DE102017004935A1

DE102017004935A1 - Heizvorrichtung zur Erzeugung von Joule'scher Wärme bei der Erwärmung von vorzugsweise dünnwandigen Blechteilen mittels mittelfrequentem Strom

Info

Publication number: DE102017004935A1
Application number: DE102017004935.1A
Authority: DE
Inventors: A. Erman Tekkaya; Rickmer Meya; Christian Heinrich Löbbe genannt Brüggemann
Original assignee: Technische Universitaet Dortmund
Current assignee: Technische Universitaet Dortmund
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2018-11-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung (1) zur Erzeugung von Joule'scher Wärme bei der Erwärmung von vorzugsweise dünnwandigen Blechteilen (3) mittels mittelfrequentem Strom (8), insbesondere in getakteten Umform- und Bearbeitungsstationen, mit einer ein- oder mehrwindigen (5) Induktionsspulenanordnung (2), die so einseitig relativ zu dem Blechteil (3) angeordnet ist, dass die Induktionsspule (2) mittels ihres zumindest abschnittsweise parallel zum Blechteil (3) ausgerichteten Längsfeldes (6) in dem Blechteil (3) ein Induktionswechselfeld und einen gerichteten elektrischen Sekundärstrom (8) induziert, und ein den Sekundärkreis der Induktionsspule (2) bildender Rückleiter (4) an einem Spulenende (10) der Induktionsspule (2), das Blechteil (3) elektrisch kontaktierend, derart gebildet ist, dass er den Sekundärstrom (8) von dem Blechteil (3) abnimmt und zurückführt, wobei der im Blechteil (3) induzierte Sekundärstrom (8) Joule'sche Verluste innerhalb des Blechteils (3) und damit eine weitere Erwärmung des Blechteils (3) hervorruft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung zur Erzeugung von Joule'scher Wärme bei der Erwärmung von vorzugsweise dünnwandigen Blechteilen mittels mittelfrequentem Strom, insbesondere in getakteten Umform- und Bearbeitungsstationen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein entsprechendes Verfahren zur Erwärmung von vorzugsweise dünnwandigen Blechen und Rohren unter Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 18 und Verwendungen der Heizvorrichtung gemäß Anspruch 25.
Es ist umfänglich bekannt, im Rahmen der Bearbeitung und insbesondere der Umformung von Blechen und Rohren zur Erleichterung der Bearbeitung oder Umformung oder gezielten Beeinflussung von Werkstoffparametern wie etwa beim Presshärten die Bleche und Rohre komplett oder partiell zu erwärmen. Hierdurch lassen sich die Bearbeitungen oder Umformungen leichter ausführen oder werden wie bei schwer umformbaren Materialien überhaupt erst praktisch umsetzbar. Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur vollflächigen sowie partiellen Erwärmung von Blechen und Rohren bekannt, die auf folgenden Prinzipien beruhen:

• Erwärmung mittels Flamme oder Ofen (Verbrennungswärme),
• Erwärmung mittels vorgewärmter Platten,
• Erwärmung mittels Infrarot-Licht,
• Erwärmung mittels Laser-Licht,
• Erwärmung mittels berührungsloser Induktion (Induktion von Wirbelströmen),
• Erwärmung mittels berührender Widerstandserwärmung (Einleitung des transformierten Stroms über Kontakte).

Die Verfahren mittels Flammen oder Ofenerhitzung erlauben hohe Erhitzungsgradienten, sind in der Praxis aber schwierig zu steuern, insbesondere wenn nicht eine vollflächige Erhitzung der Bleche und Rohre erfolgen soll. Die Erwärmung mittels Infrarotlicht und Laser erlaubt eine wesentlich genauere Steuerung der Aufheizbereiche, ist aber wegen der geringeren Energieübertragung in der Regel nur für kleinflächigere Erhitzung geeignet.
Wird ein elektrisch leitendes Werkstück oder Halbzeug in ein magnetisches Wechselfeld gebracht, so wird in ihm ein Strom induziert. Dieser Wirbelstrom ist kurzgeschlossen und führt in Abhängigkeit der Arbeitsfrequenz und der elektrischen Leitfähigkeit und Permeabilität des Materials zur Erwärmung. Eine induktive Erwärmungsanlage setzt sich aus zwei Komponenten zusammen, einem Frequenzgenerator und einer Induktionsspule, dem sogenannten Induktor. Über die Frequenz des Generators kann die Eindringtiefe beeinflusst werden, wobei niedrige Frequenzen zu einer hohen Eindringtiefe und hohe Frequenzen zu einer niedrigen Eindringtiefe führen. Die Bauform des Induktors bestimmt die Lage des Magnetfeldes in Bezug zum Werkstück. Entsprechend ergeben sich unterschiedliche Wirkungsgrade.
Bei der induktiven Erwärmung von Blechen ist es z.B. aus [1] bekannt, dass die Einkopplung des induktiven Feldes über die Induktionsspulen entweder mittels des sog. Längsfeldes (linke Abbildung der 1) oder mittels des sogenannten Querfeldes (die beiden rechten Abbildung der 1) der Spulen erfolgen kann, wie dies in 1 schematisch dargestellt ist. in der mittleren Abbildung der 1 ist ein reiner Querfeldinduktor und in der rechten Abbildung der 1 ein Flächeninduktor dargestellt.
Die induktive Erwärmung von dünnwandigen Blechbauteilen mittels Längsfeld-Induktion erfolgt in der Regel durch Induktionsspulen, die das zu erwärmende Blechwerkstück komplett umfassen und einen Strom in dem Blechwerkstück induzieren, der an der Oberfläche des Blechwerkstücks fließt. Die Längsfeld-Induktion erfordert je nach Blechdicke eine hohe bis sehr hohe Frequenz (100 bis 1000 kHz). Diese hohen Frequenzen erfordern einerseits eine spezielle und kostenintensive Generatortechnik, sodass der verfügbare Leistungsbereich stark eingeschränkt ist. Andererseits gehen mit sehr hohen Anregungsfrequenzen stark inhomogene Erwärmungsbilder innerhalb des erhitzen Bereiches des Bleches oder Rohres einher. Auch lassen sich dünnere Bleche auf diese Art nur inhomogen erwärmen.
Daher ist es bekannt, insbesondere für den Anwendungsfall der induktiven Erhitzung von vorrangig dünnen Bandmaterialien Querfeld-Induktoren zu bevorzugen. Das Magnetfeld der Querfeld-Induktoren durchdringt das Blechteil senkrecht zur Oberfläche und es bilden sich in dem Blechmaterial die für die Erwärmung notwendigen Wirbelströme aus. Eine homogene Temperaturverteilung auf dem Blechmaterial kann mit angepassten Induktoren (etwa spiralförmig oder mäanderförmig ausgebildeten Spulen) erzielt werden. Das Hauptproblem der Querfelderwärmung kann in Form einer Kantenüberhitzung bei einem schlecht angepassten Induktor auftreten. Ein Vorteil der Querfelderwärmung ist eine 100fache geringere notwendige Frequenz des Wechselfeldes im Vergleich zur Längsfelderwärmung, was einen besseren Wirkungsgrad zur Folge hat. Des Weiteren muss das Blechmaterial nicht von der Spule umfasst werden, sondern die Spulen liegen oberhalb und unterhalb der Blechebene. Problematisch ist bei den Querfeld-Induktoren das generell breitere sowie inhomogene Erwärmungsbild, sodass diese Lösungsart nur für bestimmte Anwendungsfälle eine ausreichende Qualität bietet.
Als Alternative zu den konventionellen Induktionsverfahren bietet die konduktive Widerstandserwärmung den Vorteil, dass ein homogenes Erwärmungsbild erzielt werden kann, sofern der stromdurchflossene Querschnitt bei dem gegebenen Strom unveränderlich ist. Die konduktive Erwärmung von elektrisch leitenden Materialien beruht auf dem Prinzip des Leistungsumsatzes in ohmschen Widerständen bei Stromdurchfluss. Bei der konduktiven Erwärmung wird der Strom direkt durch das zu erwärmende Werkstück geleitet. Dabei wird die Wärmeenergie genutzt, die in einem elektrischen, materialabhängigen spezifischen Widerstand R, bei dessen Beaufschlagung mit einem Strom nach dem Joule'schen Gesetz entsteht. Die Widerstandserwärmung bietet als Vorteile eine schnelle Erwärmung bei geringem Platzbedarf und geringen Investitionskosten und eine gute Steuerungs- und Regelungsmöglichkeit der Erwärmung. Dennoch liegt bei der konventionellen Widerstandserwärmung der Nachteil vor, dass die partielle Erwärmung einzelner scharf abgegrenzter Regionen nur in Ausnahmefällen möglich ist. Zudem ist der Aufwand zur gleichmäßigen konduktiven Einkopplung des Stroms bei komplexer geformten Bauteilen oder Querschnitten der Werkstücke hoch, da abhängig von der Form des Werkstücks eine Vielzahl das Werkstück berührender Elektroden elektrisch angebunden und mechanisch an dem Werkstück anliegend ausgebildet werden müssen, wodurch derartige Elektroden kostenaufwändig und fehleranfällig im Betrieb sein können.
Die bekannten induktiven sowie konduktiven Erhitzungsverfahren sind in der Regel nicht geeignet zur partiellen Erwärmung einzelner Regionen dünnwandiger Bleche oder Rohre. Weiterhin ist die Verfügbarkeit von hohen Leistungen zur Längsfelderwärmung dünnwandiger Bleche stark eingeschränkt.
Aus der DE 25 01 895 A1 ist es grundsätzlich bekannt, zur Erhitzung von Litzendrähten, Drähten oder Bändern eine Kombination von induktiver und konduktiver Erhitzung vorzunehmen. Nähere Angaben zur Art und Ausgestaltung dieser kombinierten Erhitzung macht diese Schrift jedoch nicht. Auch aus der WO 2015/144103 A1 ist eine solche Kombination von induktiver und konduktiver Erhitzung grundsätzlich bekannt, jedoch auch hier nicht weiter detailliert beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Erwärmung von vorzugsweise dünnwandigen Blechen und Rohren, insbesondere in getakteten Umform- und Bearbeitungsstationen dadurch weiter zu entwickeln, dass sowohl eine induktive als auch eine konduktive Erwärmung gleichzeitig vorgenommen werden und sich die Vorteile beider Erwärmungsverfahren ergänzen.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich der Vorrichtung aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich des Verfahrens aus den Merkmalen des Anspruchs 18 jeweils in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung hinsichtlich der Vorrichtung geht aus von einer Heizvorrichtung zur Erzeugung von Joule'scher Wärme bei der Erwärmung von vorzugsweise dünnwandigen Blechteilen mittels mittelfrequentem Strom, insbesondere in getakteten Umform- und Bearbeitungsstationen. Eine derartige gattungsgemäße Heizvorrichtung wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter entwickelt, dass eine ein- oder mehrwindige Induktionsspulenanordnung so einseitig relativ zu dem Blechteil angeordnet ist, dass die Induktionsspule mittels ihres zumindest abschnittsweise parallel zum Blechteil ausgerichteten Längsfeldes in dem Blechteil ein Induktionswechselfeld und einen gerichteten elektrischen Sekundärstrom induziert, und ein den Sekundärkreis der Induktionsspule bildender Rückleiter an einem Spulenende der Induktionsspule, das Blechteil elektrisch kontaktierend, derart gebildet ist, dass er den Sekundärstrom von dem Blechteil abnimmt und zurückführt, wobei der im Blechteil induzierte Sekundärstrom Joule'sche Verluste innerhalb des Blechteils und damit eine weitere Erwärmung des Blechteils hervorruft. Die Erfindung beschreibt daher eine Heizvorrichtung, bei der mittels einer Spule und einem integrierten Rückleiter eine Kombination aus konduktiver und induktiver Erwärmung erzielt wird. Durch die benachbarte Lage des Blechteils zu den Leiterbahnen der Induktionsspule wird im Blechteil selbst zusätzlich zu dem elektromagnetischen Wechselfeld ein elektrischer Strom, der sog. Sekundärstrom induziert, der entgegen gerichtet zum ursächlichen Strom in der Spule, dem sog. Primärstrom ausgerichtet ist. Charakteristisch für die Erfindung ist, dass anders als bei der sonst üblichen Induktion der Sekundärkreis durch den separaten Rückleiter geschlossen wird. Hierdurch bildet sich der Strom im Blechteil unidirektional aus, auch wenn das Bauteil selbst nicht geschlossen wie etwa bei einem Ringabschnitt, dickwandig (Rückfluss an der gegenüberliegenden Oberfläche) oder näherungsweise unendlich lang wie etwa bei einem Draht oder Band oder dgl. ist. Statt dessen wird bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung in einem dünnwandigen Blechteil durch eine ein- oder mehrwindige Spule mittels Längsfeld, dessen Feldlinien zumindest abschnittsweise parallel zur Blechebene ausgerichtet sind, der Sekundärstrom induziert, der am Spulenende vom Blechteil durch den Rückleiter aufgenommen und z.B. über die Spulenrückseite zum gegenüberliegenden Spulenende zurück geführt wird. Der im Blechteil induzierte und anschließend über den Rückleiter zurückgeführte Sekundärstrom führt schließlich zu den zusätzlichen Joule'schen Verlusten innerhalb des Blechteils, sodass eine zusätzliche Erwärmung des Blechteils passiert. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung kann die vollflächige oder alternativ partielle Erwärmung von dünnwandigen Blechteilen vorzugsweise dünnwandigen Blechen und Rohren für die unmittelbar nachfolgende Umformung ermöglicht werden, die ansonsten mittels herkömmlicher induktiver Erwärmung aufgrund der geringen Blechdicken nicht oder nicht hinreichend möglich ist.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Rückleiter mit zumindest einem Endabschnitt im Bereich eines Spulenendes der Induktionsspule derart angeordnet ist, dass der Rückleiter das Blechteil kontaktierend berührt. Hierbei kann der Rückleiter über eine entsprechende Anpressung sicher elektrisch mit dem Blechteil kontaktieren und den durch die Induktionsspule in dem Blechteil hervorgerufenen Sekundärstrom abnehmen und zurück leiten.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Rückleiter den an einem Spulenende der Induktionsspule vom Blechteil abgenommenen Sekundärstrom in den Bereich des gegenüberliegenden Spulenendes zurückführt. Hierdurch lässt sich der elektrische Anschluss von Induktionsspule und Rückleiter an das Blechwerkstück besonders einfach realisieren. Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung der einen Sekundärkreis der Induktionsspule bildende Rückleiter den Sekundärstrom entlang der der Induktionsspule gegenüberliegenden Seite des Blechteils zum gegenüberliegenden Spulenende zurückführen, wozu der Rückleiter gegenüberliegend zu der einseitig des Blechteils angeordneten Induktionsspule, vorzugsweise auf der der Induktionsspule abgewandt liegenden Fläche des Blechteils angeordnet werden kann. Allerdings ist es je nach vorhandenen Platzverhältnissen im Umfeld des Blechteils auch denkbar, dass der Rückleiter umgebend zu der einseitig des Blechteils angeordneten Induktionsspule angeordnet wird.
In weiterer Ausgestaltung ist es denkbar, dass die Induktionsspule zur Längsfeld-Induktion neben den üblichen Leiterwicklungen zur einseitigen, induktiven Erwärmung eine transformatorähnliche Gestalt aufweist, etwa indem die Induktionsspule einen ferromagnetisch wirksamen Kern aufweist, der eine Steigerung des magnetischen Flusses bewirkt. Hierdurch kann das Hervorrufen eines elektromagnetischen Wechselfeldes in dem Blechteil verbessert und damit auch der zusätzliche Sekundärstrom in dem Blechteil verstärkt werden. Hierbei besteht in weiterer Ausgestaltung die Sekundärseite der transformatorähnlich ausgebildeten Induktionsspule aus einem elektrisch wirksamen Zusammenschluss aus Werkstück und Rückleiter.
In weiterer Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn der Sekundärstrom unidirektional entgegengesetzt zum Primärstrom in der Induktionsspule gerichtet ist und im Inneren des Blechteils verläuft. Hierdurch kann aufgrund des Sekundärstroms innerhalb des Blechteils die Erwärmung des Blechteils wesentlich verbessert werden, indem die ansonsten durch die dünnwandige Gestaltung des Blechteils schwierige Einkopplung des elektromagnetischen Wechselfeldes nicht mehr alleiniger Grund für eine Erwärmung des Blechteils ist.
Von besonderem Vorteil an der vorliegenden Erfindung ist es, dass die Abmessungen der Heizvorrichtung entsprechend der gewünschten Erwärmungsfläche durch die Form und Abmessungen der Windungen, die Windungsanzahl sowie den Leiterquerschnitt der Induktionsspule angepasst werden kann. Hierbei ist es denkbar, dass zur Erwärmung einzelner Blechabschnitte die Breite und Länge der Induktionsspule selbst soweit angepasst wird, so dass die Induktionsspule nur den zu erwärmenden Bereich überdeckt. Hierzu werden in weiterer Ausgestaltung Induktionsspule und/oder Rückleiter so angeordnet und so geformt, dass nur Teilbereiche der Oberfläche des Blechteils erwärmt werden.
In weiterer Ausgestaltung können die Induktionsspule und der Rückleiter der Heizvorrichtung eine nicht lineare, vorzugsweise gekrümmt ausgebildete Erstreckung aufweisen, durch die innerhalb der zu erwärmenden Oberfläche des Blechteils sich linien- oder flächenförmig erstreckende Erwärmungszonen hervorgerufen werden, etwa schmale, streifenförmige Zonen zur lokalen Erwärmung des Blechteils. Die Form der Induktionsspule mit ihren Windungen kann z.B. gezielt an den gewünschten zu erwärmenden Bereich des Blechteils angepasst werden, wobei der Rückleiter ebenfalls eine entsprechende Formgebung aufweisen und etwa begleitend zu den Windungen der Induktionsspule etwa auf der Rückseite des Blechteils verlaufen kann. Hierdurch können nur die zu erwärmenden Bereiche recht präzise von der Induktionsspule überdeckt werden, so dass sich der Sekundärstrom auch nur in den Bereichen fortpflanzt, in denen die Überdeckung zwischen der Induktionsspule und dem Blechteil gegeben ist und auch nur in diesen Bereichen durch die Kombination von induktiver und konduktiver Erwärmung aufgrund des Sekundärstroms das Blechteil partiell erwärmt wird.
Weiterhin ist es etwa durch entsprechende Formgebung von Induktionsspule und Rückleiter denkbar, dass die Heizvorrichtung so ausgebildet und geformt ist, dass eine Erwärmung von bereits gekrümmten Blechteiloberflächen hervorrufbar ist. So können nicht nur ebene Blechteile, sondern auch schon vorverformte Blechteile gezielt dort erwärmt werden, wo sich die entsprechende Zuordnung von Blechteil und Induktionsspule erzeugen lässt.
Ebenfalls ist es denkbar, dass in innenliegenden Abschnitten der Windungen der Induktionsspule ein größerer Kopplungsabstand zwischen Windungen und Blechteil als in außenliegenden Abschnitten eingestellt wird, wodurch eine lokale Abschwächung der magnetischen Feldstärke hervorgerufen wird. Damit eine möglichst gleichmäßige Heizleistung in der zu erwärmenden Region erzielt wird, kann etwa im Mittenbereich unter der Induktionsspule zentral ein größerer Kopplungsabstand zur Abschwächung der magnetischen Feldstärke eingestellt werden.
Weiterhin ist es denkbar, dass die Induktionsspule und/oder der Rückleiter fluidisch kühlbar ausgebildet sind, vorzugsweise Kühlkanäle für den Umlauf von Kühlfluiden aufweisen. Hierdurch kann sowohl die Induktionsspule als auch der Rückleiter so temperiert werden, dass sich schädliche Effekte einer Erwärmung von Induktionsspule als auch der Rückleiter oder auch eine Zerstörung von Induktionsspule oder Rückleiter durch Überhitzung sicher vermeiden lassen. Zur Vermeidung einer Überhitzung der Spule können die Leiter der Induktionsspule einen hohlen Leiterquerschnitt aufweisen, sodass eine Abfuhr der Verlustwärme mittels Kühlflüssigkeit möglich ist. In gleicher Weise oder durch andersartig gestaltete Kühlkanäle kann der Rückleiter mit einem Kühlflüssigkeitsstrom gekühlt werden.
Gegenüber dem konventionellen Erwärmen dünner Blechteile ergeben sich folgende Vorteile bei Benutzung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung:

• Hoher Wirkungsgrad bei der Erwärmung von dünnwandigen Blechen trotz relativ geringer Anregungsfrequenz
• Hohe Erwärmungsrate je nach Blechdicke, Anregungsfrequenz und Generatorstrom (bis zu 10 000 K/s)
• Verringerte Oberflächenüberhitzung aufgrund geringerer Anregungsfrequenz möglich
• Flexible Gestaltung der Erwärmungszone aufgrund einer kontrollierten Stromdichteverteilung
• Erwärmung von scharf abgegrenzten Regionen
• Einfache Anpassung an verschiedene Anwendungsbereiche mittels geometrischer Anpassung

Die Erfindung beschreibt weiter ein Verfahren zur Erzeugung von Joule'scher Wärme bei der Erwärmung von vorzugsweise dünnwandigen Blechteilen mittels mittelfrequentem Strom, insbesondere in getakteten Umform- und Bearbeitungsstationen, bei dem eine ein- oder mehrwindige, einseitig des Blechteils angeordnete Induktionsspulenanordnung mittels ihres zumindest abschnittsweise parallel zum Blechteil ausgerichteten Längsfeldes in dem von der Induktionsspule beaufschlagten Blechteil ein Induktionswechselfeld und einen gerichteten elektrischen Sekundärstrom induziert, den ein den Sekundärkreis der Induktionsspule bildender Rückleiter an einem Spulenende der Induktionsspule vom Blechteil kontaktierend abnimmt und zurückführt, wobei der im Blechteil induzierte Sekundärstrom Joule'sche Verluste innerhalb des Blechteils und damit eine weitere Erwärmung des Blechteils hervorruft. Die wesentlichen Vorteile des Verfahrens sind schon vorstehend hinsichtlich der Heizvorrichtung beschrieben worden, daher wird hierauf Bezug genommen.
In weiterer Ausgestaltung ist es denkbar, dass die Verteilung der Stromdichte des Sekundärstroms in dem Blechteil durch die induktive Anregung mittels der Induktionsspule kontrollierbar ist. Hierbei kann eine höhere Frequenz des induktiven Wechselfeldes der Induktionsspule, abhängig von der Form und den Abmessungen der Induktionsspule, zu Steuerung der Stromdichte des Sekundärstroms genutzt werden, wodurch eine weitgehende Anpassung der lokalen Erwärmung des Blechteils erreicht werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, dass der Rückleiter einen elektrischen Schluss des Sekundärkreises auch dann bewirkt, wenn das Blechteil selbst nicht in sich geschlossen oder dickwandig oder unendlich lang ist. Charakteristisch für die Erfindung ist, dass anders als bei der sonst üblichen Induktion der Sekundärkreis durch den Spulen-Rückleiter geschlossen wird. Hierdurch bildet sich der Strom im Blech unidirektional aus, auch wenn das Bauteil selbst nicht geschlossen (Ringabschnitt), dickwandig (Rückfluss an der gegenüberliegenden Oberfläche) oder unendlich lang wie etwa bei Drähten oder Bändern ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Heizvorrichtung für den Betrieb mit Mittelfrequenzen im Bereich von 50 kHz bis niedrigen Hochfrequenzen im Bereich von 100 kHz bei geringen Blechdicken (eletromagnetic thin body) geeignet ausgestaltet wird. Geringe Blechdicken würden sonst sehr hohe Frequenzen benötigten, die kostenintensive Generatoren, hohe Verluste in den Zuleitungen und eine inhomogene Erwärmung im Blechteil selbst bedeuten.
Eine besonders vorteilhafte Wirkung des Sekundärstroms lässt sich dann erreichen, wenn die Blechdicke des dünnwandigen Blechteils in einem Bereich bis ca. 2 mm liegt.
Besonders vorteilhaft wirkt sich aus, dass die Aufheizrate des dünnwandigen Blechteils nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber herkömmlicher Induktionserwärmung erhöht wird, vorzugsweise in einen Bereich von 1000 °C/s erhöht wird.
Die Erfindung umfasst weiter eine Verwendung einer Heizvorrichtung zur Erzeugung von Joule'scher Wärme bei der Erwärmung von vorzugsweise dünnwandigen Blechteilen mittels hochfrequentem Strom, bei der die Heizvorrichtung für eine vollflächige oder partielle Erwärmung von dünnwandigen Blechbauteilen für nachfolgende Fertigungsprozesse und/oder für eine Materialcharakterisierung bei erhöhter Temperatur und/oder eine Wärmebehandlung eingesetzt werden kann.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung zeigt die Zeichnung.
Es zeigen:

1 - prinzipielle Darstellung der induktiven Erwärmung eines dünnwandigen Bleches mittels eines Längsfeldinduktors bzw. eines Querfeldinduktors nach Kolleck et. al [1],
2a, 2b - Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung in schematischen Schnittdarstellungen mit Darstellung der Feldorientierungen für ein schmales Blechteil (2a, Breite des Blechteils annäherungsweise identisch mit Spulenbreite der Induktionsspule) und für ein breites Blechteil (2b, Breite des Blechteils deutlich größer als Spulenbreite der Induktionsspule),
3 - Ansichten einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung für die Erhitzung ebener Blechteile in schematischen Ansichten von vorne, oben und von der Seite sowie Varianten der Seitenansicht mit variierender Windungszahl der Induktionsspule,
4 - Vorderansicht einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung in schematischer Ansicht für den Fall eines abschnittsweise ebenen, zu der Ebene aber bereichsweise abgebogenen Mittenbereichs eines vorgebogenen Blechteils,
5 - Vorderansicht einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung in schematischer Ansicht für den Fall einer bereichsweise Erhitzung eines rohrförmig gekrümmten Blechteils,
6 - Ansicht einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung in schematischer Ansicht von oben für den Fall eines in einer linienförmig gebogenen Zone zu erhitzenden ebenen Blechteils,
7 - Anwendung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung für das Umformverfahren Tiefziehen mit einer partiellen Aufheizung einer bereits napfförmig vorgeformten Blechform zwischen zwei Umformschritten z.B. in einem mehrstufigen Umformwerkzeug,
8 - Anwendung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung für das Umformverfahren Rohrbiegen mit partieller Aufheizung eines Rohrabschnitts in einem kontinuierlich ablaufenden Biegeprozess,
9a - Anwendung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung zur gradierten Erwärmung eines kurvenartigen Erhitzungsbereichs auf einem ebenen Blechabschnitt mit Rückleiter,
9b - verringerte Heizleistung einer Heizvorrichtung ohne Rückleiter,
9c - als Vergleich ein Erhitzungsbereich bei konduktiver Erwärmung,
10 - Anwendung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung für das Umformverfahren Stanz- und Biegeumformen im getakteten Werkzeug mit einem zyklischen Aufheizen von Platinen vor dem schematisch angedeuteten Umformen.

Die 2a und 2b zeigen in rein schematischer Darstellung Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 1 in zwei Schnittdarstellungen mit Darstellung der Feldorientierungen für ein schmales Blechteil 3 (2a) und für ein breites Blechteil 3 (2b). In der 2a ist die Breite des Blechteils 3 annäherungsweise identisch mit der Breite der Spulen 5 der Induktionsspule 2, in der 2b hingegen ist die Breite des Blechteils 3 deutlich größer als die Breite der Spulen 5 der Induktionsspule 2.
Die Induktionsspule 2, die hier aus insgesamt fünf Spulenwindungen 5 gebildet ist, ist einseitig im Bereich einer Deckfläche des Blechteils 3 angeordnet und ruft in bekannter Weise ein Längsfeld 6 (dargestellt durch angedeutete Feldlinien) mit der Feldstärke H hervor. Dieses Längsfeld 6 wird zur elektromagnetischen Induktion des Blechteils 3 genutzt, indem das Längsfeld 6 in bekannter Weise induktiv eine Erwärmung des Blechteils 3 mittels Wirbelstromverlusten bewirkt. Allerdings ist diese Erwärmung aufgrund der typischerweise dünnen Blechdicken der Blechteile (typischerweise im Bereich von bis zu ca. 2 mm Blechdicke) relativ gering, da durch die dünne Blechdicke eine hinreichende Einkopplung des Wechselfeldes nur dann möglich ist, wenn ein ausreichend kleiner Skineffekt vorliegt. Von daher ist gerade die Erwärmung mittels Längsfeld bei dünnwandigen Blechteilen 3 unzureichend.
Gleichzeitig bildet sich aber aufgrund des Stromflusses in der Induktionsspule (angedeutet durch die Punkte im Kreis bzw. Kreuze im Kreis im Querschnitt der Windungen 5 der Induktionsspule 2) auch ein Sekundärstrom 8 im Querschnitt des Blechteils aus (angedeutet durch die Punkte im Kreis im Querschnitt des Blechteils), der aus der Zeichnungsebene heraus gerichtet ist. Dieser Sekundärstrom 8 bewirkt nun ähnlich wie bei einer bekannten konduktiven Erwärmung mittels einer von außen kontaktierend angelegten Spannung eine zusätzliche Erwärmung des Blechteils 3 aufgrund Joule'scher Verluste und führt daher zu einer zusätzlichen Erwärmung des Blechteils 3 in dem Bereich, in dem die Induktionsspule 2 dem Blechteil 3 benachbart angeordnet ist.
Der von dem Längsfeld 6 der Induktionsspule 2 hervorgerufene Sekundärstrom 8 kann aber nur dann fließen, wenn es auch eine Rückführung dieses Sekundärstroms 8 und damit einen Schluss des Stromkreises wie bei einer herkömmlichen konduktiven Erwärmung auch gibt. Hierfür dient bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 1 die Rückführung 4, die in ihrem Aufbau und ihrer Gestaltung besser in der 3 zu erkennen ist. Die Rückführung 4 kontaktiert vorteilhafterweise das Blechteil 3 in zwei Endbereichen der Induktionsspule 2 und greift somit in einem Kontaktbereich 10 den Sekundärstrom 8 von dem Blechteil 3 ab und führt ihn z.B. zurück zu dem gegenüberliegenden Endbereich der Induktionsspule 2. Somit ist der Stromkreis des Sekundärstroms 8 über den Sekundärstrom 7 in dem Rückleiter 4 geschlossen und der Sekundärstrom 8 kann gerichtet und in seiner Stärke und Verteilung innerhalb des Querschnittes des Blechteils 3 erhitzend wirken wie bei einer bekannten konduktiven Erhitzung. Allerdings wird der Sekundärstrom 8 wie beschrieben berührungslos durch die Induktionsspule 2 erzeugt.
Da der Sekundärstrom 8 ebenso wie das konventionell erzeugte elektromagnetische Wechselfeld 6 der Induktionsspule 2 sich vorrangig in dem Bereich des Blechteiles 3 entsteht, in dem die Induktionsspule 2 dem Blechteil 3 gegenüberliegend angeordnet ist, können wie in 3 angedeutet auch nicht nur das ganze Blechteil 3, sondern auch nur bestimmte Bereiche des Blechteils 3 erhitzt werden.
In der 3 ist in mehreren Ansichten eine erste konstruktive Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 1 für die Erhitzung ebener Blechteile 3 in schematischen Ansichten von vorne, oben und von der Seite sowie Varianten der Seitenansicht mit variierender Anzahl der Windungen 5 der Induktionsspule 2 dargestellt. Das ebene Blechteil 3 liegt oberhalb eines grundsätzlich jochartig aufgebauten Rückleiters 4 und kontaktiert den Rückleiter 4 in Kontaktbereichen 10 z.B. durch eine nicht dargestellt Anpressvorrichtung sicher. Innerhalb des hier jochartig aufgebauten Rückleiters 4 verlaufen, elektrisch isoliert von dem Rückleiter, die Windungen 5 der Induktionsspule 2, wobei die Anzahl der Windungen 5 und damit die Breite des erfindungsgemäß erhitzten Bereichs des Blechteils 3 abhängig von der Anzahl der Windungen 5 (linke Darstellung zwei Windungen 5, mittlere Darstellung drei Windungen 5 und rechte Darstellung fünf Windungen 5) variieren kann. Entsprechend ändert sich auch die Feldstärke des Längsfeldes 6 und damit auch die Größe des Sekundärstroms 8 in dem Blechteil 3. Das elektromagnetische Wechselfeld der Induktionsspule 2 ruft in dem Blechteil 3 wie schon beschrieben neben den Wirbelströmen auch den Sekundärstrom 8 hervor, der von dem einen Kontaktbereich 10 über den Rückleiter 4 hin zum anderen Kontaktbereich 10 und wieder durch den zu erhitzenden Bereich des Blechteils 3 verläuft und dabei diesen Bereich des Blechteils 3 wie bei einer bekannten konduktiven Erhitzung erwärmt. Der Sekundärstrom 8 verläuft dabei gerichtet nur in den Bereichen des Blechteils 3, in denen das Wechselfeld der Induktionsspule 2 wirkt. Aufgrund des Flusses des Sekundärstroms 8 im Inneren des Blechteils 3 wird dieses in diesen Bereichen sehr homogen erwärmt.
Diese beschriebene Erwärmung des Blechteils 3 mittels des Sekundärstroms 8 kann nicht nur an ebenen Blechteilen 3, wie in 3 dargestellt erfolgen, sondern an vielfältig geformten Blechteilen, wie dies in den 4 bis 8 zu erkennen ist.
In der 4 ist eine Vorderansicht einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung in schematischer Ansicht für den Fall eines abschnittsweise ebenen, zu der Ebene aber bereichsweise abgebogenen Mittenbereichs eines vorgebogenen Blechteils 3' dargestellt. Hierbei weist das Blechteil 3' eine Art Abkröpfung auf, an die Formgebung der Windungen 5 der Induktionsspule 2 und des Rückleiters 4 angepasst wurde. Die Windungen 5 der Induktionsspule 2 und des Rückleiters 4 folgen dabei der Form des Blechteils, das beispielsweise umgeformt wurde.
In der 5 ist eine andere Anwendung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 1 in schematischer Ansicht in Vorderansicht für den Fall einer bereichsweisen Erhitzung eines rohrförmig gekrümmten Blechteils oder dünnwandigen Rohres 3" dargestellt. Am Außenumfang des dünnwandigen Rohres 3" ist, jeweils kontaktierend in den Kontaktbereichen 10 der im Wesentlichen U-förmig gebogene Rückleiter 4 zu erkennen, in dessen Inneren sich die Windung 5 der Induktionsspule 2 erstreckt und mittels eines angedeuteten Anschlussbereiches 11 an eine nicht dargestellte Spannungsquelle angeschlossen wird. Hierbei wird in dem Bereich des dünnwandigen Rohres 3" zwischen den beiden Kontaktbereichen 10 mit dem Rückleiter 4 wie schon beschrieben ein Sekundärstrom 8 erzeugt, der diesen Bereich wie ebenfalls schon beschrieben zusätzlich erwärmt.
Die 6 zeigt eine Draufsicht einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 1 für den Fall eines in einer S-förmig gebogenen Zone zu erhitzenden ebenen Blechteils 3, wobei die S-förmig gebogene Zone durch die ebenfalls Z-förmig gebogenen Windungen 5 der Induktionsspule 2 sowie den ebenfalls S-förmig gebogenen Rückleiter 4 vorgegeben wird. Hierdurch ist es möglich, anders als bei der bekannte konduktiven Erwärmung ganz zielgerichtet nur in auch gekrümmten Teilbereichen eines Blechteils 3 eine Erhitzung durch den Sekundärstrom 8 vorzunehmen.
Wie in 7 zu erkennen, kann die erfindungsgemäße Heizvorrichtung 1 auch für das Umformverfahren Tiefziehen mit einer partiellen Aufheizung eines bereits napfförmig vorgeformten Blechteils 3"' zwischen zwei Umformschritten z.B. in einem mehrstufigen Umformwerkzeug Anwendung finden. Hierbei sind sowohl die Windungen 5 der Induktionsspule 2 als auch der Rückleiter 4 an den lokalen Querschnitt der Wandung der napfförmigen Vertiefung 12 formmäßig angepasst, wobei der Rückleiter 4 im Grund des Napfes 12 und oberhalb der Wandungen des Napfes 12 in Kontaktzonen 10 an dem Blechteil 3"' kontaktierend anliegt und die Induktionsspule 2 außenseitig übergreift.
In einer anderen Anwendung kann gemäß 8 die erfindungsgemäße Heizvorrichtung 1 für das Umformverfahren Rohrbiegen mit partieller Aufheizung eines Rohrabschnitts 3"" in einem kontinuierlich ablaufenden Biegeprozess verwendet werden. So kann der in einem Futter 14 gehaltene dünnwandige Rohrabschnitt 3"", der von eine Biegerolle 13 gebogen wird, kurz vor dem Biegen mittels der Heizvorrichtung 1 gezielt im Innenbereich der Biegung erhitzt werden und so der sonst dort auftretende Faltenwurf des dünnwandigen Rohrabschnitts 3"" begrenzt oder verhindert werden. Hierzu übergreift der Rückleiter 4 zangenartig den dünnwandigen Rohrabschnitt 3"", so dass der Stromfluss des Sekundärstroms 8 genau über diesen Innenbereich der Biegung verläuft und diesen Bereich erhitzt.
Die 9a-9c zeigen eine Anwendung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 1 zur gradierten Erwärmung eines kurveartigen Erhitzungsbereichs 15 auf einem ebenen Blechabschnitt 3 grundsätzlich wie entsprechend 6. Hierbei ist aber ein Vergleich der erzeugten Erhitzungszone 15 einmal gemäß 9a bei einer einwindigen Induktionsspule 2 mit Rückleiter 4 gemäß der vorliegenden Erfindung einer Erhitzungszone 15 bei Verwendung einer konventionellen einwindigen Induktionsspule 2 ohne Rückleiter gemäß 9b gegenübergestellt. Bei der Induktionsspule 2 ohne Rückleiter gemäß 9b erfolgt die Erhitzung ausschließlich mittels der Wirbelströme, bei der Erhitzung gemäß 9a mittels Induktionsspule 2 mit Rückleiter 4 zusätzlich durch den Sekundärstrom 8. Die untere Bildreihe zeigt die Heizdichteverteilung für die beiden Varianten sowie im Vergleich dazu (9c) die konventionelle Widerstandserwärmung mittels an Polen 16 aufgeprägten elektrischen Potential bei einer konventionellen konduktiven Erhitzung. Die Heizdichte ist im Fall der 9a und 9b kontrolliert, im Fall der 9c diffus. Die erfindungemäße Erhitzung gemäß 9a führt bei gleichen Hochfrequenz-Strom zur stärksten Anregung und damit zum höchsten Temperaturgradienten innerhalb des erhitzten Bereichs 15 des Blechteils 3.
Die 10 zeigt eine nur schematisch angegebene Anwendung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 1 für das Umformverfahren Stanz- und Biegeumformen in einem getakteten Werkzeug mit einem zyklischen Aufheizen von Blechplatinen 3 vor dem schematisch angedeuteten Umformen. Das Umformen ist hier nicht weiter angegeben und kann in einem Biegen oder einem sonstigen Umformen der längsförmigen Blechplatinen 3 bestehen. Unabhängig von den vor- und nachgeschalteten Operationen werden die Blechplatinen 3 entweder längs oder quer in der Ebene bewegt und verweilen während des Erwärmens in einer Position.
Insbesondere dient die Erfindung der Erwärmung von Blechbauteilen 3 für unmittelbar nachfolgende Umformungen, wobei folgende Umformverfahren bedient werden können:

• Tiefziehen
• Blechbiegen
• Rohrbiegen
• Presshärten
• Fließpressen
• Stauchen

Weitere Anwendungsgebiete der Erfindung sind die Materialcharakterisierung bei erhöhter Temperatur sowie die Wärmebehandlung.
Literatur
[1] Kolleck, R., Veit, R., Merklein, M., Lechler, J., Geiger, M., 2009. Investigation an induction heating for hot stamping of boron alloyed steels. CIRP Ann. - Manuf. Technol. 58, 275278. doi:10.1016/j.cirp.2009.03.090
Bezugszeichenliste

1 -: Heizvorrichtung
2 -: Induktionsspule
3 -: Blechteil
4 -: Rückleiter
5 -: Spulenwindung
6 -: Feldlinien Induktionsspule Längsfeld
7 -: Sekundärstrom im Rückleiter
8 -: Sekundärstrom im Blechteil
9 -: Stromrichtung in den Windungen der Induktionsspule
10 -: Kontaktzone Blechteil/Rückleiter
11 -: Anschlussbereich Induktionsspule
12 -: vertiefter Napfbereich Tiefziehteil
13 -: Umlenkrolle
14 -: Futter
15 -: Erhitzungszone Blechteil
16 -: Pol

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2501895 A1 [0010]
WO 2015/144103 A1 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kolleck, R., Veit, R., Merklein, M., Lechler, J., Geiger, M., 2009. Investigation an induction heating for hot stamping of boron alloyed steels. CIRP Ann. - Manuf. Technol. 58, 275278. doi:10.1016/j.cirp.2009.03.090 [0049]

Claims

Heizvorrichtung (1) zur Erzeugung von Joule'scher Wärme bei der Erwärmung von vorzugsweise dünnwandigen Blechteilen (3) mittels mittelfrequentem Strom (8), insbesondere in getakteten Umform- und Bearbeitungsstationen, dadurch gekennzeichnet, dass eine ein- oder mehrwindige (5) Induktionsspulenanordnung (2) so einseitig relativ zu dem Blechteil (3) angeordnet ist, dass die Induktionsspule (2) mittels ihres zumindest abschnittsweise parallel zum Blechteil (3) ausgerichteten Längsfeldes (6) in dem Blechteil (3) ein Induktionswechselfeld und einen gerichteten elektrischen Sekundärstrom (8) induziert, und ein den Sekundärkreis der Induktionsspule (2) bildender Rückleiter (4) an einem Spulenende (10) der Induktionsspule (2), das Blechteil (3) elektrisch kontaktierend, derart gebildet ist, dass er den Sekundärstrom (8) von dem Blechteil (3) abnimmt und zurückführt, wobei der im Blechteil (3) induzierte Sekundärstrom (8) Joule'sche Verluste innerhalb des Blechteils (3) und damit eine weitere Erwärmung des Blechteils (3) hervorruft.
Heizvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückleiter (4) mit zumindest einem Endabschnitt (10) im Bereich eines Spulenendes der Induktionsspule (2) derart angeordnet ist, dass der Rückleiter (4) das Blechteil (3) kontaktierend berührt.
Heizvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückleiter (4) den an einem Spulenende der Induktionsspule (2) vom Blechteil (3) abgenommenen Sekundärstrom (8) in den Bereich des gegenüberliegenden Spulenendes zurückführt.
Heizvorrichtung (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der den Sekundärkreis der Induktionsspule (2) bildende Rückleiter (4) den Sekundärstrom (8) entlang der der Induktionsspule (2) gegenüberliegenden Seite des Blechteils (3) zum gegenüberliegenden Spulenende zurückführt.
Heizvorrichtung (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückleiter (4) gegenüberliegend zu der einseitig des Blechteils (3) angeordneten Induktionsspule (2), vorzugsweise auf der der Induktionsspule (2) abgewandt liegenden Fläche des Blechteils (3) angeordnet ist.
Heizvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückleiter (4) umgebend zu der einseitig des Blechteils (3) angeordneten Induktionsspule (2) angeordnet ist.
Heizvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (2) zur Längsfeld-Induktion (6) neben den üblichen Leiterwicklungen zur einseitigen, induktiven Erwärmung eine transformatorähnliche Gestalt aufweist.
Heizvorrichtung (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (2) einen ferromagnetisch wirksamen Kern aufweist, der eine Steigerung des magnetischen Flusses bewirkt.
Heizvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärseite der transformatorähnlich ausgebildeten Induktionsspule (2) aus dem elektrisch wirksamen Zusammenschluss aus Blechteil (3) und Rückleiter (4) besteht.
Heizvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärstrom (8) unidirektional entgegengesetzt zum Primärstrom (9) in der Induktionsspule (2) gerichtet ist und im Inneren des Blechteils (3) verläuft.
Heizvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der Heizvorrichtung (1) entsprechend der gewünschten Erwärmungsfläche durch die Form und Abmessungen der Windungen (5), die Windungsanzahl sowie den Leiterquerschnitt der Induktionsspule (2) anpassbar sind.
Heizvorrichtung (1) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Induktionsspule (2) und/oder Rückleiter (4) so angeordnet und so geformt sind, dass nur Teilbereiche der Oberfläche des Blechteils (3) erwärmt werden.
Heizvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (2) und der Rückleiter (4) der Heizvorrichtung (1) eine nicht lineare, vorzugsweise gekrümmt ausgebildete Erstreckung aufweisen, durch die innerhalb der zu erwärmenden Oberfläche des Blechteils (3) sich linien- oder flächenförmig erstreckende Erwärmungszonen (15) hervorgerufen werden.
Heizvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht lineare Erstreckung von Induktionsspule (2) und Rückleiter (4) schmale, streifenförmige Zonen (15) zur lokalen Erwärmung des Blechteils (3) bilden.
Heizvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (1) so ausgebildet und geformt ist, dass eine Erwärmung von bereits gekrümmten Blechteiloberflächen (3) hervorrufbar ist.
Heizvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in innenliegenden Abschnitten der Windungen (5) der Induktionsspule (2) ein größerer Kopplungsabstand zwischen Windungen (5) und Blechteil (3) als in außenliegenden Abschnitten eingestellt ist.
Heizvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (2) und/oder der Rückleiter (4) fluidisch kühlbar ausgebildet sind, vorzugsweise Kühlkanäle für den Umlauf von Kühlfluiden aufweisen.
Verfahren zur Erzeugung von Joule'scher Wärme bei der Erwärmung von vorzugsweise dünnwandigen Blechteilen (3) mittels mittelfrequentem Strom, insbesondere in getakteten Umform- und Bearbeitungsstationen, dadurch gekennzeichnet, dass eine ein- oder mehrwindige, einseitig des Blechteils (3) angeordnete Induktionsspulenanordnung (2) mittels ihres zumindest abschnittsweise parallel zum Blechteil (3) ausgerichteten Längsfeldes (6) in dem von der Induktionsspule (2) beaufschlagten Blechteil (3) ein Induktionswechselfeld und einen gerichteten elektrischen Sekundärstrom (8) induziert, den ein den Sekundärkreis der Induktionsspule (2) bildender Rückleiter (4) an einem Spulenende der Induktionsspule (2) vom Blechteil (3) kontaktierend abnimmt und zurückführt, wobei der im Blechteil (3) induzierte Sekundärstrom (8) Joule'sche Verluste innerhalb des Blechteils (3) und damit eine weitere Erwärmung des Blechteils (3) hervorruft.
Verfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Stromdichte des Sekundärstroms (8) in dem Blechteil (3) durch die induktive Anregung mittels der Induktionsspule (2) kontrolliert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (1) eine Kombination von induktiver und konduktiver Erwärmung in dem Blechteil (3) hervorruft.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückleiter (4) einen elektrischen Schluss des Sekundärkreises auch dann bewirkt, wenn das Blechteil (3) selbst nicht in sich geschlossen oder dickwandig oder unendlich lang ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (1) insbesondere für den Betrieb mit Mittelfrequenzen im Bereich von 5 kHz bis niedrigen Hochfrequenzen im Bereich von 100 kHz bei geringen Blechdicken geeignet ist
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechdicke des dünnwandigen Blechteils (3) in einem Bereich bis ca. 2 mm liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizrate des dünnwandigen Blechteils (3) gegenüber herkömmlicher einseitiger Induktionserwärmung erhöht wird, vorzugsweise um 50 %.
Verwendung einer Heizvorrichtung (1) zur Erzeugung von Joule'scher Wärme bei der Erwärmung von vorzugsweise dünnwandigen Blechteilen (3) mittels mittelfrequentem Strom, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (1) für eine vollflächige oder partielle Erwärmung von dünnwandigen Blechbauteilen (3) für nachfolgende Fertigungsprozesse und/oder für eine Materialcharakterisierung bei erhöhter Temperatur und/oder eine Wärmebehandlung eingesetzt wird.