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Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen der einander gegenüberliegenden
Kanten von zu einem Rohr gebogenen Band oder von Bauteilabschnitten oder Bauteilen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen
der einander gegenüberliegenden Kanten eines zu einem Rohr gebogenen Bandes oder
von zwei Bauteilen oder Bauteilabschnitten aus verhältnismäßig dickem Metall.
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Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Verschweißen der einander
gegenüberliegenden Kanten von Metallteilen bekannt, bei denen zwischen den Schweißkanten
unter stetiger Vorwärtsbewegung des oder der zu verschweißenden Teile ein V-förmiger
Spalt ofEengehalten wird, der an seiner Spitze durch von entgegengesetzten Seiten
aus aufgebrachte Druckkräfte zur Bildung einer annähernd an der Spaltspitze liegenden
Schweißstelle geschlossen wird. Dabei werden die einander gegenüberliegenden Flächen
der Ränder dieses Spaltes vor der Schweißstelle durch Hochfrequenzstrom auf Schweißtemperatur
mittels Elektroden erhitzt, die auf beiden Seiten des Spaltes an den Bauteilabschnitten
anliegen, so daß der Strom von den Elektroden aus längs der sich einander nähernden
Kanten des Spaltes zu und von der Schweißstelle weg fließt, wobei er durch die hohe
gegenseitige Induktivität zwischen den Kanten an den Oberflächen der Kanten in starkem
Maße konzentriert wird.
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Dieses bekannte Verfahren arbeitet einwandfrei und wird in großem
Umfang angewendet. Jedoch können sich dann, wenn die zu verschweißenden Metallkanten
relativ dick sind, insofern gewisse Schwierigkeiten ergeben, als der den geringsten
Widerstand aufweisende Leitungsweg für den zwischen den Elektroden bzw. Kontakten
und der Schweißstelle fließenden Strom längs der oberen Teile der Kanten verläuft,
so daß sich längs der unteren Kantenabschnitte eine geringere Erhitzungswirkung
ergibt. Wenn es in der Praxis aus irgendeinem Grunde erforderlich ist, die Kontakte
in einem größeren Abstand von der Schweißstelle anzuordnen, macht es außerdem Schwierigkeiten,
Bauteilabschnitte aus Metall oder Rohre von begrenzter Länge zu verschweißen, da
es wegen des Abstandes zwischen den Kontakten und der Schweißstelle kaum möglich
ist, die vorderen Enden und hinteren Enden der Kanten ausreichend zu erhitzen. Schließlich
ist es bei Anwendung des bekannten Verfahrens zum Schweißen von dickwandigen Rohren
auch schwierig, innerhalb des Rohres magnetische Mittel anzubringen, die verhindern,
daß der Strom in der Umfangsrichtung abwandert, weil wegen der dicken Rohrwandung
meist nicht genügend Raum im Inneren des Rohres vorhanden ist, um die magnetischen
Mittel unterzubringen und zu unterstützen. Auch können Vorrichtungen zum Beseitigen
von Metallaufstauchungen, die auf der Innenseite der Schweißnaht durch den Schweißdruck
entstehen können, wegen des beschränkten Raumes im Rohrinneren meist nicht angewendet
werden.
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Durch die Erfindung werden die genannten Schwierigkeiten beim Verschweißen
relativ dickwandiger Kantenabschnitte aus Metall dadurch vermieden, daß der den
Flächen der Spaltränder über leitende Mittel zugeführte Hochfrequenzstrom im wesentlichen
auf einen Weg geführt wird, der von der einen Klemme der Stromquelle quer zur Längsrichtung
des Spaltes nacheinander über die Flächen der Spaltränder von deren Oberkante zur
Unterkante bzw. Innenkante oder umgekehrt verläuft, wobei der Strom in jedem Augenblick
in entgegengesetzten Richtungen quer über die Flächen der beiden Spaltränder fließt.
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Eine zur Durchführung dieses Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung
ergibt sich, wenn außer zwei in an sich bekannter Weise an der Außenseite des Rohres
oder der Metallteile an den einander gegenüberliegenden Rändern des Spaltes oder
in deren Nähe kurz vor der Schweißstelle angeordneten
Elektroden
weitere Elektrodenglieder innerhalb des Rohres bzw. auf der Innenseite der Metallteile
gegenüber den äußeren Elektroden angeordnet sind, die auf der Innenfläche des Rohres
an den Rändern des Spaltes oder in deren Nähe anliegen und das Metall der beiden
Spaltränder miteinander verbinden.
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Es ist zwar beim Widerstandsschweißen von Metallteilen im Vorschubverfahren
unter Offenhaltung eines V-förmigen -Schlitzes bekannt, den Schweißstrom an den
vier Rändern des Schweißspaltes ein-und austreten zu lassen und nach erfolgter Erwärmung
den Spalt zur Durchführung der Schweißung zusammenzupressen.Bei diesem bekanntenVerfähren
fließen jedoch die Ströme in den beiden Metallteilen entweder parallel zueinander
mit Stromleiter durch den V-Spalt hindurch oder mit zwei Stromquellen in Gegenrichtung;
jedoch in zwei Stromkreisen mit Übergang der Ströme von Schweißfläche zu Schweißfläche.
Demgegenüber sind gemäß der vorliegenden Erfindung Innen- und Außentransformator
so gepolt, daß ihre Ströme einen gemeinsamen Stromkreis bilden, wobei das eine oder
andere Elektrodenpaar zu demselben Zweck elektrisch kurzgeschlossen ist. Gegenüber
dem bekannten Verfahren, das außerdem nicht mit Hochfrequenzstrom arbeitet, ist
somit der Stromfluß ein ganz anderer als bei dem Verfahren und der Vorrichtung nach
der Erfindung, bei denen der hochfrequente Strom oder wenigstens der größere Teil
des Stromes veranlaßt wird, in der Querrichtung über die Oberfläche der Ränder des
Spaltes zu fließen, und der Strom in dem Augenblick wegen der gegenseitigen Induktionswirkung
längs der Ränder des Spaltes jeweils in entgegengesetzten Richtungen fließt. Hierbei
wird der Strom in hohem Maß auf die Kantenflächen konzentriert, um diese Flächen
auf die Schweißtemperatur zu erhitzen, ohne daß das Metall an den Kanten auf eine
größere Tiefe erweicht wird, so daß durch das Zusammendrücken an der Schweißstelle
eine gute geschmiedete Schweißnaht gebildet wird. Die Kontaktmittel können hierbei
so nahe an der Schweißstelle angeordnet werden, daß die Kantenflächen nach ihrer
Erhitzung durch den in der Querrichtung fließenden Strom keine Gelegenheit haben,
sich bis zum Erreichen der Schweißstelle bis unter die Schweißtemperatur abzukühlen.
Außerdem kann bei der Anordnung der Kontaktmittel in solcher Nähe der Schweißstelle
ein Teil des Stromes von den zum Zuführen des Stromes dienenden Kontakten aus in
der gleichen Weise zu der Schweißstelle und von ihr weg fließen, wie es bei dem
eingangs erwähnten bekannten Verfahren der Fall ist.
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Vorzugsweise wird die Anordnung so getroffen, daß ein verhältnismäßig
kleiner Teil des Hochfrequenzstromes von auf entgegengesetzten Seiten des Spaltes
liegenden Stellen des oder der Metallteile aus zu der Schweißstelle hin bzw. von
ihr weg in der Längsrichtung der sich einander nähernden Ränder des Spaltes geführt
wird.
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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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Fig. 1 zeigt in einem Längsschnitt eine bevorzugte Ausbildungsform
der Erfindung zum Verschweißen des Längsspaltes bei einem Rohr aus Metall; Fig.
2 ist ein Teilschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1, in dem durch strichpunktierte
Linien auch die Anwendung der Erfindung beim Verschweißen von zwei Bauteilabschnitten
aus Metall veranschaulicht ist, bei denen es sich nicht notwendigerweise um Teile
eines Rohres zu handeln braucht; Fig. 3 zeigt perspektivisch eine weitere Ausbildungsform
der Erfindung; Fig. 4 und 5 sind Fig. 2 ähnelnde Teilschnitte, zeigen jedoch weitere
Ausbildungsformen der Erfindung.
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In Fig. 1 erkennt man bei 10 einen Rohrabschnitt, der in der Längsrichtung,
d. h. in Richtung des eingezeichneten Pfeils, vorgeschoben wird und sich an einer
Schweißstelle w vorbeibewegt, die annähernd am Scheitelpunkt des V-förmigen Längsspaltes
11 des Rohres liegt. Gemäß Fig. 1 und 2 sind die Klemmen einer Quelle für einen
hochfrequenten Strom mit den Kontakten oder Elektroden 12 und 13 verbunden, die
bei 12a und 13a vorzugsweise mit auswechselbaren Kontaktschuhen versehen sind, welche
hohen Temperaturen standhalten und eine hohe Zerschleißfestigkeit besitzen; die
Kontaktschuhe greifen an der Oberseite des Metalls auf entgegengesetzten Seiten
des Spaltes 11 und in dessen unmittelbarer Nähe an. Ein weiteres Kontaktorgan bzw.
eine Elektrode 14 ist unter dem Spalt 11 angeordnet; diese Elektrode trägt ebenfalls
vorzugsweise verschleißfeste, hohen Temperaturen standhaltende Kontaktschuhabschnitte
14a und 14 b, die auf beiden Seiten des Spaltes an der Unterseite des Metalls angreifen,
so daß sie praktisch die unteren Teile der .Ränder des Spaltes kurzschließen. Somit
ist ein Leitungsweg für den hochfrequenten Strom von der einen Klemme der Stromquelle
aus über den Kontaktschuh 12a, längs der Kantenfläche 15 des Spaltes, d. h. quer
zu dem Spalt und der Kantenfläche, den Kontaktschuh 14a, den Kontaktschuh 14 b und
in der Querrichtung nach oben längs der Kantenfläche 16 des Spaltes sowie über den
Kontaktschuh 13 a zur anderen Klemme der Stromquelle vorhanden. Man erkennt, daß
der Strom in jedem Augenblick in entgegengesetzten Richtungen längs der Flächen
der Ränder des Spaltes fließt. Mit anderen Worten, wenn die Vorrichtung die gezeigte
Stellung einnimmt, fließt der Strom in einem bestimmten Augenblick längs der Kantenfläche
15 nach unten und längs der Kantenfläche 16 nach oben, und wegen der entgegengesetzten
Polarität dieser Ströme veranlaßt die gegenseitige Induktion zwischen den Kantenflächen,
daß der Strom in starkem Maße an den eigentlichen Kantenflächen konzentriert wird,
und zwar insbesondere dann, wenn man einen Strom von geeigneter Frequenz verwendet,
wobei die Frequenz z. B. 50 000 Hz beträgt oder vorzugsweise noch höher liegt, z.
B. im Bereich von 350 000 bis 450 000 Hz: Da das Kontaktstück 14 praktisch die unteren
Teile der Ränder des Spaltes kurzschließt, besteht im wesentlichen keine Gefahr,
daß Teile des Stromes dadurch vergeudet werden, daß sie über; Leitungswege fließen,
die sich in der Umfangsrichtung über die Rückseite bzw. den unteren Teil des Rohres
erstrekken. Da das Kontaktstück 14 so angeordnet ist, daß sich seine Kontaktschuhe
14 a und 14 b in einem sehr geringen Abstand von den Kontaktschuhen 12a bzw:
13 a befinden, wird der Leitungsweg für den Strom zwischen den Kontaktschuhen 12a
und 13a, der bei weitem den geringsten Widerstand besitzt, quer zu den Rändern des
Spaltes zu dem Kontaktstück 14 und von diesem weg verlaufen. Somit wird nur ein
relativ kleiner Teil des Stromes bestrebt sein, längs der Ränder des Spaltes von
den Kontaktschuhen 12a und 13 a aus zu der Schweißstelle w bzw. von dieser
weg
zu fließen. Wenn man das Kontaktaggregat in einem ziemlich geringen Abstand von
der Schweißstelle anordnet, kann man außerdem erreichen, daß ein vorbestimmter Teil
des Stromes von den Kontaktschuhen12a und 13a aus zu der Schweißstelle bzw. von
ihr weg und somit längs der Ränder des Spaltes fließt, wodurch ein Absinken der
Temperatur der Ränder vor dem Erreichen der Schweißstelle verhindert wird; gegebenenfalls
läßt sich auf diese Weise sogar eine weitere Erhöhung der Temperatur der Kantenflächen
erzielen. Wenn das Kontaktstück 14 so geformt oder angeordnet ist, daß es dem verwendeten
hochfrequenten Strom einen erheblichenWiderstand entgegensetzt, kann man bewirken,
daß mindestens ein erheblicher Teil des Stromes längs der unteren Teile der Ränder
des Spaltes zu der Schweißstelle bzw. von ihr weg fließt. In jedem Falle kann man
durch geeignete Formgebung und Anordnung der Kontakte oder durch Verändern des Abstands
der Kontakte von der Schweißstelle eine einwandfreie Erhitzung der Kanten über ihre
ganze Tiefe und auf die gewünschte Schweißtemperatur gewährleisten.
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Alle Kontaktstücke und deren Unterstützungen werden vorzugsweise mit
Kanälen zum Hindurchleiten eines Kühlmittels versehen; diese Kanäle sind teilweise
mit gestrichelten Linien angedeutet.
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Gemäß Fig. 2 kann das Kontaktstück 14 auf einem isolierenden Tragstück
18 befestigt sein, das seinerseits mit einem Dorn 19 od.dgl. verbunden ist,
dessen hinteres Ende von geeigneten Unterstützungsmitteln 20 getragen wird,
die sich nach unten in den Spalt des Rohres bzw. den Spalt zwischen den beiden zu
verschweißenden Metallteilen erstrecken. Gegebenenfalls kann man das vordere Ende
des Dornes 19 als Unterstützung für eine insgesamt mit 20 a bezeichnete Anordnung
benutzen, mittels deren das Metall weggesc4tten werden kann, das bei 21 nach innen
gestaucht wird. Diese Anordnung kann z. B. ein Schneidwerkzeug 22 umfassen, das
verstellbar in einem Wagen 23 angeordnet ist und durch die mit 24 bezeichneten Mittel
so festgehalten wird, daß es nach oben und hinten vorspringt und an dem nach innen
gestauchten Metall angreift. Dieser Wagen 23 kann auf Rollen 25 und 26 laufen, und
er kann z. B. durch eine durch Federkraft nach oben vorgespannte Rolle 27 nach unten
gegen die Innenwand des Rohres gedrückt werden. Das bei 28 nach oben gestauchte
Metall kann von der Oberseite der Schweißnaht mit Hilfe eines Schneidwerkzeuges
29 abgetragen werden.
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Wie bei dem erwähnten bekannten Verfahren kann man die Bauteilabschnitte
aus Metall so gegeneinanderdrücken, daß der Spalt annähernd an der Schweißstelle
geschlossen wird; dies kann z. B. mit Hilfe von einander gegenüberliegenden Druckwalzen
geschehen, von denen in Fig. 1 eine bei 30 mit gestrichelten Linien angedeutet ist.
Wenn es sich bei den zu verschweißenden Teilen um Streifen od. dgl. handelt, kann
man diese auf ähnliche Weise in der Vorrichtung vorschieben; in Fig. 2 sind zwei
solche streifenförmige Teile bei 31 und 32 mit strichpunktierten Linien angedeutet,
und Fig. 2 läßt erkennen, wie die Kontaktstücke mit den Streifen zusammenarbeiten.
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In Fig. 3 ist eine etwas abgeänderte Ausbildungsform der Erfindung
dargestellt; gemäß Fig. 3 wird ein Kontaktsück 14', das dem Kontaktstück 14 nach
Fig. 2 entspricht, abgesehen davon, daß es einen nach oben vorspringenden Abschnitt
35 besitzt, verwendet; der Fortsatz 35 ragt nach oben in den Spalt 11' hinein und
ist von den Rändern des Spaltes durch Abstände getrennt. Hierbei handelt es sich
um ein weiteres Mittel zum Konzentrieren des Stromes auf die eigentlichen Ränder
der Kanten des Spaltes, wobei diese f>onzentration auf die gegenseitige Induktivität
und den sogenannten Näherungseffekt zurückzuführen ist. Gemäß Fig. 3 sind Kontaktschuhe
36, 37, 38 und 39 vorgesehen, die jeweils den Kontaktstücken oder Schuhen 12 a,
14 a, 14 b und 13 a nach Fig. 2 entsprechen Soriüt verläuft der Leitungsweg für
den hochfrequenten Strom z. B. von einer Klemme der Stromquelle aus über den Kontaktschuh
36 nach unten quer zu der Kantenfläche 40 zum Kontaktschuh 37, von dort aus längs
der Fläche 41 des Fortsatzes 35, d. h. längs der Fläche 40 am nächsten benachbarten
Fläche nach oben, dann weiter längs der Fläche 42, d. h. der der Fläche 43 des Spaltes
am nächsten benachbarter. Fläche, nach unten zu dem Kontaktschuh 38, von dort aus
nach oben über die Fläche 43 zum Kontakt 39 und schließlich zurück zur anderen Kleinniie
der Stromquelle. Die Verwendung des Fortsatzes 35 an dem Kontaktstück 14' kann dann
zweckmäßig sein, wenn sich das Kontaktaggregat in einer Zone befindet, in der die
Ränder des Spaltes verhältnismäßig weit voneinander entfernt sein müssen, wobei
es jedoch erwünscht ist, den Heizstrom möglichst weitgehend an der Oberfläche der
Ränder des Spaltes zu konzentrieren. Alternativ kann man die Kontakte aus ähnlichen
Gründen mit Förtsätzen ersehen, die in der aus Fig. 4 oder 5 ersichtlichen, Weise
in den Spalt hineinragen. Gemäß Fig. 4 tragen die beiden oberen Kontakte jeweils
einen Fortsatz 45 b=.-. 46, und diese Fortsätze ragen nach unten in den Spalt hinein;
in Fig. 5 trägt das untere Kontaktstück einen Fortsatz 47, der nach oben in den
Spalt hineinragt, während einer der oberen Kontakte einen nach unten in den Spalt
hineinragenden Fortsatz 48 trägt. Bei diesen beiden Ausbildungsformen verlaufen
die Leitungswege für den Strom längs der Fortsätze und der Ränder des Spaltes nach
unten bzw. nach oben, und zwar quer zur Längserstreckung des Spaltes zwischen den
zu verschweißenden Kanten, und der Strom fließt nach unten bzw. nach oben in entgegengesetzten
Richtungen längs der Flächen der Fortsätze bzw. der Ränder des Spaltes, welche einander
am nächsten benachbart sind, so daß der Strom wegen des sogenannten Annäherungseffektes
in hohem Maße an der Oberfläche des Metalls konzentriert wird.
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Bei der Ausbildungsform nach Fig.4 kann das untere Kontaktstück 50
z. B. so ausgebildet sein, daß es von einem isolierenden Bauteil 51 aufgenommen
wird, das mit Federn 52 versehen ist, um die Kontaktschuhe nachgiebig nach oben
gegen die zu verschweißenden Metallteile auf beiden Seiten des Spaltes zu drücken.
Ähnliche Federmittel kann man gegebenenfalls auch bei den anderen beschriebenen
Ausbildungsformen vorsehen.
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Die verschiedenen Ausbildungsformen der Erfindung eignen sich insbesondere
für Fälle, in denen die Dicke der zu verschweißenden Metallteile zwischen etwa 6,5
und etwa 20 mm oder möglicherweise noch darüber liegt. In diesen Fällen ermöglicht
die Erfindung eine sehr gleichmäßige Erhitzung auf die gewünschte vorbestimmte Schweißtemperatur,
wobei eine gleichmäßige Erhitzung der gesamten Oberfläche der breiten Ränder des
Spaltes erfolgt. Diese Gleichmäßigkeit
der Erhitzung ergibt sich
aus der Tatsache, daß der gleiche Strom längs einer Kante nach unten und dann längs
der gegenüberliegenden Kante nach oben fließen muß. Da sich ferner alle Abschnitte
beider Kantenflächen längs fester Bahnen und vorzugsweise mit gleichförmiger Geschwindigkeit
in der Längsrichtung an dem Kontaktaggregat vorbeibewegen, liegt es auf der Hand,
daß alle Punkte längs der Ränder des Spaltes notwendigerweise einer gleichmäßigen
Heizwirkung ausgesetzt sind.
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Es sei bemerkt, daß die Ausdrücke »Oberseite« und »Unterseite« u.
dgl. in den Patentansprüchen zur Unterscheidung zwischen der Oberseite und der Unterseite
der Metallteile für den Fall dienen, daß sich die Vorrichtung in der aus den Zeichnungen
ersichtlichen Stellung befindet, daß es jedoch natürlich möglich ist, die Vorrichtung
gegebenenfalls umzuwenden oder sie in eine gewünschte Winkellage zu bringen.