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Vorrichtung zur Herstellung eines Metallrohres aus einem Metallband
durch Widerstandsschweißung Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum
Herstellen von Metallrohren in der Weise, daß ein Metallband schraubenförmig gewunden
und mit seinen aneinanderstoßenden Rändern verschweißt wird. Insbesondere betrifft
die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung einer solchen Verschweißung durch
elektrische Widerstandserhitzung der zu verschweißenden Ränder mittels Hochfrequenzstrom.
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Die Anwendung von Hochfrequenzstrom zur Herstellung von Metallrohren
mittels Schweißung ist zwar bereits bekannt. Die bekannte Herstellung erfolgt aber
in der Weise, daß ein mit einem Längsschlitz versehener Rohrmantel in seiner Längsrichtung
vorwärtsbewegt und dabei durch seitlichen Druck so zusammengepreßt wird, daß der
Schlitz an einem Schweißpunkt geschlossen wird. Dabei werden die Schlitzränder über
Kontakte bzw. Elektroden erhitzt, die an den Rändern beiderseits des Schlitzes etwas
vor dem Schweißpunkt angeordnet sind und einen Strom solch hoher Frequenz zuführen,
daß der Weg der niedrigsten Impedanz zwischen den Elektroden den Schlitzrändern
entlang zu dem Schweißpunkt und von diesem weg führt.
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Es ist weiterhin bekannt, dieses Längsschweißen von Rohren unter Anwendung
von Hochfrequenzstrom mit einer Frequenz in der Größenordnung von Radiofrequenz
durchzuführen.
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Durch die vorliegende Erfindung soll demgegenüber eine Vorrichtung
geschaffen werden, welche der Widerstandsschweißung mit Radiofrequenzstrom auch
bei der an sich bekannten Herstellung von Rohren aus einem schraubenförmig gewundenen
Metallband ermöglicht, bei der bisher nur induktiv erzeugte Ströme angewendet wurden.
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Demgemäß bestehen die wesentlichen Merkmale der Erfindung darin, daß
Druckrollen vorgesehen sind, die das Metallband schraubenförmig zusammenpressen,
und daß der Abstand der Kontakte vom Schweißpunkt derart ist, daß beide Schweißkanten
die gleiche Temperatur erreichen.
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Der Abstand der Kontakte von dem Schweißpunkt ist den Erhitzungsbedingungen
der Schweißkanten entsprechend zu `wählen. Bei ungleichen Erhitzungsbedingungen
kann es dabei erforderlich werden, die Kontakte in verschiedenem Abstand von dem
Schweißpunkt anzuordnen, damit die Schweißkanten im Schweißpunkt auf die gleiche
Schweißtemperatur erhitzt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung der in der Zeichnung als Beispiele dargestellten Ausführungsformen
der Erfindung. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht einer ersten
Ausführungsform der Erfindung, bei der zur besseren Übersicht Druckrollen und Antriebselemente
weggelassen sind, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1, Fig. 3 eine
schematische Darstellung der gesamten Vorrichtung, Fig.4 eine der Fig. 1 ähnliche
Darstellung einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung und Fig. 5 einen Schnitt
nach der Linie 5-5 der Fig. 4. Wie im einzelnen aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist
ein Wickeldorn 10 angeordnet, der in entsprechenden Lagermitteln 10a (Fig. 3) um
seine Achse mit gleichmäßiger Geschwindigkeit in der durch den Pfeil 11
bezeichneten
Richtung mittels eines Kettenrades 10 b drehbar gelagert ist, das durch eine
beliebige Kraftquelle angetrieben wird. Dabei wird ein Metallband 12 auf den Dorn
in schraubenförmigen Windungen derart aufgewickelt, daß sich die Windungen 12' des
Metallbandes mit ihren Rändern dicht aneinanderlegen, wobei diese Ränder einer Schraubenlinie
13 folgen, an der sie miteinander verschweißt werden. Wenn der Dorn 10 mit dem auf
ihm gebildeten Rohr rotiert, wird das Rohr zugleich in der durch -den Pfeil 14 bezeichneten
allgemeinen Richtung durch eine an sich bekannte Vorrichtung, die nicht zum Gegenstand
der vorliegenden Erfindung gehört, vorwärtsbewegt.
Das Zusammenschweißen
der aneinanderstoßenden Bandränder erfolgt an dem sogenannten Schweißpunkt in der
in Fig. 1 mit 15 bezeichneten Schweißzone. In einigem Abstand vor dieser Schweißzone
15 wird an Stellen, die an oder in der Nähe der sich nähernden Ränder des Metallbandes
liegen, diesen Rändern elektrischer Hochfrequenzstrom mittels Kontakte bzw. Elektroden
16, 16a zugeführt, die das Metall des Bandes12 an dessen Rändern oder nahe den Rändern
berühren. Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, können die Kontakte 16, 16a
an metallenen Haltern 17, 18 angebracht sein, die durch eine zwischen ihnen angeordnete
Isolierung 19 gegeneinander isoliert sind. Die Kontakte 16, 16' können an sich derart
geformt und angeordnet sein, daß sie entweder die oberen Flächen des Metallbandes
oder entweder die obere oder die untere Fläche des Bandes nahe dessen Rändern berühren.
Vorzugsweise ist jedoch, wie in Fig. 2 dargestellt, der Kontakt 16 derart geformt,
daß er das Band 12 an dessen unterer Fläche am Rande berührt, während der Kontakt
16 a so geformt ist, daß er die Windung 12' an deren äußerem Rand bei der in Fig.
2 mit 20 bezeichneten Stelle von oben berührt. Die dargestellten Kontakthalter 17,
18 sind an die beiden Klemmen einer Radiofrequenzstromquelle angeschlossen, die
Frequenzen in der Größenordnung von 100 000 Hertz oder höher gegebenenfalls bis
zu 500 000 Hertz liefert. Bei Anwendung eines Stromes solcher Frequenz verläuft
der Weg der kleinstmöglichen Impedanz zwischen den Kontakten 16, 16a, wie durch
die kleinen Pfeile in Fig. 1 angedeutet, an den die Schweißkanten bildenden Schlitzrändern
21, 22 entlang nach der Schweißzone 15 und zurück. Dabei sind die Bedingungen derart,
daß der vorherrschende Impedanzfaktor Induktivität enthält und der Weg der niedrigsten
Induktivität den dicht beieinanderliegenden und sich noch nähernden Rändern folgt,
wodurch die Heizwirkung des Stromes unmittelbar auf die Ränder des Metallbandes
bzw. die Schweißkanten beschränkt wird. Dabei wird genügend Strom angewendet, um
die Schweißkanten durch Widerstandserhitzung in der Weise auf die Schweißtemperatur
zu erhitzen, daß von den Stellen ab, an denen die Bandränder mit den Kontakten in
Berührung kommen, die Ränder mehr und mehr erhitzt werden, bis sie die höchste Temperatur
gerade am Anfang der Schweißzone erreichen, wo ein beachtlicher Lichtbogen entsteht.
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Wie bereits erwähnt, kommt der Kontakt 16 vorzugsweise mit der Unterseite
des Randes des Streifens 12 und der Kontakt 16 a mit der oberen bzw. äußeren Fläche
der Windung 12' in Berührung. Hierdurch wird gewährleistet, daß der Strom am stärksten
an den Linien entlang konzentriert wird, die im Randbereich nach dem Schweißpunkt
zu dicht beieinander liegen, so daß der Strom Wegen folgt, die wegen des dichten
Beieinanderliegens die geringste Realtanz aufweisen.
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Bei der dargestellten Anordnung kommt der untere Teil der Schweißkante
21 normalerweise zuerst mit der Schweißkante 22 in Berührung, und zwar mit dem oberen
Teil derselben. Wenn die Kontakte in der dargestellten, bevorzugten Lage angeordnet
sind, berühren sich daher die heißesten Stellen der Schweißkanten zuerst, wobei
ein kleiner Lichtbogen erzeugt wird, der ein genügendes Erhitzen der übrigen Randflächen
in der Weise gewährleistet, daß die gesamte Schweißkante 21 mit der gesamten Schweißkante
22 verschweißt wird, wenn diese Ränder sich aneinanderlegen. Die Kontakthalter 17,
18 können an beliebigen, nicht dargestellten Isolierarmen derart angebracht sein,
daß zwischen den Kontakten und dem Schweißpunkt für bestimmte Verhältnisse und für
einen gegebenen Strom durch Versuchseinstellungen der Kontakte der günstigste Abstand
ermittelt und endgültig eingestellt werden kann, bei dem die sich nähernden Schweißkanten
in der zur Verfügung stehenden Zeit so erhitzt werden, daß sie in dem Augenblick,
in dem sie zuerst miteinander in Berührung kommen, gerade auf die Schweißtemperatur,
aber nicht wesentlich höher, erhitzt werden.
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Der Dorn 10 ist, wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, an seiner
Oberfläche in dem Bereich, an dem das Zusammenschweißen erfolgt, mit einer ringförmigen
Ausnehmung oder Nut 23 versehen, so daß der Rand der Windung 12' von dem Metall
des Dornes einen bestimmten Abstand hat. Hierdurch wird die Ableitung von Hitze
von dem Rand 22 nach dem Dorn 10 sowie die Neigung des Stromes verhindert. entlang
der Oberfläche des Dornes einen leichteren Weg zu finden, als dem gewünschten Weg
entlang dem Rand 22 der Windung 12' entspricht. Trotzdem kann unter bestimmten Umständen
zum Erhitzen des Randes 22 auf Schweißtemperatur mehr Hitze erforderlich sein, als
zum Erhitzen des Randes 21, der in der Schweißzone noch genügend Abstand von dem
Dorn hat. Andererseits kann unter Umständen der bereits hergestellte Teil des Rohres
in solchem Maß erhitzt worden sein, daß zum Erhitzen des Randes 22 auf Schweißtemperatur
weniger Hitze erforderlich ist als für den Rand 21. Dies kann z. B. dann der Fall
sein, wenn besonders dünne Rohre aus dichten Windungen geschweißt werden. Um allen
diesen Verhältnissen Rechnung tragen zu können, sind die Kontakthalter, wie bereits
erwähnt, so angeordnet, daß ihr günstigster Abstand von dem Schweißpunkt durch Versuchseinstellungen
ermittelt werden kann. Wenn z. B. der Rand 21 eine weniger starke Erhitzung erfordert,
wird der Kontakt 16 näher dem Schweißpunkt eingestellt, während dann, wenn dieser
Rand stärker erhitzt werden muß, dieser Kontakt in größerem Abstand von denn Schweißpunkt
angeordnet wird. In gleicher Weise erfolgt die Einstellung des Kontaktes 16 a am
Rand 22.
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Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, kann das Metallband 12
auf den Dorn 10 mittels paarweise angeordneten Vorschub- bzw. Klemmrollen 25 aufgebracht
werden. Auf dem Dorn 10 wird das Band 12 in seitlicher Richtung unter Führung durch
eine Gegenrolle 27 z. B. durch federnde Druckrollen 26, 26' derart belastet, daß
die Ränder 21, 22 zum Verschweißen in dichte Berührung gebracht werden. Weiterhin
wird das Band an einer hinter dem Schweißpunkt liegenden Stelle durch eine Druckrolle
28 gegen den Dorn 10 gepreßt.
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Bei der Vorrichtung nach den Fig. 4 und 5 kann der Dorn in der gleichen
Weise wie nach Fig. 1 bis 3 gelagert sein und durch die gleichen Antriebsmittel
in Drehbewegung versetzt werden. Auch können die gleichen Mittel zur Zuführung des
Metallbandes angewendet werden. Nach Fig.4 erfolgt jedoch die Zuführung des hier
mit 33 bezeichneten Bandes in der Weise, daß der hintere Rand 30 einer gebildeten
Windung 31 von dem vorderen Rand des Bandes 33 überdeckt wird, so daß diese Ränder
unter gegenseitiger 1Tberlappung entsprechend dem in Fig. 5 dargestellten O_uerschnitt
miteinander verschweißt werden. Hierbei werden bei der Ausführungsform nach Fig.
4 und 5 die einander überlappenden Ränder unmittelbar hinter dem Schweißpunkt z.
B. durch eine Druckrolle 34 fest
gegen den Dorn gepreßt. Außerdem
wird bei dieser Ausführungsform vorzugsweise ein Dorn ohne Ringnut verwendet, so
daß die Schweißnaht im Bereich der Druckrolle 34 durch den Dorn gut unterstützt
wird.
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Die den Strom zuführenden Kontakte 35 a und 36 a
können
bei der Ausführungsform nach Fig. 4 vorzugsweise entsprechend der Ausführungsform
nach Fig. 1 bis 3 einstellbar angeordnet sein. Bei der Ausführungsform nach Fig.
4 ist jedoch, da der Rand 30 in Berührung mit dem Dorn steht und hierdurch sowohl
ein Teil der Wärme als auch ein Teil des Heizstromes selbst abgeführt werden kann,
im allgemeinen ein längerer Heizweg für den Rand 30 als für den Rand 32 erforderlich.
Im allgemeinen wird daher der Kontakt 36a in größerem Abstand von dem Schweißpunkt
eingestellt werden müssen als die Elektrode 35 a.
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Die Vorrichtung nach Fig. 4 wird in manchen Fällen der Vorrichtung
nach Fig. 1 vorzuziehen sein, da die sich nähernden Bandränder an einem bestimmten
Punkt, nämlich dem mit 35 bezeichneten Punkt zusammenkommen und an diesem Punkt
ohne gegenseitige Bewegung zusammenbleiben, wodurch die Lage des Schweißpunktes
genauer bestimmt und eine genauer verlaufende Schweißlinie in engem Bereich erhalten
wird. Weiterhin ist bei der Ausführungsform nach Fig. 4 die Aufgabe, die miteinander
verschweißten Ränder zusammenzupressen und zusammenzuhalten, einfacher gelöst als
bei der Vorrichtung nach Fig. 1, bei der die Ränder durch Druck in Richtung der
Dornachse in gegenseitige Berührung gebracht werden.
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Bei allen dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen ist es
im allgemeinen erforderlich, die Kontakthalter zu kühlen. Dies kann in einfacher
Weise durch Anordnung von Leitungen 36 und 37 für ein Kühlmittel, z. B. Wasser,
erfolgen, wobei diese Leitungen, wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, jeweils
mit Zirkulationskanälen 38, 39 verbunden sind, die in den Kontakthaltern angeordnet
sind. Die Anschlüsse für das Kühlmittel sind in den Fig. 1 und 4 angedeutet.
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Die Anwendung der beschriebenen Gleitkontakte ist zweckmäßiger als
die Verwendung von Rollkontakten, da bei Gleitkontakten eine ausgedehntere Berührungfläche
erreicht wird und es nicht erforderlich ist, daß die Kontakte unter verhältnismäßig
großem Druck angepreßt werden. Dabei tritt der Hochfrequenzstrom über solche Kontakte
in die Metallränder ein, ohne daß an den Kontakten Lichtbogen mit den hieraus resultierenden
Schwierigkeiten entstehen. Der ; Stromfluß wird vielmehr auf die Ränder beschränkt,
an denen er benötigt wird. Demgegenüber ergeben Rollkontakte infolge ihrer nur tangential
verlaufenden Berührung im wesentlichen nur eine Linienberührung. Sie können daher
den Strom nicht wirksam in die ; Metallränder einleiten und nicht ohne Verhinderung
der Lichtbogenbildung, es sei denn, daß sie mit verhältnismäßig großem Druck angepreßt
werden, durch den aber unter Umständen das Metallband beschädigt oder gequetscht
werden kann. Wenn andererseits Rollkontakte gewählt werden, die groß genug sind,
um eine genügende Leitwirkung zu ergeben, so ist es schwierig, solche Rollkontakte
bei der Herstellung von Rohren aus schraubenförmig gewundenen Metallstreifen in
dem beschränkten Raum im Bereich der sich nähernden Metallränder unterzubringen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3 und, falls vorhanden, auch
bei der Ausführungsform nach Fig. 4 und 5 kann die Ringnut 23, wie sie in Fig. 1
durch gestrichelte Linien angedeutet ist, mit einem bekannten Material hohen Wärmewiderstandes
gefüllt sein, wodurch in der Schweißzone eine feste Unterlage für die zu verschweißenden
Ränder gebildet wird, zugleich aber verhindert wird, daß Strom in das Metall des
Wickeldornes übergeleitet wird. In manchen Fällen, insbesondere in solchen, bei
denen ein dünnwandiges Rohr hergestellt werden soll, kann der Dorn ganz aus isolierendem
Werkstoff bestehen oder mit einem Überzug aus solchem Werkstoff versehen sein.
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Außer den beiden, im einzelnen beschriebenen Ausführungsformen sind
im Rahmen der Erfindung weitere abgeänderte Ausführungsformen. möglich.