DE3418173A1 - Vorrichtung zum elektro-induktiven erhitzen von metallischen werkstuecken - Google Patents

Description

27.ii. 1 98U St/Pi

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO STUTTGART 1

Vorrichtung zum elektro-induktiven Erhitzen von metallischen Werkstücken

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach dem Gattungsbegriff des Hauptanspruchs. Durch die DS-AS 21 hf 518 ist eine Vorrichtung zum induktiven Oberflächenhärten im Umlaufverfahren von zumindest annähernd rotationssymmetrischen Werkstücken "bekanntgeworden, welche zwei sich in Achsrichtung des Werkstücks erstreckende, geschlossene Stromleiter hat, die induktiv miteinander gekoppelt und zur Erhitzung unterschiedlicher Axialzonen des Werkstücks dienen. Da das Werkstück während des Härtens rotiert, "brauchen die Stromleiter das Werkstück nicht zu umfassen. Anders verhält es sich beim elektro-induktiven Erhitzen stillstehender Werkstücke, beispielsweise beim Induktionslöten von Rohrverbindungen. Hier muß die Spule das Werkstück völlig einschließen, um eine gleichmäßige und dadurch schnelle Erwärmung sicherzustellen. Der Durchmesser der Induktionsspule muß dabei so groß sein, daß "die zu erhitzenden Werkstücke bequem hindurchpassen. Um einen guten Übertragungswirkungsgrad zwischen Spule und Werkstück zu erreichen muß jedoch der Koppelabstand möglichst eng gehalten werden. Dies läßt sich nicht in allen.Fäl-

len realisieren. Oft müssen die Koppelabstände wegen der Form der durch die Spule hindurchzuführenden Werkstücke relativ groß sein, was zur Folge hat, daß ein erheblicher Teil des erzeugten Magnetfeldes das Werkstück umgeht. Um diesen Nachteil zu vermeiden ist es bereits bekannt, die Windungen der Spulen, welche das Magnetfeld erzeugen, biegsam auszuführen, so daß diese Windungen Werkstücken verschiedener Form angepaßt werden können. Dagegen bestehen aber lachteile baulicher Art, da die Windungen gewöhnlich verhältnismäßig starke Ströme führen und meist von einer Flüssigkeit gekühlt werden müssen. Eine Abhilfe läßt sich mit sogenannten "Klappinduktoren" erreichen, die ein leichtes Auswechseln der Werkstücke bei optimalem Kopplungsspalt ermöglichen. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in "Schweißtechnik" Berlin 33 ( 1983 ) h, Seiten 166 bis- 168 beschrieben. Sie besteht im wesentlichen aus zwei Halbspulen, von denen die eine Halbspule in einem mit Anschlußleisten versehenen festen Induktorkopfteil untergebracht ist, während die andere Halbspule in einem beweglich angeordneten Induktorkopf sitzt, der eine Stangenführung hat. Die Energie wird in den festen Induktorkopf eingespeist und mittels Kontakten auf den beweglichen Induktorkopf übertragen. Die Verwendung solcher Kontaktbrücken in der Löttechnik erweist sich jedoch als problematisch, da sie unter Lötbedingungen leicht verschmutzen und korrodieren, so daß sich der Übergangswiderstand erhöht, der den Wirkungsgrad und die Lötqualität der Anlage beeinträchtigt. Außerdem muß ein sicherer, verhältnismäßig hoher Kontaktdruck über einen langen Betriebszeitraum gewährleistet sein, was einen zusätzlichen Aufwand in Form geeigneter Druckelemente erfordert .

Durch die DE-PS 30 23 237 ist ferner eine Vorrichtung zum Induktionslöten von aus dünnwandigen Rohren beste-

vr

henden Rahmenkonstrukt ionen "bekannt geworden, "bei welcher jeweils der Ober- und Unterseite eines Sternpunktes der Rahmenkonstruktion mehrere, insbesondere paarig angeordnete Induktionsspulen zugeordnet sind, die den Konturen der Eohrverbindungsstelle nachgebildet sind und in die Nähe des Lötbereichs hingefahren werden können. Jede Spule besitzt einen eigenen Frequenzgenerator, mit dem sie starr verbunden ist. Diese Vorrichtung hat zwar keine Kontaktierungsprobleme; dafür ist für jede Spule eine besondere Spannungsquelle in Form eines Frequenzgenerators vorgesehen, was die Anlage insgesamt aufwendig und teuer macht.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß es zur Energieversorgung der Spulen nur einer Stromquelle, beispielsweise eines Hoch- oder Mittelfrequenzgenerators, bedarf, ohne daß zusätzliche, mit Übergangswiderständen behaftete Kontaktbrücken zwischen den Spulen erforderlich sind. Die induktive . Kopplung der Spulen ermöglicht eine kontaktlose und weitgehend verlustlose Energieübertragung, was vor allem in schmutziger und korrosiver Atmosphäre, wie sie beim Löten auftritt, von großem Vorteil ist. Da die Vorrichtung weder aus hochwertigem Material bestehende Kontakte zur elektrischen Verbindung der Spulen noch eine eigene Stromversorgung für jede Spule benötigt ist sie auch vom Aufwand und von den Kosten her den vorstehend beschriebenen, bekannten Konstruktionen zum Erhitzen feststehender Werkstücke überlegen.

Durch die in den ünteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserun-

V·

gen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Um einen Kurzschluß der Spulen in ihrer Arbeitsstellung über-die Koppelglieder zu verhindern, können diese durch eine Folie aus isolierendem Werkstoff voneinander getrennt sein. Vorteile in herstellungstechnischer Hinsicht lassen sich ferner dadurch erzielen, daß jede Spule aus mindestens einer einen geschlossenen Stromkreis bildenden Windung ,besteht, die einen das Werkstück teilweise umfassenden und dessen Außenkontur nachgebildeten Abschnitt und einen sich an das eine Snde dieses Abschnitts anschließenden, nach außen gerichteten Fortsatz als Koppelglied hat.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur J eine Vorrichtung zum Induktionslöten von Rohrverbindungen in einer Draufsicht, Figur 2 die in einen magnetisch gut leitenden Joch eingebettete und an eine Stromversorgung angeschlossene obere Spule vom Werkstück her gesehen, Figur 3 die untere Spule ebenfalls mit Joch gleichfalls vom Werkstück her gesehen.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Figur 1 ist mit 1 eine Isolierstoffplatte bezeichnet, die an ihrer Ober- und Unterseite je eine großflächige Leiterplatte 2 bzw. 3 trägt. Jede Leiterplatte hat ebenfalls großflächige Anschlußstellen k bzw. 5. Die Anschlüsse führen zu einem nicht dargestellten Anpaßungstrafo eines Mittel- oder Hochfrequenzgenerators, der die benötigte Induktionsspannung liefert. An den Leiterplatten ist je ein Rohr 6 bzw. 7 aus elektrisch gut lei-

tendem Material befestigt, vorzugsweise angelcte". Die Rohre sind mit ihrem einen Ende an ein nicht gezeigtes Kühlwassersystem angeschlossen und mit ihrem anderen Ende mittels Muffen 8 bzw. 9 mit zwei Verlängerungen 10, 11 einer ein- oder mehrlagigen Induktionsspule 12 elektrisch leitend verbunden. Die Spule 12 besteht aus gebogenem, hohlen Metall-Rechteckprofil. Als Metall hat sich insbesondere sogenanntes Leitfähigkeitskupfer als geeignet gezeigt. Hohl muß die Spule deshalb sein, weil in ihrem Inneren das über die Rohre 6, T zugeführta Kühlwasser strömt. Es können auch andere Formen des Spulenprofils, beispielsweise runde oder ovale Profile, gewählt werden.

Sine zweite Spule, welche der Spule 12 diametral gegenüberliegt, ist mit 13 bezeichnet. Diese Spule ist im Ausführungsbeispiel gleichfalls einlagig und kann aus demselben Material mit der gleichen Querschnittsfcrm bestehen wie die Spule 12. Sie ist an einer· Platte 1U befestigt, die von einem in Richtung des Doppelpfeils 15 beweglichen Schlitten 16 getragen wird. In der Platte 1U sitzen ferner zwei Anschlußstutzen 17 für die nicht dargestellten Schläuche eines Kühlmittelkreislaufs, in welchen die hohle Spule 3 3 einbezogen ist.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, haben die Spulen 12, 13 je einen Abschnitt ]8 bzw. 19, von denen jeder einen Teil des im Spuleninnern befindlichen Werkstücks umschließt. Im Ausführungsbeispiel besteht das Werkstück aus zwei ineinandergesteckten Rohren 20, 2J die durch induktives Erhitzen unter Verwendung eines um das Rohr 20 herumgelegten und auf der Stirnfläche des Rohres 23 aufliegenden Lotdrahtringes miteinander verlötet werden können. Der Form der Rohre 20, 2] angepaßt bestehen die Abschnitte 18, 19 der Spulen aus je einem Kreisbogen,des-

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sen Radius etwas größer ist als derjenige des Rohrs Infolge des optimalen Koppelabstands zwischen Spulen und Rohr ergibt sich ein guter Übertragungswirkungsgrad und damit ein schnelles Erhitzen der Rohre. Sollen Werkstükke mit anderem Durchmesser und/oder anderen Querschnittsformen erhitzt werden, so sind hierzu der betreffenden Werkstückkontur angepaßte Spulen zu verwenden.

Die in die Spule 12 über die Anschlüsse k, 5 die Leiterplatten 2, 3 und die Rohre 6, 7 eingeleitete elektrische Energie wird auf induktivem Wege in die Spule 13 übertragen. Dadurch wird ein weiterer Frequenzgenerator für die Spule 13 oder die Verwendung miteinander kontaktierter Spulenhälften entbehrlich. Zur induktiven Ankopplung sind die beiden Spulen 12, 13 mit je einem Koppelglied in Form eines nach außen gerichteten Fortsatzes 22 bzw. 23 versehen. Die Fortsätze verlaufen parallel zueinander und stehen sich in Arbeitsstellung der Spulen mit geringem Abstand gegenüber. Dieser Abstand wird durch eine Isolier stoffolie 2k definiert, die an einem der Koppelglieder befestigt, beispielsweise aufgeklebt, ist. Eine weitere Isolierstoffolie 25 ist zwischen den Verlängerungen JO, U der Spule 12 und dem diesen zugewandten Ende der Spule J 3 an den Verlängerungen 10, Jl angebracht.

Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist bestehen die Abschnitte 18, 19 und die ihnen zugeordneten Fortsätze 22 bzw. 23 der Spulen 12, 13 jeweils aus zwei vorzugsweise parallel zueinander verlaufenden, in Achsrichtung des Werkstücks 20, 21 mit Abstand voneinander angeordneten und entsprechend gebogenen Rohren 26, 27- bzw. 28, 29. Die Rohre 26, 27 sind an ihrem den Fortsatz bildenden Ende durch ein hohles, metallisches Querstück 30 elektrisch leitend miteinander verbunden.

Zur Verbindung der Rohre 28, 29 an ihrem der Isolierstofffolie 25 zugekehrten Ende dient gleichfalls ein hohles metallisches Querstück 31, während eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den den Fortsatz 23 der Spule 13 bildenden Rohrenden durch die Platte 1k hergestellt ist. Jede Spule bildet somit einen geschlossenen Stromkreis zur Führung von Wechselströmen, die in die Spule 12 eingespeist und durch induktive Kopplung über die Fortsätze 22, 23 auf die Spule 13 übertragen werden. Zur Erhöhung der Feldliniendichte des Magnetfeldes im Bereich des zu erhitzenden Werkstücks 20, 21 ist den bogenförmigen Abschnitten 18, 19 der beiden Spulen 12, 13 je ein Joch 32 bzw. 33 aus weichmagnetischem Werkstoff zugeordnet. Es werden vorzugsweise Ferrite mit guten magnetischen Eigenschaften verwendet, deren spezifischer Widerstand dem von Isolatoren entspricht und welche daher sehr kleine Wirbelstromverluste haben. Der Innenradius der Joche entspricht demjenigen der Spulenabschnitte 18 bzw. 19. Die dem Werkstück 20, 21 zugekehrte Fläche der Joche ist mit je avei parallelen Nuten 3^·, 35 bzw. 36, 37 versehen, in welche die Spulenrohre 26, 27 bzw. 28, 29 im Bereich des Spulenabschnitts 18 bzw. 19 eingebettet sind. Die Befestigung der Joche 32, 33 an den Spulenrohren kann durch gut wärmeleitendes Kleben erfolgen.

Die durch Unmagnetisierungsverluste entstehende Wärme in dem weichmagnetischen Material der Joche könnte durch Steigerung des magnetischen Flußes so hoch getrieben werden, daß eine Sättigung und damit eine Zerstörung eintritt. Aus diesem Grunde ist eine externe Kühlung durch Kühlplatten 38, 39 (Figur 1) erforderlich. Die spezifische Leistung der Induktorkombination wird dadurch erhöht, bzw. auch die Einsetsbarkeit bei höheren Frequenzen möglich.

Vor Durchführung einer Lötung -werden die. Spulen 12, durch entsprechendes '/erstellen des Schlittens ΐβ und/ oder der Isolierstoffplatte 1 in eine Offenstellung gebracht, d.h. voneinander entfernt, um das Einführen des zu erhitzenden Werkstücks zu erleichtern bzw. überhaupt zu ermöglichen. Die Spulenlagerung und -führung kann hierbei so ausgebildet sein, daß sich zumindest eine Spule in zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen bewegen läßt, so daß auch Werkstücke mit komplizierter Geometrie erhitzt werden können.

Nach Vorbereitung der miteinander zu verbindenden Rohre 20, 21 werden diese als ganzes zwischen die Spulen 12, 13 eingeführt, derart, daß die Lötstelle von den Spulenabschnitten 18, 1.9 umfaßt wird, wobei der zu erwärmende Bereich auf die Ausdehnung des Induktionsfeldes beschränkt ist. Nach Überführung der Spulen in die in Figur 1 dargestellte Schließstellung wird der Induktionsstrom eingeschaltet. Die dadurch in die Spule 12 eingespeiste Energie wird durch die induktive Ankopplung im Bereich der Fortsätze 22, 23 auf die Spule 13 übertragen. Die induzierten Wirbelströme erwärmen sowohl den Lotring als auch die benachbarten Bereiche der Rohre 20, 2J bis zur Verflüssigung des Lots. Es lassen sich relativ kurze Heizzeiten je nach Materialeigenschaft der Rohre von 5 bis 20 Sekunden erzielen, so daß Verzundern, Oxydation und Verformung des Werkstücks vermieden wird.

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- Leerseite -

Claims (1)

1. 27.^.1984 St/Fi

   ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART

   Ansprüche

   1. Vorrichtung zum elektro-induktiven Erhitzen von metallischen Werkstücken mit wenigstens zwei zur Führung von Wechselströmen dienenden Spulen, von denen eine Spule an einen Wechselspannungsgenerator angeschlossen ist und die in diese Spule eingespeiste Energie durch induktive Koppelung auf die andere Spule übertragen vird, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule (12, 13) einen Teil des Werkstücks (20, 21) in Umfangsrichtung einschließt und der Kontur des Werkstücks nachgebildet ist, daß mindestens eine Spule (13) zwischen einer Arbeitsstellung und einer das Einsetzen und Entnehmen des Werkstücks gestattenden Offenstellung beweglich angeordnet ist, und daß die Spulen (12, 13) der induktiven Energieübertragung dienende Koppelglieder haben, die sich in der Arbeitsstellung der Spulen mit geringem Abstand gegenüberliegen.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelglieder der Spulen (12, 13) durch eine Folie (2U) aus isolierendem Werkstoff voneinander getrennt sind.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule (12, 13) aus mindestens einer einen geschlossenen Stromkreis bildenden Windung besteht, die einen das Werkstück (20, 21) teilweise umfassenden und dessen Außenkontur nachgebildeten Abschnitt (17 bzw. 18) und mindestens einen sich an

   den Abschnitt anschließenden, nach außen gerichteten Fori satz (22 "bzw. 23) als Koppelglied hat.

   h, Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der das Werkstück (20, 21) teilweise umfassende Abschnitt (17 bzw. 18) und der nach außen gerichtete Fortsatz (22 bzw. 23) der Spulenwindung aus zwei parallel zueinander verlaufenden, in Achsrichtung des Werkstücks mit Abstand voneinander angeordneten Teilen (26, 27 bzw. 28, 29) bestehen, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

   5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (12, 13) als Hohlleiter mit vorzugsweise rechteckigem Querschnitt ausgebildet sind.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiter aus in sich starren Metallrohren mit guter elektrischer Leitfähigkeit bestehen.

   7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (12, 13) in je ein aus einem Werkstoff mit guten magnetischen Eigenschaften bestehendes Joch (32 bzw. 33), vorzugsweise in ein Joch aus Ferrit, eingebettet sind.