DE4211680C2 - Kompaktes Induktions-Heizgerät zum Feinschweißen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Induktions-Heizgerät zum Feinschreiben an Metallteilen für Anwendungen in der Optik und, im allgemeinen, bei Miniaturverschweißun­ gen, mit hinteren und/oder seitlichen Anschlüssen für ein Kabel zur Verbindung mit einem Elektrogenerator und für Leitungen zur Verbindung mit einem Kühlsystem.

Es sind Schweißgeräte mit Induktionsheizung bekannt, deren Arbeitsweise darauf beruht, daß ein Hochfrequenzstrom über einen elektrischen Stromkreis einer Luftspule zum Schweißen zugeführt wird.

Diese Spule hat kleine Abmessungen, um den von ihr er­ zeugten Fluß in kleine Räume führen zu können, wo bei Vorhandensein eines leitenden Metalls aufgrund induzierter Parasitär- oder Wirbelströme so hohe Temperaturen erreicht werden können, daß das Metall lokal zum Schmelzen gebracht wird.

Dieser Effekt wird für Miniaturverschweißungen angewendet, wobei für Verschweißungen in der Optik (z. B. für Brillen­ gestelle) und für Mikroverschweißungen Generatoren mit Frequenzen bis zu einigen MHz und Leistungen in der Größen­ ordnung einiger kW eingesetzt werden.

Die bekannten Induktions-Heizgeräte für diese Anwendungen werden über Kabel von einem Generator gespeist. Sie be­ herbergen einen großen Hochstromtransformator, der kernlos oder mit Ferritkern ausgeführt sein kann. Die Sekundär­ ströme dieses Transformators speisen die Luftspule zum Schweißen, und erzeugen so den Heizeffekt.

Diese bekannten Heizgeräte beanspruchen viel Platz und sind relativ schwer, da sie im Inneren den großen Hoch­ stromtransformator zur Erzeugung der Sekundärströme auf­ nehmen müssen.

Die bekannten Heizgeräte haben daher den großen Nachteil, nicht für Anwendungen geeignet zu sein, bei denen Schweiß­ geräte an automatisch bewegbaren Armen von Schweißrobotern oder an automatisch bewegbaren Elementen von Anlagen mit mehreren Schweißstationen anzuordnen sind. Vorteilhaft wäre daher ein Induktions-Heizgerät mit so kleinen Abmessungen und einem so geringen Gewicht, daß eine geringe mechanische Trägheit der das Heizgerät tragenden Struktur resultiert und ein Einführen des Heizgeräts in kleine Arbeitsräume ermöglicht wird.

Weiterhin ist bei den bekannten Heizgeräten die Kopplung zwischen der Primär- und der Sekundärspule des Transforma­ tors und zwischen dem Transformator und der Lastinduktivität sehr schwach. Dies verursacht erhebliche Leistungsverluste. Wesentlich ist auch, daß der Sekundärteil des Transformators der Lastinduktivität, d. h. der Schweißspule einen Strom in der Größenordnung einiger 100 Ampere zuführen muß. Dieser hohe Strom führt in den Wicklungen aufgrund deren großen Reaktanzen zu hohen Spannungsabfällen. Zur Kompensation dieser Spannungsabfälle ist ein entsprechend großdimensio­ nierter Transformator nötig. Aufgrund des Skineffekts und des Widerstands der Wicklungen kommt es zu weiteren Ver­ lusten, was eine weitere Vergrößerung des Transformators nötig macht und entsprechend zu einem höheren Platzbedarf führt.

Es kommt also zu einer großen Energiedissipation durch den Joule-Effekt (d. h. zu Wärmeverlusten), die - auch zu Zeiten, in denen nicht geschweißt wird - entsprechende Kühl­ systeme und die Zuführung großer Ströme durch den Generator nötig macht. Dies hat einige Hersteller dazu angeregt, Geräte zu schaffen, die ihren Betrieb nach jedem Schweiß­ vorgang unterbrechen und dann wieder aufnehmen. Dies hat jedoch die Komplexität dieser Geräte noch weiter erhöht. Die bekannten Induktions-Heizgeräte verlangen also den Einsatz leistungsstarker Generatoren (mit einigen kW), die aufgrund der verwendeten Frequenzen im Bereich von MHz sehr kompliziert und damit sehr aufwendig sind.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 85 09 352 U1 ist eine Vorrichtung zum Verschweißen von Kunststoffolien bekannt mit den Sachmerkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bekannt. Bei dieser wird die Induktionsspule direkt mit einem Kondensator verbunden und bildet einen Resonanzkreis, während der Transformator vom Schwingkreis getrennt und mit diesem durch Leitungen verbunden ist, durch die nur noch ein Wirkstrom fließt. Eine derartige Vorrichtung ist jedoch nicht zum Verschweißen kleiner metallischer Gegenstände, wie zum Beispiel Brillengestellen geeignet. Die bekannte Vorrichtung dient lediglich zum Erwärmen, nicht jedoch zum Schmelzen von Metall. Die Induktivität der dort beschriebenen Spule ist verhältnismäßig groß, so daß das Auftreten von Streuinduktivitäten im elektrischen Schwingkreis nur eine untergeordnete Rolle spielt. Will man jedoch die aus DE 85 09 352 U1 bekannte Vorrichtung mit einem Induktionselement zum Feinschweißen metallischer Teile versehen, so würden, aufgrund der zwischen den Stromschienen angeordneten Kondensatoren, so große Streuinduktivitäten auftreten, daß der Wirkungsgrad der entsprechenden Vorrichtung deutlich verschlechtert werden würde.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Induktions-Heizgerät zum Feinschweißen von Metallteilen mit minimalen Verlusten und einem niedrigen Leistungsbedarf gegenüber dem Speisegenerator zu schaffen. Das Heizgerät sollte dabei so klein, kompakt und leicht ausgeführt sein, daß es zum Einsatz an Armen von Schweißrobotern oder z. B. an drehenden Teilen geeignet ist.

Ein erfindungsgemäßes Induktions-Heizgerät weist nicht die oben beschriebenen Nachteile der bekannten Induktions- Heizgeräte auf. Es kann auch in automatisierten Anlagen eingesetzt werden, und macht nur einen geringeren Wartungs­ aufwand erforderlich. Es führt zu geringeren Verlusten und Parasitärerwärmungen, und schafft einen Ausgleich zwischen hoher Leistung und guten Einsatzmöglichkeiten beim Schweißen.

Die vorliegende Erfindung besteht aus einem Induktions-Heizgerät zum Feinschweißen metallischer Teile, insbesondere von Brillen, mit hinteren und/oder seitlichen Anschlüssen für ein Kabel zur Verbindung mit einem Elektrogenerator;
Anschlüssen für Leitungen zur Verbindung mit einem Kühlsystem; einem Gehäuse,
das im Inneren einen kapazitiven Teil eines elektrischen Mittelfrequenz-Resonanzkreises enthält,
das ein vorne aus dem Gehäuse ragendes Schweiß- Induktionselement mit mindestens einer Windung aufweist, wobei das Induktionselement einen induktiven Teil des Resonanzkreises bildet, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Schweiß- Induktionselement ein oder zwei Windungen aufweist, und
zwei Stromschienen in möglichst geringem Abstand nebeneinander liegen und durch Kapazitätselemente des Resonanzkreises elektrisch miteinander verbunden sind, die auf der Ober- und/oder Unterseite der Stromschienen angeordnet sind, so daß das Induktionselement zusammen mit den Kapazitätselementen einen Resonanzkreis hoher Güte bildet.

Die Erfindung besteht somit in einem kompakten Gerät, das im Inneren den kapazitativen Teil eines elektrischen Mittel­ frequenz-Resonanzkreises enthält, und das ein vorne aus dem Gerät ragendes Induktivitätselement in Form einer Stromschleife mit einer oder zwei Windungen, aufweist, wobei das Induktivitätselement den induktiven Teil des Resonanzkreises darstellt.

Das so ausgebildete Induktions-Heizgerät umfaßt zur Erzeu­ gung des Heizeffekts im induktiven Teil nur eine Luft-Stromschleife (d. h. eine kernlose Stromschleife) mit ein oder zwei Windungen, wobei die Windungen einen Durchmesser von nur wenigen Millimetern aufweisen. Dadurch kann der magnetische Fluß auf eine kleine Fläche gebündelt werden. Der induktive Teil hat eine Induktivität von ungefähr 0,05 µH und einen sehr kleinen Ohm′schen Widerstand, was eine sehr hohe Güte des teilweise durch den induktiven Teil gebildeten Resonanzkreises bedingt.

Dadurch muß der Generator auch für hohe Resonanzströme nur einen kleinen Strom liefern. Dies macht eine extrem kom­ pakte Form der erfindungsgemäßen induktiv-kapazitiven Einheit, eine Vereinfachung des Generators und insgesamt eine Verringerung des Aufwands möglich. Zur besseren Be­ weglichkeit des Schweißkopfes bleibt nur ein dünnes und flexibles Verbindungskabel zwischen Generator und Schweiß­ kopf nötig.

Anhand der angefügten Figuren werden nun Ausführungsformen eines er findungsgemäßen kompakten Induktions-Heizgeräts näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches Schaltschema eines Heizgeräts mit einem Speisegenerator,

Fig. 2 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform eines Heiz­ geräts, wobei ein den kapazitiven Teil eines Resonanzkreises und Hilfsstromkreise zur Steuerung umschließendes Gehäuse nicht gezeichnet ist,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Heizgeräts der Fig. 2 in vereinfachter Form, und

Fig. 4 eine Aufsicht auf eine andere Ausführungsform des Heizgerätes, bei der der kapazitive Teil von mehreren, zueinander parallel angeordneten zylindrischen Kon­ densatoren gebildet wird.

Die Figuren und die dazugehörige Beschreibung beschränken sich im wesentlichen auf den elektrischen Resonanzkreis, da dieser das Besondere der Erfindung darstellt. Es ver­ steht sich, daß die Figuren nur zur Veranschaulichung des Erfindungsgegenstands, nicht jedoch zu dessen Beschränkung dienen sollen.

In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 ein Schweißkopf be­ zeichnet, mit 2 eine kernlose Schweiß-Stromschleife zur Wärmeerzeugung, mit 3 elektrische Eingangsklemmen, mit 4 ein (vorzugsweise abgeschirmtes) Elektrokabel mit 5 ein Generator und mit 6 elektrische Kapazitätselemente im Schweißkopf 1.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Mit den Bezugsziffern 7 und 8 sind zwei nebeneinanderliegende hohle Stromschienen bezeichnet. Die Stromschienen 7 und 8 stehen nicht in elektrischem Kontakt zueinander; sie sind durch eine Isolierschicht 9 voneinander getrennt. Mit 10 sind Anschluß- und Halte­ flügel bezeichnet, die aus den Schienen 7 und 8 ragen, und auf denen Kondensatoren 11 hoher Güte angeordnet sind. Die Kondensatoren bestehen jeweils aus einer Viel­ zahl von leitenden Schichten, die durch dünne Glimmer- Isolierschichten getrennt sind.

Mit 12 ist eine Isolierplatte bezeichnet, die die Strom­ schienen 7 und 8 hinterseitig verbindet. Die Bezugsziffern 13 und 14 bezeichnen Anschlüsse für einen Kühlmittelkreis­ lauf, während 15 und 16 die elektrischen Eingangsklemmen für eine Verbindung mit dem Generator durch das Elektro­ kabel 4 bezeichnen.

Mit 17 ist ein nicht-leitender Bolzen bezeichnet, der die Stromschienen 7 und 8 vorderseitig auf Abstand hält. Mit 20 ist schließlich eine röhrenförmige isolierende Brücke bezeichnet, die nahe der vorderen Enden der Stromschienen 7 und 8 die inneren Hohlräume der Stromschienen 7 und 8 miteinander verbindet, wodurch wenigstens ein Teil des Kühlflüssigkeitsstroms kurzgeschlossen wird.

Die Stromschienen 7 und 8 sind nebeneinander angeordnet, ohne dabei einen Kontakt miteinander zu bilden. Sie sind im mittleren und im hinteren Bereich durch Kapazitäts­ elemente in Form von Kondensatoren 11 mit hoher Güte, d. h. mit einer Isolierung mit einem sehr hohen Widerstand und Elektroden mit einem sehr niedrigen Widerstand, ver­ bunden. An der Vorderseite sind die Stromschienen mit zwei röhrenförmigen Elementen 18 aus elektrisch leitendem Material verbunden, die an der Schweiß-Stromschleife 2 mit einer oder zwei Windungen enden. Der Durchmesser der Stromschleife 2 ist proportional zu den Abmessungen der Flä­ che, auf die der Fluß einwirken soll, also proportional zu den Abmessungen der zu erhitzenden und zu schweißenden Fläche, die in der Größenordnung von Millimetern liegen.

Das durch die Schweiß-Stromschleife 2 gebildete Induktions­ element verhält sich während des Betriebs wie die Primär­ wicklung eines Transformators, dessen Sekundärwicklung von dem zu erhitzenden Metallelement gebildet wird, wo­ bei diese wie eine geschlossene Kurzschluß-Windung wirkt. Aufgrund des Joule-Effekts der induzierten Ströme entsteht in dieser Kurzschluß-Windung Wärme, die das Metallelement erhitzt, so daß es auf hohe Temperaturen kommt oder zum Schmelzen gebracht wird.

Das durch die Stromschleife 2 gebildete Induktionselement ist parallel zu den Kondensatoren 11 geschaltet. Die In­ duktivität des Induktionselements und die äquivalente Kapazität der Kondensatoren sind so gewählt, daß die Fre­ quenz des Speisestroms, der normalerweise größenordnungs­ mäßig einige Hunderttausend bis einige Millionen Oszillationen pro Sekunde ausführt, im Bereich der Resonanz­ frequenz des Resonanzkreises liegt, wodurch dieser in Resonanz gebracht wird. Der vom Generator 5 herrührende Speisestrom wird so aufgrund des hohen Gütefaktors des Resonanzkreises verstärkt, so daß ein hoher Kreisstrom in der Stromschleife 2 entsteht.

Dies hat einen erhöhten magnetischen Fluß und damit einen größeren induzierten Strom in der zu erhitzenden und/oder zu schweißenden Fläche und damit wiederum einen größeren Er­ wärmungseffekt für diese Fläche zur Folge.

Der Resonanzstrom fließt durch den ganzen Resonanzkreis, also durch die Schweiß-Stromschleife 2, die röhrenförmigen Elemente 18, die Stromschienen 7 und 8 und die metalli­ schen Elektroden der Kondensatoren 11. Die Kondensatoren 11 bilden für Mittelfrequenzströme, wie die hier verwendeten, nur einen vernachlässigbaren Widerstand. Es tritt daher nur eine sehr geringe Dissipation in Wärme auf, so daß der Speisegenerator 5 in Pausen zwischen zwei Aufheizungen oder Schweißvorgängen nur sehr wenig Strom liefern muß, falls der Betrieb des Heizgeräts in diesen Pausen nicht eingestellt wird.

In Zeitintervallen, in denen aufgeheizt und/oder geschweißt wird, erhöht sich der Versorgungsstrom wegen der dann statt­ findenden aktiven Dissipation von Energie.

Im allgemeinen ist die Wärmemenge gering, die bei dem er­ findungsgemäßen Heizgerät abgeführt werden muß, um eine Überhitzung der Kondensatoren und der Steuerstromkreise zu vermeiden. Daher wird nur ein Kühlsystem mit geringer Kühlleistung benötigt. Entsprechend ist der Generator 5 so ausgelegt, daß er im Mittel nur eine mäßige Leistung abgibt und nur in den kurzen Zeitintervallen während des Schweißens eine höhere Leistung abgibt. Auch dies erlaubt eine konstruktive Vereinfachung.

Der Kühlkreislauf des erfindungsgemäßen Heizgeräts umfaßt axiale, im Inneren der Stromschienen 7 und 8 längs verlaufen­ de Hohlräume und im Inneren der Elemente 18 und der Stromschleife 2 verlaufende Hohlräume. Die Elemente 18 und die Stromschlei­ fe 2 werden nur vermindert von der Kühlflüssigkeit durch­ strömt, da sie außerhalb des Gehäuses im Freien liegen, und dadurch auf einfache Weise eine teilweise Kühlung durch die Umgebungsluft erfahren. Diese verminderte Durchströmung wird durch ein teilweises Kurzschließen des Kühlflüssig­ keitsstroms durch eine röhrenförmige nicht-leitende Brücke 20 realisiert, wobei die Brücke 20 im Bereich der vorderen Enden der Stromschienen 7 und 8 angeordnet ist.

Das Besondere der Erfindung liegt also in einem kompakten Induktions-Heizgerät mit einem mechanischen Aufbau, der einen elektrischen Resonanzkreis mit einem hohen Gütefaktor aufnimmt. Der induktive Teil des Resonanzkreises wird durch das einzige Induktionselement in Form einer Stromschleife 2 gebildet. Der kapazitive Teil des Resonanzkreises wird durch eine Vielzahl von Kondensatoren mit hoher Güte und einem kleinen Verlustwiderstand gebildet.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden aufgrund ihrer hohen Güte Glimmer-Kondensatoren verwendet. Es können jedoch auch Kondensatoren eines beliebigen anderen Typs in Parallel­ schaltung verwendet werden, wie z. B. die in Fig. 4 darge­ stellten zylindrischen Kondensatoren 21, oder auch andere elektronische Bauelemente, die sich wie Kondensatoren mit hoher Güte verhalten.

Entsprechend kann die Schweiß-Stromschleife 2 eine oder zwei Windungen aufweisen und in ihrer Größe, Form und Orientierung relativ zu den Elementen 18 an die anzufüh­ renden Schweißarbeiten angepaßt sein.

Das schachtelförmige Gehäuse der erfindungsgemäßen Vor­ richtung kann aufgrund der begrenzten Anzahl der von ihm aufzunehmenden Bauelemente auf einfache Weise in seiner geometrischen Form verändert werden. In der Regel wird es unten und/oder seitlich Verankerungsmittel aufwei­ sen, die in Abhängigkeit von dem Aufbau und der Art der Bewegungen des Mittels ausgebildet sind, an dem die erfindungsgemäße Vorrichtung zu befestigen ist.

Die Vorrichtung umfaßt außerdem Schalt­ kreise zur Erzeugung, Regelung und Steuerung der abzuge­ benden Leistung, der Zeit der Leistungsabgabe, der zu er­ reichenden Temperaturen des Drucks der Kühlflüssigkeit und anderer, nicht beschriebener Größen, die nicht den Gegen­ stand der Erfindung ausmachen.

Claims (4)

1. Induktions-Heizgerät zum Feinschweißen metallischer Teile, insbesondere von Brillen, mit:
hinteren und/oder seitlichen Anschlüssen für ein Kabel zur Verbindung mit einem Elektrogenerator;
Anschlüssen für Leitungen zur Verbindung mit einem Kühlsystem; einem Gehäuse,
das im Inneren einen kapazitiven Teil eines elektrischen Mittelfrequenz-Resonanzkreises enthält,
das ein vorne aus dem Gehäuse ragendes Schweiß-Induktionselement mit mindestens einer Windung aufweist, wobei das Induktionselement einen induktiven Teil des Resonanzkreises bildet,
dadurch gekennzeichnet, daß das Schweiß-Induktionselement (2) ein oder zwei Windungen aufweist, und zwei Stromschienen (7, 8) in möglichst geringem Abstand nebeneinander liegen und durch Kapazitätselemente (11) des Resonanzkreises elektrisch miteinander verbunden sind, die auf der Ober- und/oder Unterseite der Stromschienen angeordnet sind, so daß das Induktionselement (2) zusammen mit den Kapazitätselementen (11) einen Resonanzkreis hoher Güte bildet.

2. Induktions-Heizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromschienen (7, 8) hohl sind.

3. Induktions-Heizgerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zwei röhrenförmige Elemente (18) aus elektrisch leitendem Material, die einerseits mit den kontaktlos nebeneinanderliegenden Stromschienen (7, 8) verbunden sind, und andererseits an dem den induktiven Teil des Resonanzkreises des Heizgeräts (1) bildenden Schweiß-Induktionselement (2) enden.

4. Induktions-Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine röhrenförmige Brücke (20) aus elektrisch nicht-leitendem Material, die im Bereich der vorderen Enden der Stromschienen (7, 8) angeordnet ist und zum Kurzschließen wenigstens eines Teils eines Kühlflüssig­ keitsstroms eingerichtet ist.