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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum induktiven Vorschubhärten eines metallischen Werkstücks unter Verwendung eines steuerbaren Vorwärmens und eines zum Vorwärmen und Härten ausgebildeten Induktors.
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Es ist bereits bekannt, induktives Vorschubhärten mit auf die Randschicht begrenztem Vorwärmen zur Erhöhung der Randhärtetiefe, Steigerung der Druckeigenspannung und Verbesserung der Gefügequalität unter Verwendung von zwei eigenständigen Induktoren mit jeweils separater Stromquelle vorzunehmen, von denen der in Bewegungsrichtung vorlaufende Induktor vorwärmt und der im Tandem nachfolgende Induktor auf Austenitisierungstemperatur erwärmt, worauf zum Härten mit einer nachgeführten Kühleinheit abgeschreckt wird.
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Bei diesem Stand der Technik wird für ein auf die Randschicht beschränktes, gut kontrollierbares Vorwärmen ein separater Induktor mit eigener Wechselstromquelle verwendet. Folglich ist bei Induktionshärteverfahren mit lokal auf die Randschicht beschränktem Vorwärmen für das Vorwärmen und das Härten jeweils ein separater Induktor mit eigener Wechselstromquelle vorgesehen. Damit ist ein beträchtlicher anlagentechnischer Aufwand verbunden. Es werden zwei Generatoren, zwei Stromversorgungsleitungsbündel, zwei Induktoren, usw., benötigt. Dies verursacht entsprechend hohe Produktionskosten.
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Technische Komponenten, wie die Ringe oder Führungsschienen von drehenden oder linearen Wälzlagern, variieren in zumeist komplizierter Form in ihrem Querschnittsprofil, gegebenenfalls auch entlang der Länge oder des Umfangs. Beispiele für solche Gestaltmerkmale sind Nuten, Ein- oder Hinterstiche, Schultern und Kanten. Das bei ruhendem Bauteil im Vorschub erfolgende Induktionshärten der Ringe von Großlagern mit Durchmessern ab etwa 1 Meter erfordert daher für die Erzeugung eines überall optimalen Härtetiefenverlaufs, der durch die auf eine Grenzhärte von beispielsweise 80% der Oberflächenhärte bezogene Randhärtetiefe charakterisiert werden kann, eine an den veränderlichen Bauteilumriss angepasste, quer zu der zu behandelnden Oberfläche lokal unterschiedliche Temperatureinbringung. Durch Vorwärmen lässt sich die Randhärtetiefe vergrößern. Eine vorbereitende Ofenbehandlung des gesamten Werkstücks erlaubt aber nur eine auf etwa 100 °C begrenzte Erhöhung der Temperatur.
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Ein auf einem kreisförmigen Bauteil, insbesondere dem Ring eines großen Wälzlagers, kontinuierlich abschnittsweise voranschreitendes Induktionshärten ist aus den Schriften
DE 10 2005 006 701 B3 ,
EP 2 088 211 A1 ,
EP 1 988 179 A1 ,
WO 2010/007635 A1 und
WO 2011/107869 A1 bekannt. Dabei können einzelne (
DE 10 2005 006 701 B3 ) oder in Paaren angeordnete (
WO 2011/107869 A1 ) Induktoren das runde Werkstück entgegengesetzt umlaufen. Der Ring selbst kann sich drehen (
EP 2 088 211 A1 ,
EP 1 988 179 A1 ) oder Ring und einer der Induktoren bewegen sich mit unterschiedlicher Drehgeschwindigkeit (
WO 2010/007635 A1 ). Ein Vorwärmen beim induktiven Vorschubhärten regen die Verfahren der
EP 1 988 179 A1 und
WO 2011/107869 A1 an.
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Des Weiteren ist aus der
DE 10 2013 208 478 A1 ein Verfahren zum Randschichthärten eines metallischen Werkstücks bekannt, bei welchem zunächst ein Bereich des Werkstücks mit mindestens einem Induktor erwärmt wird, indem der mindestens eine Induktor in eine Bewegungsrichtung mit vorgegebener Geschwindigkeit entlang der Oberfläche des Werkstücks bewegt wird. Nach der Erwärmung des Bereichs des Werkstücks erfolgt mit mindestens einem Kühlelement eine Abkühlung des Bereichs, indem das mindestens eine Kühlelement in die Bewegungsrichtung mit vorgegebener Geschwindigkeit bewegt wird. Um ein gleichmäßiges Randhärteprofil auch im fertig bearbeiteten Zustand selbst bei Werkstücken mit geometrisch ungleichmäßigen Querschnitten zu erreichen erfolgt die Erwärmung des Bereichs mittels des mindestens einen Induktors entlang der Oberfläche des Werkstücks senkrecht zur Bewegungsrichtung mit unterschiedlicher Magnetfeldstärke.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum induktiven Vorschubhärten eines metallischen Werkstücks anzugeben, bei denen die Qualität des Vorschubhärtens bei reduziertem anlagentechnischen Aufwand verbessert ist
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen bzw. durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein flexibel steuerbares Vorwärmen der Randschicht und anschließendes Härten im Vorschub mithilfe nur eines Induktors und eines Generators erfolgen kann. Dabei wird in vorteilhafter Weise eine große Randhärtetiefe bei gutem, nicht durch spröde Korngrenzen geschwächtem Gefüge erzielt. Auch lassen sich die beim induktiven Härten in der Randschicht entstehenden Druckeigenspannungen, die sich günstig auf das Beanspruchungsverhalten des Werkstoffs auswirken und die Lebensdauer des Werkstücks erhöhen können, durch das lokale Vorwärmen auf beispielsweise einige 100 °C weiter steigern.
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Weitere Vorteile der Erfindung bestehen in einer Anlagen- und Prozessvereinfachung, einer Erhöhung der Prozesssicherheit sowie einer Senkung der Produktionskosten.
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Die Vorteile der Erfindung beruhen insbesondere darauf, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Induktor zur Anwendung kommt, der eine Induktorspule mit zwei Spulenteilen (Leitern) aufweist, wobei einer dieser Leiter zum Vorwärmen und der andere Leiter zum Erhöhen der Temperatur auf Austenitisierungstemperatur genutzt wird, wobei diese beiden Leiter (Induktorspulenteile) mit veränderlichem Abstand zueinander über das zu härtende Werkstück bewegt werden und wobei die Ströme durch diese beiden Leiter unabhängig voneinander einstellbar sind.
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Des Weiteren stellt die Erfindung neue elektrische Schaltungskonzepte bereit, die induktives Vorschubhärten mit Vorwärmen der Randschicht unter Verwendung nur eines einzigen Induktors erlauben, der aus mindestens einem in Bewegungsrichtung vorne angeordneten Leiter als Vorwärmspulenteil und einem in Bewegungsrichtung hinter dem Vorwärmspulenteil angeordneten Leiter als Härtespulenteil besteht. Zudem erfolgen vorzugsweise Temperaturregelungen, bei denen lokale Oberflächentemperaturen des metallischen Werkstücks über Farbtemperaturen oder Lichtstrahlungsspektren gemessen werden.
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Bei den behandelten metallischen Werkstücken handelt es sich vorzugsweise um große, dickwandige Bauteile wie beispielsweise Ringe von Großwälzlagern. Aufbauend auf einer Steuerung und/oder Regelung des Abstands zwischen Vorwärmspulenteil und Härtespulenteil des Induktors und gegebenenfalls deren jeweiligen Höhen bzw. Abständen zum Werkstück stellt die Erfindung zudem ein Verfahren zum schlupflosen induktiven Vorschubhärten kreisförmig geschlossener Bauteile mit verbesserten Werkstoffeigenschaften in Start- und Endzone zur Verfügung.
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Insbesondere ermöglicht die Erfindung auch ein schlupfloses induktives Vorschubhärten von großen schienenförmig geraden oder ringförmig geschlossenen runden Stahlwerkstücken, insbesondere von ein- oder mehrreihigen Innen- und Außenringen großer Wälzlager aller Bauarten, wie sie unter anderem in Rotorlagern von Windenergieanlagen, Walzwerken und Kränen verwendet werden. Da das Profil des Querschnitts dieser Großlagerringe wie oben beschrieben variiert, ist zur Einstellung eines an jeder Stelle des veränderlichen Bauteilumrisses optimalen Härtetiefenverlaufs eine daran angepasste, örtlich unterschiedliche Temperatureinbringung in das Teil notwendig. Als hierbei für die Ausbildung eines gewünschten, duktilen Gefüges, das nicht durch überhitzungsbedingtes Grobkorn versprödet ist, besonders geeignet hat sich ein genügend tiefes und gut ausgeglichenes, d. h. an der Oberfläche selbst nicht zu starkes Vorwärmen nur der zu härtenden Randschicht des Werkstücks vor dem eigentlichen Austenitisierungserhitzen auf Härtetemperatur mit nachfolgendem Abschrecken erwiesen.
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Bei den in der
EP 1 988 179 A1 und der
WO 2011/107869 A1 beschriebenen Verfahren werden im Unterschied zur vorliegenden Erfindung getrennte Induktoren hintereinandergeschaltet. Nachteil dieser bekannten Technologien ist, dass für jeden Induktor eine eigene Wechselstromversorgung benötigt wird, was anlagentechnisch aufwändig und mit hohen Kosten verbunden ist. Die Erfindung offenbart eine alternative Methode zum induktiven Vorschubhärten mit flexibel und individuell, d.h. unabhängig vom Austenitisierungserhitzen, steuer- bzw. regelbarem Vorwärmen, wobei lediglich ein einziger Induktor und damit auch nur ein Generator erforderlich ist.
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Eine steuerbare Vorwärmwirkung beim induktiven Vorschubhärten kann mithilfe nur eines einzigen Induktors und Generators erreicht werden. Nach bisherigem Stand der Technik sind hierfür zwei im Tandem betriebene Induktoren mit je einer eigenen Stromquelle erforderlich. Die erfindungsgemäße koordinierte Steuerung von Abstand, beispielsweise unter Verwendung eines Motors, und Wärmewirkung, beispielsweise unter Verwendung einer elektrische Schaltung, der Spulenteile während des Induktionshärteprozesses erlaubt beispielsweise beim Härten eines Wälzlagerringes eine unabhängig optimierte Verfahrensführung in Start-, Vorschub- und Endzone.
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Die Anordnung, die mit konstanter oder veränderlicher Geschwindigkeit über die Werkstückoberfläche geführt wird, besteht aus mindestens und bevorzugt einer Induktorspule, wobei ein in Bewegungsrichtung vorne angeordneter Leiter der Induktorspule zum Vorwärmen dient (Vorwärmspulenteil) und ein zweiter Leiter der Induktorspule zum Erwärmen auf die gewünschte Härtetemperatur, d.h. die gewünschte Austenitisierungstemperatur, genutzt wird (Härtespulenteil), an die sich eine in gleichem Tempo mitbewegte Abschreckeinheit, beispielsweise eine Brause, anschließt. Die Aufgabe des flexibel kontrollierbaren Vorwärmens wird durch das Regeln des Stromes durch die einzelnen Spulenleiter gelöst. Das Magnetfeld der einzelnen Leiter (Induktorspulenteile) nimmt umgekehrt proportional zum Abstand ab. Zwischen den Leitern kommt es zu einer Überlagerung. Zwecks Verstärkung des Magnetfeldes können beide Leiter (Induktorspulenteile) auf der dem zu härtenden Werkstück abgewandten Seite, zur Optimierung des resultierenden Härtetiefenverlaufs in Anpassung an das Querschnittsprofil des Bauteils auch unterschiedlich stark, mit einem geeigneten, vorzugsweise weichmagnetischen Material beblecht sein. Dadurch lässt sich die Wirkung des Vorwärmens mittels des vorne angeordneten ersten Leiters (Vorwärmspulenteil) und/oder des Hauptwärmens mittels des zweiten Leiters (Härtespulenteil) lokal variieren.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Magnetfelder zum Vorwärmen und zum induktiven Härten zusätzlich über eine Steuerung oder Regelung des Abstandes des jeweiligen Leiters (Induktorspulenteils) zum Werkstück eingestellt.
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Die Steuerung der Magnetfelder zum Vorwärmen und Härten erfolgt gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung durch geeignete Taktung des Stromflusses durch die beiden Leiter (Induktorspulenteile). Die Vorwärmwirkung kann optional auch durch Anbringen einer Kühleinheit, beispielsweise eines Gebläses, zwischen den beiden Leitern (Induktorspulenteilen) beeinflusst werden. Auf diese Weise lässt sich insbesondere die Temperatur der Oberfläche bzw. äußeren Randschicht des Bauteils vor dem Härten wirksam absenken, um ein überhitztes Härten zu vermeiden oder vorübergehende Gefügeumwandlungen, beispielsweise eine Perlitbildung, zu fördern.
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Bei bekannten Vorrichtungen zum Vorschubhärten von metallischen Werkstücken werden die beiden wassergekühlten Spulenteile eines Induktors in Serie geschaltet und über einen Wechselspannungsgenerator mit einem Wechselstrom von konstantem Effektivwert versorgt. Die Erfindung schlägt stattdessen Schaltkonzepte vor, mit denen ein flexibel steuer- bzw. regelbares Vorwärmen vor dem Erwärmen auf Härtetemperatur ermöglicht wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:
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1a ein Schaltungskonzept zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispiels für die Erfindung,
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1b ein Schaltungskonzept zur Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels für die Erfindung,
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2 ein Schaltungskonzept zur Erläuterung eines dritten Ausführungsbeispiels für die Erfindung,
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3 ein Schaltungskonzept zur Erläuterung eines vierten Ausführungsbeispiels für die Erfindung,
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4 ein Schaltungskonzept zur Erläuterung eines fünften Ausführungsbeispiels für die Erfindung,
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5 ein Schaltungskonzept zur Erläuterung eines sechsten Ausführungsbeispiels für die Erfindung,
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6 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Temperatur/Tiefen-Verlaufes nach dem Vorwärmen vor dem Einwirken des Härteteils als Funktion des Abstands zwischen Vorwärm- und Härtespulenteil,
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7 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verhältnisses von Diffusionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Temperatur,
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8 eine Blockdarstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Steuer- und Regeleinheit einer Vorrichtung zum induktiven Vorschubhärten und
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9 eine Skizze zur Erläuterung der Bewegung der Leiter und der Kühleinheit über die Oberfläche des Werkstücks.
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Bei der nachfolgenden beispielhaften Erläuterung der Erfindung werden die beiden Leiter der Induktorspule auch als Induktorspulenteile bezeichnet.
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Die 1a zeigt ein Schaltungskonzept zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispiels für die Erfindung. Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel sind die beiden Induktorspulenteile VW und HT parallel geschaltet. Zur Versorgung dieser beiden Induktorspulenteile ist ein gemeinsamer Wechselstromgenerator G vorgesehen, der an den Eingang der Parallelschaltung angeschlossen ist. Der Ausgang der Parallelschaltung ist über einen gemeinsamen Rückleiter RL mit dem Wechselstromgenerator G verbunden.
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Die Wirkung des Vorwärmspulenteils VW wird über ein dem Vorwärmspulenteil vorgeschaltetes steuerbares Bauelement R eingestellt. Bei diesem steuerbaren Bauelement R handelt es sich beispielsweise um einen veränderlichen Widerstand, eine veränderliche Induktivität und/oder ein Schaltelement, mit dem der Effektivwert des Stromes über das Ändern des Verhältnisses von Einschalt- zu Ausschaltzeit eingestellt wird. Die Steuersignale für das steuerbare Bauelement R werden von einer in der 1a nicht dargestellten Steuer- und Regeleinheit bereitgestellt.
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Die 1b zeigt ein Schaltungskonzept zur Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels für die Erfindung. Auch bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel sind die beiden Induktorspulenteile VW und HT parallel geschaltet. Zur Versorgung dieser beiden Induktorspulenteile ist ein gemeinsamer Wechselstromgenerator G vorgesehen, der an den Eingang der Parallelschaltung angeschlossen ist. Der Ausgang der Parallelschaltung ist über einen gemeinsamen Rückleiter RL mit dem Wechselstromgenerator G verbunden.
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Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Richtung des Stromflusses durch das Vorwärmspulenteil VW umgekehrt. Folglich liegt bei diesem Schaltungskonzept eine gegenläufige Richtung des Stromflusses durch die beiden Induktorspulenteile vor. Auch bei diesem Schaltungskonzept wird die Wirkung des Vorwärmspulenteils VW über ein dem Vorwärmspulenteil vorgeschaltetes steuerbares Bauelement R eingestellt. Bei diesem steuerbaren Bauelement R handelt es sich auch hier um einen veränderlichen Widerstand, eine veränderliche Induktivität und/oder ein Schaltelement, mit dem der Effektivwert des Stromes über das Ändern des Verhältnisses von Einschalt- zu Ausschaltzeit eingestellt wird. Die Steuersignale für das steuerbare Bauelement R werden von einer in der 1b nicht dargestellten Steuer- und Regeleinheit bereitgestellt.
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Alternativ dazu kann auch die Richtung des Stromflusses durch das Härtespulenteil HT umgekehrt sein, um eine gegenläufige Stromflussrichtung bereitzustellen.
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Die 2 zeigt ein Schaltungskonzept zur Erläuterung eines dritten Ausführungsbeispiels für die Erfindung. Auch bei diesem dritten Ausführungsbeispiel sind die beiden Induktorspulenteile VW und HT parallel geschaltet. Zur Versorgung dieser beiden Induktorspulenteile ist ein gemeinsamer Wechselstromgenerator G vorgesehen, der an den Eingang der Parallelschaltung angeschlossen ist. Der Ausgang der Parallelschaltung ist über einen gemeinsamen Rückleiter RL mit dem Wechselstromgenerator G verbunden.
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Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel ist dem Vorwärmspulenteil VW ein steuerbares Bauelement R1 vorgeschaltet und dem Härtespulenteil HT ein steuerbares Bauelement R2. Bei diesen steuerbaren Bauelementen R1 und R2 kann es sich jeweils um einen veränderbaren Widerstand, eine veränderliche Induktivität und / oder ein Schaltelement zur Veränderung des Stromeffektivwerts über das Verhältnis von Einschalt- zu Ausschaltzeit handeln. Die Steuersignale für die steuerbaren Bauelemente R1 und R2 werden von einer in der 2 nicht dargestellten Steuer- und Regeleinheit bereitgestellt.
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Alternativ zu dem in der 2 dargestellten Schaltungskonzept kann auch hier die Stromflussrichtung durch die beiden Induktorspulenteile gegenläufig sein.
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Die 3 zeigt ein Schaltungskonzept zur Erläuterung eines vierten Ausführungsbeispiels für die Erfindung. Auch bei diesem vierten Ausführungsbeispiel sind die beiden Induktorspulenteile VW und HT parallel geschaltet. Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel ist dem Induktorspulenteil VW ein Halbleiterschalter S1 und dem Induktorspulenteil HT ein Halbleiterschalter S2 vorgeschaltet. Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel wird der von einem Wechselstromgenerator G bereitgestellte hochfrequente Wechselstrom unter Verwendung eines von einer aus der 3 nicht ersichtlichen Steuer- und Regeleinheit bereitgestellten pulslängenmodulierten Steuersignals mit einstellbarem Tastverhältnis und der genannten Halbleiterschalter zwischen den beiden Induktorspulenteilen VW und HT hin und her geschaltet.
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Zumindest der gemeinsame Rückleiter RL ist als hochflexibles Kabel mit niedrigem Widerstand und geringer Induktivität ausgeführt. Geeignet sind beispielsweise hochflexible HF-Litzen oder Kupferfolien. Das Verhältnis der jeweiligen Einschaltzeiten bestimmt das Verhältnis der über das jeweilige Induktorspulenteil übertragenen Heizenergie zum Aufwärmen des Metallteils. Die Umschaltung erfolgt jeweils in der Nähe des Stromnulldurchgangs, wobei in vorteilhafter Weise zunächst der eine Schalter eingeschaltet und erst danach der andere Schalter geöffnet wird.
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Die 4 zeigt ein Schaltungskonzept zur Erläuterung eines fünften Ausführungsbeispiels für die Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Induktorspulenteile HT und VW in Serie geschaltet. Zur Versorgung der beiden Induktorspulenteile HT und VW ist ein Gleichstromgenerator G vorgesehen. Der Gleichstromgenerator G ist mit einem Anschluss des Induktorspulenteils HT verbunden. Der andere Anschluss des Induktorspulenteils HT ist an einen Anschluss des Induktorspulenteils VW angeschlossen. Der andere Anschluss des Induktorspulenteils VW ist über eine Rückleitung RL mit dem Gleichstromgenerator G verbunden. Dem Induktorspulenteil VW ist ein Schalter S parallel geschaltet.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein getaktetes Kurzschließen des Induktorspulenteils VW vorgesehen, welches unter Verwendung eines von einer nicht gezeichneten Steuer- und Regeleinheit bereitgestellten Steuersignals erfolgt. Auch hier erfolgt das Schalten in vorteilhafter Weise in der Nähe des Stromnulldurchgangs. Des Weiteren erfolgt die Umschaltung zwischen den beiden Induktorspulenteilen bei konstantem Spannungseffektivwert.
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Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Stromleiter vorzugsweise als niederinduktive und niederohmsche hochflexible Leitungen ausgeführt. Mit Bezug zum Widerstandsbelag haben sich hochflexible Flachbandleitungen als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Als Halbleiterschalter werden vorzugsweise IGBTs oder IGCTs eingesetzt. Zur Kommutierung der Spulenströme werden die Halbleiterschalter vorteilhaft zunächst eingeschaltet, erst danach wird der jeweils andere Halbleiterschalter ausgeschaltet. Durch diese Maßnahme werden die dynamischen Schaltverluste während des Durchlaufens des aktiven Kennlinienbereichs reduziert. Zur Vermeidung der Überlastung bei einem vollständigen Abschalten können zusätzlich Schutz oder Freilaufdioden eingesetzt werden.
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Die 5 zeigt ein Schaltungskonzept zur Erläuterung eines sechsten Ausführungsbeispiels für die Erfindung, bei welchem IGBTs als Halbleiterschalter verwendet werden.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Induktorspulenteile VW und HT parallel geschaltet. Bei diesem sechsten Ausführungsbeispiel ist dem Induktorspulenteil VW ein IGBT1 und dem Induktorspulenteil HT ein IGBT2 vorgeschaltet. Bei diesem sechsten Ausführungsbeispiel wird der von einem Wechselstromgenerator G bereitgestellte hochfrequente Wechselstrom unter Verwendung von von einer aus der 5 nicht ersichtlichen Steuer- und Regeleinheit bereitgestellten Steuersignalen und unter Verwendung der IGBTs zwischen den beiden Induktorspulenteilen VW und HT hin und her geschaltet.
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Die vorstehend anhand der 1a bis 5 beschriebenen Schaltungskonzepte bieten die Möglichkeit einer Einstellung des Abstandes zwischen den beiden Induktorspulenteilen während des Wärmebehandlungsprozesses, beispielsweise unter Verwendung eines Motors. Durch geeignete Einstellung dieses Abstandes wird die Wirkung des Vorwärmens beim Härten im Vorschubbereich optimiert. Mit steigendem Abstand d der beiden Spulenteile HT und VW, gemessen in Bewegungsrichtung des Induktors, nimmt nach dem Passieren des Vorwärmteils und vor der Ankunft des Härteteils an derselben Stelle infolge der Wärmeleitung die Temperatur in größeren Tiefen des Bauteils zu. So lässt sich die Randschicht vor dem Erwärmen auf Härtetemperatur, dem Abschrecken folgt, thermisch in bester Weise vorbereiten, um eine hohe Randhärtetiefe bei duktilem, feinkörnigem Härtegefüge zu erreichen. Den Zusammenhang zwischen der Randhärtetiefe SHD und dem Abstand d zwischen den beiden Induktorspulenteilen veranschaulicht die 6 in einer schematischen Darstellung. Im gesamten Bauteil herrscht anfangs beispielsweise Raumtemperatur. Für große dickwandige Komponenten, wie etwa Großlagerringe, beträgt die geforderte Randhärtetiefe oft etliche mm bis zu etwa 1 cm.
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Aus diesem Diagramm, in welchem nach oben die Temperatur TE in einer beliebigen Einheit und nach rechts die Tiefe TI in einer beliebigen Einheit aufgetragen ist, ist ersichtlich, dass beim Vorliegen eines Abstandes d1 an der Oberfläche des Werkstückes eine vergleichsweise hohe Temperatur herrscht und dass diese Temperatur mit zunehmender Tiefe exponentiell vergleichsweise stark abfällt. Im Unterschied dazu ist beim Vorliegen eines größeren Abstandes d2 zwischen den beiden Induktorspulenteilen die an der Oberfläche des Werkstücks herrschende Temperatur deutlich niedriger. Es ist weiterhin ersichtlich, dass mit zunehmender Tiefe die Temperatur zwar ebenfalls exponentiell abfällt, aber weniger stark als beim Vorliegen eines kleineren Abstandes d1.
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Ein jeweils optimaler Abstand d zwischen den beiden Induktorspulenteilen, d.h. zwischen dem Vorwärmspulenteil und dem Härtespulenteil, kann im jeweiligen Anwendungsfall unter Verwendung einfacher Versuche, ggf. mit Hilfe unterstützender Simulationsrechnungen, ermittelt werden. Durch dieses Vorwärmen wird die resultierende Randhärtetiefe erhöht, weil beim anschließenden Erwärmen auf Härtetemperatur der Wärmeabfluss und damit die Temperaturabnahme ins Bauteilinnere wegen des verminderten Temperaturgradienten abgeschwächt wird. Geeignete Oberflächentemperaturen beim Vorwärmen liegen beispielsweise zwischen etwa 300 °C bis etwa 700 °C. Allerdings können auch höhere Werte um oder über 800 °C günstig sein, weil es dann beim Vorschub am Übergang vor dem Härteteil (Abstand d) zu einer Vorperlitisierung des Gefüges (speziell bei Stählen mit nur geringen Legierungsanteilen, beispielsweise bei C53) mit Kornfeinung kommt, was durch ein Zwischenkühlen vor dem Härteteil weiter gefördert werden kann. Ein hierfür beispielsweise verwendetes, zwischen Vorwärm- und Härtespulenteil mitbewegtes Gebläse kann so konstruiert werden, dass seine Position zwischen den beiden Induktorspulenteilen kontrollierbar veränderlich ist und es zudem bei Bedarf zu einem geeigneten Zeitpunkt, beispielsweise in der Startzone, eingeführt und in der Endzone entfernt werden kann. Die Einflusstiefe, bis zu der die Temperatur in der Werkstückrandschicht beim Vorwärmen zur Vorbereitung auf das anschließende Austenitisieren mit dem nachfolgenden Härteteil effizient, d. h. beispielsweise auf über 100 °C, erhöht wird, kann mehrere mm bis über 10 mm betragen. So erweist es sich als vorteilhaft, wenn noch bei halber Randhärtetiefe eine Temperatur zwischen etwa 300 °C und 500 °C beim Vorwärmen erzielt wird.
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Eine Verwendung von Mittelfrequenzgeneratoren im unteren kHz-Bereich eignet sich beim induktiven Vorschubhärten mittels des erfindungsgemäßen Induktors besonders gut sowohl für das Vorwärmen (VW) als auch für das Austenitisieren (HT) vor dem Abschrecken. Die Stromeindringtiefe nimmt dadurch zu, was bei dickwandigen Bauteilen, beispielsweise bei Großlagerringen, die Erzielung einer großen Randhärtetiefe auch bei Kurzzeithärten bei relativ schnellem Vorschub mit beispielsweise über 200 mm/min Bewegungsgeschwindigkeit mit geringerem Wärmeleitungsbeitrag, was sehr günstig für das resultierende Gefüge ist, fördert. Außerdem wird dadurch die Aufheizgeschwindigkeit nicht zu hoch, was die Überhitzungsgefahr im oberflächennahen Werkstückbereich mindert sowie die Vorwärmtiefe und damit die erreichbare Randhärtetiefe erhöht. Es ist aber auch möglich, bei langsamerem Vorschub die günstigen Bedingungen des Kurzzeithärtens zu verwirklichen, wenn die Leistung entsprechend verringert wird. Für die Prozessregelung speziell im Vorschubbereich ist insbesondere eine Messung der Vorwärmtemperatur in Bewegungsrichtung hinter dem Vorwärm- und vor dem Härteteil des Induktors beispielsweise mit Hilfe eines Pyrometers vorteilhaft. Der Grund dafür ist, dass eine geeignete Wirkung des Härtespulenteils neben der erzielten Randhärtetiefe direkt aus dem resultierenden Gefüge, beispielsweise durch eine Prüfung der Gewaltbruchfläche, ersichtlich und entsprechend optimierbar ist.
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Die in den 1a bis 5 dargestellten Schaltungskonzepte machen es zudem möglich, gleiche Beblechung im Vorwärm- und Härteinduktorspulenteil zu verwenden, da die gewünschte unterschiedliche Heizwirkung auch allein durch Steuerung bzw. Taktung erreicht werden kann. Diese Verfahrensvariante erlaubt eine besonders flexible Prozessführung, was insbesondere für die Start- und Endzone günstig ist.
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Um eine hohe Korngrenzenenergie zu erzielen und damit die versprödende Tendenz zum interkristallinen Werkstoffversagen zu vermeiden, bietet sich ein Kurzzeithärten mit hoher Austenitisierungstemperatur im Bereich von beispielsweise 950 °C bis 1300 °C und einem schnellen Vorschub mit höchstens 3 s bis 10 s Einwirkzeit besonders an. Dadurch werden auch eine günstigere Werkstoffhomogenisierung mit deutlich erhöhter (Wälz-)Ermüdungslebensdauer und eine verkürzte Prozess- bzw. Herstelldauer erreicht.
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Andernfalls kann mit einer niedrigeren Austenitisierungstemperatur von beispielsweise etwa 900 °C und einer verringerten Vorschubgeschwindigkeit ebenso gearbeitet werden.
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Zur Veranschaulichung ist in der 7 ein Diagramm gezeigt, in welchem nach oben das Verhältnis VH der Diffusionskoeffizienten des jeweils angegebenen, im Stahl substitutionell gelösten Elements, beispielsweise Schwefel, Chrom, Mangan und Nickel, und Kohlenstoff in austenitischem Eisen und nach rechts die Temperatur TE aufgetragen ist. Schwefel ist ein typisches, durch Anlagerung bzw. Segregation die Korngrenzen versprödendes Element. Seine relative Beweglichkeit, bezogen auf interstitiell eingelagerten Kohlenstoff, nimmt mit der Austenitisierungstemperatur zwischen 900 und 1300 °C um eine Größenordnung zu. Die Segregation ist zudem ein exothermer Prozess. Die Belegung der Korngrenzen nimmt also mit steigender Temperatur ab. Diese Tendenz ist in der 7 mit dem gestrichelten Pfeil angedeutet. Kurzzeithärten mit hoher Austenitisierungstemperatur von beispielsweise etwa 950 °C bis 1300 °C führt somit zu einer sehr wirksamen Verminderung der Belegung der Korngrenzen mit versprödenden Elementen wie beispielsweise Schwefel, weil diese beim folgenden Abschrecken keine Zeit für eine Rückanlagerung mehr finden und deshalb gelöst in der Matrix verbleiben. Die 7 verdeutlicht auch die Veränderung der relativen Beweglichkeit der für das Stahlhärten wichtigen substitutionellen Legierungselemente anhand von drei Beispielen. Eine Erhöhung der Austenitisierungstemperatur von 900 auf 1300 °C beim Kurzzeithärten steigert den bezogenen Diffusionskoeffizienten von Chrom, Mangan und Nickel im Vergleich zu Kohlenstoff um fast zwei Größenordnungen. Daraus resultiert eine besonders homogene Verteilung der Legierungselemente. Die Härtbarkeit wird verbessert. Vor allem aber steigern sich die (Mikro-)Zähigkeit und die (Wälz-)Ermüdungsstabilität des Gefüges, was auch zu einem hohen Widerstand gegen Frühausfälle durch die Entstehung so genannter weiß anätzender Risse von der Oberfläche oder – beispielsweise unter dem Einfluss von Wasserstoff – aus der Tiefe des Materials führt. Diese Schäden stellen unter anderem bei Wälzlagern in Windenergieanlagen ein großes technisches Problem dar.
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Die Steuerung des in Bewegungsrichtung des Induktors, die entlang der Länge bzw. entlang des Umfangs eines geraden oder ringförmig geschlossenen Bauteils verläuft, gemessenen Abstands von Vorwärm- und Härtespulenteil, die vorzugsweise mit Hilfe eines Motors erfolgt, gestattet zudem eine optimierte Prozessführung auch in der Start- und Endzone eines runden Bauteils. Zur Veranschaulichung dient der Ring eines großen Wälzlagers. Dank koordinierter Steuerung von Wärmewirkung, wie es anhand der 1a bis 5 erläutert wurde, und Abstand der beiden Induktorspulenteile kann durch in Start-, Vorschub- und Endzone abweichende Einstellung ein jeweils bestes Ergebnis der Wärmebehandlung erreicht werden. Der Übergang zwischen jeweils zwei Bereichen lässt sich dabei flexibel für ein günstiges Wärmebehandlungsresultat am gesamten kreisförmigen Bauteil durchführen. Dies wird nachstehend für ein schlupfloses induktives Vorschubhärten des Rings eines Großlagers beispielhaft erläutert.
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Es werden zwei aus je einem Vorwärm- und einem Härteteil bestehende Induktoren der erfindungsgemäßen Bauart verwendet. Das induktive Randschichtvorschubhärten, das im Wesentlichen die Kontaktflächen, beispielsweise die Laufbahn und die Borde, umfasst, beginnt in einer Startzone, die beispielsweise einige 10 cm am Umfang des Großlagerrings einschließen kann. Hier stehen die beiden Induktoren zunächst Härteteil an Härteteil beieinander und werden nun eingeschaltet. In der einfachsten Prozessvariante ist der Abstand zwischen Vorwärm- und Härtespulenteil dabei minimal. Jedes Vorwärmteil wird mit Hilfe eines der erfindungsgemäßen Schaltungskonzepte im Vergleich zum Härteteil mit weniger Strom versorgt, so dass ein optimales thermisches Vorbereiten der Randschicht mit geeigneter, insbesondere an der Oberfläche nicht zu hoher Temperatur im kommenden Vorschub möglich ist. Die beiden Induktoren laufen sodann auseinander, wobei der Abstand zwischen dem jeweiligen Vorwärm- und Härteteil in geeigneter Weise mit Hilfe der Motoren möglichst rasch auf den optimalen Abstand für das induktive Härten im Vorschubbereich vergrößert und gegebenenfalls zu einem geeigneten Zeitpunkt eine Zwischenkühleinheit, beispielsweise ein Hochleistungsgebläse, eingebracht wird. Sobald zwischen den Induktoren ausreichend Platz ist, wird zuerst die Brause des einen und danach auch des anderen Induktors eingeführt und es wird beispielsweise mit einer verdünnten wässrigen Polymerlösung abgeschreckt. Jedem Induktor folgt eine Kühleinheit, die beispielsweise am gleichen Träger befestigt ist, auf seiner Bewegung um den Umfang des Rings. So wird in beiden Richtungen kontinuierlich mit dem Vorwärmspulenteil vorgewärmt, mit dem Härteteil auf Austenitisierungstemperatur weiter erhitzt und dann mit der Brause abgeschreckt. Wird das induktive Vorschubhärten mit gleicher Geschwindigkeit der Induktoren betrieben, was vorzugsweise der Fall ist, dann deckt jeder Induktor eine Hälfte des Ringumfangs ab. Beim neuerlichen Zusammenlaufen der Induktoren nähern sich nun die in Bewegungsrichtung vorne befindlichen Vorwärmteile gegenseitig an. In geeigneter Distanz zum Ort des Zusammentreffens in der Endzone wird der Abstand von Vorwärm- und Härteteil wieder vermindert und gegebenenfalls zu einem geeigneten Zeitpunkt die Zwischenkühleinheit entfernt. Dabei kann die Stromstärke in den beiden Spulenteilen durch die Regel- und Steuereinheit geändert werden. Beim Zusammentreffen arbeiten schließlich beide Induktorspulenteile in engstem Abstand zueinander als Härteteile. Sie werden entfernt und es wird abschließend die Endzone abgeschreckt, was ein schlupfloses Härten ohne das Auftreten einer schwachen, weichen Übergangszone gewährleistet.
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Andere Prozessführungen in Start- und Endzone sind ebenfalls möglich. So können dort beispielsweise zur Verbesserung der Vorwärmwirkung zusätzliche Induktoren, etwa in pendelndem Betrieb, und/oder weitere Abschreckbrausen verwendet werden. Auch kann einer oder es können beide der im Vorschub arbeitenden Induktoren in der Startzone vor dem Auseinanderlaufen pendeln.
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Vorzugsweise werden Stähle mit Kohlenstoffkonzentration von 0,2 bis 2,0 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,35 und 1,1 Gew.-%, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt. Hierzu zählen insbesondere Vergütungs- und Wälzlagerstähle. Beispiele geeigneter Stahlsorten sind 34Cr4, 34CrMo4, 36CrNiMo4, 37Cr4, 41Cr4, 42CrMo4, 50CrMo4, C53, 80MoCrV42-16, C100 sowie 100Cr6 und dessen höherlegierte Derivate, unter anderem 100CrMn6, 100CrMo7 und 100CrMnMo8. Besonders günstig ist ein vorvergüteter Werkstoff im Ausgangszustand. Ferner können in der Randschicht aufgekohlte Einsatzstähle, Grau- und Temperguss erfindungsgemäß induktiv gehärtet werden.
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Vorzugsweise werden zu einer Temperaturregelung am Vorwärm- und / oder Härtespulenteil lokale Oberflächentemperaturen am zu behandelnden Werkstück über Farbtemperaturen oder Strahlungsspektren gemessen. Hierzu wird über mindestens einen Lichtleiter, vorzugsweise ausgeführt als dünner Quarzglasstreifen, ein Teil der Lichtstrahlung eines lokalen Werkstückoberflächenteils erfasst, über Totalreflexion an einen Detektor weitergeleitet und über das Plank‘sche Strahlungsgesetz, das Wien‘sche Verschiebungsgesetz und / oder die Lichtfarbe mindestens eine lokale Temperatur des zu härtenden Werkstücks gemessen. Die Wellenlänge des Maximums des emittierten Spektrums ist gemäß dem Wien’schen Verschiebungsgesetz umgekehrt proportional zur absoluten Temperatur der strahlenden Fläche. Durch die Betrachtung der Wellenlängen oder Frequenzen ist dieses Messverfahren quasi unabhängig von Verschmutzungen, Transmissions- und Reflektionsfaktoren. Eine vorteilhafte, kostengünstige Temperaturmessmöglichkeit ist die Messung der Farbtemperatur. Hierzu wird die vom erhitzten metallischen Werkstück abgestrahlte und über den Quarzglaslichtleiter weitergeleitete elektromagnetische Strahlung auf einen Farbmesskopf geschaltet und aus den Rot-, Grün- und Blau-Werten, dem Farbort oder anderen Farbraumwerten die lokale Metalltemperatur errechnet.
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Die 8 zeigt eine Blockdarstellung zur Erläuterung der grundsätzlichen Arbeitsweise der Steuer- und Regeleinheit SR einer Vorrichtung zum induktiven Vorschubhärten. Aus der 8 ist ersichtlich, dass die Steuer- und Regeleinheit SR einen Speicher SP enthält, in welchem dem Arbeitsprogramm der Steuer- und Regeleinheit entsprechende Daten und weitere Daten, die im Vorfeld ermittelt wurden und zur Steuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigt werden, hinterlegt sind. Des Weiteren ist aus der 8 ersichtlich, dass der Steuer- und Regeleinheit SR im Verlauf des Verfahrens zum induktiven Vorschubhärten Messdaten zugeführt werden, die beispielsweise von Sensoren zur Verfügung gestellt werden. Zu diesen Sensoren gehören unter anderem ein Temperatursensor St, dessen Ausgangssignal Informationen über eine momentane Oberflächentemperatur des metallischen Werkstücks liefert, ein Geschwindigkeitssensor Sv, dessen Ausgangssignal Informationen über die momentane Vorschubgeschwindigkeit der beiden Leiter der Induktorspule liefert, und ein Abstandssensor Sd, dessen Ausgangssignal Informationen über den momentanen Abstand zwischen den beiden Leitern der Induktorspule liefert. Diese von den Sensoren bereitgestellten Informationen werden von der Steuer- und Regeleinheit unter Verwendung der im Speicher hinterlegten weiteren Daten verarbeitet, um Steuersignale für die steuerbaren Bauelemente der Vorrichtung zu ermitteln. Beispielsweise stellt die Steuer- und Regeleinheit Steuersignale s1 für einen veränderlichen Widerstand R1, Steuersignale s2 für einen veränderlichen Widerstand R2, Steuersignale s3 für einen Motor M1 zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit des Vorwärmspulenteils und Steuersignale s4 für einen Motor M2 zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit des Spulenteils zur Erhöhung der Temperatur auf eine gewünschte Austenitisierungstemperatur bereit.
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Die 9 zeigt eine Skizze zur Erläuterung der Bewegung der Leiter und der Kühleinheit über die Oberfläche des zu härtenden metallischen Werkstückes, beispielsweise eines Wälzlagerringes. Es ist ersichtlich, dass der zum Erwärmen der Randschicht des Werkstückes W vorgesehene Leiter VW (Vorwärmspulenteil), der zum Erhöhen der Temperatur auf eine gewünschte Austenitisierungstemperatur vorgesehene Leiter HT (Härtespulenteil) und die Kühleinheit KU mit einer Geschwindigkeit v in einer Richtung über die Oberfläche des Werkstücks W bewegt werden. Dabei kann – wie es oben beschrieben wurde – der Abstand zwischen dem Leiter VW und dem Leiter HT variiert werden und auch der durch einen der Leiter fließende Strom individuell eingestellt werden oder die durch die beiden Leiter fließenden Ströme unabhängig voneinander individuell eingestellt werden. Auch kann die vorgegebene Geschwindigkeit v von der Steuer- und Regeleinheit bei Bedarf verändert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005006701 B3 [0005, 0005]
- EP 2088211 A1 [0005, 0005]
- EP 1988179 A1 [0005, 0005, 0005, 0015]
- WO 2010/007635 A1 [0005, 0005]
- WO 2011/107869 A1 [0005, 0005, 0005, 0015]
- DE 102013208478 A1 [0006]
