DE2511524A1

DE2511524A1 - Vorrichtung zur waermebehandlung eines metalldrahtes

Info

Publication number: DE2511524A1
Application number: DE19752511524
Authority: DE
Inventors: Francois C Baillieu; Jean-Pierre Billard; Jean-Francois Mouton; Jean-Pierre Reinmann
Original assignee: TREFILES OFFICE TECHN
Current assignee: TREFILES OFFICE TECHN
Priority date: 1974-03-18
Filing date: 1975-03-15
Publication date: 1975-10-02
Also published as: IT1034299B; FR2265242B1; FR2265242A1; GB1495575A; DE2511524B2

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Hans Langosch Dr.-;ng. Heinz Hosenthien

7000 Stuttgart 1 Herdweg 62 Telefon (0711) 236523

Anmelderin:

Office Technique des
Trefiles S.A.

Avenue de la Trentaine,

Zone Industrielle

CHELLES (Seine et Marne) /Frankreich

Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines Metalldrahtes

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Gleichstromübertragung auf einen mittels einer Ziehdüse gezogenen Metalldraht zur Wärmebehandlung nach dem Joulle-Effekt, bei der ein durch ein elektrisches Feld ionisiertes Gas als Leiter des Heizstroms zwischen

5098A0/0727

Elektroden und dem Draht dient, wobei das elektrische Feld durch eine Gleichstromquelle gebildet ist.

Bei einem bekannten Verfahren zum Weichglühen, Anlassen od.dgl. von Metalldrähten wird der Draht durch Ausnutzung des Joulle-Effekts erwärmt, indem Heizstrom in Form von Gleich- oder Wechselstrom mit Hilfe von zwei Kontaktrollen durch den Draht geführt wird. Für viele Metalle entstehen durch oberflächliche Oxydschichten Kontaktschwierigkeiten, so daß insbesondere bei den angestrebten hohen Durchlaufgeschwindigkeiten, insbesondere bei Verwendung von Wechselstrom als Heizstrom, Inhomogenitäten beim Glühen auftreten. Aus diesem Grund hat man nach Verfahren zur kontaktlosen Stromübertragung auf den Draht gesucht. Eine kapazitive oder induktive übertragung bedingt sehr hohe Frequenzen mit schlechtem Wirkungsgrad.

In der FR-PS 1 320 298 wird die Verwendung der elektrischen Leitfähigkeit eines Gases im Plasmazustand vorgeschlagen, um eine Stromübertragung zwischen dem Draht und den Polen der mit den Elektroden des Plasmabrenners verbundenen Stromquelle zu erreichen. Aber dieses Verfahren hat den Nachteil, daß eine Stromabnehmerrolle erforderlich ist, wodurch eine Regelung des Heizstroms sehr erschwert wird und leicht Stö-

SQ984Q/0727

rungen auftreten, so daß das dort beschriebene Verfahren im praktischen Betrieb nicht einsetzbar ist«

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, durch die bei geringem, etwa nur dem erforderlichen Heizstrom entsprechenden Energieaufwand ein stabiler Heizstromdurchgang und damit eine homogene störungsfreie Wärmebehandlung, auch besonders dünnen Drahtes möglich ist, wobei nur geringe Schutzgasmengen erforderlich sein sollen«

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß zwei Hauptelektroden vorgesehen sind, von denen jede mit einem der zwei Pole der Gleichstromquelle verbunden ist, daß jede der Elektroden in einem abgeschlossenen Raum nur über einen Lichtbogen mit dem Draht elektrisch verbindbar ist, wobei der Draht durch den abgeschlossenen, mit einem ionisierbaren neutralen Gas gefüllten Raum geführt ist und daß mindestens ein Starter zum Zünden des Lichtbogens vorgesehen ist.

Die Verwendung eines Lichtbogens zur Leitung des elektrischen Stromes zwischen den Elektroden und dem Draht erfordert gewisse, aber dem Fachmann bekannte physikalische Bedingungen, wie die Notwendigkeit eines Starters zum Zünden des Lichtbogens, eine gewisse Spannung und

5Q984Q/0727

einen entsprechenden Strom bei entsprechenden Abständen zwischen Elektroden und Draht. Diese erforderlichen Größen werden durch die Verwendung zweier Lichtbogen beeinflußt und es ist erforderlich, zwei Lichtbogen in Reihenschaltung unter Zwischenschaltung des Drahtes, der einmal als Anode und zum anderen als Kathode wirkt/ vorzusehen.

Die Wärmebehandlung des Drahtes erfolgt besonders schonend, wenn die Hauptelektroden in besonderen Gehäusen des abgeschlossenen Raumes angeordnet sind, so daß nur eine örtlich begrenzte Einwirkung auf den Draht möglich ist.

In besonders vorteilhafter Weise besteht der Starter zum Zünden des Lichtbogens aus einem an sich bekannten Hochfrequenzgenerator, der zur Gleichstromquelle parallel geschaltet ist. In vorteilhafter Weise kann als Starter zum Zünden des Lichtbogens die Gleichspannungsquelle selbst dienen, wobei dazu dann ein Stromgenerator mit fallender Strom-Spannungscharakteristik mit entsprechend hoher Leerlaufspannung dient.

Als weitere Möglichkeit kann als Starter zum Zünden des Lichtbogens eine Hilfsvorrichtung vorgesehen sein, die über einen Kontakt oder ein Relais zuschaltbar ist,

5098^0/0727

wobei die Zündung durch eine Stoßionisation des Schutzgases erfolgt, zweckmäßigerweise durch eine Art Lichtbogenbrenner, der als Plasmaübertragungsbrenner (porche a plasma transfere) oder als Plasma-Blasbrenner (porche a plasma souffle) ausgebildet ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß der abgeschlossene Raum rohrartig ausgebildet und etwa vertikal gerichtet ist, die Hauptelektroden in den Endbereichen des rohrartigen abgeschlossenen Raumes angeordnet sind, eine Gaszuführung zur Zuführung des ionisierbaren neutralen Schutzgases vorgesehen ist und eine kalibrierte Eingangsöffnung für den Draht und eine unten liegende in einem Behälter für Kühlflüssigkeit mündende Öffnung für den Draht vorgesehen ist. Der Durchmesser der kalibrierten Eingangsöffnung entspricht dabei nahezu dem Drahtdurchmesser, um so möglichst wenig Schutzgas austreten zu lassen. Insbesondere durch die Eintrittsgeschwindigkeit des eintretenden Drahtes wird das Austreten des Schutzgases weitgehend unterbunden.

Weitere Vorteile tmd Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus weiteren Unteransprüchen. Es zeigt:

509840/0727

Fig. 1 die schematische Darstellung.

einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und die

Fig. 2-4 verschiedene Schaltungsanordnungen von Hilfsvorrichtungen zum Zünden des erforderlichen Lichtbogens,

Mit der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung können Drähte 1 aus Metall, beispielsweise aus Kupfer, mit einem Durchmesser von o,2 bis 1 mm einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Eine solche Wärmebehandlung ist insbesondere bei mittels Ziehdüsen gezogenen Metalldrähten zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften erforderlich. Der aus einer nicht dargestellten Ziehdüse kommende Draht wird über zwei Rollen 2 und 3, die gegeneinander elektrisch isoliert sind, geführt und zwischen denen zur Wärmebehandlung der bekannte Joulle-Effekt durchgeführt wird. Dazu wird der Draht 1 durch einen abgeschlossenen rohrartigen, vertikal gerichteten Raum 4 geführt, der beispielsweise durch eine Hartglaskonstruktion gebildet wird. Der abgeschlossene Raum 4 ist mit einem bezüglich des Drahtmaterials neutralen Gas gefüllt, das leicht ionisierbar ist, beispielsweise mit Argon» Dieses Gas kann über eine Gas-

509840/0727

zuführung 9 zugeführt und der im Betrieb laufende Verlust durch weitere Gaszuführung ersetzt werden. In den Endbereichen des abgeschlossenen Raumes 4 sind zwei Gehäuse 5 und 6 angeordnet (Fig. 1), Sie bestehen aus Kupfer und sind durch nicht dargestellte Wasserzuführungen gekühlt. Das Gehäuse 5 bildet gleichzeitig das obere Ende des Raums 4, es enthält eine Kathode 7 aus Wolfram, die selbst ebenfalls durch Wasser gekühlt is"t. Die Kathode 7 ist mit einem Pol einer Gleichstromquelle υ, verbunden und ihre Spitze endet etwa 5 - 6 mm vom über die Rollen 2 und 3 geführten Draht 1.

Eine massive Anode 8, die ebenfalls wassergekühlt ist, ist im Gehäuse 6 angeordnet, wobei ihr Spitzenabstand vom Draht 1 ebenfalls 5 - 6 mm beträgt. Die Kathode 7 und die Anode 8 werden im folgenden kurz auch als Hauptelektroden bezeichnet. Der Abstand von Kathode 7 und Anode 8 beträgt etwa einen Meter, während die Gesamtlänge des rohrartigen Raumes 4 etwa 1,50 m beträgt.

Die Gleichstromquelle U.. ist beispielsweise bei der Wärmebehandlung eines Kupferdrahts von o,6 mm Durchmesser bei einer Durchlaufgeschwindigkeit von 50 m/sec als Gleichstromgenerator mit 60 bis 100 V Spannung bei 500 A Stromabgabe ausgelegt. Die Stromspannungs-

'5 09840/0727

charakteristik ist dabei fallend ausgebildet, so daß eine Leerlaufspannung von etwa 600 V vorhanden ist. Als weitere Variante kann zur Gleichstromquelle U, eine weitere Gleichstromquelle U₂ parallel geschaltet werden, die bei 600 V etwa 2 A abgibt. Bei beiden Ausführungsformen ergibt sich etwa die gleiche Wirkungsweise.

Durch die Verwendung einer Gleichstromquelle mit fallender Charakteristik mit einer Leerlaufspannung von 600 V entstehen zwischen der Kathode 7 und der Anode unter Zwischenschaltung des Drahtes 1 zwei Funken zur Ionisation des Schutzgases und zur Zündung der Lichtbogen, damit der Aufheizstrom durch den Draht 1 fließen kann,, Durch die abfallende Charakteristik kann sich dann bei etwa einer Minimalspannung von 15 V ein zur Aufheizung des Drahts 1 ausreichender Dauerstrom einstellen, der sich selbst halten kann»

Besonders vorteilhaft ist die Parallelschaltung einer Hochfrequenzstroniquelle HF zur Gleichstromquelle U,, beispielsweise von 1800 V bei 1200 Hz, wie sie beispielsweise beim Lichtbogenschweißen verwendet wird. Durch diese Hochfrequenzstromquelle HF werden ununterbrochen zwei Ionisationszonen zwischen dem Draht 1 und den Hauptelektroden 7 und 8 erzeugt, so daß die

509840/0727

Lichtbogenzündung durch die Gleichstromquelle U₂
oder die Gleichstromquelle U, mit fallender Charakteristik möglich ist. Durch die Hochfrequenzstromquelle HF wird der Lichtbogen zwischen dem Draht 1
und den Hauptelektroden 7 und 8 durch die permanente Ionisation des Schutzgases wesentlich stabilisiert,
so daß ein störungsfreier Betrieb möglich ist.

Obwohl durch die beschriebene einfache Anordnung die Heizstromübertragung auf den Draht 1, die Ionisation des Gases im Raum 4 durch elektrische Felder und die Zündung des Lichtbogens in einfacher Weise möglich
ist, kann es für verschiedene Anwendungsfälle zweckmäßig sein, andere Hilfsvorrichtungen zum Zünden des Lichtbogens vorzusehen, wie dies in den Fig. 2 bis 4 unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen beschrieben ist.

Beim in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Einleitung der Zündung des Lichtbogens
durch zwei überspringende Funken zwischen der Kathode 7 und dem Draht 1 und dem Draht 1 und der Anode 8.
Zur Zündung wird nach der Vorionisation durch die
Hochfrequenzstromquelle HF die Zündung durch eine
Zündspule 21 aufrecht erhalten, die durch einen
Doppelkontakt 22 vom öffentlichen Stromnetz speisbar

509840/0727

ist. Dabei kann der Mittelanschluß der Zündspule 21 vorübergehend mit. den Draht 1, beispielsweise über die Rolle 2, über einen weiteren Kontakt des Relais verbunden werden. Während des Zündvorgangs schützt man die Stromquelle U, gegenüber dem Netz durch ein Filter 25, das über zwei Kontakte 23 unter Öffnung von zwei Kontakten 24 kurzzeitig in den Schaltkreis z"wi~' schengeschaltet werden kann. Bei dieser Vorrichtung wird allerdings ein Kontakt zum Draht 1 benötigt _t was aber nicht nachteilig istj da man beim Anfahren die Vorrichtung nur mit geringer Drahtdurchlaufgeschwin-^ digkeit betreibt« Bei einer weiteren Ausfuhrungsform gemäß Fig. 3 wird die Zündung durch einen als Plasma-Übertragungsbrenner ausgebildeten Lichtbogenbrenner 38,8 gebildet, wobei die Anode 8 als Anode des Lieht—bogenbrenners dient. Ein solcher Lichtbogenbrenner besteht· aus einer Kathode 38 und einer Anode 8, die beispielsweise einander gegenüberliegend angeordnet sind und zwischen denen der Lichtbogen erzeugt wird. Der Brenner wird durch eine außenliegende Stromquelle mit Strom versorgt, beispielsweise durch einen Kondensator C, der durch eine Stromquelle S aufgeladen wird. Durch. Schließen des Kontakts 22' wird der Brenner mit Strom versorgt, es entsteht dabei zwischen der Kathode 38 und der Anode 8 ein kurzer starker Lichtbogen, der

5098AÜ/0727

ausreicht, den Ilauptlichtbogen zu zünden. Der Bereich zwischen der Kathode 7 und dem Draht 1 wird dabei durch die Hochfrequenzstromquelle HF ionisiert und damit ebenfalls stromleitend gemacht,

Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß Fig. 4 erfolgt die Zündung über zwei Plasma-Blasbrenner. Dieser Brenner besteht aus einer Kathode 38, um die konzentrisch eine Blasdüse 38' angeordnet ist und durch die beim Starten die erforderliche Anode gebildet wird. Durch den sich zwischen der Kathode 38 und der Blasdüse 38' bildenden Lichtbogen wird das Gas ionisiert und gleichzeitig weggeblasen. Zur Stromversorgung verwendet man für den im Prinzip gleich ausgebildeten Brenner 7,7· die Gleichstromquelle U, und die Hochfrequenzstromquelle HF und J5Ui;i Brennerbetrieb eine außerhalb angeordnete Stromquelle, beispielsweise einen Kondensator C mit einer Stromquelle S oder auch nur einer alleinigen Stromquelle, beispielsweise in Form eines Lichtbogenschweißgenerators. Durch Schließen des Kontakts 22 wird durch die Gleichstromquelle U, und die Hochfrequenzstraraquelle HF ein Lichtbogen schwacher Intensität zwischen der Kathode und der Blasdüse 7' erzeugt, durch den eine ionisierte, bis zum benachbarten Draht 1 reichende Zone entsteht.

509840/0727

Durch anschließendes Schließen des Kontaktes 22» wird der Brenner 8,38,38' zur Bildung eines kurzen Lichtbogens mit Energie aus dem Kondensator C versorgt, der zur Zündung des Hauptlichtbogens für den Erwärmungsstrom ausreicht, denn es sind dann durch Ionisation beide Zündzonen im Bereich der. Hauptelektroden 7 und 8 ionisiert und für den Durchgang des Heizstroms elektrisch leitend.

Man kann ohne den vorliegenden Rahmen der Erfindung zu verlassen, auch andere Hilfsmittel zur Lichtbogenzündung verwenden. Bei der Auswahl und bei der Anordnung ist nur darauf zu achten, daß es wesentlich ist, daß der Draht 1 auf ein negatives Potential gebracht wird, daß zwischen ihm und der Anode 8 ein genügend starkes Feld aufgebaut, wird zur Elektronenbeschleunigung.

Nun ist in Fig. 1 ersichtlich, daß die Gleichstromquelle U„ eine hohe Spannung und geringen Stromdurchgang und bei gleicher Funktion die Gleichstromquelle U, mit steller Kennlinie ersetzt werden kann durch eine der beschriebenen Hilfsvorrichtungen der Fig. 2 bis 4 zur Zündung des Lichtbogens.

5098A0/0727

Der abgeschlossene rohrartige Raum 4 weist eine obere Öffnung 11 auf, deren Durchmesser gleich oder geringfügig größer ist als der Durchmesser des Drahtes 1. Dieser Öffnung 11 gegenübenliegend ist

10 eine freie untenliegende Öffnung vorgesehen, die in einen Behälter 12 mit einer Kühlflüssigkeit 13 eintaucht, durch die der Draht 1 über die Rolle 3 zur Abkühlung geführt wird.

Der Druck des verwendeten leicht ionisierbaren neutralen Gases, beispielsweise Argon, das über die Gaszuführung 9 in den Raum 4 geführt wird, ist etwas größer als der umgebende atmosphärische Druck, beispielsweise einige Millimeter bis Zentimeter Wassersäule, so daß ein Eindringen von Luft, durch das der erhitzte Draht 1 oxydieren würde, verhindert v/ird. Der Gasdruck ist aber so nieder gehalten, daß die Ausströmverluste durch die obere Öffnung 11 gering sind. Die Ausströmverluste werden noch dadurch reduziert, daß der Draht 1 mit hoher Geschwindigkeit durch die Öffnung 11 eintritt. Um ein Mitreißen von Luft zu verhindern, kann an der Öffnung 11 eine Bürste oder auch eine andere faserige Abdichtung vorgesehen sein, durch die der Draht 1 hindurchgeführt ist.

5098A0/0727

Claims

Pat ent an spr üc he

1. Vorrichtung mit einer Gleichstromübertragung auf einen mittels einer Ziehdüse gezogenen Metalldraht zur Wärmebehandlung nach dem Joulle-Effekt, bei der ein durch ein elektrisches Feld ionisiertes Gas als Leiter des Heizstroms zwischen Elektroden und dem Draht dient, wobei das elektrische Feld durch

eine Stromquelle gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Iiauptelektroden (7,8) vorgesehen sind, von denen jede mit einem der zwei Pole der Gleichstromquelle (U,) verbunden ist, daß jede der Elektroden {7,8) in einem abgeschlossenen Raum (4) nur über einen Lichtbogen mit dem Draht (1) elektrisch verbunden ist, wobei der Draht (1) durch den abgeschlossenen, mit einem ionisierbaren neutralen Gas gefüllten Raum (4) geführt ist und daß mindestens ein Starter zum Zünden des Lichtbogens vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektroden (7,8) in besonderen Gehäusen (5,6) des abgeschlossenen Raums (4) angeordnet sind.

509 8 40/0727

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Starter zum Zünden des Lichtbogens einen an sich bekannten Hochfrequenzgenerator (HF) aufweist, der zur Gleichstromquelle (U,) parallelgeschaltet ist,

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Starter zum Zünden des Lichtbogens durch die Gleichspannungsquelle (U,) selbst gebildet ist und dazu ein Stromgenerator mit fallender Strom-Spannungskennlinie und hoher Leerlaufspannung dient.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Starter zum Zünden des Lichtbogens eine Hilfsvorrichtung dient, die über einen Kontakt (22», Relais 22) schaltbar ist, wobei die Zündung durch Ionisation des Schutzgases erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Hilfsvorrichtung (U„ + HF) zum Zünden des Lichtbogens ein Funke zwischen der Kathode (7) und der Anode (8) unter Zwischenschaltung des Drahtes (1) erzeugbar ist (Fig, I).

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Hilfsvorrichtung (Zündspule 21) zum Zünden des Lichtbogens mindestens ein

5 09840/0727

Funke zwischen der Elektrode (7) und dem Draht (1) einerseits und am Draht (1) und der Kathode (8) andererseits zündbar ist (Fig. 2)

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet/ daß als Hilfsvorrichtung zum Zünden des Lichtbogens ein Lichtbogenbrenner (7,7^f,38,38',8) dient (Fig. 3 und 4).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogenbrenner (38,38·,8) als Plasmaübertragungsbrenner ausgebildet ist (Fig.3).

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogenbrenner (7,7') als Plasmablasbrenner ausgebildet ist und über eine Hauptstromquelle (U,), die mit einem Hochfrequenzgenerator (HF) gekoppelt ist, zündbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeschlossene Raum (4) auch die beiden Gehäuse (5 und 6) beinhaltet.

5098A0/0 7 27

12. Vorrichtung zum Glühen eines mittels einer Ziehdüse gezogenen Drahtes nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeschlossene Raum (4) rohrartig ausgebildet und etwa vertikal gerichtet ist, die Hauptelektroden (7 und 8) mit Abstand voneinander etwa in den Endbereichen des Raums (4) angeordnet sind, daß eine Gaszuführung (9), eine kalibrierte Eingangsöffnung (11) für den Draht

(1) und eine untenliegende, in einem Behälter (12) für Kühlflüssigkeit (13) mündende Öffnung (10) vorgesehen ist (Fig. 1).

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Starter während des ganzen Betriebs einen oder beide Lichtbogen stabilisiert.

509840/Ü7 27

ja

-Leerseite