DE1765104A1 - Verfahren zur raschen Erhitzung elektrisch leitender Werkstoffe - Google Patents

Description

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ν Gebr. Böhler & Co. Aktiengesellschaft In Wien

[ Verfahren zur raschen Erhitzimg elektrisch leitender Werkstoffe

I , Die rasche Erhitzung von Werkstoffen erfordert bekann*- ■ lieh die Bereitstellung hoher Energiekonzentrationen, für de- I ren Erzeugung in den letzten Jahren zahlreiche Verfahren ent-

wickelt worden sind. Beispielsweise kommen hierzu vielfach \ energiereiche,gebündelte Elektronenstrahlen zur Verwendung, : womit jedoch der Nachteil verbunden ist, daß bei diesem Ver-"_; fahren im Vakuum gearbeitet werden muß. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung hoher Energiekonzentrationen stellt der

Laser-Strahl dar, welcher wiederum mit dem Nachteil behaftet ist,daß er nur eine kleine Gesamtleistung besitzt. Am häufig-' sten wird für die rasche Erhitzung von Werkstoffen der Plasmaf strahl verwendet, welcher im wesentlichen dadurch erzeugt wird,

daß man einen Gasstrahl durch einen elektrischen lichtbogen \ führt, in welchem er eine Ionisierung erfährt. Die Formgebung X dee austretenden Plasmas erfolgt zumeist mittels Düsen, welche t jedoch infolge der hohem Temperaturbelastung umständliche Kühl-, maßnahmen erforderlich machen oder einem starken Verschleiß - unterworfen sind.

\ In der letzten Zeit wurde ein düsenloser Plasmabrenner

entwickelt, bei welchem die Querschnittsregelung im wesentli- \- chen durch das elektromagnetische Feld des plasmaerzeugenden ν Lichtbogens erfolgt. Doch auch mit diesem Verfahren ist ein \ gewisser Nachteil verbunden. Es zeigte sich nämlich beispiels-' weise beim Oberflächenhärten, daß die Kanten des Werkstückes infolge des an ihnen auftretenden hohen Feldetärkegradienten häufig bevorzugt weggeschmolzen wurden, so daß die lOrmbestän- ! digkeit der zu härtenden Oberfläche beeinträchtigt war.

Die vorliegende Erfindung zeigt nun einen Weg, die angeführten Nachteile zu vermeiden. Ihr P_rinzip besteht im wesentlichen darin, daß ein ionisierbares gasförmiges Medium in einem inhomogenen elektromagnetischen Wechselfeld hoher

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elektrischer Feldstärke ionisiert wird und das so entstehende Plasmoid mit dem zu erhitzenden Werkstück in Verbindung gebracht wird.

Es ist zwar bereits bekannt, ein ionisierbares gasförmiges Medium in einem elektromagnetischen Weohselfeld zu ionisieren, es in einem Hochfrequenz-Iichtbogen aufzuheizen und es in dieser Form als Energieträger zu verwenden, doch handelt es sich hierbei um ein durch äußere Induktionsspulen erzeugtes elektromagnetisches Wechselfeld, dessen Magnetfeld sich axial durch die Spule erstreckt und dessen elektrische Feldlinien daher in sich geschlossen sind. Wird ein Gas in einem solchen Feld ionisiert, so kommt es im Plasma selbst zu starken Kurzschlußströmen, welche zu einer Aufheizung des Plasmas führen, so daß es als ein sehr heißer Strahl aus dem Plasmaerzeuger austritt. Der Nachteil besteht auch hierbei darin, daß die Formung eines solchen Plasmastrahles durch Düsen infolge des großen Düsenverschleißes nur sehr schwer möglich ist.

Sind hingegen, wie im Falle der vorliegenden Erfindung, keine äußeren Induktionsspulen vorhanden, kommt es im Plasma zu keinem energieumwandelnden Ieitungsstrom, sondern nur zu Verschiebungsströmen, und das austretende ionisierte Gas ist zunächst kalt. Ein hineingehaltenes Stück Papier wird beispielsweise nicht einmal angekohlt. Das gleiche gilt für jede andere elektrisch nichtleitende Substanz. Wird jedoch dieses Plasmoid mit einem elektrisch leitenden Gegenstand in Verbindung gebraoht, so wird der Stromkreis kapazitiv über das Werkstück geschlossen, das heißt, das Werkstück fungiert als Sekundärstrahler und verbraucht Energie. In der Umgebung der Auftreffstelle des Plasmoides kommt es hierbei zu einer intensiven Hitzeentwioklung, die hineiehtlieh ihrer Energiekonzentration der Hitzeentwicklung "heißer" Plasmastrahlen durchaus gleichzusetzen ist.

Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es möglich ist, das kalte Plasmoid mittels Düsen aus nichtleitendem Material beliebig zu formen, ohne daß es zu einem Düsenverschleiß infolge von Temperaturbelastungen

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kommt. Beim Oberflächenhärten von Stahl fällt auch der schon besprochene Nachteil weg, daß die Kanten wegen des an ihnen auftretenden starken Feldstärkegradienten bevorzugt wegschmelzan. Die erzielten Härten sind außerdem höher als bei herkömmlichen Oberflächenhärteverfahren. Beispielsweise konnte bei Schnellarbeitsstählen vom Typ 1,25 j» C, 0,2 # Si, 0,3 fi Mn, 4 $> Cr, 5 $ Mo, 1,9 ^ V, 6,4 # W, welche normalerweise im oberflächengehärteten Zustand eine Härte von maximal 65 - 66 RC aufweisen, mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Härteschicht mit 68 EC und darüber erzeugt werden, welche außerdem vollkommen gleichmäßig war. Bei einer Blechdicke von 2 mm betrug die Tiefe der Härteschicht in Richtung der Blechebene etwa 5 mm. Bei Stählen vom Typ 1,25 $> C, 0,20 # Si, 0,2 # Mn wurden Mindesthärten von 1100 kp/mm (50 p) erreicht.

Als Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise folgende in Fig. 1 dargestellte Anordnung Verwendung finden: An die Auskoppelung eines Hochfrequenzerzeugers 1 ist eine das elektromagnetische Feld erzeugende stabförmige Elektrode 2 angeschlossen, welche von einem nichtleitenden Rohr 3 umgeben ist, 4 ist ein Rohrstutzen für die Gaszufuhr, 5 die Haltevorrichtung für den Kathodenstift, 6 das entstehende Plasmoid und 7 das als kapazitiver Rückschluß wirkende elektrisch leitende Werkstück. Auf dem Rohr 3 kann ein Aufsatz 8 aus nichtleitendem Material befestigt werden, welcher mindestens eine öffnung zur Formgebung des Plasmoides besitzt.

Beispiel 1; An einen Hochfrequenzgenerator mit einer leistung in der Größenordnung von 200 - 900 Watt und einer Frequenz, welche vornehm!ich in einem Bereich zwischen 10 und 100 MHz lag, wurde eine Stabelektrode 2 aus thoriertem Wolfram angeschlossen. Bevorzugte länge der Elektrode: 30 - 100 mm. Bevorzugter Slektrodendurchmesser: 2 - 6 mm. Der Brennerkörper hatte einen Innendurchmesser von 10 - 60 mm und eine Longe von 50 - 120 mm und bestand aua zerspanbarer Keramik. Die öffnung eines auf ihn aufgesetzten Düsenaufsatzes 8 betrug 2 - 6 mm und war koaxial mit der Stabelektrode 2 angebracht. Als Arbeitsgas wurde Argon mit einem Durchfluß von 2 bis 20 l/min verwendet.

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Als Zündgas diente ein Helium-Neon-Gemisch vorzugsweise im Verhältnis 70 : 30. Der Abstand der zu behandelnden P_robenfläche von der DUsenöffnung betrug 5-15 mm.

Diese Anordnung kann selbstverständlich die verschiedensten Abänderungen erfahren. So ist es z.B. möglich, die Stabelektrode 2 als Rohr auszubilden, welches gleichzeitig ale Gaszuführung dient.

Eine besonders einfache Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 2 dargestellt und besteht aus einem elektrisch leitenden Rohr 9t vorzugsweise aus Kupfer, welches an einen Gaszuführungsstutzen A und den Hochfrequenzerzeuger 1 angeschlossen ist. Auch in dieser Anordnung wird das Gas im Hochfrequenzfeld ionisiert und tritt als Plasmoid 6 aus, welches in Verbindung mit einem elektrisch leitenden Werkstück 7 zu einer raschen und intensiven Erhitzung des Werkstückes in der Umgebung der Auftreffstelle führt.

Durch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung wird es möglich, die vom Werkstück abgestrahlte (und aufgenommene) Leistung stufenlos und verlustlos zu regeln. Dlee erfolgt z.B. durch Regelung seines AbStrahlungswiderStandes (Impedanz), was z.B. in der in Fig. 3 dargestellten Weise bewerkstelligt werden kann. Ein elektrischer leiter (10), vorzugsweise ein Stab, wird mit dem Werkstück 7 und einem Isolator 11 verbunden. Auf dem elektrischen leiter befindet sich ein an eich bekannter Schwenk- (FaIt-) Dipol 12, welcher aus zwei um 180° gegeneinander schwenkbaren Stäben besteht. Der Abatrahlungewideretand, welcher bekanntlich eine Funktion dee Winkele ist, den die beiden Stäbe miteinander einschließen, kann nun mit Hilfe dieses Schwenk-Dipols stufenlos verändert werden und damit auch die von der Größe der Impedanz abhängige abgestrahlte (und aufgenommene) Leistung. Die abgestrahlte und aufgenommene Leistung ist am größten bei einem Winkel von 180°. An Stelle des Schwenk-Dipols kann beispielsweise auoh ein an eich bekannter ausziehbarer Teleskop-Strahler Verwendung finden, bei welchem die beiden Stäbe dee Dipole ineinander geschoben werden, oder ein an sich bekannter Scheibenßtrahler» bei welchem die Impedanz durch die gegenseitige Verdrehung zweier Scheiben ge-

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regelt wird. Grundsätzlich sind hierfür alle Einrichtungen geeignet, welche eine Regelung der Impedanz und - in leitender Verbindung mit dem Werkstück - der von ihm aufgenommenen und abgestrahlten leistung ermöglichen.

Eine Schwierigkeit bei der Durchführung dieses Verfahrens tritt auf, wenn die längsdimension ζ des zu bearbeitenden Werkstückes etwa 4 der abgestrahlten elektromagnetischen Welle beträgt. In diesem Sonderfall ist die abgestrahlte leistung entlang der P_robe nicht konstant, sondern eine Punktion von z, da die abgestrahlte Halbwelle an den Rändern des Werkstückes ihre größte Amplitude hat, während ihre Amplitude in der Werkstückmitte gleich Null ist. Die vom Werkstück abgestrahlte (und aufgenommene) leistung ist daher an seinen Rändern am größten und nimmt gegen seine Mitte hin ab. Beim Oberflächenhärten treten in diesem Pail beträchtliche Härteschwankungen auf, obwohl sich dieses Verfahren sonst infolge des im Plasmoid auftretenden geringen Peldstärkegradienten durch außerordentliche Gleichmäßigkeit auszeichnet.

Ein Weg zur Überwindung dieser Schwierigkeit besteht darin, daß mit dem Werkstück mindestens ein elektromagnetischer Strahler leitend verbunden wird, dessen längsausdehnung mindestens so groß ist wie die Wellenlänge der abgestrahlten Welle. Diese Maßnahme führt zu einem weitgehenden Ausgleich der leistungsschwankung entlang des Werkstückes, wobei die glättende Wirkung umso stärker ist, je größer die längsausdehnung des zusätzlichen elektromagnetischen Strahlers ist.

Die Anmeldung betrifft somit ein Verfahren zur raschen Erhitzung elektrisch leitender Werkstoffe, und die Erfindung besteht darin, daß ein ionisierbares gasförmiges Medium in einem inhomogenen elektromagnetischen Wechselfeld ionisiert wird und daß das aus dem System austretende Plasmoid mit den zu erhitzenden Partien des Werkstoffes in Verbindung gebracht wird.

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Claims (11)

Patentansprüche

1. Verfahren zur raschen Erhitzung elektrisch leitender Werkstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß ein ionisierbares gasförmiges Medium in einem inhomogenen elektromagnetischen Wechselfeld ionisiert wird und das derart erzeugte Plasmoid mit dem·zu erhitzenden Werkstück in Verbindung gebracht wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 unter Verwendung eines Hochfrequenzerzeugers (1), dadurch gekennzeichnet, daß an dessen Auakoppelung eine das elektromagnetische Wechselfeld erzeugende stabförmige Elektrode (2) angeschlossen ist, daß ein nichtleitendes Rohr (3) die Elektrode (2) umgibt, daß an diesem Rohr seitlich ein Stutzen (4) für die Gaszufuhr angebracht ist, daß eine Haltevorrichtung (5) für die Stabelektrode (2) das Rohr (3) an einem Ende abschließt, wobei das Plasmoid (6) mit dem als kapazitiver Rückschluß wirkenden Werkstück (7) in Verbindung gebracht ist.

3* Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rohr (3) ein Aufsatz (8) aus nichtleitendem Material befestigt ist, welcher mindestens eine öffnung zurlOrmgebung des Plamoides (6) besitzt.

4. Anordnung nach Anspruch 2 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2) als Rohr ausgebildet ist und zugleich zur Gaszuführung dient.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Hochfrequenzerzeuger (1) ein Rohr (9) aus elektrisch leitende» Material, vorzugsweise aus Kupfer, angeschlossen ist, welches seinerseits an einen Baezufuhrungsstutzen (4) angeschlossen ist, und daß das Plamoid (6) mit dem elektrisch leitenden Werkstück (7) in Verbindung gebracht ist.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 2 bis 5_t dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlersystem, welches durch das Werkstück gebildet wird, mit mindestens einem zweiten Strahlersystem elektrisch leitend verbunden ist, dessen Abstrahlungs#iderstand (Impedanz) kontinuierlich geregelt werden kann.

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7. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen mit dem Werkstück (7) und einem Isolator (11) verbundenen elektrischen L_eiter (10), vorzugsweise einem elektrisch leitenden Stab, auf welchem sich eine Einrichtung zur Impedanzregulierung befindet.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Impedanzregelung aus einem an sich bekannten Schwenk- (IaIt-) Dipol (12) besteht.

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Impedanzregelung aus einem an sich bekannten Teleskop-Dipol besteht.

10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Impedanzregelung aus einen an sich bekannten Scheibenstrahler besteht.

11. Anordnung nach den Ansprüchen 2 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß Werkstücke, deren Längsausdehnung etwa 4 der abgestrahlten Welle beträgt, mit mindestens einem
elektromagnetischen Strahler leitend verbunden sind, dessen iängsausdehnung mindestens so groß ist wie die Y/ellenlänge der abgestrahlten Welle.

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