DE3238841A1

DE3238841A1 - Anordnung und verfahren zum stossschweissen durch magnetische implosion

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Publication number: DE3238841A1
Application number: DE19823238841
Authority: DE
Inventors: Jack 92065 Ramona Calif. Katzenstein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-10-20
Filing date: 1982-10-20
Publication date: 1983-04-28
Also published as: JPH0123235B2; US4513188A; GB2111887B; GB2111887A; JPS58132383A; CA1207567A

Description

PRINZ, BUNKE &_PABTSMEB .. 3238'

Patentanwälte · European Patent -Attorneys . .**- München "Stuttgart*

Jack Katzenstein 20. Oktober 1982

855 Haverford Road

Ramona, California 92065 / USA

Unser Zeichen: K 1121

Anordnung und Verfahren zum Stoßschweißen durch magnetische Implosion

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Stoßschweißen durch magnetische Implosion.

Das Stoßschweißen ist eine bekannte Technik. Beim Stoßschweißen prallt ein ballistisches Werkstück mit einer Geschwindigkeit von 350 Metern pro Sekunde und unter einem Winkel von 8 bis 12 Grad auf einem oder mehreren damit zu verschweißenden Teilen auf. Die Verbindung ist offenbar das Ergebnis eines Spritzeffektes zwischen den aufeinanderprallenden Oberflächen, der eine Reinigung der Oberflächen bewirkt, so daß durch die wohlbekannte Wechselwirkung zwischen glatten und sauberen Oberflächen eine Vereinigung hergestellt werden kann. Bei zahlreichen Anwendungen wird das Stoßschweißen bzw. Preßschweißen als sogenanntes Explosionsschweißen ausgeführt, bei welchem die erforderliche Kollisionsgeschwindigkeit durch eine chemische Explosion erreicht wird, die das ballistische Werkstück gegen die damit zu verbindenden Teile schleudert. Diese Technik wird in vielen Fällen angewen-

HD/Ma

det, z.B. beim Rohrschweißen und dergleichen. Offensichtliche Nachteile des Explosionsschweißens sind jedoch das seitens des Schweißers erforderliche hohe Ausbildungsniveau, seine unvermeidbare Gefährlichkeit und die hohe Geräuschentwicklung.

Es wurden jedoch auch schon andere Verfahren angewendet, um die zum Stoßschweißen bzw. Preßschweißen erforderliche hohe Kollisionsgeschwindigkeit und den erforderlichen Kollisionswinkel zu erhalten. Dazu gehört die magnetische Implosion, durch die das ballistische Werkstück gegen das damit zu verschweißende Werkstück geschleudert wird. Bei dieser Technik ist eine Mehrzahl von Drähten, die als Antriebsspule bezeichnet werden, an dem ballistischen Werkstück befestigt und an eine Stromquelle angeschlossen, z.B. an eine Kondensatorbank. Die erforderliche Kollisionsgeschwindigkeit wird durch eine magnetische Implosion erreicht, die sich durch den Stromstoß aus der Stromquelle ergibt, und zwar durch die gegenseitige Abstoßung des Werkstückes und der Bestandteile der Antriebsspule. Diese Technik wurde insbesondere zum Verschweißen der Enden von Kernbrennstoffstäben angewendet, ebenso wie in anderen Fällen, bei denen die Durchmesser der zu verbindenden Teile gering sind. Eine Ausweitung der Technik der magnetischen Implosion auf Teile größerer Abmessungen war bisher wegen zu geringer Leistungsausnutzung nicht möglich. Untersuchungen haben gezeigt, daß normalerweise weniger als 1 Prozent der von der Stromquelle gelieferten Leistung bzw. Energie für die magnetische Implosion tatsächlich ausgenutzt wird. Die Größe der Kondensatorbank nimmt daher quadratisch mit der Zunahme der Durchmesser der zu verbindenden Teile und folglich des ballistischen Werkstückes zu. Diese Zunahme der an die Stromquelle mit zunehmender Größe des Werk-Stückes und des ballistischen Werkstückes zu stellenden Forderungen ist derart, daß eine Anwendung der Technik des Stoßschweißens durch magnetische Implosion auf Fälle

begrenzt ist, bei denen die Durchmesser des ballistischen Werkstückes und des Werkstückes relativ gering sind, z.B. bei den Kernbrennstoffstäben. Beispiele für Vorrichtungen und Verfahren zum Stoßschweißen durch magnetische Implosion sind in den üS-PSen 2 976 907 und 3 195 335 sowie in Journal of Applied Physics, Bd. 50, November 1979, Nr. 11, Teil 2, unter dem Titel "Measurements of a 70 T Pulsed Magnetic System with Long Operational Life" beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Anordnung und eines Verfahrens zum Stoßschweißen durch magnetische Implosion, die eine erhöhte Energieausnutzung ermöglichen, so daß diese Technik auch bei Werkstücken großen Durchmessers bzw. großer Abmessungen angewendet werden kann, z.B. beim Schweißen von Ölleitungen.

Die erfindungsgemäße Anordnung zum Stoßschweißen bzw. Preßschweißen durch magnetische Implosion enthält ein ballistisches Werkstück, das dazu bestimmt ist, bei Schweißgeschwindigkeit auf einem feststehenden Werkstück aufzuprallen, eine um das feststehende Werkstück und das ballistische Werkstück herum angeordnete Antriebsspule, die an eine Stromquelle anschließbar ist, so daß bei Erregung der Antriebsspule durch die Stromquelle diese Antriebseinrichtung implodiert und das ballistische Werkstück bis auf Schweißgeschwindigkeit beschleunigt und gegen das feststehende Werkstück schleudert, wobei die Antriebsspule so gestaltet ist, daß die Kopplungsparameter der Antriebsspule mit der Stromquelle optimiert sind.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung zum Stumpfschweißen von im wesentlichen flachen Platten sind ballistische Werkstücke in Form von im wesentlichen flachen Platten um ein zu verschweißendes feststehendes

-/οι Werkstück herum angeordnet, und eine Antriebsspule ist angrenzend an die ballistischen Werkstücke angeordnet, wobei die Antriebsspule zylindrisch ausgebildet und an eine Stromquelle anschließbar ist; die Antriebsspule ist so gestaltet, daß sich ein optimierter Wirkungsgrad ergibt, indem der Kopplungskoeffizient zwischen der Antriebsspule und der Stromquelle optimiert ist.

Eine weitere Anwendung der Erfindung ist das Rohrschweissen, wozu das System ein ballistisches Werkstück in Form eines Ringes umfaßt, der um ein zu verschweißendes Werkstück herum angeordnet ist, während eine Antriebsspule in Form eines Ringes auf das ballistische Werkstück aufgesetzt ist; die an eine Stromquelle anschließbare Antriebsspule ist so gestaltet, daß der Wirkungsgrad bzw. die Energieausnutzung dadurch optimiert ist, daß der Kopplungskoeffizient zwischen der Stromquelle und der Antriebsspule maximiert ist.

Eine weitere Anwendung der Erfindung ist das Verschweißen von Wärmetauscherrohren und -blechen; bei dieser Anwendung ist ein ballistisches Werkstück in Verbindung mit einem abgeschrägten Einschnitt zwischen einem Wärmetauscherrohr und einem Wärmetauscherblech gebracht; eine Antriebsspule ist angrenzend an das ballistische Werkstück angeordnet und an eine Stromquelle anschließbar. Der Koeffizient für die Kopplung der Antriebsspule mit der Stromquelle ist so ausgelegt, daß sich eine maximale Ausnutzung der aus der Stromquelle entnommenen Energie ergibt.

Eine weitere Anwendung der Erfindung ist das Überlapptschweißen von zylindrischen Rohrbeschichtungen. Für diese Anwendung ist eine Antriebsspule angrenzend an einen verbreiterten Rohrabschnitt angeordnet, damit dieser gegen einen Rohrabschnitt geschleudert wird, der innerhalb des verbreiterten Abschnittes angeordnet ist. Die Antriebs-

..32.39841

spule ist an eine Stromquelle in Form einer Kondensatorbank anschließbar, die die Form einer übertragungsleitung aufweist. Die Antriebsspule weist einen solchen Koeffizient der Kopplung mit der Stromquelle auf, daß der Wirkungsgrad bzw. die Ausnutzung der von der Stromquelle gelieferten Energie maximiert wird.

Eine weitere Anwendung der Erfindung ist die ebene Beschichtung. Bei dieser Anwendung wird ein ballistisches Werkstück in Form einer fliegenden Platte angrenzend an eine zu beschichtende Mutterplatte angeordnet. Angrenzend an die fliegende Platte wird eine Antriebsspule angeordnet, die an eine Stromquelle in Form einer Kondensatoreinrichtung anschließbar ist. Die Antriebsspule ist so angeordnet, daß sie die fliegende Platte mit Schweißgeschwindigkeit gegen die Mutterplatte schleudern kann, wenn sie durch die Kondensatoreinrichtung erregt wird. Der Kopplungskoeffizient zwischen der Kondensatoreinrichtung und der Antriebsspule ist so gewählt, daß eine optimale Energieausnutzung der von der Kondensatoreinrichtung gelieferten Energie gewährleistet ist.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Optimierung des Wirkungsgrades beim Stoß- bzw. Preßschweißen durch magnetische Implosion wird eine Antriebsspule angrenzend an ein ballistisches Werkstück angeordnet .und mit einer Stromquelle verbunden. Dabei ist die Antriebsspule so ausgebildet und gestaltet, daß der Kopplungskoeffizient zwischen der Stromquelle und der Antriebsspule eine maximale Energieausnutzung gewährleistet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich* aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. 35

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Seitenaufriß einer Ausführungsform der Anordnung zum Stoßschweißen durch magnetische Implosion, angewendet auf das Stumpfschweißen von flachen Platten;

Fig. 2 einen Schnitt längs Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm, das die Maximierung des Kopplungsparameters A bei der in den Figuren 4 und 5 gezeigten Ausfuhrungsform darstellt;

Fig. 4 eine Seitenansicht einer Ausfuhrungsform zum Rohrschweißen oder zylindrischen Beschichten;

Fig. 5 einen Schnitt längs Linie 5-5 in Fig. 4;

Fig. 6 eine Seitenansicht einer Ausfuhrungsform einer Antriebsspule und eines ballistischen Werkstückes, angewendet auf das Einschweißen von Rohren in ein Rohrblech zur Bildung eines Wärmetauschers;

Fig. 7 eine vereinfachte Vorderansicht einer Ausführungsform zum zylindrischen Beschichten bzw. überlappt-• schweißen;
25

Fig. 8 eine Vorderansicht einer Ausfuhrungsform zum ebenen Beschichten bzw. Stoßformen;

Fig. 9 einen Schnitt längs Linie 9-9 in Fig. 8; 30

Fig. 10 eine Seitenansicht einer Ausfuhrungsform zum Beschichten von großen Platten; und

Fig. 11 einen Schnitt längs Linie 11-11 in Fig. 10. 35

Bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsform werden flache Platten stumpfgeschweißt. Ein Werkstück 10 bildet eine flache Platte. Ein ballistisches Werkstück in Form von zwei geeignet gestalteten Stangen ist symmetrisch um das Werkstück 10 herum angeordnet. Ein elektrischer Isolator 16 ist auf dem ballistischen Werkstück 12 angeordnet. Eine Antriebsspule 18 ist über dem elektrischen Isolator 16 angeordnet, der aus Gummi oder einem ähnlichen Material bestehen kann. Der Isolator 16 ist

IQ erforderlich, um einen Kurzschluß durch das ballistische Werkstück zu verhindern. Für ballistische Werkstücke, die eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, ist eine leitfähige Druckplatte zwischen dem Isolator und dem Werkstück zweckmäßig, um das Eindringen der Magnetflußlinien in das ballistische Werkstück minimal zu

■ halten, wodurch nämlich der Wirkungsgrad des magnetischen Implosionsschweißens vermindert würde.

Die Antriebsspule 18 enthält mehrere Windungen eines elektrischen Drahtes, der an eine Kondensatorbank oder an eine andere (nicht dargestellte) Stromquelle anschließbar ist. Um die Energieausnutzung aus der Stromquelle für die magnetische Implosion zu maximieren, werden gemäß der Erfindung die Parameter der verschiedenen Elemente des Systems in der im Folgenden erläuterten Weise bestimmt. Zunächst werden die allgemein anwendbaren Berechnungen erläutert. Anschließend werden dann die speziellen Gleichungen angegeben, die für die Ausführungsform nach den Figuren 4 und 5 gelten.

Die Berechnung der Kopplungscharakteristik zwischen der Stromquelle und der Antriebsspule besteht hauptsächlich aus einer schrittweisen Integration von zwei miteinander gekoppelten, nichtlinearen gewöhnlichen Diffentialgleichungen. Zu diesen Gleichungen gehören eine Bewegungsgleichung und eine Stromkreisgleichung.

Die Bewegungsgleichung und die Stromkreisgleichung sind die folgenden Gleichungen (1) und (2):

Λ _ 1 8L(R)
dt " 2 3R

.ι C-

^c J

~ (L(r)I(t)) = V_o - ± ( Kt'Jdt' (2)

In diesen Gleichungen (1) und (2) ist R die Radialkoordinate des Werkstückes, m ist die Masse des Werkstückes, I(t) ist der Momentanwert des Stromes in der Antriebsspule, C ist die Kapazität der Kondensatorbank, V ist die Anfangsspannung der Kondensatorbank und L(R) ist das Äquivalent der Induktivität des Werkstückes und der Antriebsspule, d.h. eine Funktion des Radius des Werkstückes plus der konstanten Streuinduktivität der

Kondensatorbank, der Schalter und der Stromzuführung. 20

Ohmsche Widerstände können sowohl in dem Entladestromkreis als auch in dem Werkstück vernachlässigt werden. Diese Annahme ist korrekt, wenn das Werkstück das Magnetfeld verdrängt, wenn also die Eindringtiefe in dem Werkstück bei der durch die Kondensatorbank und die Spule bestimmten Frequenz gegenüber der Dicke des Werkstückes vernachlässigbar ist. Wenn diese Annahme nicht zutrifft, wenn also das Werkstück aus einem Metall besteht, das einen hohen elektrischen Widerstand aufweist, z.B. rost-

freier Stahl, so muß ein "Stoßelement" aus gut leitendem Material, z.B. Kupfer oder Aluminium, verwendet v/erden. Ein solches Stoßelement kann bei allen in Frage kommenden Anwendungen verwendet werden, wenn die Leitfähigkeit des Werkstückes unzureichend ist, um eine

vollständige Magnetflußverdrängung zu erreichen. Die Induktivität L(R) kann als Summe eines zeitlich konstanten Störterms und eines aktiven Terms geschrieben werden,

J 2.3 8.

der von der Radialkoordinate R des Werkstückes und durch dieses hindurch von der Zeit folgnedermaßen abhängt:

L(R) = L_p + L¹ (R) (3)

L"(R) hängt ab von den Selbstinduktivitäten L der Antriebsspule und L'(R) des Werkstückes und M(R), der Gegeninduktivität der Antriebsspule und des Werkstückes. Nur die letzten beiden Größen werden als Variablen angenommen, da die Spule als ausreichend starr angenommen wird, damit L konstant ist.

Unter Anwendung der elementaren Schaltungstheorie und unter Vernachlässigung ohmscher Verluste kann die Beziehung zwischen den in Gleichung (3) enthaltenen Größen folgendermaßen geschrieben-werden:

^{L (R) L} j ^L |¹

(R) 20

Die Größe:

K- »'»' , _1/2 (4a,

ist als Koeffizient der Kopplung zwischen gekoppelten Kreisen zu erkennen. Die Gleichung (4) wird dann:

L¹(R) = L (1 - K²) (5)

Die Gleichungen (1) und (2) können durch Anwendung der folgenden Definitionen und Gleichungen zweckmäßigerweise

in dimensionslose Beziehungen umgeformt werden: 35

a) Länge = R = Radius der Antriebsspule.

, 4

b) Zeit = t = \/L C=- multipliziert mit der natürlichen

ο * ο ir

Viertelzyklus-Periode der Kondensatorbank und der Antriebsspule bei Abwesenheit des Werkstückes und von Streuinduktivitäten.

c) Strom I = V \γ = Stromspitzenwert bei der Entladung

ο
der Kondensatorbank in die Spule bei Abwesenheit des

^ Werkstückes und Vernachlässigung von ohmschen Widerständen und Streuinduktivitäten·

c) Spannung = V. = Anfangs-Ladespannung der Kondensatorbank.
15

e) Kapazität = C = Kapazität der Kondensatorbank.

Aus den obigen Definitionen und Gleichungen werden die folgenden Größen abgeleitet:

RR

(1) Geschwindigkeit ν = τβ- =

° ο v

(2) Energie = W =1/2 CV = Anfangsenergie der Kondensatorbank.

Unter Verwendung dieses Systems von natürlichen Einheiten können die folgenden dimensionsIosen Variablen definiert

werden:
30

R _ __ «- j J- _ -r I »τ Ζ'" I ( ft\

Es können auch die folgenden dimensionslosen Parameter abgeleitet werden:

^Lo^(CVo^{} L}p

A = ; B = T& (7)

2R ^Z M ^Lo

Die Gleichungen (1) und (2) nehmen die folgende dimensionslose Form an, wenn die Gleichungen (4) und (5) eingesetzt werden:

d²x _ 1" d(K²) 2

^dx

*

-κ²)]ji-

_1(T.,

Die Größe K ist ihrerseits bereits dimensionslos.

Die Berechnung von K ist zwar relativ einfach, erfordert jedoch numerische Verfahren zur Berücksichtigung der
Geometrie der Antriebsspule und des Werkstückes. Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 wird ein Beispiel

berechnet, bei dem eine analytische Berechnung von K

möglich ist, bei Anwendung auf eine zylindrische Spule und ein zylindrisches Werkstück, deren Lange 1 groß im Vergleich zu ihren Durchmessern ist. In diesem besonderen Fall können

ten werden.
30

Fall können L und K durch elementare Berechnung erhal-

Der Kopplungsparameter A ist dann gegeben durch:
35

A « (10)

Im

"*"-** OwW ^_{- w}

A^:

Gleichung (8) wird also zu:

^f = -AXi²
dx

(11) [β + (1 - χ²)] H - 2 xxi = 1 -

^O Gleichung (11) kann numerisch integriert werden von einem Anfangswert x^ = 1 bis zu verschiedenen Endradien, wo x_ = R.p/R , wobei R,- als Endradius der Antriebsspule nach der Implosion definiert ist. Die numerische Integration der Gleichung (11) kann bei dem genannten Anfangswert X- beginnen und bis zu verschiedenen Endradien und für verschiedene·Werte der Parameter A und B durchgeführt werden. Die Endgeschwindigkeit x- und der Wirkungsgrad η können berechnet werden. Der Wirkungsgrad η ist das Verhältnis zwischen der von dem Werkstück erreichten kinetischen Energie zu der elektrischen .Energie, die in der Kondensatorbank gespeichert ist. In den oben angegebenen dimensionslosen Variablen ergibt sich der Wirkungsgrad π zu:

-2

f
η = -£- (12)

Fig. 3 zeigt ein Diagramm des Wirkungsgrades η in Abhängigkeit vom Parameter A für verschiedene Werte x_. Dabei

■

wird für B der Wert 4,377 als ein Wert gewählt, der für vorhandene Ausrüstungen für Verschlußschweißungen zweckmäßig und für derartige Ausrüstungen typisch ist. Das Diagramm der Fig. 3 zeigt, daß der Wirkungsgrad η eine

Funktion des Parameters A ist, die ein Maximum besitzt. 35

Der maximale Wirkungsgrad und der ihm entsprechende Wert von A sind verschieden für verschiedene Endradien x_; der Wirkungsgrad nimmt für kleinere Werte des Abschalt-

/5 -

radius zu. Aus den obigen Erörterungen ist ersichtlich, daß der Wirkungsgrad maximiert werden kann, und folglich kann die Größe der Kondensatorbank, die erforderlich ist, um ein gegebenes Werkstück auf die zum Stoßschweißen erforderliche Geschwindigkeit zu beschleunigen, minimiert werden, indem die Charakteristik des Werkstückes an diejenige der Kondensatorbank bzw. Stromquelle durch Auswahl des Wertes A für einen gegebenen Wert von X₄.

max jj £

angepaßt wird.

Das Werkstück 10 weist bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsform einen abgeschrägten Querschnitt auf, über dem die Antriebsspule und die zugeordneten Einrichtungen so angeordnet sind, daß bei der Implosion das ballistische Werkstück das Rohr 12 schweißt und dessen abgeschrägte Teile ausfüllt.

Flexible elektrische Verbindungsleitungen 16 sind mit dem ballistischen Werkstück 12 verbunden, während ein elektrischer Isolator 17 einen Kurzschluß der Antriebsspule 18 verhindert.

Es wird nun auf die Figuren 4 und 5 Bezug genommen. Bei der dort gezeigten Ausführungsform werden eine ringförmige Antriebsspule und ein ringförmiges Werkstück verwendet. Eine solche Ausführungsform ist geeignet zur Verbindung eines Rohres mit anderen zylindrischen Teilen durch Stoßschweißen. Ein Werkstück 20 in Form eines Rohres, wie es für Ölleitungen verwendet wird, weist Abschrägungen 21 auf, die in üblicher Weise einen Winkel von 60 bis 90 Grad aufweisen, wie bei dem herkömmlichen Schmelzschweißen.

Um die Abschrägungen 21 herum und präzise konzentrisch und mit der Abschrägung fluchtend ist eine Antriebsspule 28 angeordnet. Diese Antriebsspule 28 ist ringförmig. Ein ballistisches Werkstück 22 ist über der Abschrägung

-2ο-

21 mit dieser fluchtend angeordnet. Das ballistische Werkstück 22 umfaßt einen Ring aus demselben Material wie das Rohr 20 und weist einen Durchmesser auf, der etwas größer als derjenige des Rohres 20 ist, und zwar um einen r- Betrag, der beim Implosionsvorgang den Wert x^ bestimmt. Der kleinere Querschnitt des Werkstückes 22 ist so gestaltet, daß dieses beim Erreichen des Aufprallradius den Querschnitt der Abschrägung bzw. Einkehlung 21 erreicht hat, mit einem Winkel von etwa 5 bis 8 Grad

, ₀ zwischen dem ballistischen Werkstück und dem feststehenden Werkstück 20. Beim Aufprallen auf dem Rohr 20 verursacht also das ringförmige Werkstück 22 eine Stoßschweissung mit der Abschrägung bzw. Einkehlung 21 und liefert das Füllmetall für diese Schweißung. Bei manchen Anwen-

•|c düngen ist es zweckmäßig, einen Kern 24 in das Rohr 20 einzusetzen, um eine Verengung oder Wölbung des Rohres zu vermeiden, wenn nicht das Rohr äußerst massiv und starr ist.

Für die wesentlichen Parameter, die bei der Ausführungsform nach den Figuren 4 und 5 von Bedeutung sind, können die analytischen Beziehungen abgeleitet werden. Die Antriebsspule 28, die auf einem elektrischen Isolator 26 ruht, muß sich innerhalb einer magnetischen Potentialmulde befinden, die entweder mittels einer einzigen Spule eines geeigneten Profils oder durch zwei in geringem Abstand voneinander angeordnete, ringförmige Spulen erreicht werden kann. Bei den folgenden Berechnungen werden zwei einfache Ringe verwendet.

Die Gegeninduktivität zwischen zwei koaxialen, koplanaren Ringen mit R und R ist gegeben durch:

o_R M(R) = μ

35 - ο

ο 4(RRJ

1/2

(13)

-2Λ -

und:

.2

K(k) =

- k²sin²<f>)^1/2

E (15)

,²

E(K) = I (1 - Αχη²φ)^1/2 αφ

.. Ρ- Dies sind die vollständigen elliptischen Integrale erster und zweiter Art. Die Gegeninduktivität eines Ringes mit dem größeren Radius R und dem kleineren Radius r ist gegeben durch:

L(R) = y_o R(ln|S -2) (16)

und zwar für den Fall, der für die Ausführungsform bei den Figuren 3 und 4 zutrifft, bei welcher der Strom auf die Ringoberfläche begrenzt ist.

Der Wert K kann aus den Gleichungen (13) und (16) berechnet werden, ebenso wie die Werte von A und L :

8R
L_o = U₀R₀CIn-J*- 2) (17)

^Ä
35

Aus obigen Gleichungen kann der Kopplungskoeffizient

2
K (x) in Abhängigkeit von der dimensionslosen Variablen

χ = R/R erhalten werden; beim Einsetzen von K χ in Gleichung (8) kann eine schrittweise Integration der Gleichungen durchgeführt werden, um den Wirkungsgrad für verschiedene Abschaltradien x, Kopplungsparameter A und Induktivitätsparameter B zu berechnen, wie anhand der Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 3 bereits erläutert wurde.

Der Wirkungsgrad ergibt sich auf diese Weise zu:

η = 2A~ ⁽¹⁹⁾

In gleicher Wiese wie oben beschrieben können die Werte

für x_p und A berechnet werden, um den Wirkungsgrad τ. max

des Schweißprozesses zu optimieren. Diese Berechnungen ergeben wie bei dem zuvor erläuterten Beispiel kriti-

sehe Werte η für den Parameter A . Bei Anwendung max max ^

von zweckmäßigen Werten von x_f, z.B. 0,89, 0,67 und 0,5, sowie Werten von 0,2 für das Induktivitätsverhältnis B und 200 nh für L ergibt sich, daß der Wirkungsgrad die Größenordnung von 0,5 erreicht, d.h. etwa 50 Prozent der

anfangs in der Stromquelle gespeicherten Energie werden in kinetische Energie des ballistischen Werkstückes umgesetzt.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform zum Schweißen von Rohrblechen bei einem Wärmetauscher. Insbesondere werden Rohrbleche 40 mit Wärmetauscherrohren 42 verschweißt. Einkehlungen 43 werden zwischen den Rohrblechen 40 und den Wärmetauscherrohren 4 2 angebracht. Eine Antriebsspule 44 ist konzentrisch und fluchtend mit der Einkehlung 43 angeordnet. Angrenzend an die Antriebsspule 44 befindet sich eine elektrische Isolierung 46, und daran angrenzend befindet sich ein ballistisches Werkstück in

Form eines Ringes 48. Die Antriebsspule 44 ist an*eine (nicht gezeigte) Stromquelle anschließbar. Diese ist von gleicher Art wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen» Die Berechnung der verschiedenen Parameter, die zur Optimierung des Wirkungsgrades bei dieser Ausführungsform durchgeführt werden muß, erfolgt in derselben Weise wie oben beschrieben.

Bei der Ausführungsform nach Fig» 7 werden Rohre durch Überlapptschweißung verbunden. Bei einer analogen Ausführungsform erfolgt eine zylindrische Beschichtung. Die miteinander zu verbindenden Rohre 50, 52 sind innerhalb einer Antriebsspule 54 in Form einer Spulenwicklung angeordnet, wobei das Rohr 52 innerhalb des größeren Quer-Schnitts des Rohres 50 angeordnet ist. Ein Kern 56 ist im Inneren des Rohres 52 angeordnet, um eine Verwerfung und Verengung beim Aufprall zu verhindern. Die Antriebsspule 54 ist auf einem elektrischen Isolator 58 angeordnet, der seinerseits auf dem größeren Querschnitt des Rohres 50, in welchem das Rohr 52 eingeschoben ist, angeordnet ist. Die Antriebsspule 54 ist mit einer Mehrzahl von Kondensatorbänken 60 verbunden, um eine übertragungsleitung zu bilden. Der Schweißvorgang erfolgt, wenn die Kondensatorbänke aktiviert werden und der Antriebsspule 54 Strom zugeführt wird. Auch bei dieser Ausführungsform erfolgt die Optimierung des Wirkungsgrades bzw. der Energieausnutzung dadurch, daß der Kopplungsparameter A in der oben beschriebenen Weise optimiert wird.

Bei der in den Figuren 8 und 9 gezeigten Ausführungsform wird eine flache Metallplatte zur ebenen Beschichtung oder Aufprallformung beschleunigt. Eine Antriebsspule 64 ist auf einer elektrischen Isolierung 66 aufgebracht, die ihrerseits auf einem ballistischen Werkstück in Form einer flachen fliegenden Metallplatte 68 angeordnet ist. Das feststehende Werkstück hat die Gestalt einer Platte oder Prägeform 70. Die Antriebsspule 70 ist kreisförmig

und an eine (nicht gezeigte) Kondensatorbank angeschlossen. Die Enden der Antriebsspule sind durch einen elektrischen Isolator 72 voneinander isoliert. Auch bei dieser Ausführungsform erfolgt eine Optimierung des Wirkungsgrades in der oben beschriebenen Weise durch Optimieren der wesentlichen Parameter der Anordnung.

Die Figuren 10 und 11 zeigen eine Ausführungsform zur Beschichtung von großen Platten. Bei dieser Ausführungs-

IQ form wird ein feststehendes Werkstück in Form einer Mutterplatte 80 verwendet. Eine Antriebsspule 82 ist "gefaltet" auf einem Isolator 83 angeordnet, der seinerseits an eine fliegende Platte 84 angrenzend angeordnet ist. Die Antriebsspule 82 ist an eine Stromquelle 86 in Form einer Mehrzahl von Kondensatoren einer Kondensatorbank angeschlossen, so daß eine Übertragungsleitung gebildet ist. Bei Aktivierung der Stromquelle wird die fliegende Platte angetrieben, so daß sie mit Verschweißungsgeschwindigkeit auf der Mutterplatte 80 aufprallt, um mit ihr eine Verbindung einzugehen. Auch bei dieser Ausführungsform wird die Energieausnutzung bzw. der Wirkungsgrad optimiert, indem die oben erläuterten Regeln angewendet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden also ein feststehendes Werkstück, ein ballistisches Werkstück und eine Antriebsspule relativ zueinander angeordnet, und es werden insbesondere die beschriebenen Optimierungsberechnungen durchgeführt, um die Energieausbeute bzw. den Wirkungsgrad maximal zu machen.

Claims

PRINZ, BUNKE &.PARTNER ^^

Patentanwälte · European -Patent - Attorneys - **"· München " Stuttgart

Jack Katzenstein ■ 20. Oktober 1982

Haverford Road

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Unser Zeichen: K 1121

Patentansprüche

·
Anordnung zum Stoßschweißen durch magnetische Implosion, gekennzeichnet durch:

- ein ballistisches Werkstück zur Beschleunigung auf eine zum Schweißen geeignete Geschwindigkeit, mit der es auf ein feststehendes Werkstück aufprallt;

- eine Antriebsspuleneinrichtung, die um das fest-

stehende Werkstück und das ballistische Werkstück herum angeordnet und mit einer Stromquelle verbindbar ist, so daß die Antriebsspuleneinrichtung bei Erregung durch die Stromquelle implodiert und das ballistische Werkstück auf die zum Schweißen ausreichende Geschwindigkeit gegen das feststehende Werkstück schleudert, wobei die Antriebsspuleneinrichtung derart gestaltet und ausgebildet ist, daß ihre Kopplungsparameter maximiert sind.

HD/Ma
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungsparameter folgendermaßen definiert ist:

2R_o ²m

worin L die Selbstinduktivität der Antriebsspuleneinrichtung, C die Kapazität der Stromquelle, V die Anfangsladespannung der Stromquelle, R der Radius der Antriebsspule und m die Masse des ballistischen Werkstückes ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirkungsgrad folgendermaßen gegeben ist:

• 2

^xf

^{η =} 2Ä~
. ^A

worin χ gleich R_f dividiert durch R ist, R_f gleich der Endgeschwindigkeit des Werkstückes nach der Implosion und der Wirkungsgrad das Verhältnis der kinetischen Endenergie des Werkstückes zu der in der Stromquelle gespeicherten elektrischen Energie ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromquelle in Form einer Kondensatoreinrichtung vorgesehen ist, die an die Antriebsspuleneinrichtung anschließbar ist.
5. Anordnung zum Stoßschweißen durch magnetische Implosion zur Anwendung beim Stumpfschweißen von im wesentlichen flachen Platten, gekennzeichnet durch:

- ballistische Werkstücke in Form von im wesentlichen geraden Stangen oder Stäben, die um ein zu schweissendes feststehendes Werkstück herum angeordnet sind;

- eine Antriebsspuleneinrichtung, die angrenzend an die ballistischen Werkstücke angeordnet ist und eine gestreckte rechtwinklige Spulenanordnung bildet, die so gestaltet und ausgebildet ist, daß der Wirkungsgrad durch Maximierung ihres Kopplungskoeffi~ zienten optimiert ist.
6. Anordnung zum Stoßschweißen durch magnetische Implosion zur Anwendung beim Rohrschweißen, gekennzeichnet durch:

- ein ballistisches Werkstück in Form eines Ringes, ' das um ein zu schweißendes Werkstück herum angeordnet ist;

- eine Antriebsspuleneinrichtung in Form eines auf dem ballistischen Werkstück angeordneten Ringes, der mit einer Stromquelle verbindbar und so.ausgebildet, und gestaltet ist, daß der auf die Stromquelle bezogene Wirkungsgrad maximiert ist durch geeignete Auswahl der Kopplungsparameter zwischen der Stromquelle und der Antriebsspuleneinrichtung.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

die Kopplungsparameter folgendermaßen gegeben sind: 30

A - -£L

2Rm
ο

worin r der kleinere Radius der Antriebsspuleneinrichtung und R ihr größerer Radius ist, μ die Permeabilität des Vakuums, C die Kapazität der Stromquelle, V die Anfangsspannung der Stromquelle, R der anfäng-

liehe größere Radius der Antriebsspuleneinrichtung und m die Masse des ballistischen Werkstückes ist.
8. Anordnung zum Stoßschweißen durch magnetische Implosion zur Anwendung bei miteinander zu verschweißenden Wärmetauscherrohren und -blechen, gekennzeichnet durch:

- ein ballistisches Werkstück, das in Verbindung mit einem abgeschrägten Einschnitt zwischen einem Wärme-' tauscherrohr und einem Wärmetauscher-Rohrblech und zwischen Paaren von Wärmetauscherrohren und Wärmetauscher-Rohrblechen angeordnet ist; und

- eine AntriebsSpuleneinrichtung, die angrenzend an das ballistische Werkstück angeordnet und mit einer Stromquelle verbindbar ist, um durch Explosion das ballistische Werkstück in den abgeschrägten Einschnitt zu schleudern und dadurch das Wärmetauscherrohr mit dem Wärmetauscher-Rohrblech zu verschweißen, wobei die Antriebsspuleneinrichtung einen Koeffizient der Kopplung mit der Stromquelle aufweist, der für maximale Ausnutzung der Energie der Stromquelle bemessen ist.
9. Anordnung zum Stoßschweißen durch magnetische Implosion zum Überlapptschweißen von Rohren und zum zylindrischen Beschichten, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antriebsspuleneinrichtung angrenzend an einen erweiterten Rohrabschnitt angeordnet ist, der gegen einen im Inneren dieses erweiterten Abschnittes angeordneten Rohrabschnitt geschleudert werden soll, daß die Antriebsspuleneinrichtung die Form einer Zylinderwicklung aufweist und an eine Stromquelle in Form von Kondensatorbänken zur Bildung einer Übertragungsleitung anschließbar ist und daß die Antriebsspuleneinrichtung einen Koeffizient der Kopplung mit der Stromquelle aufweist, der so bemessen ist, daß der Wirkungs-

Ι grad hinsichtlich der Ausnutzung der Energie aus der Stromquelle maximiert ist»
10. Anordnung zum Stoßschweißen durch magnetische Implosion zur ebenen Beschichtung, gekennzeichnet durch:

- ein ballistisches Werkstück in Form einer fliegenden Platte, die angrenzend an eine zu beschichtende
Mutterplatte angeordnet ist;

- eine angrenzend an die fliegende Platte angeordnete und mit einer Stromquelle in Form einer Kondensatoreinrichtung verbindbare Antriebsspuleneinrichtung, die so angeordnet ist, daß sie bei Erregung durch

die Kondensatoreinrichtung die fliegende Platte mit Schweißgeschwindigkeit gegen die Mutterplatte schleudert, wobei der Koeffizient der Kopplung zwischen
der Antriebsspuleneinrichtung und der Kondensatoreinrichtung derart bemessen ist, daß der Wirkungsgrad hinsichtlich der Energieüberführung aus der
Kondensatoreinrichtung zu der Antriebsspuleneinrichtung und zu deren Implosion maximiert ist.
11. Verfahren zum Maximieren des Wirkungsgrades beim
Stoßschweißen durch magnetische Implosion, dadurch

gekennzeichnet, daß:

(1) ein ballistisches Werkstück bereitgestellt wird, das auf Schweißgeschwindigkeit beschleunigt wer-

"^ den und auf einem damit zu verschweißenden feststehenden Werkstück aufprallen soll;

(2) eine Antriebsspuleneinrichtung angrenzend an das Werkstück angeordnet und mit einer Stromquelle
verbunden wird, so daß sie durch Aktivierung und Implosion gegen das ballistische Werkstück dieses mit Schweißgeschwindigkeit gegen das feststehende Werkstück schleudert; und

(3) die Antriebsspulenejnrichtung so ausgebildet und gestaltet wird, daß ihr Koeffizient der Kopplung mit der Stromquelle für maximalen Wirkungsgrad der Energieausnutzung ausgelegt ist.

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