DE102013018698A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Enthärtung von metallischen Schnittkanten bei thermischen Schnittverfahren - Google Patents

Abstract

Technische Aufgabe und Zielsetzung Die Aufhärtung der Schnittkanten bei thermischen Schnittverfahren wie z. B. Brenn-, Plasma- oder Laserschneiden soll vermieden oder beseitigt werden. Lösung der technischen Aufgabe Induktorköpfe eines lokal wirkenden Induktionsgeräts mit Tiefenwirkung werden nahe dem Schneidkopf so positioniert, dass sie in Schnittrichtung vor und nach dem Schneidkopf wirken. Der vorlaufende Induktorkopf wärmt die Schnittzone vor, sodass weniger Aufhärtung entsteht, zusätzlich kann ein nachlaufender Induktorkopf entstandene Aufhärtung anlassen und damit mindern. Anwendungsgebiet Zu integrieren typischerweise an Schneidautomaten, die aufhärtbare Metalle mittels Autogenflamme, Plasma, Laserstrahl oder ähnlicher geeigneter Energieträger schneiden.

Description

• Stand der Technik/Problemstellung:
• Es ist bekannt, dass es Metalle gibt, die durch das Erhitzen über eine Gefügeumwandlungstemperatur und nachfolgende Abkühlung mit einer Abkühlungsrate, die überhalb einer kritischen Schwelle liegt, an Härte und Sprödigkeit zunehmen. Ebenfalls ist es bekannt, dass durch nachfolgende Erwärmung auf eine Temperatur unterhalb der Gefügeumwandlungstemperatur die Härte nachlässt und sich günstige Materialeigenschaften einstellen können.
• Am Beispiel eines Stahls mit genügend Kohlenstoffanteil stellt sich das so dar, dass von einer Ferritstruktur bei hinreichend hohen Temperaturen in eine Austenitstruktur umgewandelt wird. Bei langsamer Abkühlung ist dieser Vorgang weitgehend reversibel. Kühlt man das Austenit aber schnell ab, bildet sich Martensit, was sich durch sehr hohe Härtewerte auszeichnet. Einen anschliessenden Wärmevorgang bezeichnet man als ,Anlassen', die dabei erreichte Anlasstemperatur ist charakteristisch für den Wert, auf den man die Härte des Metalls bei diesem Anlassvorgang absenken kann.
• Es ist üblich, Metalle in Blechform durch thermische Schneidverfahren wie z. B. Brennschneiden, Plasmaschneiden, Laserschneiden in Form zu bringen. Hierbei wird durch einen geeigneten Energieträger das Grundmaterial in der gedachten Schnittnaht über den Schmelzpunkt erhitzt und abgetragen. Ist das Material dick genug, so kommt es durch die Temperaturdifferenz zwischen Schnittnaht und umliegendem Material zu einem hohen Wärmeabfluss. Hierdurch wird in vielen Fällen die kritische Abkühlrate überschritten und die Schnittkarten werden extrem hart und spröde.
• Dies hat den Nachteil einer Rissneigung dieser Kante, was unter Stabilitäts- und Dauerfestigkeitsgesichtspunkten nachteilig ist. Andererseits ist die weitere mechanische Bearbeitung dieser Kanten z. B. durch Fräsen durch die hohen Härtewerte erschwert und mit kostenträchtigem Verschleiss von Werkzeugen verbunden.
• In der Norm EN 1090 wird beispielsweise für Schnittkanten an Stahl S355 eine Härte von höchstens 380HV10 (Vickers-Härte) gefordert. Dies ist in vielen Fällen ohne eine Nachbehandlung nicht zu erreichen.
• Ein Anlassen durch Wärmeeinbringung mit einer Flamme (z. B. Autogen- oder Propan-Sauerstoff-Flamme) ist wegen der damit verbundenen Einwirkdauer und der zugehörigen Kosten nicht praktikabel. Ausserdem sind derlei Vorgänge aus Sicherheitsgründen nur schwer automatisierbar und entsprechend mit kostenträchtigem Arbeitsaufwand verbunden.
• Der begrenzende Faktor ist hierbei, dass die erforderliche Wirktiefe nur durch Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche und der Tiefe des Materials erreicht werden kann.
• Zusätzlich ist aus der Schweisstechnik bekannt, dass eine Vorwärmung des Metalls in einer Zone von wenigen cm um die geplante Schnittnaht den Wärmeabfluss aus der Schnittnaht und damit die Aufhärtung verhindern hilft.
• Es sind induktiv arbeitende Geräte bekannt (DER PRAKTIKER 10/2013, Seite 498ff), bei denen örtlich begrenzt und mit einer Tiefe von bis zu 15 mm im Metall Wärme entsteht. Dies geschieht mit einer so großen Leistungsdichte, dass bei Bewegungen des Induktors von 1 m/min noch Temperaturen von 500°C im behandelten Metall entstehen. Das Verfahren wird unter anderem zum Vorwärmen von Schweissnähten eingesetzt.
• Lösungsvorschlag:
• Es wird in Schnittrichtung vor und/oder nach dem Schneidkopf mit Hilfe eines lokalen Induktionsverfahrens mit Tiefenwirkung der Schnitt vorgewärmt und/oder nach dem Schnitt angelassen. Dies geschieht ohne Beabeitereingriff und als integraler Bestandteil der Schneidanlage.
• Ausführungsbeispiel:
• 1 zeigt die Anordnung von einem Induktorkopf (5) in Wegrichtung vor dem Brennschneidkopf (3), einem weiteren Induktorkopf (4) in Wegrichtung nach dem Brennschneidkopf. Im Falle komplizierterer Nahtgeometrien sind diese Induktorköpfe durch separate Roboterachsen so zu bewegen, dass diese jeweils auf der Nahtlinie fahren. Zur Anlage gehört neben der Bewegungssteuerung noch eine Leistungssteuerung für die Induktoren und gegebenenfalls eine kontaktlose Temperaturmessung an der Stelle, die der Induktor jeweils gerade passiert hat.
• Die erreichten Vorteile:
• Ohne Verlängerung der Bearbeitungszeit wird die Härte der Schnittkanten auf Werte unterhalb der erlaubten Grenzwerte abgesenkt. Unerwünschte Nebenwirkungen wie Abgase und Abhitze einer Flamme fallen nicht an.
• Bezugszeichenliste

1

Werkstück

2

Bereits geschnittene Naht

3

Brenn-/Plasma/Laserschneidkopf

4

Induktor zur Anlass-Nachwärmung

5

Induktor zur Vorwärmung

6

Vorschubrichtung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Norm EN 1090 [0005]
• DER PRAKTIKER 10/2013, Seite 498ff [0009]

Claims (8)

1. Verfahren zur Enthärtung von metallischen Schnittkanten thermischer Schnittverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittlinie vor dem Schnitt zur Vermeidung von Aufhärtungen mit einem lokalen Induktionsverfahren mit Tiefenwirkung im Durchlauf vorgewärmt wird.
2. Verfahren zur Enthärtung von metallischen Schnittkanten thermischer Schnittverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittlinie nach dem Schnitt mit einem lokalen Induktionsverfahren mit Tiefenwirkung im Durchlauf erhitzt, dadurch angelassen und damit die Härte abgesenkt wird.
3. Vorrichtung zur Enthärtung von metallischen Schnittkanten thermischer Schnittverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktoren für das Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 2 nahe dem Schneidkopf positioniert werden
4. Vorrichtung nach Patentanspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Induktoren über einen Schnittbandkern aus einem hochpermeablen Material als Feldverstärker zur Erzeugung von Tiefenwirkung verfügen,
5. Vorrichtung nach Patentanspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Induktoren durch eine elektromechanische, hydraulische oder pneumatische Positionssteuerung so angepasst wird, dass jederzeit auf der Schnittlinie gewärmt wird
6. Vorrichtung nach Patentanspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungsstrom der Induktoren in Frequenz und Wellenform so gewählt wird, dass Temperatur-unabhängig eine Wirktiefe von mindestens 10 mm erreicht wird.
7. Vorrichtung nach Patentanspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein kontaktloses Temperaturmessverfahren eingesetzt wird, um die Temperatur an der Stelle des Werkstücks zu messen, an der ein Induktorkopf nach Patentanspruch 1 oder 2 direkt zuvor gewärmt hat,
8. Vorrichtung nach Patentanspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Temperatur nach Patentanspruch 7 dazu verwendet wird, die Induktionsleistung der Induktorköpfe nach Patentanspruch 1 oder 2 so zu regeln, dass die zur Vorwärmung oder zum Anlassen benötigte Temperatur im Werkstück erreicht wird.

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