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Vorrichtung zum induktiven Erhitzen von langgestreckten Werkstücken
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Erhitzen von langgestreckten
Werkstücken mit in der Längsrichtung unterschiedlichem Erhitzungsgrad.
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Um auf induktivem Wege in bestimmten Teilen eines Werkstückes eine
unterschiedliche Oberflächenerwärmung zu erzielen als in anderen Teilen des Werkstückes,
ist es bekannt, parallel zu dem zur induktiven Erhitzung vorgesehenen Stromleiter
einen Nebenschluß anzuordnen, so daß von dem Leiter an bestimmten Stellen Strom
abgezweigt wird und die induktive Einwirkung auf das zu erhitzende Werkstück an
diesen Stellen geringer ist. Infolge der an verschiedenen Stellen des Werkstückes
sich dadurch ergebenden unterschiedlichen Induktionswirkung ist auch die Stromdichte
in dem zu erhitzenden Werkstück an verschiedenen Stellen unterschiedlich und dementsprechend
die Oberflächenerwärmung. Der zu diesem Zweck zur Anwendung gelangende Nebenschlußleiter
zu dem den induzierenden Strom führenden Leiter besitzt dabei einen wesentlich höheren
Querschnitt als der induzierende Stromleiter, damit eine wirksame Ablenkung des
den induzierenden Stromleiter durchfließenden Stromes stattfinden kann.
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Es ist ferner bekannt, die induktive Erhitzung eines langgestreckten
Werkstückes in der Weise zu bewirken, daß das Werkstück eine Induktionsspule durchsetzt,
die aus einer Mehrzahl Induktionsspulenabschnitten besteht. Die induzierenden Spulen
werden sukzessive von einem Generator erregt, so daß ein die Spulenanordnung kontinuierlich
durchsetzendes stabförmiges Werkstück bei seiner Bewegung ständig an einer Stelle
erhitzt wird, die dann beim Verlassen der Spulenanordnung zum Abreißen gebracht
wird.
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Eine Vorrichtung zum induktiven Erhitzen von langgestreckten Werkstücken
mit in der Längsrichtung unterschiedlichem Erhitzungsgrad unter Anwendung einer
eine Mehrzahl Induktionsspulenabschnitte aufweisenden Induktionsspule, in welche
das Werkstück einbringbar ist, kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß
zu den Induktionsspulenabschnitten parallel geschaltete Induktionsspulenabschnitte
eine Parallelspule bilden und in der Parallelspule eine dem angestrebten Wärmemuster
des Werkstückes und/oder der Form des Werkstückes entsprechende magnetische Schablone,
z. B. in Form eines in seiner Längsrichtung profilierten Messekernes, zur Beeinflussung
der Impedanz der Spulenabschnitte angeordnet ist.
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Die Erfindung erreicht also durch Anwendung einer artmagnetischen
Schablone die unterschiedliche induktive Erhitzung des Werkstückes, wobei gegebenenfalls
das langgestreckte Werkstück und die langgestreckte magnetische Schablone durch
die ihnen zugeordneten Induktionsspulen in gleichgehender Weise durchbewegt werden.
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Wenn es sich bisher darum handelte, in unterschiedlicher Weise Werkstücke
zu erhitzen, so benutzte man für jede Werkstückart eine spezielle Spule. Gemäß der
Erfindung ist es dagegen möglich, unter Anwendung einer einzigen Spulenanordnung
die verschiedensten Erhitzungsverteilungen an unterschiedlichen Werkstücken zu erzielen.
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Bei einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung teilt sich der Strom in
den durch entsprechende Anzapfungen miteinander parallel verbundenen Spulenabschnitten
entsprechend dem Verhältnis der Impedanzen der Spulenabschnitte auf. Um daher den
Strom in einem bestimmten Abschnitt der Erhitzungsspule entsprechend einzustellen,
wird die Impedanz des entsprechenden Abschnittes der parallel geschalteten Spule
geändert. Letzteres kann in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß magnetisch permeables
Material, beispielsweise Stücke aus Eisenpulver, in die Abschnitte der Verteilungsspule
eingeführt werden, wo die Impedanz derselben höher sein soll; ein
Material,
welches einen niedrigen Widerstand hat, kann an den Stellen eingesetzt werden, an
denen die Impedanz verkleinert werden soll. Es kann auch eine Änderung der Impedanz
dadurch erzielt werden, daß der Querschnitt der aus Eisenpulver bestehenden Teile
oder der aus einem Material niedrigen Widerstandes bestehenden Teile, die in die
Verteilungsspule eingebracht werden, unterschiedlich ist. Nachdem die Dimensionen
und die Anordnung der in die Verteilungsspule einzusetzenden Stücke für ein bestimmtes
Werkstück bestimmt ist, können sie entweder zu einer langen Stange zusammengesetzt
werden, die dann zu dem bestimmten Werkstück gehört, oder man kann auch die Stellung
der Einsatzstücke sich merken und dieselben Einsatzstücke für verschiedene Werkstücke
benutzen. Es ist nicht erforderlich, daß die Verteilungsspule denselben Strom trägt
wie die Erhitzungsspule. Wenn 10% des Stromes der Verteilungsspule zugeleitet werden,
sinkt die Leistung in dem Werkstück auf ungefähr 8001o herab. Nimmt man an, daß
die Temperatur ungefähr proportional der Leistung ist, so bedingt dies eine Erniedrigung
der endgültigen Temperatur von 1090° C auf 870° C.
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F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine ungleichmäßige
Erhitzungsverteilung an dem Werkstück, welches einen konstanten Querschnitt hat,
durch Anwendung von Teilen niedrigen Widerstandes in der Verteilungsspule erzielt
wird; F i g. 2 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der die gleiche Erhitzungsverteilung
wie in F i g. 1 an dem Werkstück konstanten Querschnittes dadurch erzielt wird,
daß in der Verteilungsspule Stücke aus magnetischem permeablen Material verwendet
werden; F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der eine gleichmäßige Erhitzung
an der Oberfläche eines Werkstückes variablen Querschnittes dadurch erzielt wird,
daß Teile niedrigen Widerstandes in der Verteilungsspule verwendet werden.
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In F i g. 1 ist die Erhitzungsspule mit 10 und die Verteilungsspule
mit 12 bezeichnet; beide haben gleiche Länge, gleichen Durchmesser und gleiche
Steigung der Windungen. Die beiden Spulen 10 und 12 sind parallel an eine
Wechselstromquelle 14 angeschlossen. Parallel zur Wechselstromquelle 14 liegt
zur Phasenkorrektur ein Kondensator 16. Die Spule 10 hat Abgriffstellen A bis 1,
die mit den entsprechenden Abgriffsstellen A' bis 1' der Verteilungsspule 12 verbunden
sind. Auf diese Weise ist jede Spule in eine Anzahl Unterabschnitte unterteilt,
die je paarweise parallel geschaltet sind.
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In der Erhitzungsspule 10 befindet sich ein Werkstück 18, während
sich in der Verteilungsspule 12 ein die Verteilung der Erhitzung steuernder Körper
20 befindet, der einen niedrigen oder einen hohen elektrischen Widerstand haben
kann oder aus magnetisch permeablem Material bestehen kann, je nach der gewünschten
Verteilung der Erhitzung in dem Werkstück 18. In F i g. 1. ist der Körper
20 als aus einem leitenden Material niedrigen Widerstandes bestehend, beispielsweise
aus Kupfer bestehend, angenommen. Während des Erhitzungsvorganges befinden sich
das Werkstück 18 und der die Verteilung der Erhitzung steuernde Körper 20 fest in
den betreffenden Spulen angeordnet, sie können aber auch durch die Spulenabschnitte
allmählich hindurchgeführt werden, beispielsweise unter Anwendung hydraulischer
Zylinder 22 und 24, welche mit Armaturen 24 und 26 an dem Werkstück bzw. dem die
Verteilung der Erhitzung steuernden Körper angreifen.
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Es ist offensichtlich, daß beim Anlegen einer Spannung an die beiden
Spulen der Strom sich entsprechend dem Verhältnis der Impedanzen der Spulenabschnitte
aufteilt. So hat zwischen dem linken Ende der Spule 12 und dem Abgriffspunkt B'
der Teil 28 des Körpers 20 einen großen Querschnitt. Da es sich um leitfähiges Material
niedrigen Widerstandes handelt, wird die Impedanz dieses Abschnittes der Spule 12
verringert, so daß ein größerer Teil des Stromes durch den Teil der Spule 12 zwischen
dem linken Ende und dem Abgriffspunkt B' abgelenkt wird, und die Erhitzungstiefe
zwischen dem linken Ende und dem Abgriffspunkt B des Werkstückes wird nur verhältnismäßig
gering sein. Zwischen den Abgriffspunkten B' und D' ist der Querschnitt
des die Verteilung der Erhitzung steuernden Körpers 20 in dem Teil 30 geringer.
Dementsprechend ist die Impedanz in dem Unterabschnitt der Spule 12 zwischen den
Punkten Cund D' größer, so daß ein größerer Teil des Stromes durch den Abschnitt
zwischen den Punkten B und D der Spule 10
fließt, und dadurch
wird die Erhitzungstiefe in diesem Teil des Werkstückes 18 größer. Zwischen den
Abgriffspunkten D' und F' ist der Querschnitt des Körpers 20 wiederum größer als
an dem Punkt 32, so daß die Tiefe der Erhitzung zwischen den Punkten D und F der
Spule 10 geringer ist. Zwischen den Punkten F' und G' ist der Querschnitt des Körpers
20 im Punkt 34 sehr gering, so daß die Erhitzungstiefe zwischen den Punkten
F und G in der Spule 10
wieder größer ist. Schließlich nimmt der Punkt 35
zwischen dem Abgriffspunkt G' und dem rechten Ende der Spule 12 der Querschnitt
des hochleitfähigen Materials wieder zu, wodurch die Erhitzungstiefe zwischen der
Abgriffsstelle G und dem rechten Ende der Spule 10 im Werkstück wieder geringer
ist.
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Der die Verteilung der Erhitzung steuernde Körper 20 braucht nicht
vollständig aus dem gleichen Material zu bestehen, er braucht auch nicht gleichen
Durchmesser zu haben. Es kann beispielsweise das Material zwischen dem linken Ende
der Spule 12 und dem Abgriffspunkt B' ein Material sein, welches einen niedrigen
elektrischen Widerstand hat und die Impedanz dieses Spulenabschnittes herabsetzt;
dann kann zwischen den Abgriffsstellen B' und D' magnetisch permeables
Material vorgesehen sein, welches die Impedanz in diesem Abschnitt sehr hoch macht
und eine maximale Erhitzungstiefe zwischen den Abgriffsstellen B und
D der Spule 10 bewirkt. Material hohen Widerstandes kann zwischen
bestimmten Abgriffspunkten vorgesehen sein, welches eine Erhitzungstiefe bewirkt,
die zwischen derjenigen liegt, die durch das Material geringeren Widerstandes bewirkt
wird, und der auf das Material magnetischer Permeabilität zurückzuführende Erhitzungstiefe.
Man erkennt, daß eine große Anzahl Kombinationen von Material niedrigen oder hohen
Widerstandes und/ oder magnetischer Permeabilität unter Anwendung verschiedener
Durchmesser verwendet werden kann, um die gewünschte Verteilung der Erhitzung in
dem Werkstück zu erzielen. Obwohl die Länge, der Durchmesser und die Steighöhe der
Verteilungsspule in F i g. 1 die gleichen waren wie die der Erhitzungsspule, können
die Länge, der Durchmesser und die
Steighöhe sowie die übrigen Eigenschaften
der Verteilungsspule auch gegenüber der Erhitzungsspule verschieden sein; die einzige
Forderung, die zu erfüllen ist, besteht darin, daß an den verschiedenen Abschnitten
der Verteilungsspule sich solche Impedanzen ergeben, daß dadurch die gewünschte
Verteilung der Erhitzung im Werkstück 18 erzielt wird. Es kann daher die Steighöhe
der Spule 12 durchaus in der Längsrichtung unterschiedlich sein, solange nur die
gewünschte Verteilung der Erhitzung in dem Werkstück erzielt wird. Der zur Steuerung
der Verteilung der Erhitzung dienende Körper 20 kann aus einem Stück bestehen,
er kann aber auch aus einer Mehrzahl Eisenstücke oder Kupferstücke zusammengesetzt
sein, die in solcher Form angeordnet sind, daß sich die gewünschte Verteilung der
Erhitzung ergibt.
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In F i g. 2 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt,
bei der wiederum eine Erhitzungsspule 10 und eine Verteilungsspule 12 so Anwendung
finden, daß ihre Unterabschnitte parallel geschaltet sind. In diesem Fall besteht
der zur Steuerung der Verteilung der Erhitzung dienende Körper 20 aus magnetisch
permeablem Material, so daß sich die umgekehrte Wirkung wie in F i g. 1 ergibt,
bei der Material von niedrigem Widerstand verwendet wurde. Zwischen dem linken Ende
der Spule 12 und dem Abgriffspunkt B' ist der Durchmesser des magnetisch permeablen
Materials gering, so daß die Impedanz zwischen dem linken Ende der Spule und der
Abgriffsstelle B' geringer ist und ein größerer Teil des Stromes durch diesen Teil
der Spule geleitet wird; dadurch wird eine nur wenig tief eindringende Erhitzung
am Werkstück 18 zwischen dem linken Ende der Erhitzungsspule und der Abgriffsstelle
B erzeugt. Zwischen den Abgriffsstellen B' und D' der Verteilungsspule
ist der Durchmesser des magnetisch permeablen Materials größer, so daß die Impedanz
dieses Abschnittes der Spule größer ist und man eine größere Erhitzungstiefe zwischen
den Abgriffsstellen B und D der Erhitzungsspule 10 erhält. Zwischen
den Abgriffsstellen D' und F' ist der Durchmesser des magnetisch permeablen Materials
des Körpers 20 geringer, so daß die Erhitzungstiefe in diesem Abschnitt des Werkstückes
18 geringer ist.
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In F i g. 3 ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung gezeigt,
welche ebenfalls eine Erhitzungsspule 10 und eine Verteilungsspule
12 aufweist. In diesem Fall hat das Werkstück in der Längsrichtung variablen
Querschnitt, und der die Verteilung der Erhitzung steuernde Körper 20 besteht aus
einem Material geringen Widerstandes. Es wird angenommen, daß eine gleichmäßige
Verteilung der Erhitzung über die ganze Länge des Werkstückes 18 erzielt werden
soll. Dementsprechend ist zwischen dem linken Ende der Spule 12 und der Abgriffsstelle
A' der Durchmesser des die Verteilung der Erhitzung steuernden Körpers 20 geringer
und an diesem Abschnitt die Impedanz größer. Dadurch ist das magnetische Feld zwischen
dem linken Ende der Er- i hitzungsspule 10 und der Stelle A stärker, wie dies dem
geringen Durchmesser dieses Abschnittes des Werkstückes 18 angepaßt ist. Zwischen
den Stellen A' und D' ist der Durchmesser des Körpers 20
größer,
und dadurch wird die Impedanz dieses Abschnittes der Verteilungsspule geringer,
und die Stärke des magnetischen Feldes zwischen den Stellen A und
D der Erhitzungsspule 10 ist geringer. Obwohl daher der Durchmesser des Werkstückes
18 zwischen den Punkten A und D größer ist, ist die Erhitzungsstiefe
die gleiche wie an dem Abschnitt zwischen dem linken Ende der Spule und dem Punkt
A, da ein größerer Teil des Stromes durch den Abschnitt zwischen den Punkten
A' und D' der Verteilungsspule abgelenkt wird. Zwischen den Abgriffsstellen
E' und H' der Verteilungsspule ist der Durchmesser des Körpers 20 wiederum geringer
und dadurch die Impedanz zwischen diesen Punkten der Spule größer, und es fließt
ein größerer Anteil des Stromes durch die Erhitzungsspule zwischen den Abgriffsstellen
D und H. Dadurch ist die Stärke des magnetischen Feldes zwischen den
genannten Abgriffsstellen der Verteilungsspule größer, und es ergibt sich die gewünschte
Erhitzungstiefe an dem Teil des Werkstückes 18, welcher zwischen den Punkten
D und H liegt und geringeren Durchmesser hat. Da der Durchmesser des
Werkstückes zwischen den Abgriffsstellen H und I der Erhitzungsspule
10 größer ist, ist auch der Durchmesser des die Erhitzung steuernden Körpers zwischen
den Abgriffsstellen H' und 1' der Verteilungsspule 20 größer. In ähnlicher
Weise kann der Durchmesser des Werkstückes und des die Verteilung der Erhitzung
steuernden Körpers zwischen den Abgriffsstellen 1 und 1' von den Enden der betreffenden
Spulen wieder geringer sein.
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Es ist offensichtlich, daß der die Verteilung der Erhitzung steuernde
Körper 20 auch aus einem magnetisch permeablen Material bestehen kann, in welchem
Fall die Formgebung des die Verteilung der Erhitzung steuernden Körpers
20 genau entgegengesetzt der Formgebung des Werkstückes 18 sein muß, damit
eine gleichmäßige Erhitzungsverteilung über die ganze Länge des Werkstückes erzielt
wird.