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Anordnung zum induktiven Stumpfschweißen von metallischen Werkstücken
Nach einem nicht vorbekannten Vorschlag kann beim Stumpfschweißen metallischer Werkstücke
die Schweißstelle induktiv vorgewärmt und anschließend das Verschweißen im unmittelbaren
Stromdurchgang vorgenommen werden. Die dazu benötigten Einrichtungen arbeiten für
das induktive Vorwärmen mit Heizleiterschleifen oder Spulen, die unmittelbar oder
unter Zwischenschaltung eines Transformators an die Stromquelle höherer Frequenz
angeschlossen sind. Das Vorwärmen der Schweißstelle durch induktives Beheizen wird
mit einem Strom höherer als normaler Frequenz durchgeführt, und anschließend wird
im unmittelbaren Stromdurchgang mit einem Strom niederer Frequenz geschweißt, der
den beiden zu verschweißenden Werkstücken zugeleitet wird. Der Induktor, meist eine
Heizleiterschleife, und die Klemmen für den unmittelbaren Stromdurchgang können
hierbei entweder in vollkommen getrennten Stromkreisen liegen, oder aber der Induktor
kann zu den Anschlußklemmen, die den Werkstücken den eigentlichen Schweißstrom zuführen,
parallel geschaltet sein. Sobald das induktive Vorwärmen beendet ist, wird der Induktor
herausgeklappt, die Werkstückenden werden zusammengeführt, und nunmehr fließt der
Strom unmittelbar im Werkstück, so daß an der Übergangsstelle das Verschweißen eintritt.
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Diese Einrichtungen haben gemeinsam, daß der niederfrequente und derhöherfrequenteStrom
durch getrennte Anlagen dem Netz entnommen werden. Da im allgemeinen der Strom mit
der niederen Frequenz
über den Schweißtransformator dem Werkstück
einphasig zugeführt wird, treten in dem Versorgungsnetz, namentlich bei größeren
Schweißaggregaten, äußerst ungleichmäßige Belastungen auf. Außerdem ist bekanntlich
der Leistungsfaktor solcher Schweißapparate ungünstig, wodurch weitere Schwierigkeiten
im Versorgungsnetz eintreten. Es ist zwar bekannt, durch Spezialschaltungen an diesen
Schweißtransformatoren eine gleichmäßige Belastung des speisenden Netzes herbeizuführen,
jedoch haben bisher diese Kunstschaltungen nicht zum vollen Erfolg geführt.
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Bei einer weiteren Einrichtung, die für das Vorwärmen und, für das
anschließende Verschweißen Strom gleicher Frequenz verwendet, ergibt sich zwar der
Vorteil, daß eine gleichmäßige Belastung des speisenden Niederfrequenznetzes infolge
der Zwischenschaltung des Motorgenerators, des Röhren- oder Funkstreckensenders
gegeben und nur ein Transformator erforderlich ist. Schweißtechnisch ergeben sich
jedoch gewisse Schwierigkeiten, da infolge der magnetischen Blaswirkung die beim
Schweißen entstehenden Lichtbögen die Neigung -haben, nur an den Außenkanten der
zu verschweißenden Flächen zu brennen. Hierdurch wird das erforderliche Abbrennen
der Schlacke und das Herausschleudern dieser Oxydteile nur in unvollkommenem Maße
erreicht.
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Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, ein Umformeraggregat zu verwenden,
das aus zwei von einem Antriebsmotor angetriebenen Erzeugern besteht. Die Schaltung
erfolgt derart, daß der den höherfrequenten Strom für das Vorwärmen liefernde Erzeuger
beim Schweißen im unmittelbaren Stromdurchgang abgeschaltet ist. Der abgeschaltete
Erzeuger gleicht infolge seiner weiter umlaufenden Masse die Lastspitzen des mit
niedrigerer Frequenz arbeitenden Erzeugers aus, der den Strom für den eigentlichen
Schweißvorgang liefert.
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In Abb. i ist schematisch eine solche Anordnung gezeigt. Auf die Grundplatte
i i ist ein Antriebsmotor 12 aufgesetzt, mit welchem ein Stromerzeuger
13 für die Erzeugung des höherfrequenten Vorwärmstromes angetrieben wird.
Mechanisch festgekoppelt mit Motor 12 und Stromerzeuger 13 ist ein weiterer Stromerzeuger
14, der den zum Schweißen selbst erforderlichen Einphasenstrom geringerer Frequenz
erzeugt. Für das Vorwärmen werden die Ströme von dem höherfrequenten Stromerzeuger
13 geliefert. Hierbei ist der Motor 12 voll belastet, so daß das Aggregat mit gutem
Wirkungsgrad und gutem cos 99 arbeitet. Nach beendetem Vorwärmen wird zum
Verschweißen der niederfrequente Strom aus dem Stromerzeuger 14 entnommen. Während
dieser Zeit ist der höherfrequente Stromerzeuger 13 unbelastet. Infolge der hohen
Energiereserve, die in den umlaufenden Massen, namentlich des höherfrequenten Stromerzeugers
13, gespeichert sind, wird der zum Verschweißen erforderliche Stromstoß, der von
dem Generator geliefert wird, in seiner Auswirkung auf das den Motor 12 speisende
Netz wesentlich gedämpft. Als weiterer Vorteil ergibt es sich, daß die großen zur
Verfügung stehenden Schwungmassen eine kleinere Dimensionierung des niederfrequenten
Generators und des Antriebsmotors zulassen.
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Endlich ist die Netzbelastung während des gesamten Schweißvorganges
in allen drei Phasen praktisch gleich und im wesentlichen frei von aus dem Netz
zu deckenden Lastspitzen. Als besonderer Vorteil ist ferner festzustellen, daß der
Antriebsmotor 12 nur für die für das Vorwärmen erforderliche Leistung ausgelegt
zu werden braucht, weil nämlich der höher frequente Generator während des eigentlichen
Schweißens leer mitläuft und mit seinen großen Schwungmassen einen Puffer für den
dabei entstehenden Schweißstromstoß darstellt.
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Der Verbraucher, der mit dieser Erzeugeranlage zusammenarbeitet, ist
in Abb. 2 schematisch dargestellt. Es sollen die beiden Werkstücke i und 2 an ihren
Stirnflächen miteinander verschweißt werden. Es kann sich hierbei um Werkstücke
mit beliebigem Querschnitt, also Stangen, Rohre, Schienen od. dgl., handeln. Zum
Vorwärmen wird zwischen die beiden zu verschweißenden Flächen der Heizinduktor 3
angeordnet. Dieser kann die Form eines Mäanders, einer Flachspirale oder einer Rundspule
aufweisen, die sich in bezug auf die Stirnflächen über der Werkstückoberfläche schließt
und mithin eine Leiterschleife darstellt. Er kann mit geeigneten Blechjochen versehen
werden, um die beiden aufzuheizenden Stirnflächen während des Vorwärmvorganges gleichmäßig
zu beaufschlagen.
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Der Induktor ist angeschlossen an die Sekundärwicklung 4 eines Transformators,
der mit einem Eisenkern 5 und der Primärwicklung 6 versehen ist und der beispielsweise
die Form eines Schweißtransformators aufweist. Die Primärseite dieses Transformators
wird an den Klemmen g' und g" mit dem vom Erzeuger 13 gelieferten Strom höherer
Frequenz, wie bei 8 angedeutet, gespeist, der dem induktiven Vorwärmen mit dem Induktor
dient. Nach Beendigung des Vorwärmvorganges wird über einen nicht dargestellten
Schalter der Strom höherer Frequenz abgeschaltet, und es wird der Primärseite des
Transformators der vom Erzeuger 14 gelieferte Strom niederer Frequenz, wie bei-
g angedeutet, zugeführt.
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Dieser Strom niederer Frequenz dient dem Schweißvorgang selbst. über
die Kontaktklemmbacken io und io' wird dieser Strom den an ihren Stirnenden hoch
erhitzten Werkstücken zugeführt, worauf sich der übliche Schweißvorgang abspielt,
nachdem der Induktor 3 aus der Berührungsebene der Werkstücke i und 2 herausgeklappt
worden ist. Während dieses Schweißens kann der Induktor 3 abgeschaltet werden, oder
es kann dafür Sorge getragen sein, daß der Gesamtwiderstand der Schweißstrecke,
verglichen mit dem Gesamtwiderstand des Induktors 3, so klein bemessen ist, daß
die durch den Induktor 3 fließenden Ströme beim Schweißvorgang geringstmögliche
Werte annehmen.
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Je nach der Form und der Größe des zu verschweißenden Querschnittes
sowie nach den verwendeten Frequenzen wird die Sekundärspannung des Transformators
für das Vorwärmen und für
das Schweißen in verschiedener Höhe benötigt.
Um die Höhe dieser Sekundärspannung beeinflussen und gegebenenfalls regeln zu können,
kann die Primärseite des Schweißtransformators mit Anzapfungen versehen sein. So
kann beispielsweise die für das Vorwärmen im allgemeinen am Induktor erforderliche
höhere Sekundärspannung dadurch erzielt werden., daß der höherfrequente Strom 8
den Klemmen g und 7 bzw. g' und 7' zugeführt werden. Bei der elektrischen Auslegung
des Schweißtransformators ist darauf zu achten, daß sich ein guter Wirkungsgrad
für beide Stromfrequenzen ergibt. Hierzu wird von der an sich bekannten elektrotechnischen
Maßnahme für die Auslegung der Primär- und Sekundärwicklungen sowie für die Bemessung
des Transformatorkerns Gebrauch gemacht. Außerdem kann das Spannungsverhältnis des
rhöherfrequenten und niederfrequenten Primärstromes gegeneinander so bemessen werden,
daß sich für beide Stromarten eine optimale Ausnutzung des Transformators ergibt.
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An Stelle des in Abb. 2 dargestellten Transformators können auch zwei
getrennte Transformatoren vorgesehen werden, wobei der eine dem höherfrequenten,
der andere dem niederer frequenten zugeordnet wird.
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Beim Betrieb der Anordnung gemäß der Erfindung ergeben sich schon
besonders günstige Bedingungen, wenn das Frequenzverhältnis zwischen Vorwärm-und
Schweißstrom beispielsweise 2ooo :5o beträgt. Noch günstiger ist es indes, wenn
die Frequenz für den Schweißstrom auf geringere Werte gesenkt wird, beispielsweise
zwischen 5 und 20 Wechsel je Sekunde. Erfahrungsgemäß wird es hierdurch möglich,
auch große Querschnitte einwandfrei zu verschweißen. Das Vorwärmen kann beispielsweise
mit Frequenzen von ioobis2ooooHz erfolgen. Es kann jedoch auch in manchen Fällen
zweckmäßig sein, das Vorwärmen mit einer Frequenz von iooo Hz und das eigentliche
Schweißen mit einer solchen von 3oo Hz durchzuführen.
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Die Wahl der geeigneten Frequenzen richtet sich dabei nach der Werkstückzusammensetzung
der zu schweißenden Werkstücke und nach der Größe und Form der Querschnitte sowie
der Art der Werkstücke.