Vorrichtung zum Schweissen von Rohren aus Metallband mit schraubenlinienförmig verlaufender Naht mittels Wechselstrom mit Hochfrequenz Beim Widerstandsschweissen von Schraubennahtrohr mit Wechselstrom ist ,es bekannt, den Strom durch am Band in Abstand von der Schweissstelle an oder nahe den aufeinander zulaufenden Bandschmalflächen ange ordnete Kontakte zuzuführen, wobei der Strom längs den Bandkanten zur Schweissstelle fliesst und auf diesem Wege das Band im Bereich der Schmalflächen über eine gewisse Tiefe auf Schweisstemperatur erhitzt. Die mit diesem Verfahren erhaltene Schweissung ist im Frequenzbereich bis zu 600 kHz um so besser,
mit je höheren Frequenzen gearbeitet wird, weil das Strom feld sich dann wegen des Skineffekts scharf auf den Bereich der Bandschmalflächen konzentriert.
Handelt es sich um Schraubennahtrohr, dann be obachtet man Ungleichförmigkeiten der Erwärmung quer über die zu :erhitzenden .Schmalflächen, und zwar zeigt sich an den vier Kanten :der beiden aufeinander zulaufenden Schmalflächen die stärkste Erhitzung an den Kanten, die in der ersten Phase der Annäherung den kleinsten Abstand voneinander haben, wobei die Temperatur - quer über dass Band gerechnet - zur jeweils anderen Kante hin abfällt.
Dieser Effekt tritt allerdings erst bei Frequenzen im Radiofrequenzband wesentlich in Erscheinung, wird dann aber so ausge- prägt, dass nahe der Schweissstelle jede der beiden Schmalflächen nur in einem schmalen Streifen rot glühend erscheint, während die Fläche im übrigen schwarz bleibt. Damit ist naturgemäss eine saubere Schweissung nicht zu erhalten.
Meist sind die Mängel so erheblich, dass man ,sich auch durch Nachschweissen von Hand nicht helfen kann.
Es wunde nun gefunden, dass man diesem wesent lichen Mangel beim Widerstandsschweissen von Schrau- bennahtnohr durch Wechselstrom im Radiofrequenz band dadurch abhelfen kann, dass von der äusseren Zone der Schweissfläche des zulaufenden Bandes und von der inneren Zone der Schweissfläche des schon ge wickelten Bandes kapazitiv Ströme abgeleitet und der Aussenfläche des schon gewickelten Bandes und der Innenfläche des zulaufenden Bandes zugeleitet werden.
Der gesamte Schweissstrom wird hierbei in einen an den Schweissstelle selbst übergehenden Strom und einen Strom aufgeteilt, der die Bandschmalflächen örtlich er hitzt, bevor sie die Schweissstelle erreichen. Dieser letztere, kapazitiv abgezweigte Strom vermag, wie die Erfahrung gezeigt hat, die ungleichmässige Tempera- turvertvilung auszugleichen, also gleichförmige Erhitzung herzustellen. Hinter :der Stelle, an der der Teilstrom übergeht, erscheinen dann die Schmalflächen über ihre volle Breite gleich hellrot, und es ergeben sich ebenso günstige Schweissbedingungen wie beim Schweissen von Längsnahtrohr.
Gegenstand der Erfindung ist daher eine Vorrichtung zum Schweissen von Rohren aus Metallband mit schrau- benlinienförmig verlaufender. Naht mittels Wechselstrom mit Hochfrequenz, mit mechanischen Mitteln zur kon tinuierlichen Formung des Rohres aus dem Metallband und mit zwei Hauptkontakten zur Zuleitung und Ab leitung des gesamten Schweissstromes, die beide in Ab stand von der Schweissstelle angeordnet sind, an der zwei Längskantenflächen des Bandes miteinander ver schweisst werden, und von denen .der eine Kontrakt näher bei der einen Längskantenfläche und der andere Kon takt näher bei.
der anderen Längskantenfläche angeord net ist, .gekennzeichnet durch Mittel zur Abzweigung :eines Teilstromes von dem durch den einen Hauptkon takt zugeführten Strom, Mittel zur Umformung dieses Teilstromes in einen kapazitiven Teilstrom und Mittel zur Überleitung dieses Teilstromes auf die eine Längs:- kantenfläche, die :dem anderen Hauptkontakt zugeord- net ist, wobei :
sich der Ort der Überleitung zwischen den Hauptkontakten und der Schweissstelle befindet.
Anhand der Zeichnung werden nachstehend Aus führungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es sei schon hier bemerkt, dass die mit der Erfindung erstrebte Wirkung, wie eingehende Versuche gezeigt haben, tatsächlich und mit Sicherheit eintritt, dass aber eine überzeugende wissenschaftliche oder physikalische Erklärung für diese Wirkung bisher nicht, gefunden worden ist. Es kann vermutet werden, dass am Zustande kommen dieser Wirkung mehrere elektrische und mög licherweise auch magnetische Effekte beteiligt sind. Im Radiofrequenzgebiet sind die Feldstärken der von den Spannungen und Strömen verursachten elektrischen und magnetischen Felder beträchtlich. Daraus ergeben sich gewisse Felder des elektrischen Potentials.
Hinzu kom men die Felder .des Vektors der Stromdichte. Mit alle dem ergeben sich überaus komplizierte Zusammen hänge, die zu erforschen bisher nicht möglich war. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung zum Widerstandsschweissen von Schraubennahtrohr in der Gesamtanordnung und in perspektivischer, vereinfachter Darstellung, Fig. 2 eine mehr schematisch gehaltene Darstellung der beiden in der Vorrichtung nach Fig. 1 der Schweiss stelle zulaufenden Bandteile mit den Hauptkontakten, Fig. 3 bis 6 im Massstab vergrösserte Schnitte nach den Linien 111-11I, IV-IV, V-V und VI-VI in Fig. 2, Fig. 7 ein Schema zur Veranschaulichung oder räum lichen Anordnung der Kontakte und Elektroden bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 8 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 7, Fig.
9 einen Schnitt durch die Elektroden ;gemäss Fig. 8, Fig. 10 ein Schema zur Erläuterung des. Verlaufs der Stromflüsse bei der Ausführung nach Fig. 7 bis 9, Fig. 11 eine der Fig. 8 entsprechende Darstellung einer zweit. -n Ausführungsform den Erfindung und Fig. 12 einen der Fig. 9 ähnlichen Schnitt durch die Elektroden gemäss Fig. 11.
Die in Fig. 1 schematisch gezeichnete Maschine zur Herstellung von Schraubennahtrohr besteht aus einem Grundrahmen, von dem in Fig. 1 lediglich ein Fuss 1 und eine vertikale Plattee 2 sowie eine vertikale Platte 3 sichtbar sind. Fest verbunden mit dem Grundrahmen sind an nicht sichtbaren Stellen weitere vertikale Platten 4 und 5. Zwischen den Platten 2, 3, 4, 5 sind mehrere Rollen um horizontale Achsen drehbar gelagert. Da von sind in Fig. 1 drei Rollen 6, 7 und 8 sichtbar. Die Rollen dienen zur Formung eines Rohres aus einem Blechstreifen 9 durch schraubenförmiges Wickeln, wie dies bei der Herstellung von Schraubennahtrohr allge mein bekannt ist.
Zur Führung des Bleches 9 dienen untere Führungsleisten 10 und 11 sowie obere Füh rungsstücke 12 und 13, die sämtlich mit dem Grund rahmen fest verbunden sind. Die Befestigungsstellen für die Führungsleisten 10 und 11 sind -durch das Blech 9 verdeckt und daher nicht sichtbar. Die Halte mittel für die Führungsstücke 12 und 13 sind in der Zeichnung fortgelassen, damit wichtigere Teile sicht bar bleiben.
Im Sinne der einleitenden Ausführungen bildet der noch urgebogene Teil 14 des Bandes 9 das zulaufende Band und der bereits auf zylindrische Form gebogene Bandteil 15 das .schon gewickelte Band . Um ein zu sammenhängendes Rohr zu bilden, müssen die beiden Schmalflächen 16 und 17 des Bandes 9 miteinander verschweisst werden. Dies geschieht in der Umgebung der Stelle, wo beide Kanten erstmalig zusammentreffen, also im Bereich 18. Bis zum Erreichen des Bereiches, 18 hat die Schmalfläche 17 bereits eine wesentlich längere Strecke zurückgelegt als die Schmalfläche 16. Der Un- terschied ist gleich der Länge einer Windung der Schrau benlinie, die die Schweissnaht bildet.
Rechts von der in Fig. 1 dargestellten Maschine be findet sich ein nicht gezeichneter Bandförderer, dessen Anwendung bei Maschinen dieser Art gleichfalls. allge mein üblich .ist. Durch ihn wird das Band zwischen die Führungen 10, 11, 12, 13 und zwischen die zur For mung des Rohres bildenden Rollen geschoben.
Zum Schweissen dient Wechselstrom, dessen Fre quenz im Radiofrequenzband liegt. Dieser Strom wird dem Band durch zwei Kontakte 19 und 20 zugeführt, ,die auf der Breitfläche des Bandes aufliegen, jedoch unmittelbar benachbart zu den Kanten der Schmalflä chen 16 und 17. Beide Kontakte befinden sich in ge wissem Abstand vom eigentlichen Schweissbereich 18. In Fig. 1 ist nur der Kontakt 19 vollständig sichtbar, während vom Kontakt 20 lediglich ein nach oben ra gendes Teilstück erkennbar ist. Beide Kontakte werden beim Schweissen mit Wasser gekühlt.
In Fig. 2 sind die Kontakte und ihre Anordnung an den Bandteilen 14 und 15 schematisch wiedergegeben und dadurch deutlich erkennbar. Die eigentlichen Kon taktstücke haben Laschen 22 und 23, die zum Anschluss von Stromzuleitungen 24 und 25 dienen.
Beim Arbeiten mit Strom im Radiofrequenzgebiet, .also :etwa mit einer Frequenz von 450 000 Hz, sind die elektrischen und magnetischen Feldeffekte: (Skineffekt, Nachbarschaftseffekt usw.) derart stark, dass der Strom fluss auf schmale Streifen längs den Bandschmalflächen zwischen den Kontakten 19 und 20 und dem Schweiss bereich 18 beschränkt ist. Infolgedessen werden nur diese ganz schmalen Streifen an den Bandschmalflächen 16 und 17 auf Schweisshitze gebracht, ,die bei Stahl heller Rotglut entspricht, so dass die beiden Schmal flächen, wenn sie mit gewissem Druck aneinanderge- bracht werden, ineinanderfliessen, während alle übrigen Bereiche des Bandes kalt bleiben.
Viele Massnahmen sind bekannt, um den Druck zu erzeugen, mit dem die beeiden Schmalflächen gegeneinandergepresst werden. Die hier erläuterten Ausführungsbeispiele bedienen sich des einfachen Mittels, die beiden Bandschmalflächen gegen die Breitflächen unter Winkeln anzuordnen, die von 90 etwas verschieden sind.
Bei der soweit ,erläuterten Methode ergeben sich, wenn es sich um das Schweissen von Schraubennahtrohr handelt, die nachstehend erläuterten Schwierigkeiten.
Fig. 3 zeigt :einen im Massstab vergrösserten Schnitt durch edie Bandteile 14 und 15 nach der Linie III-111 in Fig. 2 und soll veranschaulichen, welche Temperatur verhältnisse sich ergeben, wenn man mit einer Ma schine, wie sie schematisch in Fig. 1 und 2 ,dargestellt ist, bei einer Frequenz im Radiofrequenzband schweisst. Dann zeigt sich nämlich die stärkste Erwärmung an den beiden nahe benachbarten Kanten 26 und 27, die hellrot glühen.
Zu :den entgegengesetzten Kanten 28 und 29 hin fällt die Temperatur stark ab. Schon in der Mitte wird die Rotglut dunkel, und in der Nachbarschaft ,der Kanten 28 und 29 erscheinen die Schmalflächen der Bandteile schwarz.
Es wird vermutet, ist jedoch bisher nicht sicherge stellt, dass diese unerwünschte, jede einwandfreie Schweissu,n,g vereitelnde Temperaturverteilung mindt- stens zum Teil auf die Ausbildung des elektrischen Feldes zurückzuführen ist, das sich zwischen den beiden Bandteilen 14 und 15 ausbildet und bei den in Betracht kommenden hohen Frequenzen einen nicht unbeträcht lichen kapazitiv übergehenden Strom führt.
Zur Stützung dieser Vermutung sollen die Schnitte nach den Linien IV IV, V-V und VI-VI dienen, die in Fig 4 bis 6 erscheinen. Dabei deuten die gestrichelten Linien zwi schen den beiden Bandteilen 14 und 15 (ohne Anspruch auf Exaktheit) den Verlauf der elektrischen Feldlinien dar.
Die nachstehend beschriebenen Massnahmen dienen zur Beseitigung der in Fig. 3 veranschaulichten uner wünschten Temperaturverteilung und liefern, wie die Erfahrung gezeigt hat, an der Schweissstelle 18 Band schmalflächen, die über ihre ganze Breite gleich hell rot glühen, also hinreichend gleiche Temperaturen haben.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 bis 10 sind zwischen den stets vorhandenen Kontakten 19 und 20 und dem Schweissbereich 18 je :eine Elektrode 30 und 31 angeordnet. Die Form dieser Elektroden geht insbe sondere aus Fig. 8 und 9 hervor. Die Elektrode 30 hat eine Fläche 32, die der Schmalfläche 16 des Bandteiles 14 mit geringem Abstand gegenübersteht, also mit :ihr einen Luftspalt 33 bildet. Die Breite dieses Luftspaltes kann, wie unten näher erläutent werden wind, gleich Null gemacht werden.
Ferner hab die Elektrode 30 eine Fläche 34, die der Breitfläche 35 des Bandteiles 15 mit geringem Abstand gegenübersteht, also mit ihr einen Luftspalt 36 bildet. Die Breite dieses Luftspaltes kann gleichfalls gleich null gemacht werden. Doch sei schon hier gesagt, dass in keinem Falle beide Luftspalte 33 und 36 verschwinden dürfen.
Ganz entsprechend ist die Elektrode 31 gestaltet. Sie hat eine Fläche 37, die der Schmalfläche 17 mit ge ringem Abstand gegenübersteht, mit ihr also seinen Luftspalt 38 bildet. Ferner hat sie eine Fläche 39, die der Breitfläche 40 des Bandteiles 14 mit geringem Ab stand gegenübersteht, mit ihr also einen Luftspalt 41 bildet.
Wiederum kann die Breite des Luftspaltes 38 oder diejenige des Luftspaltes 41 gleich null gemacht werden. Doch dürfen nicht gleichzeitig beide Luftspalte verschwinden.
Die mit der Erfindung erstrebte Wirkung tritt in um so stärkerem Masse ein, je näher die Flächen 34 und 39 den Kanten 27 bzw. 26 liegen. Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Flächen 32 und 37 schmaler zu machen als die Flächen 16 und 17 und so anzuordnen, dass die Fläche 32 der Kante 28 näher liegt als ;der Kante 26, und dass entsprechend die Fläche 37 der Kante 29 näher liegt ,als der Kante 27.
In baulicher Hinsicht empfiehlt es sich, auf die Luftspalte 33 und 38 zu verzichten, die Flächen 32 und 37 somit direkt an den Schmalflächen 16 und 17 anliegen zu lassen. In dieser Weise sind die Elektroden bei der Ausführung nach Fig. 1 :gestaltet. Die Elektroden bilden dort die Köpfe zweier um einen .gemeinsamen Zapfen 42 drehbarer Hebel, die zusammen eine Art Zange bilden.
An den rechten Enden 43 und 44 dieser Hebel greifen Schraubenfedern 45 und 46 an, während die linken Enden die Elektroden 30 und 31 bilden. In Fig. 1 isst nur der linke Arm 47 des die Elektrode 30 tragenden Hebels sichtbar. Die Federn 45 und 46 sor gen dafür, dass die Iden Schmalflächen 16 und 17 ge genüberstehenden Flächen der .Elektroden an diesen Schmalflächen ständig anliegen, ohne Rücksicht lauf unvermeidliche Schwankungen in der Bandbreite und Krümmungen des Bandes.
Fig. 10 stellt einen Versuch einer Erklärung dafür dar, wie die mit der Erfindung erstrebte und erreichte Wirkung zustande kommt. In einer Draufsicht erschei- nen dort die Aussenkanten 27 und 28 der Schmalflächen 16 und 17 :des Bandes, aus Gründender besseren Über sieht jedoch in Abstand voneinander, obwohl ein sol cher Abstand in Wirklichkeit natürlich nicht vorhanden ist. Hinter oder Schweisszone ,gehen diese Kanten in die gestrichelt gezeichnete, fertige Schweissnaht über.
In Fig. 10 sind ferner die Hauptkontakte 19 und 20 sowie die Elektroden 30 und 31 gezeichnet. Einfach heitshalber ist der im vorigen Absatz .angenommene Fall angenommen, dass die Elektroden 30 und 31 direkt an den Schmalflächen 16 und 17 der Bandteile 14 und 15 anliegen. Strichpunktierte Linien stellen Strom- pfade dar. Dabei ersetzen die strichpunktierten Linien 24a und 25a -die entsprechend bezeichneten Stromzulei tungen 24 und 25 in Fig. 2.
Vom Hauptkontakt 20 ausgehend fliesst ein Strom längs einem Strompfad 48 entlang der Bandschmal fläche 17 zur Elektrode 30. Dort findet eine Strom- verrzweigung statt. Ein Teil des Stromes, vermutlich der grössere Teil, fliesst weiter entlang einem Strompfad 49 zum Schweissbereich 18 und von dort rückwärts entlang einem Strompfad 50, die Elektrode 31 passierend, über einen Strompfad 51 zum Hauptkontakt 19 zurück.
Ein Teil des die Strompfade 48 und 51 durchfliessenden Stroms geht jedoch über die Kontakte 30, 31 vor Er reichen der Schweissstelle 18 direkt von der Bandschmal fläche 17 zur Bandschmalfläche 16 über. Dabei handelt es sich bei dem durch die Elektroden 30 und 31 über gehenden Strom um einen kapazitiven Strom im Sinne der in der Einleitung gemachten Angaben; denn dieser Strom muss mindestens einen Luftspalt, also eine kapa- zitive Impedanz, passieren.
Bei der Ausführung nach Fig. 7 bis 10 ist die er reichte Wirkung bis zu einem gewissen Grade von der Breite der Luftspalte abhängig. Die Wirkung könnte somit durch geeignete Einstellung,der Luftspalte geregelt werden. Eine derartige Einstellung kann sich jedoch unter Umständen schwierig gestalten. Diese .Schwierig- keiten sind bei der Ausführung nach Fig. 11 und 12 vermieden. Diese Ausführung sei zunächst anhand von Fig. <B>11</B> erläutert,.
In Fig. 11 entsprechen den Elektroden 30 und 31 die allgemein mit 130 und 131 bezeichneten. Elektro den. Beide sind im Gegensatz zur Ausführung nach Fig. 6 bis 8 zweiteilig gestaltet. Demgemäss besteht die Elektrode 130 aus einem Elektrodenstück 52, das mnt einer Fläche 53 der Fläche 16 dies Bandes gegenüber steht, und zwar unter Bildung eines möglichen Luft spaltes 54.
Ausserdem besteht die Elektrode 130 aus einem Elektrod'enstück 55, das mit einer Fläche 56 unten Bildung eines möglichen Luftspaltes 57 ;der Fläche 35 des Bandes gegenübersteht. Die beiden Luftspalte 54 und 57 können jedoch bei dieser Ausführung verschwin den, die einander 'gegenüberstehenden Flächen also in unmittelbare Berührung miteinander gebracht werden. Darin liegt ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführung.
Die Elektrodenstücke 52 und 55 sind, wie Fig. 11 und 12 schematisch zeigen, durch einen Kondensator 58 miteinander verbunden. Dieser Kondensator ersetzt den einen oder die beiden Luftspalten 33 und 36 bei der Ausführung nach Fig. 7 bis 10.
Währendes schwierig ist, die Breite der Luftspalte 33 der 36 auf das gewünschte Mass einzustellen, macht es keine Schwierigkeiten, die Kapazität des Kondensators 58 so zu wählen, dass opti male Verhältnisse wenigstens annähernd erreicht wer den. Ganz entsprechend ist bei der Ausführung nach Fig. 11 und 12 die Elektrode 131 gestaltet, die der Elektrode 31 bei der Ausführung nach Fig. 7 bis 10 entspricht.
Die Elektrode 131 besteht demgemäss aus einem Elektrodenstück 59, das mit einer Fläche 60 der Fläche 17 gegenübersteht und mit ihr einen Luftspalt 61 bildet, sowie aus einem Elektrodenstück 62, das mit einer Fläche 63 der Fläche 39 des Bandes gegen übersteht und mit ihr einen Luftspalt 64 bildet. Wie derum können die beiden Luftspalte 61 und 64 in ihrer Breite gleich null gemacht werden, die Elektrodenstücke 59 und 62 also in unmittelbaren Kontakt mit dem Band gebracht werden.
Die Elektrodenstücke 59 und 62 sind durch :einen Kondensator 65 miteinander verbunden, für den das gleiche gilt, was über den Kondensator 58 oben gesagt wunde.
Die räumliche Anordnung ist in Fig. 11 näher dar gestellt. Sie zeigt insbesondere die Leitungsverbindun gen 66 und 67 zwischen den Elektrodenteilen 52 und 55 und dem Kondensator 58 :sowie die Leitungsverbin- dungen 68 und 69 zwischen den Elektrodenstücken 59 und 62 und dem Kondensator 65.
Es wird ohne weiteres klar sein und keiner weiteren zeichnerischen Darstellung bedürfen, dass die beiden Ausführungsformen nach Fig. 7 bis 10 einerseits und Fig. 11 und 12 anderseits wechselweise anwendbar sind, dass man also die Elektrode 30 gegen eine Elek trode 130 vertauschen, dabei aber die Elektrode 31 beibehalten kann, und dass man umgekehrt die Elektrode 30 beibehalten kann, die Elektrode 31 dagegen durch eine Elektrode 131 ersetzen kann.