DE1221381B

DE1221381B - Device for longitudinal welding of metal pipes

Info

Publication number: DE1221381B
Application number: DEA40857A
Authority: DE
Inventors: Fred Kohler
Original assignee: AMF Inc
Current assignee: AMF Inc
Priority date: 1961-09-25
Filing date: 1962-08-01
Publication date: 1966-07-21

Description

Einrichtung zum Längsschweißen von Metallrohren Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Längsschweißen von Metallrohren, bei der ein vorgebogener Rohrmantel unter Offenhaltung eines Längsschlitzes in der Längsrichtung vorwärts bewegt und die Schweißkanten an einem Schweißpunkt in sich überlappender. Lage zusammengepreßt werden, wobei dem Metall des Rohres mittels einer kurz vor dem Schweißpunkt angeordneten Induktionsspule Strom zugeführt wird und innerhalb des Rohrmantels ein Magnetkern oder Widerstand aus im wesentlichen nichtleitendem magnetischem Material mit geringem Verlustfaktor, hohem Volumenwiderstand und einer magnetischen Permeabilität von mehr als 1 angeordnet ist.Device for longitudinal welding of metal pipes The invention relates to a device for longitudinal welding of metal pipes, in which a pre-bent pipe jacket while keeping a longitudinal slot open in the longitudinal direction and moved forward the welding edges overlap at a welding point. Layer compressed be, the metal of the pipe by means of a arranged just before the welding point Induction coil is supplied with electricity and a magnetic core inside the pipe jacket or resistance of substantially non-conductive magnetic material with little Loss factor, high volume resistivity and a magnetic permeability of more than 1 is arranged.

Beim Längsschweißen von Rohren in dieser Weise brauchen an sich nur die zu verschweißenden Kanten des Rohrmantels auf Schweißtemperatur erhitzt zu werden. Jedoch weicht im allgemeinen ein erheblicher Teil des Stromes von seinem an den Schweißkanten entlangführenden Weg ab und fließt auch in der Umfangsrichtung des Rohres.When longitudinally welding pipes in this way only need the edges of the pipe jacket to be welded to be heated to the welding temperature. However, in general a considerable part of the current deviates from its to the Welding edges along the path and also flows in the circumferential direction of the Pipe.

Da der Strom auf diesem Umfangsweg keinen wesentlichen Beitrag zur Erhitzung der Schweißkanten leistet, sondern den Rohrmantel auch an von den Schweißkanten entfernten Stellen erhitzt, werden durch diese unerwünschte Erhitzung erhebliche Energiemengen vergeudet.Since the electricity on this circumferential path does not make a significant contribution to Heating of the weld edges, but also the pipe jacket from the weld edges distant places are heated, this undesirable heating becomes significant Amounts of energy wasted.

Es ist bekannt, diese unerwünschte Erhitzung durch besondere Wicklungsformen für die Induktionsspule und Anwendung von magnetischen Kernen zu verringern, wie sie bei Einrichtungen für Niederfrequenz-Induktionsschweißung gebräuchlich sind. Zwar konnten in manchen Fällen bessere Ergebnisse erzielt werden, doch sind die Ergebnisse ungleichmäßig, und obwohl hierbei eine gewisse Stromkonzentration erzielt wird, auf die die Verbesserung der Ergebnisse zurückgeführt werden kann, ist es doch nicht gelungen, die Energieverluste, die insbesondere durch die unnötige Erhitzung des dem Schlitz des Rohrmantels gegenüberliegenden Teil desselben entstehen, wesentlich herabzusetzen. Zu einem erheblichen Teil ist dies auf Schwierigkeiten zurückzuführen, die insbesondere beim Längsschweißen mit überlappten Schweißkanten bezüglich der Anordnung der Induktionsspule, Vermeidung von Energieverlusten in den Kernen, die Anbringung der Kerne und der Erhöhung des Rohrwiderstandes bestehen.It is known that this undesirable heating is caused by special winding shapes for the induction coil and application of magnetic cores, such as they are common in equipment for low frequency induction welding. Although better results have been achieved in some cases, they are Results uneven, and although a certain current concentration is achieved here to which the improvement in results can be attributed is it but failed to reduce the energy losses, in particular due to the unnecessary heating of the part opposite to the slot of the pipe jacket arise essentially to belittle. Much of this is due to difficulties in particular when longitudinal welding with overlapped welding edges with respect to the Arrangement of the induction coil, avoiding energy loss in the cores, the Attaching the cores and increasing the pipe resistance.

Insbesondere hat sich bei Einrichtungen der genannten Art als erwünscht ergeben, die Länge des an den Schweißkanten entlangführenden Stromweges zur Verringerung des in der Umfangsrichtung abwandernden Stromanteiles möglichst kurz zu halten und daher die Induktionsspule möglichst dicht vor dem Schweißpunkt anzuordnen. Da andererseits die zum Zusammenpressen der überlappten Schweißkanten innerhalb und außerhalb des Rohres notwendigen Druckrollen ebenso wie der Magnetkern ebenfalls möglichst dicht am Schweißpunkt angeordnet werden müssen, ergeben sich hierbei erhebliche Schwierigkeiten. Dabei müssen die Innenrolle und der Magnetkern an verhältnismäßig kräftigen Haltegliedern befestigt werden, da der Magnetkern wegen der ungenügenden Festigkeit des ihn bildenden Materials nicht selbst als Halteglied dienen kann. Bei bekannten Einrichtungen ist daher der Magnetkern in einem an einem Halteglied befestigten tragfähigen Rohr angeordnet, das in seiner oberen Hälfte im Bereich der Schweißzone zur Aufnahme des vollzylindrischen ausgebildeten Kernes ausgeschnitten ist. Diese bekannte Ausbildung stellt jedoch keine Lösung dafür dar, den in dem zu schweißenden Rohrmantel unterzubringenden Magnetkern und die innere Druckrolle möglichst dicht am Schweißpunkt anzuordnen, und ist auch insofern nachteilig, als der Magnetkern nicht so dicht an der Innenfläche des zu schweißenden Rohrmantels angeordnet werden kann, daß er eine maximale Wirkung gewährleistet. Andererseits ist das Tragrohr des Magnetkernes so dicht an den Schweißkanten angeordnet, daß ein großer Teil der zugeführten Wärme zum Erwärmen des Tragrohres verlorengeht.In particular, facilities of the type mentioned have proven to be desirable result, the length of the current path leading along the weld edges to reduce to keep the current component migrating in the circumferential direction as short as possible and therefore to arrange the induction coil as close as possible to the welding point. There on the other hand those for pressing together the overlapped welding edges inside and outside the Rohres necessary pressure rollers as well as the magnetic core also as tightly as possible have to be arranged at the welding point, considerable difficulties arise here. The inner roller and the magnetic core must be attached to relatively strong holding members be attached because the magnetic core because of the insufficient strength of it forming Material cannot itself serve as a holding member. With known facilities is therefore the magnetic core is arranged in a load-bearing tube attached to a holding member, that in its upper half in the area of the welding zone to accommodate the fully cylindrical trained core is cut out. However, this well-known training represents is no solution for accommodating the one in the pipe jacket to be welded Arrange the magnetic core and the inner pressure roller as close as possible to the welding point, and is also disadvantageous in that the magnetic core is not so close to the inner surface of the pipe jacket to be welded can be arranged so that it has a maximum effect guaranteed. On the other hand, the support tube of the magnetic core is so close to the welding edges arranged that a large part of the heat supplied for heating of the support tube is lost.

Durch die Erfindung sollen diese Schwierigkeiten vermieden und die Einrichtung derart ausgebildet werden, daß die Induktionsspule und der Magnetkern sowie die Druckrollen ohne gegenseitige Behinderung in nächster Nähe des Schweißpunktes angeordnet und hierdurch der Wirkungsgrad der Einrichtung erhöht werden können.The invention is intended to avoid these difficulties and the Device are designed such that the induction coil and the magnetic core as well as the pressure rollers without mutual hindrance in the immediate vicinity of the welding point arranged and thereby the efficiency of the device can be increased.

Demgemäß besteht' die Erfindung darin, daß der Magnetkern oder Widerstand ringförmig ausgebildet und an einer axialen Stange befestigt ist, die im Bereich des Schweißpunktes in dem Rohr durch radial angeordnete Rollen geführt ist, von denen die eine Rolle gegenüber einer radialen Außenrolle angeordnet ist und mit dieser zusammen ein Druckrollenpaar zum Aufeinanderpressen der überlappten Ränder des Rohrmantels im Schweißpunkt bildet.Accordingly, the invention consists in that the magnetic core or resistor is ring-shaped and attached to an axial rod in the area of the welding point in the pipe is guided by radially arranged rollers, of which one role is arranged opposite a radial outer roller and with this together a pair of pressure rollers for pressing the overlapped edges together of the pipe jacket forms in the welding point.

Vorzugsweise ist dabei die Ausbildung derart, daß die Induktionsspule einen nach dem Schweißpunkt spitz zulaufenden Querschnitt aufweist und mit ihrem spitzen Rand in den- zwischen dem Umfang der äußeren Druckrolle und dem Rohrmantel gebildeten Winkel hineinragt.The design is preferably such that the induction coil has a cross-section which tapers to a point after the welding point and with its pointed edge between the circumference of the outer pressure roller and the pipe jacket formed angle protrudes.

Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Einrichtung wird durch die Anwendung des im Querschnitt ringförmig ausgebildeten Magnetkernes oder Widerstandes ermöglicht, den Kern dicht an der Innenfläche des zu schweißenden Rohres unmittelbar im Bereich der Induktionsspule anzuordnen und ihn an einem kräftigen Träger anzubringen, der zugleich als Träger für die innere Druckrolle dient und deren Anordnung sowie auch die gegenseitige Anordnung des Magnetkernes und der inneren Rolle nicht behindert. Außerdem kann der Aufwand an Kernmaterial, das verhältnimäßig kostspielig ist, infolge der ringförmigen Ausbildung des Kernes auf ein Minimum beschränkt werden. Dabei wirkt der Kern zum Teil als Schild für die axiale Tragstange, wodurch die Erwärmung derselben verringert wird. Dies wird noch dadurch unterstützt, daß die Stange in verhältnismäßig großem radialem Abstand von dem zu schweißenden Rohr angeordnet werden kann.With a device designed in this way, the Use of the magnetic core or resistor with a ring-shaped cross-section allows the core close to the inner surface of the pipe to be welded directly to be arranged in the area of the induction coil and attached to a sturdy support, which also serves as a carrier for the inner pressure roller and its arrangement as well the mutual arrangement of the magnetic core and the inner roller is not hindered. In addition, the use of core material, which is relatively expensive, can result the annular shape of the core can be kept to a minimum. Included the core acts partly as a shield for the axial support rod, which causes the heating the same is reduced. This is further supported by the fact that the rod is in arranged relatively large radial distance from the pipe to be welded can be.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand der in der Zeichnung als Beispiel dargestellten Ausführungsform beschrieben. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch die zum überlapptschweißen dienende Einrichtung nach der Erfindung mit dem zu schweißenden Rohr, F i g. 2 eine schaubildliche Ansicht der Einrichtung nach F i g. 1 und F i g. 3 einen Querschnitt durch die Einrichtung. Zur Erläuterung der Erfindung sei zunächst bemerkt, daß es üblich ist, die Tiefe des Eindringens des Stromes in einen Leiter bzw. die sogeannte Bezugstiefe wie folgt auszudrücken: Hierin ist d die Bezugstiefe in Zoll (1 Zoll = 25,4 mm), p der Widerstand des Metalls in Ohm/Zoll, u die relative Permeabilität des Leiters und f die Frequenz des Stromes in Hz.The invention is described below with reference to the embodiment shown as an example in the drawing. In the drawing, F i g. 1 shows a longitudinal section through the device used for lap welding according to the invention with the pipe to be welded, FIG. 2 is a perspective view of the device according to FIG. 1 and F i g. 3 shows a cross section through the device. To explain the invention, it should first be noted that it is customary to express the depth of penetration of the current into a conductor or the so-called reference depth as follows: Here d is the reference depth in inches (1 inch = 25.4 mm), p is the resistance of the metal in ohms / inch, u is the relative permeability of the conductor and f is the frequency of the current in Hz.

Wendet man die vorstehende Formel (1) an, so erhält man die Bezugstiefe für verschiedene Metalle bei verschiedenen Frequenzen wie folgt: Frequenz kHz Material 25 100 400 1 800 1600 Bezugstiefe, mm Kupfer ................................... 0,43 0,21 0,11 0,076 0,053 Aluminium ................................ 0,55 0,27 0,14 0,096 0,069 Nichtrostender Stahl ....................... 3,02 1,50 0,76 0,53 0,38 Messing .................................. 0,85 0,42 0,21 0,15 0,10 Stahl (unter Curie-Punkt) ................... 0,03 0,015 0,076 0,053 0,038 Der in dem Rohrmantel zur Erhitzung der Schweißkanten induzierte Strom wird in erster Linie durch die Frequenz des Wechselstromes beeinflußt, ferner durch das Material des Rohres, von dem der Widerstand und der induktive Blindwiderstand abhängen; sowie durch die Wandstärke des Rohres und die Anordnung der Induktionsspule auf der Außenseite des Rohrmantels. Während die Stärke des Stromes und die Bahn, längs deren der Strom fließt, durch den Widerstand der verschiedenen Stromwege bestimmt wird, erfolgt eine Erhitzung nur als Folge des Widerstandes, den der Stromweg dem Fließen des Stromes entgegensetzt, und ist proportional zur Größe des Widerstandes und dem Quadrat der Stromstärke.Applying the above formula (1), the reference depth for different metals at different frequencies is obtained as follows: Frequency kHz Material 25 100 400 1 800 1600 Reference depth, mm Copper ................................... 0.43 0.21 0.11 0.076 0.053 Aluminum ................................ 0.55 0.27 0.14 0.096 0.069 Stainless steel ....................... 3.02 1.50 0.76 0.53 0.38 Brass .................................. 0.85 0.42 0.21 0.15 0.10 Steel (below Curie point) ................... 0.03 0.015 0.076 0.053 0.038 The current induced in the pipe jacket to heat the weld edges is primarily influenced by the frequency of the alternating current, and also by the material of the pipe, on which the resistance and the inductive reactance depend; as well as by the wall thickness of the pipe and the arrangement of the induction coil on the outside of the pipe jacket. While the strength of the current and the path along which the current flows are determined by the resistance of the various current paths, heating occurs only as a result of the resistance that the current path opposes to the flow of the current, and is proportional to the size of the resistance and the square of the current.

Die bei niedrigen Frequenzen erzielte Erhitzungswirkung ist häufig eine ganz andere als bei hohen Frequenzen. Wenn man niederfrequente Ströme verwendet, um ein Rohr zum Zwecke des Schweißens zu erhitzen, ist die erwähnte Bezugstiefe groß, und gewöhnlich ist sie mindestens gleich der Wandstärke des Rohres. Der Strom fließt dabei durch die ganze Dicke der Rohrwand. Ein solcher Verlauf des Stromflusses kann sich auch bei relativ hohen Frequenzen ergeben, wenn die Bezugstiefe für das Metall bei diesen Frequenzen groß ist oder wenn das Rohr eine relativ kleine Wandstärke hat. Hierbei fließt der Strom nicht nur an den zu erhitzenden Schweißkanten entlang, sondern auch über die Rückseite des Rohrmantels, und bewirkt die erwähnte unnötige Erhitzung der Rohrwand und die damit verbundenen Energieverluste.The heating effect achieved at low frequencies is common a completely different one than at high frequencies. When using low frequency currents, to heat a pipe for the purpose of welding is the mentioned reference depth large, and usually it is at least equal to the wall thickness of the pipe. The current flows through the entire thickness of the pipe wall. Such a course of the current flow can also arise at relatively high frequencies if the reference depth for the Metal is large at these frequencies or if the pipe has a relatively small wall thickness Has. The current not only flows along the weld edges to be heated, but also over the back of the pipe jacket, and causes the mentioned unnecessary Heating of the pipe wall and the associated energy losses.

Diese Energieverluste können bei der Einrichtung nach der Erfindung dadurch erheblich verringert werden, daß die Möglichkeit gegeben ist, die Induktionsspule und in unmittelbarer Nachbarschaft derselben den Magnetkern kurz vor dem Schweißpunkt anzuordnen. Bei der dargestellten Einrichtung wird der metallene Rohrmantel 30 in Richtung des Pfeiles B durch die Einrichtung hindurchbewegt, wobei die sich überlappenden Ränder 31 und 32 des geschlitzten Rohrmantels mit Hilfe von Strömen erhitzt werden, die im Rohrmaterial durch eine Induktionsspule 33 induziert werden, die den Rohrmantel kurz vor dem Schweißpunkt w umgibt. Die Induktionsspule 33 kann gemäß F i g. 3 nur eine einzige Windung oder in bekannter Weise mehrere Windungen umfassen. Sie wird von der in F i g. 2 angedeuteten Stromquelle mit hochfrequentem Strom gespeist, dessen Frequenz so gewählt ist, daß sich ein Verhältnis zwischen der Wandstärke des Rohres und der Eindringtiefe des Stromes in dem betreffenden Metall ergibt, das mindestens gleich 3 ist. Die Frequenz des Stromes beträgt vorzugsweise mindestens 100 kHz, damit die bekannten Vorteile erzielt werden, die sich beim Schweißen ergeben, wenn man mit einer solchen Frequenz arbeitet.These energy losses can be considerably reduced in the device according to the invention in that there is the possibility of arranging the induction coil and, in the immediate vicinity thereof, the magnetic core shortly before the welding point. In the device shown, the metal pipe jacket 30 is moved through the device in the direction of arrow B, the overlapping edges 31 and 32 of the slotted pipe jacket being heated with the aid of currents that are induced in the pipe material by an induction coil 33, which the pipe jacket shortly before the welding point surrounds w. The induction coil 33 can according to FIG. 3 comprise only a single turn or, in a known manner, several turns. It is of the in F i g. 2 indicated current source is fed with high-frequency current, the frequency of which is selected so that there is a ratio between the wall thickness of the pipe and the penetration depth of the current in the metal in question, which is at least 3. The frequency of the current is preferably at least 100 kHz, so that the known advantages are achieved which result in welding when one works with such a frequency.

Im Innern des Schlitzrohres 30 ist ein ringförmiger Magnetkern oder Widerstand 34 angeordnet, durch den über Rohrleitungen 35, 36 und in ihm angeordnete Ringkanäle 37, 38 ein Kühlmittel hindurchgeführt werden kann. Der Widerstand ist an einer Platte 39 befestigt, die an einer axialen Stange 40 angebracht ist. Zur Unterstützung sind zwei Rollen 41 und 42 vorgesehen, die an der Platte 39 drehbar gelagert sind. Die Rollen 42 und 41 können aus Metall oder einem nichtleitfähigen keramischen Material bestehen.Inside the slotted tube 30 is an annular magnetic core or Resistor 34 arranged through the pipes 35, 36 and arranged in it Annular channels 37, 38 a coolant can be passed through. The resistance is attached to a plate 39 which is attached to an axial rod 40. To the Two rollers 41 and 42 are provided, which are rotatable on the plate 39 are stored. The rollers 42 and 41 can be made of metal or a non-conductive one consist of ceramic material.

Das Schlitzrohr 30 wird bei seiner Vorwärtsbewegung mit Hilfe von Quetschrollen 43 und 44 in die gewünschte Form gebracht, wobei die Schlitzränder 31 und 32 in eine sich überlappende Lage gebracht werden. Unmittelbar am Schweißpunkt ist eine äußere Druckrolle 45 angebracht, die ebenfalls aus Metall oder einem keramischen Material bestehen kann. Dieser äußeren Druckrolle 45 ist die bereits erwähnte Rolle 42 der Platte 39 als innere Druckrolle zugeordnet, so daß der zum Verschweißen der überlappenden Ränder 31, 32 erforderliche Anpreßdruck unmittelbar am Schweißpunkt w aufgebracht werden kann.The slotted tube 30 is in its forward movement with the help of Squeezing rollers 43 and 44 brought into the desired shape, with the slot edges 31 and 32 are brought into an overlapping position. Immediately at the welding point an outer pressure roller 45 is attached, which is also made of metal or a ceramic Material can exist. This outer pressure roller 45 is the already mentioned role 42 of the plate 39 assigned as an inner pressure roller, so that the for welding the overlapping edges 31, 32 required contact pressure directly at the welding point w can be applied.

Wie aus F i g. 1 und 2 ersichtlich ist, läßt diese Ausbildung die Anordnung der Induktionsspule 33 dicht vor dem Schweißpunkt w zu, wodurch der Wirkungsgrad der Einrichtung durch Beschränkung des Stromflusses auf einen möglichst kurzen Weg vor dem Schweißpunkt erhöht wird. Dabei können die Quetschrollen 43 und 44 hinter dem Schweißpunkt w angeordnet werden, weil die erhitzten überlappungsränder 31 und 32 durch die Druckrollen 42 und 45 aufeinandergedrückt werden, die einen relativ kleinen Durchmesser haben können. Wegen des kleineren Durchmessers der Druckrollen 42 und 45 kann auch die Induktionsspule 33 in geringem Abstand vom Schweißpunkt w angeordnet werden. Mit Rücksicht auf die in der Zeichnung mit etwas größerem Durchmesser als die innere Druckrolle 42 dargestellte äußere Druckrolle 45 kann entsprechend F i g. 1 etwa dreieckig gestaltet und die Rolle derart angeordnet sein, daß sie mit ihrem spitzen Rand in den zwischen dem Umfang der äußeren Druckrolle 45 und dem Rohrmantel 30 gebildeten Winkel hineinragt. Auf diese Weise kann die Induktionsspule so nahe an den Schweißpunkt w herangerückt werden, daß ihr dem Schweißpunkt zugewendeter Rand von dem Schweißpunkt nur um ein Maß entfernt ist, das erheblich kleiner ist als der Radius der äußeren Druckrolle 45. Vorzugsweise ist die Induktionsspule 33 gemäß F i g. 1 hohl ausgebildet, damit sie, wie an sich bekannt, durch ein in ihr umlaufendes Kühlmittel gekühlt werden kann.As shown in FIG. 1 and 2 can be seen, this training leaves the Arrangement of the induction coil 33 just in front of the welding point w to, whereby the efficiency the facility by restricting the current flow to the shortest possible route is increased before the welding point. The squeezing rollers 43 and 44 can be behind the welding point w are arranged because the heated overlap edges 31 and 32 are pressed against each other by the pressure rollers 42 and 45, which have a relative can have a small diameter. Because of the smaller diameter of the pressure rollers 42 and 45 can also have the induction coil 33 at a short distance from the welding point w be arranged. With regard to the slightly larger diameter in the drawing as the inner pressure roller 42 shown outer pressure roller 45 can accordingly F i g. 1 shaped approximately triangular and the role can be arranged such that it with its pointed edge in the between the circumference of the outer pressure roller 45 and the pipe jacket 30 protrudes angle formed. In this way the induction coil be moved so close to the welding point w that you are facing the welding point Edge is removed from the weld point only by an amount that is considerably smaller than the radius of the outer pressure roller 45. Preferably, the induction coil 33 is according to FIG. 1 hollow so that it, as is known per se, has an inside of it circulating coolant can be cooled.

Claims

Claims: 1. Device for longitudinal welding of metal pipes, in which a pre-bent pipe jacket while keeping a longitudinal slot open in the Moved longitudinally forward and the weld edges at a weld point in itself overlapping layer are pressed together, the metal of the tube by means of a shortly before the welding point arranged induction coil current is supplied and a magnetic core or resistor made of essentially non-conductive material inside the pipe jacket magnetic material with low loss factor, high volume resistivity and a magnetic permeability of more than 1 is arranged, d a -characterized by, that the magnetic core or resistor (34) is annular and on an axial Rod (40) is attached, which in the area of the welding point in the tube (30) through radially arranged rollers (41, 42) is guided, of which one roller (42) opposite a radial outer roller (45) is arranged and together with this a pair of pressure rollers for pressing the overlapped edges (31, 32) of the pipe jacket together at the welding point (w) forms.

2. Device according to claim 1, characterized in that the induction coil (33) has a cross-section which tapers to a point after the welding point (w) and with its pointed edge in between the circumference of the outer pressure roller (45) and the pipe jacket protrudes angle formed. Considered publications: German Patent No. 291278; U.S. Patent No. 2,912,549.