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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Längsnahtschweißen
von Metallrohren, in der die Rohre unter Bildung eines V-Spaltes, dessen Scheitelpunkt
die Schweißstelle bildet, zwischen an der Schweißstelle angeordneten Preßwalzen
hindurch axial vorgeschoben werden und die einen an eine Induktionsspule angeschlossenen
Hochfrequenzgenerator aufweist, welcher einen Strom mit einer Frequenz (F) abgibt,
die die Eindringtiefe
des Stromes kleiner hält als die Rohrwandstärke. Derartige Vorrichtungen sind seit
langem bekannt.
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Sie erlauben ein kontinuierliches Herstellen von Nahtrohren mit stark
von der Stromart beeinflußten Schweißnahtqualitäten, Wirkungsgraden und Vorschubgeschwindigkeiten.
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Bekannt sind beispielsweise Vorrichtungen, die mit Wechsel- bzw. Niederfrequenzstrom
arbeiten und für das Einleiten des Stromes in die zu verschweißenden Spaltkanten
eine um das Rohr herum angeordnete Außeninduktionsspule oder aber eine innerhalb
des Rohres angeordnete Inneninduktionsspule sowie Kombinationen von Innen- und Außeninduktionsspulen
verwenden. Zum Leiten des Magnetflusses benötigen die mit niederfrequentem Strom
arbeitenden Vorrichtungen aufwendige Kerne, und sie erweichen das als Sekundärwindung
wirkende zu verschweißende Rohr über dessen gesamte Wandstärke und nicht nur im
Bereich der herzustellenden Naht, sondern auch im gesamten Rohrumfang im Bereich
der Spulen. Die Erweichung von Material außerhalb der Schweißnaht bedeutet zunächst
eine erhebliche Energieverschwendung und führt außerdem dazu, daß das Herstellen
einer qualitativ hochwertigen Preßschweißung nicht möglich ist; außerdem sind die
erzielbaren Vorschubgeschwindigkeiten nur gering.
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Bekannt sind weiterhin Schweißvorrichtungen der eingangs erwähnten
-Art, die mit Hilfe einer um das Rohr angeordneten Außeninduktionsspule einen hochfrequenten
Wechselstrom in das Rohr induzieren. Ein auf diese Weise induzierter HF-Strom fließt
- da die Eindringtiefe eines Stromes eine Funktion des Kehrwertes der Frequenz ist
- bei ausreichend hoher Frequenz, beispielsweise in der Größenordnung von
100 bis 400 kHz oder höher, nur in den äußersten Metallschichten. Erwärmt
wird also nur noch ein sehr geringer Teil des Rohres, wodurch nicht nur eine erhebliche
Qualitätsverbesserung der Schweißnaht, sondern darüber hinaus eine starke Erhöhung
des Wirkungsgrades und der möglichen Vorschubgeschwindigkeit erreicht wird. Dennoch
ist auch hier nicht zu vermeiden, daß der Strom - wenn auch in axialer und radialer
Richtung auf sehr geringe Rohrbereiche beschränkt - zum Schließen des Stromkreises
von der einen Spaltkante des V-Spaltes über die Rohrrückseite (Mantelfläche) zur
anderen Spaltkante fließt. Der dort fließende Strom ist ein reiner Verluststrom,
da er zum Schweißen der Spaltkante nicht beiträgt.
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Aus der USA.-Patentschrift 3 037 105 ist eine Vorrichtung bekannt,
mit der dieser Verluststrom zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Vorrichtung
verringert wird. Ausgehend von der Erkenntnis, daß der in die Rohraußenfläche induzierte,
in Umfangsrichtung fließende Verluststrom bei Eindringtiefen, die kleiner sind als
die Rohrwandstärke, einen entgegengesetzt gerichteten Verluststrom zur Folge hat,
der entlang des Innenumfanges des Rohres fließt, wird dort ein Magnetkern in das
Rohrinnere eingebracht, der aus einem magnetischen, nichtleitenden Material mit
geringem Verlustfaktor besteht und den entlang des Innenumfanges fließenden Verluststrom
weitgehend reduziert. Man erreicht dadurch zunächst eine Verbesserung des Wirkungsgrades
und hat darüber hinaus den beachtlichen Vorteil, daß die von dem innen umlaufenden
Verluststrom hervorgerufenen Kühlprobleme beseitigt und schließlich die insbesondere
bei Stahlrohren unangenehme Verfärbung der Außenfläche zumindest erheblich verringert
wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, den Wirkungsgrad von Längsnaht-Schweißvorrichtungen für Rohre ohne Verzicht
auf bereits erreichte Vorteile weiter zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zum induktiven Längsnahtschweißen
von Metallrohren der eingangs erwähnten Art, die einen an eine Induktionsspule angeschlossenen
Hochfrequenzgenerator aufweist, welcher einen Strom mit einer Frequenz abgibt, die
die Eindringtiefe des Stromes kleiner hält als die Rohrwandstärke, erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die Induktionsspule eine im Rohr angeordnete Inneninduktionsspule
ist, die vor der Schweißstelle bis in den Raum zwischen den Preßwalzen ragt, und
daß innerhalb der Inneninduktionsspule ein Magnetkern aus einem nichtleitenden Material,
das einen niedrigen Verlustfaktor und einen hohen spezifischen Volumenwiderstand
hat, angeordnet ist.
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Auf diese Weise wird die gestellte Aufgabe völlig gelöst, obwohl der
im Rohrinnenumfang fließende Verluststrom nicht unterbunden wird und man wegen dieses
Stromes Schwierigkeiten hinsichtlich der Kühl-und Verfärbungsprobleme erwarten könnte.
Von Bedeutung ist dabei, daß der Impedanzunterschied zwischen Außenumfang und Innenumfang
bei Rohren der hier vorkommenden Art schon so groß ist, daß der Strom bei einer
Induktion von innen wegen der am Außenumfang größeren Impedanz dort vernachlässigbar
klein wird, so daß also der gesamte, entlang des Rohrinnenumfanges fließende Strom
zum Aufheizen der Spaltkanten zur Verfügung steht.
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Die Verwendung einer Inneninduktionsspule in Verbindung mit ihrem
Heranrücken an die Schweißstelle bringt den Bereich der Stromeinleitung in das Rohr
erheblich näher an die Schweißstelle heran, als es mit den bekannten Innen- und
Außeninduktionsspulen möglich war. Dadurch wird die Länge der Strompfade in den
Spaltkanten verkürzt, so daß bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit weniger Wärme
thermisch abgeleitet und folglich der Strom gesenkt werden kann. Die Folge ist,
daß auch der Strom im Rohrinnenumfang absinkt, und schließlich sind die Verluste
auf dem Innenpfad wegen der gegenüber dem Außenpfad verringerten Impedanz niedriger.
Der Wirkungsgrad wird also tatsächlich trotz der gegenüber einer Außeninduktionsspule
verschlechterten Kopplung durch die Verringerung des benötigten Stromes sowie durch
die Verkleinerung der die Wärme abstrahlenden Flächen verbessert, und zwar hinsichtlich
der thermischen Verhältnisse
etwa quadratisch mit der Verkürzung
der Strompfade in den Spaltkanten.
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Weiter verbessert wird der Wirkungsgrad durch die Verwendung des Magnetkerns,
der den Fluß im Gegensatz zum Schweißen mit niederfrequentem Strom nicht zur Schweißstelle
leitet, sondern der die Kopplung zwischen der Inneninduktionsspule und dem Rohr
dadurch erhöht, daß er die Reaktanz des Flußpfades im Rohrinneren stark vergrößert.
Tatsächlich wird durch den Magnetkern bzw. Impeder erreicht, daß der Spulenstrom
bei gleicher Leistungsabgabe an das Werkstück gegenüber dem Betrieb ohne Inpeder
außerordentlich stark abnimmt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat wegen der Möglichkeit der Verkürzung
der Strompfade im V-Spalt den Vorteil, daß mit ihr besonders gut Rohre hoher elektrischer
und thermischer Leitfähigkeit geschweißt werden können, beispielsweise Rohre aus
Aluminium, Kupfer oder Kupferlegierungen. Ein kurzer Strompfad im Spalt ist insbesondere
bei Metallen hoher Wärmeleitfähigkeit von Bedeutung, weil die zu verschweißenden
Kanten so schnell auf Schweißtemperatur gebracht werden sollten, daß nur wenig Wärme
dort hingeleitet wird, wo eine dadurch bedingte Erweichung des Metalls verhindert,
daß das Rohr zur Bildung der erwünschten Preßschweißung zusammengedrückt werden
kann.
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Die Verringerung der Strompfade im V-Spalt hat darüber hinaus noch
den Vorteil, daß einzelne, kürzere Rohrstücke mit gegenüber sonst verringertem Abfall
hergestellt werden können, denn die Länge des Strompfades ist ein direktes Maß für
die Länge des bei Beginn und am Ende des Schweißens anfallenden, unverschweißten
Rohrstücks.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand der in den Zeichnungen gezeigten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 in schematischer Darstellung
eine Draufsicht auf eine gemäß der Erfindung aufgebaute Schweißmaschine, F i g.
2 einen senkrechten Schnitt durch die in F i g. 1 dargestellte Maschine, F i g.
3 einen senkrechten Schnitt durch eine abgeänderte Ausführung zur Herstellung einer
längsverlaufenden Überlappungsschweißnaht, F i g. 4 eine perspektivische Darstellung
der in F i g. 3 gezeigten Maschine und F i g. 5 einen Teilschnitt, der das Profil
der Nahtstelle bei einer mit der Maschine nach den F i g. 3 und 4 hergestellten
überlapplungsschweißnaht darstellt.
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Eine Rohrlänge 10 (F i g. 1) wird durch bekannte Vorrichtungen
(nicht dargestellt) zwischen zwei Preßwalzen 11, 12 an einer Schweißstelle
W schnell vorbei vorgeschoben, an der die Kanten 13 und 14 eines im
Rohr vorhandenen V-förmigen Spaltes 15 geschlossen werden.
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Eine Induktionsspule 16, die eine oder mehrere Windungen haben kann
und Anschlüsse 17, 18 besitzt, ist innerhalb des Rohres 10 kurz vor der Schweißstelle
W angeordnet. Die Windung bzw. Windungen der Spule 16 sind dicht entlang der Rohrinnenwand
entlanggeführt, um eine möglichst enge Kopplung zu erreichen. Die Spule wird gekühlt.
Zu diesem Zweck bestehen die Leiter aus einem Rohr, das vorzugsweise aus einem nicht
eisenhaltigen Metall hergestellt ist. Im Rohr fließt eine Kühlflüssigkeit. Die Enden
bzw. Anschlüsse der Spule durchsetzen den Spalt 15 nach oben und sind mit einer
Hochfrequenz-Stromquelle 20 verbunden.
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Vorzugsweise wird ein Schweißstrom einer Frequenz von 100 kHz oder
höher, beispielsweise bis zu 400 kHz oder höher verwendet, obwohl in einigen Fällen
schon niedrigere Frequenzen bis 10 kHz, wie sie für die Induktionsheizung oft verwendet
werden, gut geeignet sind.
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Die Inneninduktionsspule (F i g. 1 und 2) kann sehr viel dichter an
der Schweißstelle W angeordnet werden als eine Außeninduktionsspule, weil im letzteren
Fall das Vorhandensein der Preßwalzen 11, 12
ein dichtes Heranschieben ausschließt.
Würde man eine Außeninduktionsspule bis unmittelbar an die Preßwalzen
11, 12 heranschieben, so müßten die Wärmeverluste notwendigerweise immer
noch größer sein als im Falle einer Inneninduktionsspule, die sehr viel dichter
an der Schweißstelle, liegen kann.
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Bei der in F i g. 3 gezeigten usführungsform der Erfindung wird ein
Rohr 10' an einer zwischen zwei Preßwalzen 11', 12' liegenden Schweißstelle
W vorbei vorgeschoben. Bei dieser Ausführungsform werden die zu verschweißenden
Bereiche während des Vorschubes so geführt, daß sich die Kanten 13',14'
des
V-förmigen Spaltes 15' geringfügig überlappen. An der Schweißstelle sind eine Innenrolle
25 und eine Außenrolle 26 angeordnet, zwischen denen das erweichte;
zu verschweißende Metall mit so hohem 'Druck verpreßt wird, daß die Dicke der Schweißnaht
gewünschtenfalls nicht größer ist als die Wandstärke des übrigen Rohres. Gleichzeitig
werden Innen- und Außenflächen des Rohres an der Schweißzone geglättet. Im Querschnitt
verläuft die Schweißnaht diagonal in Richtung der in F i g. 5 gezeigten Pfeile.
Zur Erzeugung des gewünschten Druckes kann die Außenrolle 26 an eine Vorrichtung
angeschlossen sein, die den gewünschten Druck in Richtung des Pfeiles auf die Achse
der Rolle 26 ausübt. Die Innenrolle 25 ist in einem Halter 27 angeordnet und wird
von diesem fest gegen die Rohrinnenfläche gedrückt. Der Halter 27 kann auf
Rollen 28, 29 angeordnet sein, die sich an der unteren Seite des Halters
befinden. Der Halter wird in ortsfester Stellung innerhalb des Rohres
10' durch einen aus Isoliermaterial bestehenden Dorn 30 gehalten, der entgegen
der Vorschubrichtung bis zu einer Stelle reicht, in der der Spalt 15' des
Rohres breit genug ist, um einen leichten Durchtritt des Dornes zu ermöglichen.
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Der Halter 27 trägt einen (in F i g. 1 nicht gezeigten) Impeder bzw.
Magnetkern 31, der in einem Isoliergehäuse 32 eingeschlossen ist. Der Magnetkern
liegt innerhalb der aus zwei Windungen 33 a, 33 b
bestehenden Inneninduktionsspule
33, die der Spule des in den F i g. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiels entspricht.
Der Impeder besteht aus einem bekannten nichtleitenden magnetischen Material, das
einen niedrigen Verlustfaktor, einen hohen Volumenwiderstand und eine magnetische
Permeabilität hat, die wesentlich größer ist als EINS. Der Halter 27
mit den
zugehörigen Teilen wird durch nicht dargestellte Vorrichtungen gekühlt.
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In beiden Ausführungsbeispielen der Erfindung dient der Impeder dazu,
die Reaktanz in dem durch die Spulenmitte gehenden Rückpfad und damit die Kopplung
zwischen der Spule und dem Rohr zu erhöhen.
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Bei beiden beschriebenen Ausführungen ist der Hochfrequenzstrom im
wesentlichen auf die nachstehend
angedeutete Bahn begrenzt: Wird
beispielsweise von einer oberhalb der Induktionsspule liegenden Stelle an der einen
Spaltkante begonnen, dann fließt der Strom in Umfangsrichtung um die Innenfläche
des Rohres zur anderen Spaltkante, dann längs dieser Kante zur Schweißstelle und
von der Schweißstelle zurück entlang der anderen Spaltkante zur Ausgangsstelle.
Wegen der zwischen den Strömen an den gegenüberliegenden Spaltkanten vorhandenen
gegenseitigen Induktanz wird der Strom auf die Spaltkantenflächen begrenzt und fließt
in der äußersten Oberflächenschicht des Metalls. Hierdurch wird das zu verschweißende
Metall bis auf Schmelztemperatur an der Schweißstelle erwärmt, an der der Strom
wegen der Kerbwirkung am stärksten konzentriert und die Temperatur am höchsten ist.
Die Eindringtiefe des Stromes in das Metall, und zwar sowohl im Spalt als auch in
dem in Umfangsrichtung verlaufenden Strompfad wird mit d bezeichnet und ist eine
Funktion der Wurzel aus dem Kehrwert der benutzten Frequenz des Schweißstromes.