第一次世界大战之后,电阻焊管在美国被广泛应用,形成满负荷生产和供不应求的商业市场,市场突破的根基是1921年美国金属铸造公司Guslave Vielor Johnslon发明的第1388434号专利:薄壁管对接电阻焊的方法和装置。该专利发布后不久就转让给了著名的共和钢铁公司,因此其他公司未获授权不得采用,直至1935年专利过期。
在该专利有效期内,共和钢铁公司不断对Johnslon的工艺进行完善,使其在与冷拔无缝钢管的竞争中获得优势,占领了美国市场,特别是小直径薄壁钢管市场。由于该专利的限制,相继出现了许多其他的工艺,如:在美国得到商业生产应用的直流焊管工艺、美国人J.L.Adams发明的感应焊管工艺,以及捷克斯洛伐克人Johann Harmattta发明的焊管工艺。
1 G.V.Johnston的焊管专利技术
此项专利包括焊接装置和成型工艺方法,先把钢带轧制成开口管坯,管坯的对接边由相互绝缘的两个旋转的电极轧辊进行引导,导入商用交流电(50~60Hz)对边部进行加热,同时施加挤压力进行焊接。此工艺可以用于连续生产。
首先把与成品外径对应宽度的原料轧制成开缝钢管。成型是由四道初成型(三组水平辊和一组立辊)和两道精成型来完成的。成型的开缝钢管由焊缝引导装置进给到电极辊。电极辊由两个相互绝缘的铜合金盘构成,各自压住钢带两个边部并随钢管前进而旋转。焊接轧辊孔型比开缝钢管外径稍小,这样就可以通过挤压量对钢管边部施加压力形成焊接。
焊接电流通过电刷从隔离式稳定变压器的次级线圈流到电极辊中。电流通过焊接点在电极辊间流动,通过接触电阻加热钢带边部,使之迅速达到焊接温度,并且在电极辊和焊接辊的挤压下熔融焊接。焊接之后紧跟着就是定径辊,在定径和矫直钢管的同时压平钢管上的焊缝。成型辊、精成型辊、焊接辊以及定径辊通过齿轮箱连接,且被同一个电机整体驱动。
Johnston工艺与早期的工艺相比有以下3方面的优点:
(1)可以集中对钢带边部很窄的范围进行加热:
(2)焊接可以在瞬间完成,因为加热和挤压是在同一个位置同时进行,焊接辊的中心线与电极轧辊是一致的;
(3)只有很少的热量从钢带边处扩散,钢带边部基本没有变形,因此可以生产管壁更薄的钢管。
2 专利纷争
Johnson的专利在当时引起了相当大的纷争, 因为当时与其很相似的生产工艺已经在广泛应用。很多制造商对此项专利提出质疑,然而Johnson专利由一个非常有经验的专利代理人精心策划,周密机敏地声明了与传统工艺一系列不同的技术特点,几经裁决,最终被授予专利。
之后克利夫兰的钢管公司接管美国金属铸造公司并取得了专利权,但紧接着该公司被更大的共和钢铁公司兼并。从此,只有得到共和钢铁公司的授权才可以使用此项专利。此种情形一直持续到1935年此项专利失效。
在专利受保护的15年中,共和钢铁公司及其附属公司通过许可专利权,在美国及海外获得了巨大利益。没有获得专利授权的公司被迫遭受各种困难来避免专利侵权。
共和钢铁公司在克利夫兰州、佛罗里达州等处建立了多个Johnslon式电阻焊管厂。有资料显示这些工厂可以生产的钢管外径为3/8-4½in(9.5~114.3mm),壁厚为0.3~3.9mm,最大生产速度可达60m/min。
最初, 生产相当不稳定, 因此Johnslon不断地进行研究改进。他用金相显微镜发现了制造环境和焊接质量的关系、并为改进装置和工艺做了大量的工作。Johnslon的努力为很多基本技术研究奠定了基础,其成果对焊管制造技术影响深远,其中包括:电流频率和焊接速度的关系;建立正确的焊接速度、电流和挤压力之间的关系;使用酸洗钢带获得稳定的焊接条件;应用焊缝导向装置使得开缝管精确的处于电极辊之下等等。