. 2 ist ein senkrechter Teilschnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1; F i g.
3 ähnelt F i g. 2, zeigt jedoch eine etwas abgeänderte Ausbildungsform; F i g. 4
zeigt in einer Draufsicht einen Teil der Anordnung nach F i g. 1; F i g. 5, 6 und
7 sind in größerem Maßstab gezeichnete Teilschnitte längs der Linien a-a bzw. b-b
bzw. c-c in F i g. 4.
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In F i g. 1 und 2 erkennt man, auf welche Weise ein Blechstreifen
10 zu einem Rohr mit einem V-förmigen Spalt 11 geformt und zwischen zwei
Druckwalzen 12 und 13 hindurch vorgeschoben wird, um sich an einem Schweißpunkt
w vorbeizubewegen. Der Blechstreifen 10 kann natürlich mit Hilfe einer geeigneten
bekannten Anordnung von Walzen so geformt werden, daß er eine allgemein rohrförmige
Gestalt besitzt, bevor er der Vorrichtung nach F i g. 1 zugeführt wird.
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Die Druckwalzen 12 und 13 sind an ihren Umfangsflächen mit Nuten
12' bzw. 13' versehen, die so
geformt sind, daß sie an der
Berührungsstelle der Walzen einen erheblichen Teil eines kreisrunden Querschnitts
umschließen. Die oberen Umfangsteile der beiden Walzen sind bei 14 und 15 vorzugsweise
mit ringförmigen, durch ebene Flächen begrenzten Flanschen versehen, in deren Nähe
die beiden Kontakte 16 und 17 so angeordnet sind, daß deren Kontaktschuhe 16' und
17' an den Flanschen angreifen. Bei diesen Kontakten kann es sich um mit Hilfe eines
Strömungsmittels gekühlte Kontakte handeln, die mit den Klemmen eines bei 18 angedeuteten
Hochfrequenzgenerators verbunden sind. Die Frequenz des Heizstroms liegt vorzugsweise
im Bereich von mehreren hunderttausend Hertz, z. B. zwischen 350 und 450 kHz, doch
kann man in gewissen Fällen auch mit niedrigeren Frequenzen von etwa 50 000 Hz oder
höheren Frequenzen arbeiten.
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Die erforderliche Hochfrequenzenergiemenge und die geeignete Vorschubgeschwindigkeit
des Rohrmaterials lassen sich leicht durch Versuche ermitteln, und diese Größen
entsprechen allgemein der bis jetzt bei den erwähnten bekannten Verfahren gebräuchlichen
Praxis bei der Zuführung des hochfrequenten Heizstroms zum Schweißen von Rohren
über einen Leitungsweg. Die Walzen 12 und 13 können auf geeignete Weise angetrieben
werden oder gegebenenfalls als frei drehbare Walzen ausgebildet sein, wenn das Rohrmaterial
unter Benutzung anderer bekannter, hier nicht gezeigter Mittel durch die Vorrichtung
hindurchgezogen wird.
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Wie schon erwähnt, soll der Durchmesser der Druckwalzen 12 und 13
gewöhnlich größer sein als der Durchmesser der bei dem erwähnten bekannten Verfahren
benutzten Quetschwalzen; beispielsweise kann der Durchmesser der Walzen in einem
typischen Anwendungsfall beim erfindungsgemäßen Schweißen von Rohren mit einem Durchmesser
von etwa 25 mm etwa 360 mm betragen oder etwas über oder unter diesem Wert liegen.
In einem solchen Falle kann der Abstand zwischen den Hinterkanten der Kontaktschuhe
16' und 17' und dem Schweißpunkt w zwischen etwa 19 und etwa 25 mm liegen, doch
kann man diesen Abstand in weiten Grenzen variieren.
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F i g. 5 zeigt einen senkrechten Schnitt, der annähernd längs der
Linie a-a in F i g. 4 verläuft; das Rohr 10 ist hier in Berührung mit den Walzen
12 und 13 gekommen, und zwar in einem den Kontaktschuhen nahe benachbarten Bereich,
doch findet diese Berührung mit dem Rohr nur an den Punkten 20 und 21 nahe den oberen
Teilen der Ränder des Spaltes 11 in dem Rohr sowie an den Punkten 22 und 23 auf
der entgegengesetzten Seite des Rohrs statt. In dem in F i g. 5 gezeigten Stadium
sind die seitlichen Wandteile 24 und 25 des Rohrs noch nicht in Berührung mit den
Nutenflächen 12' und 13' der Walzen gekommen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß
die Nuten natürlich ringförmig sind und eine kreisrunde Querschnittsform haben,
während die sich in der Längsrichtung erstreckenden Elemente f des Rohrs in Richtung
auf den Schweißpunkt längs Linien vorgeschoben werden, die nahezu rechtwinklig zu
einer senkrechten Ebene verlaufen, welche die Achsen der Walzen enthält. Die Tatsache,
daß das Metall des Rohrs nur an den Punkten 20 bis 23 in f Berührung mit den Walzen
kommt, ist außerdem zum Teil darauf zurückzuführen, daß das Rohr in diesem Stadium
noch den Spalt 11 aufweist und noch nicht so geformt ist, daß sein Querschnitt
vollständig kreisrund ist.
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Der in F i g. 6 gezeigte Querschnitt verläuft längs der Linie b-b
in F i g. 4 und läßt erkennen, daß der Spalt 11 des Rohrs nunmehr nahezu vollständig
geschlossen worden ist und das Metall des Rohrs die beiden Walzen an den Punkten
20' bis 23' berührt, wobei die seitlichen Flächen des Rohrs bei 24' und 25' immer
noch nicht in Berührung mit den Walzen stehen. In F i g. 7 ist ein Querschnitt längs
der Linie c-c gezeigt, der kurz hinter dem Schweißpunkt w verläuft und erkennen
läßt, daß der Spalt des Rohrs 10 geschlossen worden ist und daß die äußeren
Wandflächen des Rohrs über dessen ganzen Umfang in Berührung mit den Innenflächen
der Nuten der Walzen 12 und 13 getreten sind.
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Die beschriebene Art und Weise, in der das Rohr an den Druckwalzen
angreift, wenn die Teile gemäß den Zeichnungen angeordnet sind und zusammenarbeiten,
dürfte vermutlich in einem erheblichen Ausmaß zu den guten Ergebnissen beitragen,
die sich mit Hilfe der Erfindung erzielen lassen. Der Leitungsweg für den hochfrequenten
Strom verläuft in jedem Augenblick von dem Kontakt 16 aus zu der ebenen Flanschfläche
14 der Walze 12, von dort aus unmittelbar nach unten über den in F i g. 5 mit 30
bezeichneten Randteil des Flansches, weiter zur Kante 31 am Spalt 11 des Rohrs,
von dort aus längs dieser Kante zum Schweißpunkt w und von dort aus längs der gegenüberliegenden
Kante 32 des Spaltes zu den Flächen 33 und 34 der Walze 13 und schließlich zu dem
Kontakt 17. Die Länge des Stromleitungsweges zwischen den Kontakten und dem Schweißpunkt
w kann auf diese Weise relativ klein gehalten werden, so daß dieser Leitungsweg
im Vergleich zu jedem anderen Leitungsweg, der über die Unterseite des Rohrs verläuft,
einen so geringen Widerstand besitzt, daß nur wenig elektrische Energie dadurch
verlorengeht, daß ein Strom längs des Rohrumfangs fließt. Außerdem sind die Punkte
der erstmaligen Berührung zwischen den Walzen und dem Metall des Rohrs auf beiden
Seiten des Spaltes 11, d. h. die Punkte 20 und 21, in einem so geringen Abstand
von den Kanten des Metalls und der später zu erzeugenden Schweißnaht angeordnet,
daß für den Fall, daß die Oberfläche des Rohrs geringfügig beschädigt wird, diese
Schäden so nahe an der Schweißnaht verlaufen, daß sie zusammen mit dem etwa angestauchten
Metall entfernt werden können, das längs der Schweißnaht vorhanden ist und bei der
Fertigstellung des Rohrs beseitigt wird.
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Ferner sei bemerkt, daß die Berührungspunkte 20
und 21 und deren
Umgebung zwischen den Walzen und den Kanten des Spaltes 11 ih dem Rohr so
nahe an den eigentlichen Kanten liegen können, daß der Strom von den Kanten 30 und
33 an den Flanschen der beiden Walzen nahezu direkt zu den Kanten des Spaltes fließt,
ohne daß größere Verluste auftreten, denn die gegenseitige Induktionswirkung zwischen
den Teilen des Stroms, welche in jedem Augenblick in entgegengesetzten Richtungen
durch die Ränder des Spaltes fließen, bewirken, daß der Strom sehr stark an den
Kantenflächen 31 und 32 konzentriert wird, statt sich von dem Spalt aus nach beiden
Seiten auszubreiten. Aus F i g. 4 ist weiter ersichtlich, daß sich die Ränder der
Flansche an den beiden Walzen einander immer stärker nähern, während die Ränder
des Spaltes 11 aufeinander zu bewegt werden,
doch kommen
die Umfangsflächen der Walzen vorzugsweise niemals so nahe zusammen wie die Ränder
des Spaltes, und wegen der wechselseitigen Induktionswirkung an den Rändern des
Spaltes wird der Strom an den Kantenflächen konzentriert, ohne daß dieser Vorgang
in einem erheblichen Ausmaß dadurch beeinträchtigt wird, daß die Flansche der Walzen
den Rändern des Spaltes nahe benachbart sind. Jedoch bewegen sich Punkte auf den
Flanschen der Walzen immer näher aufeinander zu, so daß die Ränder des Spaltes in
dem Rohr fest in ihrer Lage gehalten werden und keine Schwingungen ausführen können,
während sie sich einander nähern und miteinander verschweißt werden.
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Die in F i g. 3 gezeigte alternative Ausbildungsform ähnelt derjenigen
nach F i g. 2, weshalb ähnliche Teile jeweils mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet
sind; bei der Anordnung nach F i g. 3 ist jedoch jeder der Kontakte 16 und 17 mit
vorspringenden Fortsätzen 35 und 36 versehen, so daß der Strom, der über die Kontakte
16 und 17 bzw. Kontaktschuhe 16' und 17' zugeführt wird, wegen des geringen Abstandes
der Fortsätze 35 und 36 voneinander nach unten geleitet wird, was wiederum zur Folge
hat, daß der Strom von den Flanschen der Walzen aus auf einem direkteren Wege zu
den Rändern des Spaltes in dem Rohr fließt, wodurch gewährleistet wird, daß der
Strom von unterhalb der Kontakte 16 und 17 liegenden Punkten aus nahezu unmittelbar
zu den Rändern des Spaltes fließt, wobei nur minimale Verluste auftreten.
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Es sei bemerkt, daß man bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen
die verschiedensten Abänderungen und Abwandlungen vorsehen kann, ohne den Bereich
der Erfindung zu verlassen.