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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von in der Längsnaht geschweißten
Rohren unter fortschreitendem elektrischem Stumpfschweißen der Stoßflächen der Bleche
oder Bänder Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum fortschreitenden elektrischen
Stumpfschweißen der Stoßflächen von Blechen oder Bändern unter Zufuhr des Stromes
induktiv kontaktlos oder über Kontakte, wobei die Mittel der Stromzufuhr den Stoßflächen
unmittelbar gegenüber wirksam sind. Es ist bereits bekannt, an Stelle der Erhitzung
mittels Brennern die notwendige Temperaturerhöhung in den Stoßflächen von Blechen
oder Bändern auf elektrischem Wege durchzuführen. Die erwärmten Stoßflächen werden
unter einem senkrecht zur Naht wirkenden Druck zusammengeführt und so das Stumpfschweißen
bewirkt. Sowohl bei den Verfahren, bei welchen der Strom induktiv, d. h. also ohne
Kontakte, als auch bei denjenigen, bei welchen der Strom über Kontakte zur Widerstandserhitzung
unmittelbar zugeführt wird, ist es schon vorgeschlagen worden, die Mittel der Stromzufuhr,
d. h. also die Induktoren einerseits und die Kontakte andererseits, unmittelbar
gegenüber den Stoßflächen, die später zur Verschweißung zusammengeführt werden,
wirksam werden zu lassen.
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Diese Maßnahme wurde in dem Bestreben ergriffen, eine möglichst gleichmäßige
Erwärmung über die gesamte Breite der Stoßfläche auch dann zu erzielen, wenn es
sich um verhältnismäßig starke Bleche und Bänder handelt, wobei gleichzeitig tunlichst
vermieden werden sollte, daß sich nennenswerte Erwärmungen des Materials in der
Nachbarschaft der Stoßflächen ergeben. Dieses Ziel läßt sich mit der bekannten Maßnahme,
die Mittel der Stromzufuhr gegenüber den Stoßflächen wirksam werden zu lassen, wesentlich
besser erreichen als mit den Maßnahmen, gemäß welchen die Induktoren bzw. Kontakte
in unmittelbarer Nachbarschaft der Stoßflächen auf die Oberflächen der Bleche oder
Bänder einwirken. Allerdings hat diese bekannte Maßnahme den Vorzug, daß die Mittel
der Stromzufuhr beliebig nahe an die eigentliche Schweißstelle herangeführt werden
könnten und daher gegebenenfalls mit verhältnismäßig geringen Wärmeverlusten durch
Wärmeleitung und Wärmestrahlung zu rechnen war. Weil aber auf diese Weise ein gleichförmiges
Durchwärmen der gesamten Stoßflächen nicht gewährleistet werden kann, ist die Maßnahme
vorzuziehen, die Mittel der Stromzufuhr unmittelbar gegenüber den Stoßflächen vorzusehen.
Damit ergibt sich aber die Schwierigkeit, die Induktoren bzw. Kontakte in dem Spalt
unterzubringen, der so dicht als möglich an die Aufheizstrecke anschließend durch
das Zusammenführen und den damit eingeleiteten Schweißvorgang geschlossen wird.
Dies wird besonders fühlbar, wenn es sich z. B. um das Längsnahtschweißen von Schlitzrohren
handelt, zumal wenn hierbei ausgegangen wird von verhältnismäßig starken Blechen,
die zum Schlitzrohr gebogen werden. Das Offenhalten eines genügend breiten Spaltes
in der Nähe der Schweißstelle kommt einem Biegen über die hohe Kante gleich, da
das Öffnen des Spaltes, der von den beiden Stoßflächen begrenzt wird, nicht anders
möglich erscheint. Die Oberkanten der zusammenführenden Bleche oder Bänder befinden
sich hierbei praktisch in gleicher Ebene, und das Zusammenführen der Stoßflächen
erfolgt durch stetige Verminderung ihres Abstandes, während ihre eigentliche Stellung
zueinander die gleiche bleibt.
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Es ist auch bereits bekannt, daß bei der Widerstandsschweißung unter
Verwendung hoher Frequenzen die Kontakte in den engen Spalt zwischen den beiden
zu verschweißenden Stoßflächen anzuordnen sind. Eine solche Einrichtung hat jedoch
in der Praxis zu dem erheblichen Nachteil geführt, daß wegen Platzmangels die Kontakte
nicht genügend stabil ausgebildet werden können. Die eigentlichen Kontaktflächen,
die mit einem bestimmten Druck an die
Stoßflächen angepreßt werden
müssen, haben nicht genügend abzustützenden Werkstoff, so daß laufend Beschädigungen
der Kontakte, und zwar der Stoßflächen durch ungenügende Kontaktgabe eintreten.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist auch schon vorgeschlagen worden, solche Kontakte,
in Schweißrichtung gesehen, hintereinander anzuordnen, da hierdurch etwas mehr Raum
für die Ausbildung des den Kontakt tragenden Bauteiles gewonnen wird.
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Neben der Tatsache, daß bei einer solchen Ausbildungsform noch keine
genügende Stabilität erreicht wird, tritt der Nachteil in Erscheinung, daß die Stromweglänge
in den beiden zu verbindenden Stoßflächen ungleich wird. Hierdurch ergeben sich
-Unterschiede in der Temperaturhöhe an der Stelle, an der die beiden Stoßflächen
zum Verschweißen in Berührung gebracht werden.
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Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und dazugehörige
Vorrichtungen anzugeben, die es ermöglichen, die Mittel der Stromzufuhr unmittelbar
gegenüber den Stoßflächen wirksam werden zu lassen und sie dennoch so nahe als möglich
an die eigentliche Schweißstelle heranzubringen, so daß einerseits ein gleichförmiges
Erwärmen der gesamten Stoßflächenbreite sichergestellt wird und andererseits Wärmeverluste
durch zu großen Abstand der Aufheizstrecke von der Schweißstelle vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem die Stoßflächen im
Bereich der Aufheizstrecke so geführt werden, daß die Schnittlinien der Stoßflächen
mit einer senkrecht auf der Schweißrichtung stehenden Ebene gegeneinander versetzt
sind. Diese Maßnahme ist sowohl beim stumpfen Aneinanderschweißen von mehr oder
minder ebenen Flächen als auch insbesondere beim Längsnahtschweißen von Rohren möglich.
Die Stoßflächen werden hierbei so geführt, daß die zugehörigen Kanten in verschiedenen
Ebenen verlaufen. Schon diese Maßnahme allein genügt vielfach, um den notwendigen
Raum für die Anordnung der Induktoren bzw. Kontakte zu schaffen und dabei gleichzeitig
die Mittel der Stromzufuhr möglichst nahe an die eigentliche Schweißstelle heranzubringen.
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Zur Ausübung des Verfahrens werden bei induktiver Erwärmung zwei Induktoren
verwendet, die die Form eines mit Magnetjochen besetzten gestreckten Leiters aufweisen
und die der Länge der Aufheizstrecke entsprechen. An sich sind Induktoren, die aus
gestreckten, mit Magnetjochen besetzten Leitern bestehen, bekannt, Gemäß der Erfindung
werden sie in gegeneinander versetzten Ebenen bzw. in Winkelstellung zueinander
im Bereich der Aufheizstrecke unmittelbar gegenüber den Stoßflächen angeordnet.
An Stelle von mit Magnetjochen besetzten, gestreckten Leitern können auch Induktoren
verwendet werden, die aus mehreren Leitern oder aus einer Vielzahl parallel liegender
Leiter bestehen.
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Hinsichtlich der Anordnung gilt sinngemäß das gleiche für die elektrischen
Kontakte in der Form von Schuhen oder Rollen, wenn eine Widerstandserwärmung durchgeführt
werden soll. Im Bereich der Heizstrecke werden diese Kontakte in gegeneinander versetzten
Ebenen bzw. in Winkelstellung zueinander an den Stoßflächen anliegend angeordnet.
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In beiden Fällen wird auf diese Weise Raum gewonnen, so daß ein möglichst
nahes Heranführen der Mittel der elektrischen Stromzufuhr an die eigentliche Schweißstelle
ermöglicht wird. Im nachfolgenden wird die Erfindung an einigen bevorzugten Ausführungsformen
näher erläutert, und dabei werden weitere Erfindungsmerkmale aufgezeigt. In schematischer
Darstellung zeigt Abb. 1 einen senkrechten Schnitt durch die induktive Aufheizstrecke
beim Längsnahtschweißen eines Schlitzrohres, Abb. 2 einen der Abb.1 entsprechenden
Schnitt bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens, Abb. 3 einen Schnitt durch
eine Anordnung zur Ausübung des Verfahrens beim Zusammenschweißen von ebenen Blechen,
Abb. 4 einen Schnitt an der Heizstrecke bei unmittelbarer Stromzufuhr (Widerstandserhitzung),
Abb. 5 einen der Abb.4 entsprechenden Schnitt für eine andere Ausführungsform des
Verfahrens, Abb. 6 einen der Abb. 5 entsprechenden Schnitt, jedoch mit mechanischen
Einrichtungen zum Zusammenführen der Stoßflächen, Abb. 7 einen senkrechten Längsschnitt
der Abb. 6 und Abb. 8 eine Draufsicht der Abb. 7.
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In der Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß Abb.
1 handelt es sich um die Aufgabe, ein Rundrohr herzustellen. Das hierzu benötigte
Band wird in an sich bekannter Weise zu einem Schlitzrohr gerollt. Das Schlitzrohr
1 hat aber insofern eine andere Form, als dies bisher üblich und bekannt war, indem
nämlich die Stoßflächen 2 und 3 gegeneinander versetzt sind. Die Ebenen der Stoßflächen
verlaufen parallel zueinander. Den Stoßflächen unmittelbar gegenüber sind die Induktoren
4 und 5 angeordnet, bestehend aus je einem gestreckten Leiter mit aufgesetzten Magnetjochen
6 und 7. Obwohl, wie aus der Darstellung ersichtlich, die Stoßflächen 2 und 3 kaum
einen nennenswerten Abstand voneinander haben, ist es möglich, die raumgreifenden
Induktoren unterzubringen, und zwar verhältnismäßig dicht bei der eigentlichen Schweißstelle.
Auf dem Wege, welchen das Schlitzrohr von der Aufheizstrecke bis zur eigentlichen
Schweißstelle zurückzulegen hat, ist es lediglich noch notwendig, die Stoßfläche
3 auf die Ebene der Stoßfläche 2 zu heben und den seitlichen Druck zur Verschweißung
der beiden Stoßflächen herbeizuführen. Die Bewegung des Rohres erfolgt hierbei,
wie ohne weiteres verständlich, senkrecht zur Zeichenebene, und die Induktoren 4
und 5 erstrecken sich ebenfalls in dieser Richtung.
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Mit einer Anordnung dieser Art gelingt es, die Breite der Stoßflächen
völlig gleichmäßig auf die erforderliche Schweißtemperatur zu erwärmen, und die
Tiefe des Eindringens der Erwärmung in Richtung auf den eigentlichen Rohrkörper
1 ist ausschließlich abhängig von der Wahl der Frequenz, der spezifischen Leistung
und von der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes, aus welchem das Rohr geformt wird,
sowie von der Vorschubgeschwindigkeit des Rohres während der Schweißung. Es ist
beispielsweise möglich, bei einer Leistungsdichte von 1 bis 8 kW/cm= beheizter Stoßfläche
und einer Frequenz zwischen 2000 und 450 000 Hz je nach verwendetem Werkstoff die
Erwärmungstiefe auf 0,5 bis 10 mm zu beschränken. Die durch das Verfahren gemäß
der Erfindung ermöglichte gleichförmige Erwärmung der Stoßflächen bei geringer Ausbreitung
der Erwämung senkrecht zu den Stoßflächen gestattet nicht nur ein Verschweißen unter
geringem Gesamtwärmeaufwand, sondern auch
bei entsprechenden geringen
Drücken mit geringster Wulstbildung. Die benötigten Heizeinrichtungen können daher
vergleichsweise von geringer Abmessung sein, und die mechanischen Einrichtungen
vereinfachen sich, weil kein besonders starker Wulst zu entfernen ist.
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Sinngemäß das gleiche gilt für die Anordnung nach Abb. 2. Die Stoßflächen
8 und 9 des Schlitzrohres 1
sind in diesem Falle im Bereich
der Heizstrecke nicht nur gegeneinander versetzt, sondern sie schließen auch noch
einen Winkel ein. Dementsprechend ergibt sich eine andere gegenseitige Anordnung
der Induktoren 10 und 11 zueinander, die im übrigen dem Grundsatze nach genauso
ausgebildet sind wie die Induktoren gemäß Abb. 1.
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Die erhitzten Stoßflächen müssen durch Druckwirkung zusammengeführt
werden. Das Verfahren gemäß der Erfindung gestattet es, diese Druckwirkung und damit
die notwendige Verformung in Gebiete zu verlegen, die von den zu verschweißenden
Kanten möglichst weit entfernt sind. Die Verformungsmittel, wie Rollen od. dgl.,
kommen auf diese Weise mit der Schweißstelle nicht in Berührung, was zur Folge hat,
daß Wärmeverluste durch Leitung wirksam vermieden werden. In gewissen Fällen ist
es auch vorteilhaft, mehrere Induktoren gemäß Abb. 1 und 2 in Schweißrichtung hintereinanderzustaffeln.
Die Heizstrecke kann dadurch verlängert werden. Außerdem können die Induktoren in
Richtung senkrecht zur Schweißbewegung zur mechanisch einwandfreien Sicherung verstärkt
werden.
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Abb. 3 zeigt den Fall des stumpfen Aneinanderschweißens zweier ebener
Bleche 23 und 24. Die Stoßflächen 25 und 26 sind gegeneinander versetzt, und nach
Durchlaufen der mittels der Induktoren 27 und 28 erwärmten Aufheizstrecke ist es
lediglich erforderlich, das eine oder das andere Blech auf eine gemeinsame Ebene
zu heben und den seitlichen Druck zu bewirken. Auch in diesem Falle ist es möglich,
die Induktoren außerordentlich nahe an die eigentliche Schweißstelle heranzubringen.
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Erfindungsgemäß kann an Stelle von Induktoren auch mit elektrischen
Kontakten gearbeitet werden, die den Stoßflächen den Strom unmittelbar zuführen.
Am Beispiel eines Vierkantschlitzrohres 29 sei diese Maßnahme an Hand der Abb. 4
kurz erläutert. Die Stoßflächen 30 und 31 sind gegeneinander versetzt, und
ihre Ebenen bilden außerdem einen Winkel miteinander. Die Stromzuführung erfolgt
über einen schwertförmigen Kontaktarm 32, der aus zwei gegeneinander isolierten
Stromzuführungen 33 und 34 besteht. Die Isolierung ist bei 35 angedeutet. Am Ende
des Kontaktarmes befinden sich die Kontaktschuhe 36 und 37, die an den Stoßflächen
30 bzw. 31 anliegen. Sinngemäß die gleiche Anordnung ergibt sich aus Abb. 5, jedoch
ist die Stoßfläche 30 des Vierkantrohres 29 im Gegensatz zur Ausführungsform
nach Abb. 4 nach innen gebogen.
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Das Zusammenführen der Stoßflächen ist, wie ohne weiteres verständlich,
bei einer Anordnung gemäß Abb.4 verhältnismäßig einfach. Aber auch bei einer Anordnung
nach Abb. 5 ist das Zusammenführen der Stoßflächen ohne weiteres möglich, wie sich
aus den Darstellungen der Abb. 6 bis 8 ergibt. Jenseits der Aufheizstrecke ist in
das Rohrinnere eine Rolle oder Walze 39 eingeführt, die, von einer Welle 40 getragen,
auf einem Auslegearm 41 gelagert ist. Dieser Auslegearm ist, wie bei 42 angedeutet,
abgewinkelt, indem ein schwertartiger Teil 43 in das Rohrinnere hineinragt und an
seinem unteren Ende angeschweißte Laschen 44 trägt. Die Laschen 44 des Auslegearmes
ragen unter den Kontakten 34 hindurch. Die Rolle oder Walze 39 findet das für die
Ausübung des Verformungsdruckes erforderliche Widerlager durch den Profilboden,
welcher seinerseits wieder durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte, starre
Unterrolle abgestützt wird. Bei gewissen Profilen, insbesondere solchen mit geringer
Wandstärke, kann auch auf die Gegenrolle verzichtet werden. In diesem Falle wäre
die Lasche 44 über ein Gelenk mit dem in das Profilinnere hineinragenden Schwert
43 zu verbinden.
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Wie ohne weiteres verständlich, kann sinngemäß die gleiche Anordnung
auch dann angewendet werden, wenn nicht mit Kontakten, sondern unter Verwendung
von Induktoren aufgeheizt wird.
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Zum Zusammenführen der Stoßflächen der Bleche oder Bänder können im
übrigen alle Mittel angewendet werden, wie sie für derartige Zwecke in der Technik
bekannt sind, d. h. also in verschiedenen Ebenen angreifende Druckrollen und ferner
auch Führungssteine, Düsen u. dgl. Soweit es sich um die Herstellung von Rohren
durch Längsnahtschweißung handelt, läßt sich das Verfahren gemäß der Erfindung ohne
weiteres eingliedern in übliche Rohrfertigungsanlagen, bei denen das benötigte Band
von einem Haspel abläuft und über Umführungsrollen sowie Einrichtungen zum Besäumen
der Bandkanten durch Zirkularscheren einer aus mehreren Rollensätzen bestehenden
Profilwalzenmaschine zugeführt wird. In der Profilwalzenmaschine wird das Band auf
kaltem Wege zu einem geschlitzten Rohr gewünschter Ausbildung vorgeformt, worauf
alsdann das so verformte Band der Schweißmaschine zugeleitet wird, wo das Verschweißen
in der Weise vorgenommen wird, wie dies in Verbindung mit den vorausgehenden Figuren
geschildert wurde. Gleichgültig, wie die Gesamteinrichtung zur Herstellung der Schlitzrohre
gestaltet ist, läßt sich unter Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfindung die Schweißgeschwindigkeit
und damit die Bandgeschwindigkeit wesentlich steigern, verglichen mit solchen Einrichtungen,
die ohne Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung arbeiten.