DE2914304C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum induktiven Erwärmen von metallischen Werkstücken, wobei die volle Lei­ stungszufuhr bis zum Aufwärmen der Werkstückoberfläche auf die gewünschte Endtemperatur getaktet wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Beim induktiven Erwärmen von metallischen Werkstücken werden im Werkstück über eine Spule, den Induktor, Wirbelströme in­ duziert, deren Dichte aufgrund des sogenannten Skineffektes gegen den Kern des Werkstückes schnell abnimmt. Diese un­ gleichen Stromdichten haben naturgemäß eine ungleiche Erwär­ mung des Werkstücks über seinen Querschnitt zur Folge, was besondere Probleme mit sich bringt, wenn eine gleichmäßige Werkstücktemperatur über den gesamten Querschnitt angestrebt wird, wie dies beispielsweise beim Warmverformen von Werk­ stücken der Fall ist.

Um nun eine gleichmäßige Werkstücktemperatur über den ge­ samten Querschnitt zu erhalten, wird das Werkstück üblicher­ weise im Bereich der Werkstückoberfläche überhitzt, so daß beim anschließenden Abkühlen der äußeren Werkstückschicht unter Wärmeabgabe an den Kern ein entsprechender Temperatur­ ausgleich stattfinden kann. Damit die Überhitzung in ver­ tretbaren Grenzen gehalten wird, ohne die Aufwärmzeit erheb­ lich verlängern zu müssen, ist es bekannt (DE-AS 10 99 662), nach dem Aufwärmen der Werkstückoberfläche auf die zulässige Überhitzungstemperatur die volle Leistungszufuhr im Sinne einer zweistufigen Absenkung der Werkstückoberflächentempe­ ratur zu takten, bis der Kern und die Werkstückoberfläche die gewünschte Endtemperatur einnehmen. Obwohl durch die ge­ steuerte Leistungszufuhr im Anschluß an das Aufwärmen der Werkstückoberfläche auf die Überhitzungstemperatur bis zum Erreichen der vorgesehenen Endtemperatur ein rascherer Temperaturausgleich zwischen der Außenschicht und dem Kern des Werkstücks erzielt wird, ergeben sich insbesondere wäh­ rend des Aufwärmens der Außenschicht auf die Überhitzungs­ temperatur vergleichsweise große Temperaturdifferenzen zwi­ schen der Außenschicht und dem Kern des Werkstücks, was wiederum über den Querschnitt unterschiedliche metallurgi­ sche Reaktionen nach sich ziehen kann, die ebenso vermieden werden sollen, wie Oberflächenverzunderungen.

Die gleichen Nachteile treten selbstverständlich auch bei einem anderen bekannten Verfahren zur induktiven Erwärmung von Werkstücken auf (US-PS 24 00 472), bei dem zum Sicher­ stellen einer möglichst kleinen Erwärmungszeit eine mög­ lichst große Temperaturdifferenz zwischen dem Kern und der Außenschicht des Werkstückes angestrebt wird, indem nach dem Erwärmen der Außenschicht auf eine vorgegebene Endtemperatur die Leistungszufuhr wiederholt unterbrochen wird, um die Wärmeverluste auszugleichen und die erreichte Außenschicht­ temperatur zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren der eingangs geschilderten Art so zu verbessern, daß durch ein gezieltes, induktives Erwärmen des Werkstücks die gewünschte Temperaturverteilung über den Querschnitt des Werkstücks mit einer Beschränkung der Temperaturdifferenz zwischen Außenschicht und Kern in vergleichsweise kurzer Zeit erreicht werden kann.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die volle Leistungszufuhr während der Aufheizung der Außen­ schicht des Werkstücks bereits bei einer Temperatur der Außenschicht unterhalb der gewünschten Endtemperatur in Ab­ hängigkeit von einer vorgegebenen Temperaturdifferenz zwi­ schen Außenschicht und Kern des Werkstücks durch Takten wiederholt unterbrochen wird.

Durch das wiederholte Abschalten der vollen Leitungszufuhr bereits bei einer Außenschichttemperatur unterhalb der ge­ wünschten Endtemperatur ändert sich der Erwärmungsverlauf des Kernes nicht wesentlich, doch wird die Außenschicht durch die Kühlperiode während der Leitungsabschaltung er­ heblich langsamer aufgewärmt, so daß eine Anpassung des Er­ wärmungsverlaufes der Außenschicht an den Erwärmungsverlauf des Kernes eintritt. Je nach der gewählten Länge der Ein- und Ausschaltzeiten kann demnach für jeden Werkstoff die ge­ wünschte Erwärmung der Außenschicht in Anlehnung an den Tem­ peraturverlauf des Kernes eingestellt werden. Wesentlich da­ bei ist, daß während der Einschaltzeiten die volle Leistung zugeführt wird, damit sich die Erwärmungszeit für den Kern nicht entsprechend verlängert. Würde nämlich eine Steuerung des Erwärmungsverlaufes für die Außenschicht durch einen all­ mählichen Leistungsaufbau erfolgen, so würde die Erwärmungs­ zeit in unerwünschter Weise verlängert werden, ohne die Tem­ peratur halten zu können. Es muß daher stets die volle Leistung zugeschaltet werden. Es ist aber nicht notwendig, die Lei­ stung während des Abkühlvorganges völlig wegzunehmen. In be­ stimmten Fällen kann es durchaus vorteilhaft sein, lediglich zwischen der vollen Leistung und einer Teilleistung zu schalten, wodurch auf die Abkühlung der Außenschicht zwi­ schen den Perioden der vollen Leistungszufuhr Einfluß genom­ men werden kann.

Erreicht der Kern die gewünschte Endtemperatur nicht gleich­ zeitig mit der Außenschicht, so muß eine Ausgleichsperiode an die Aufwärmperiode angeschlossen werden. Dabei wird die Außenschichttemperatur durch ein wiederholtes Zu- und Ab­ schalten der vollen Leistung in einem bestimmten, eine Über­ hitzung ausschließenden, konstanten Temperaturbereich ge­ halten, bis auch der Kern die Endtemperatur erreicht hat. Da durch die Anpassung des Erwärmungsverlaufes der Außenschicht an den Erwärmungsverlauf des Kernes die Temperaturdifferenz zwischen Außenschicht und Kern beim Erreichen der Endtempe­ ratur durch die Außenschicht klein ist, bleibt auch die ge­ gebenenfalls notwendige Ausgleichsperiode klein. Es hat sich herausgestellt, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur eine wesentlich gleichmäßigere Erwärmung mit allen damit verbundenen Vorteilen gewährleistet wird, sondern auch, daß sich die gesamte Erwärmungszeit trotz besserer Ergeb­ nisse hinsichtlich der gleichmäßigen Temperaturverteilung über den Querschnitt kaum verlängert.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens könnten sich wegen des häufigen Schaltens hoher Leistungen Schwierig­ keiten ergeben. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten wird bei einer Vorrichtung mit einem gegebenenfalls mit einem Transformator an ein Speisenetz angeschlossenen Induktor und einem zum Induktor bzw. zur Primärwicklung des Transforma­ tors parallelgeschalteten Kompensationskondensator vorge­ schlagen, daß der aus dem Kompensationskondensator und dem Induktor bzw. der Transformatorwicklung bestehenden Parallel­ schaltung ein Thyristorschalter vorgeschaltet ist, der in Abhängigkeit von der Temperatur des Werkstückes über eine Steuereinrichtung jeweils im Bereich des Spannungsnulldurch­ ganges betätigbar ist, und daß in Serie mit dem Thyristor­ schalter und dem Kompensationskondensator ein kurzschließba­ rer, nur während des Ein- und Ausschaltvorganges eingeschal­ teter Vorwiderstand liegt. Durch das Vorsehen eines Thyristor­ schalters wird es im Zusammenhang mit einer entsprechenden Steuereinrichtung möglich, dem Induktor auch in kurzen Zeit­ intervallen entsprechende Leistungen zuzuführen, so daß durch ein taktweises Aufschalten der Heizleistung die Tem­ peratur der Außenschicht an den Temperaturverlauf des Kernes angepaßt werden kann. Der Kern, dessen Temperatur auch wäh­ rend der kurzen Abschaltperioden unterhalb der Außenschicht­ temperatur liegt, wird ja trotz der Unterbrechungen in der Leistungszufuhr stetig aufgeheizt.

Damit die gewünschte Werkstücktemperatur rasch erreicht werden kann, muß der Induktor mit entsprechender Energie versorgt werden. Die hohen Heizleistungen stehen aber dem wirtschaftlichen Einsatz von Thyristorschaltern entgegen, weil die hohen Leistungen große Ein- und Ausschaltströme verursachen, die ohne aufwendige Maßnahmen zu einer Zer­ störung der Thyristoren führen können. Um nun die hohen Ein- und Ausschaltströme in entsprechenden Grenzen zu halten, ist die Steuereinrichtung zusätzlich vom Speisenetz her so be­ aufschlagt, daß die Zündimpulse für die Thyristoren im Be­ reich des Spannungsnulldurchganges abgegeben werden. Zu­ folge der schnellen Schaltzeit der Thyristoren werden nämlich die auftretenden Stromspitzen vom Einschaltzeitpunkt bestimmt. Wegen der gegenüber der Frequenz des Speisenetzes hohen Frequenz der Ausgleichs­ vorgänge ergibt sich über den Kompensationskondensator praktisch ein Kurzschluß, so daß der auftretende Stoß­ kurzschlußstrom vom Zeitwert der Spannung bestimmt wird. Durch die Wahl des Einschaltzeitpunktes und durch einen zusätzlichen, in Serie mit dem Thyristorschalter und dem Kompensationskondensator geschalteten Vorwiderstand kann somit der Einschaltstrom auf ein für den Thyristor­ schalter tragbares Maß reduziert werden. Der Vorwider­ stand dämpft dabei den Ausgleichsvorgang, der gegenüber den Netzperioden kurz dauert, und bewirkt zusätzlich eine Verbesserung des Phasenwinkels beim Einschalten.

Dieser Vorwiderstand würde aber auf Grund der hohen Nennströme eine nicht vernachlässigbare Verlustleistung be­ dingen, was nicht nur auf den Wirkungsgrad der Anlage, sondern auch auf die thermische Bemessung des Widerstandes selbst Auswirkungen hätte. Dieser Gründe wegen wird der Wider­ stand nur während der Schaltvorgänge eingeschaltet, in der übrigen Zeit aber kurzgeschlossen.

Da zufolge der erfindungsgemäßen Maßnahme zur Be­ grenzung der Ein- und Ausschaltströme bei gleicher Belastung des Thyristorschalters durch die Ausgleichsströme höhere Leistungen geschaltet werden können, kann eine besonders kurze Aufwärmzeit sichergestellt werden.

In der Zeichnung ist eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in mehreren Ausführungs­ beispielen schematisch dargestellt. Es zeigen die

Fig. 1 und 2 zwei Konstruktionsvarianten einer erfindungs­ gemäßen Anlage zum induktiven Erwärmen von metallischen Werkstücken mit einem unmittelbar vom Netz gespeisten Induktor im Blockschaltbild und die

Fig. 3 bis 5 verschiedene Anlagen mit einem über einen Trans­ formator gespeisten Induktor, ebenfalls im Block­ schaltbild.

Die dargestellten Anlagen zum induktiven Erwärmen von metallischen Werkstücken bestehen grundsätzlich aus einer Induktionsspule, dem Induktor 1, und einem Kompensations­ kondenator 2, der die hohen induktiven Lasten kompensiert. Obwohl nur ein Kompensationskondensator dargestellt ist, versteht es sich wohl von selbst, daß die erforderliche Kapazität im allgemeinen durch mehrere parallelgeschaltete Kondensatoren erreicht wird.

Zum taktweisen Ein- und Ausschalten der Heizleistung ist ein Thyristorschalter 3 vorgesehen, der je nach der Schaltungsart entweder der aus dem Induktor 1 und dem Kompensationskondensator 2 oder der aus dem Kompensations­ kondensator 2 und der Primärwicklung des Transformators 4 bestehenden Parallelschaltung vorgeordnet ist. Dieser Thyristor­ schalter 3 wird über eine Steuereinrichtung 5 gezündet, und zwar vorzugsweise im Augenblick des Nulldurchganges der Spannung. Zu diesem Zweck wird die Steuereinrichtung 5 von der Netzfrequenz her über die Steuerleitung 6 getriggert. Die auftretenden Ein- und Ausschaltströme werden dadurch beschränkt. Eine zusätzliche Begrenzung wird durch einen Ohmschen Vorwiderstand 7 erreicht, der in Serie mit dem Thyristorschalter 3 und dem Kompensationskondensator 2 geschaltet ist. Die verschiedenen Anordnungsmöglichkeiten für den Vorwiderstand 7 sind in den Fig. 1 bis 5 dargestellt.

Parallel zum Vorwiderstand 7 liegt ein Schalter 8, über den der Vorwiderstand kurzgeschlossen werden kann. Da der Vorwiderstand nur zur Begrenzung der Ein- und Ausschalt­ ströme und zur Dämpfung der Ausgleichsvorgänge dient, wird er auch nur während des Ein- und Ausschaltvorganges einge­ schaltet. Der Schalter 8 muß folglich kurz vor dem Zünden des Thyristorschalters 3 geöffnet und nach dem Abklingen der Ausgleichsvorgänge wieder geschlossen werden. Die ge­ steuerte Betätigung des Schalters 8 ist in der Zeichnung durch die Steuerleitung 9 angedeutet.

Damit die dem Werkstück taktweise zugeführte Heizleistung den gewünschten Temperaturverlauf ergibt, wird der Steuereinrichtung 5 über einen entsprechenden Temperaturgeber 10 der Istwert der Werkstücktemperatur zugeführt, so daß über einen Soll-Istwertvergleich die Schaltfrequenz für den Thyristorschalter 3 von der Steuer­ einrichtung 5 bestimmt werden kann. Ziel des gesteuerten Temperaturverlaufes ist es, die Temperaturdifferenz zwischen Kern und Außenschicht nicht über ein bestimmtes Maß ansteigen zu lassen. Für eine besonders gute Regelung wäre daher auch die Erfassung der Kerntemperatur wünschens­ wert. Dies ist aber aus verständlichen Gründe nur bei gebohrten Werkstücken möglich. Da bei einer entsprechenden Leistungszufuhr der Erwärmungsverlauf des Kerns bei Werk­ stücken gleicher Abmessungen und gleicher Werkstoffe gleich­ bleibt, kann der Steuereinrichtung 5 jedoch der Sollwert für die Außenschichttemperatur mit ausreichender Genauigkeit vorgegeben werden, ohne die Kerntemperatur tatsächlich jedes Mal zu messen. Es wird in den meisten Fällen sogar genügen, eine bestimmte Schaltfrequenz vorzugeben, so daß eine Beeinflussung der Taktzeiten über die gemessene Außen­ temperatur des Werkstückes im allgemeinen unnötig sein wird.

Claims (2)

1. Verfahren zum induktiven Erwärmen von metallischen Werk­ stücken, wobei die volle Leistungszufuhr bis zum Aufwär­ men der Werkstückoberfläche auf die gewünschte Endtempe­ ratur getaktet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die volle Leistungszufuhr während der Aufheizung der Außenschicht des Werkstücks bereits bei einer Temperatur der Außenschicht unterhalb der gewünschten Endtemperatur in Abhängigkeit einer vorgegebenen Temperaturdifferenz zwischen Außenschicht und Kern des Werkstücks durch Takten wieder­ holt unterbrochen wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem gegebenenfalls über einen Transformator an ein Speisenetz angeschlossenen Induktor mit einem zum Induktor bzw. zur Primärwicklung des Transformators parallel geschal­ teten Kompensationskondensator, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der aus dem Kompensationskondensator (2) und dem In­ duktor (1) bzw. der Transformatorwicklung bestehenden Paral­ lelschaltung ein Thyristorschalter (3) vorgeschaltet ist, der in Abhängigkeit von der Temperatur des Werkstücks über eine Steuereinrichtung (5) jeweils im Bereich des Spannungs- Nulldurchgangs betätigbar ist, und
• - daß in Serie mit dem Thyristorschalter (3) und dem Kompen­ sationskondensator (2) ein kurzschließbarer, nur während des Ein- und Ausschaltvorganges eingeschalteter Vorwider­ stand (7) liegt.