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Elektrische Spule oder Leiterschleife zum induktiven Erhitzen von
Werkstücken Die Erfindung betrifft einen Induktor zum Erhitzen von Werkstücken,
insbesondere zum Härten der Werkstücke unter nachfolgendem Abschrecken, und zwar
bezieht sie sich gleichermaßen auf Spulen, die das. Werkstück umfassen, und auf
Leiterschleifen, die sich über der Oberfläche des Werkstücks schließen. Die Erfindung
bezieht sich weiterhin sowohl auf die, bekannten Verfahren, bei denen Werkstück
und Induktor stillstehen, als auch auf diejenigen Verfahren, bei denen zwischen
Werkstück und Induktor eine Relativ-Bewegung derart stattfindet, daß fortschreitend
ein Abschnitt des Werkstücks nach dem anderen auf die erforderliche Temperatur gebracht
und, sofern der Zweck des Erhitzens der Oberflächenhärtung dient, nachfolgend abgeschreckt
wird.
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Bei der Anwendung der an sich bekannten Heizverfahren sind bereits
die verschiedensten Vorschläge gemacht worden, wie auf dem Umfang des Werkstücks
bzw. auf einer oder mehreren Flächen eine gewünschte Temperaturverteilung sichergestellt
werden kann.
So ist lxisl'ielSEVtise für lang gesireckte Werkstucke
in Forni von Blechen oder Platten vc-,rgeschlagen worden, daß den Oberflächenteilen,
die der Heizwirkung bevorzugt unterliegen sollen. Heizleiterabschnitte ztigeardnet
werden, die geringeren Osterschnitt haben als gegenüber andren Flächen d:# Werkstücks.
die weniger hohe Temperaturen annehmen Söllen. Die starke Stromkonzentration gegenüber
solchen Heizleiterabschnitten geringen Osterschnitts ruft ein schnelleres und damit
gegebenenfalls auch stärkeres Erwärmen hervor als diejenige, die gegenüber Heizleiterabschnitten
mit größeren Ouerschnitten eintritt, da hier die Stromkonzentration geringer ist.
Da aber an den letztgenannten Stellen ebenfalls Warme erzeugt wird, muß diese durch
Kühleinrichtungen vernichtet «-erden. Eine unbefriedigende Wärmewirtschaftlichkeit
einer derartigen Einrichtung ist die Folge. Es sind auch schon Vorschläge gemacht
worden. die Erwärmung bzw. Temlaeratur@#erteiluiig durch, Ändern des Kopplungsgrads
zu erreichen, was aber zu einer unerwünschten Verminderung der elektrischen Energieausnutzung
führt. Auch Vorschläge, die dahing:hen, den Heizleiter gegenüber den bevorzugt aufzuheizenden
Werkstückteilen zti verbreitern unter Aufrechterhaltung der gleichen Otierschnitisfläche
auf dem gesamten Umfang der Spule oder Schleife, haben nicht voll befriedigt. Zweck
der Erfindung ist es. diese Nachteile bereits vorgeschlagener 'Vorrichtungen zu
vermeiden und insbesondere die Lenkung einer gewünschten Temperaturverteilung im
Werkstück bei einem hohen Wärmewirkungsgrad vornehmen zu können. I_rreicht wird
dies gemäß der Erfindung dadurch, daß die tatsächliche Wirklänge der Heizsptil°
oder Heizschleife gegenüber der aufzulizizenden Fläche des Werkstücks ver-Iäng2rt
wird. Dit Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Zunahme des Oliinscl:"n Spannungsanteils
am Heizleiter je Weglänge geringer ist als die Zunahme des induzi:i-enden Anteils.
Es ist daher möglich, mit gleicli2i-Energie eine Konzentrierung der Wärmewirkung
auf einem bestimmten Abschnitt zu erreichen, wenn man den Heizleiter in diesem Abschnitt
so verlegt. daß der Strom gezwungai wird. größere Wege zurückzulegen. Zu diesem
Zweck wird der Heizleiter zickzack-oder cvellenförinig gelegt, wobei zu 11°aclit:n
ist. daß cier Abstand der eiilzan2n \\-elleil groß ganug ist. tun eine Bifilarwirl:ung
zu verhind2ril. Die Wellen werden in einer El;eiie verlegt, die im wesentlichen
parallel zur Obertläclle des Werkstücks verläuft, und sie streichen eine 7_onenlyreit-a,
die der aufzuheizz-nden "Zone des Werkstücks entspricht. An Hand der schematischen
Zeichnungen v«ii Ausführungsbeispielen für Vorrichtungen gemäla der Erfindung wird
ini nachfolgenden die Erfindtinnäher erläutert.
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In AM). i ist zum @-erstiindnis der Erfindung zunächst Z"«rriclittiilg
dargestellt, wie sie bereits vorgeschlagen «-orden ist. Das zu Härtende Werkstück
i soll durch eine Heizvorrichtung hinflurch lx wiegt «-erden. -,-,-odurch an der
oberen Fläche eine bei .4 angedeutete Erhitzungszane :ntstehen soll. Durch nachfolgendes
Abschrecken wird diese Zone sodann gehärtet. Die Bewegungsrichtung des Werkstücks
ist durch den Pfeil? angedeutet. Die Ifeizspula3 weist auf ihren Abschnitten 3i'
uni 31' größere Querschnitte auf als der Abschnitt 3".
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Infolgedessen wird an der Fläche .I des \%-erlcstiiclzs i 2in° wesentlich
höhere 'heinpurattir erzeugt als an den Flächen. die den Spulrilabschnitten 3 L'
und " 1:Lnachbart sind. L)-ie Erwärmung in diesen Flächen läßt sich aLer nicht ganz
vermeiden. s() daß durch Kühlen dafür gesorgt werden niuß, daß die liier entstehende
Wärm` -,-erniclltet wird. Der \@"ärnlewirlcun@r@grad ist mithin ungünstig. fiel
einer derartigen Heizeinrichtung herrscht auf <lein gesamt:n Umfang gleiche Spannungsverteilung.
Soweit überhaupt Unterschiede laeohachtet werden, beruhen diese auf einem unterschiedlichen
Ohmsclien Spannungsabfall iiliol"e d 2i- verschiedenen Leiterquerschnitte.
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In Abb. a ist Lilie Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, die
dem gleichen Zweck dienen soll. der finit der Vorrichtung nach _1i31). i erreicht
wird. d. 11. also die Platte i wird in Pfeilrichtung 2 durch die Heizeinrichtun
3 hindurchbewegi Lind :oll an der @@l:.erfläche. wie hei 4 ange(Ieutet. beispielswLise
zum Zweck !Ies Ilä rt@ns stark erhitzt werden. Die Spule unterscheidet sich indes
von der Spule nach Abb. i dadurch, daß der Leiterteil, der der aufzubeizenden Fläche
des \%-erkstüel;s benachbart ist. in Schleifen verlegt ist. Die Schleife 3,1 liegt
in einer Ehefite parallel zur aufzuheizenden WerkStückfläche und überdeckt eitle
Zone v@iil der Breite 11, die der Breite der Heizzone entspricht. Die einzelnen
Schleifen haben einen Abstand, der eine gegenseitige Beeinflussung der einzelnen
Bögen ausschaltet, so daß eitle 13,ifilarwirkung, die im äul:lerst°n Fall zur vollkommenen
-ltifliebting des Magnetfeldes führen könnte, vermieden wird. Diese_\nordnung führt
dazu, daß in den i:@ebieten 3j und 3' der Spule der induzierende Anteil der
Spannung wesentlich :ringer ist als gegenüber dein Teil 3", «-o durch Verlängern
der Wegstrecke der induktive Widerstand wesentlich ver-röl)ert ist. Es wird zwar
durch das Verlegen des eigentlichen Heizleiter, 3" in Weilen eine V ergrößerun-
d1:OhinschenSpannungsanteiIes je Weglänge
hervorgerufen,
indes ist diese bedeutend geringer als die Vergrößerung des zur Übertragung der
Leistung in das Werkstück wesentlichen induktiven Anteils.
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Je nachdem, welche Form die Wellen annehmen bzw. welchen Abstand die
einzelnen Bögen voneinander haben, könnte eine selektive Wirkung der einzelnen Bögen
eintreten, d. h. es könnte eine Erhitzungszone entstehen, die im wesenlichen ein
Abbild der Wellenform wäre. Eine solche Erhitzungszone ist indes unerwünscht.
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Sie wird dadurch vermieden, daß dem Induktor in Richtung des .Pfeiles
5 eine, hin und her gehende Bewegung erteilt wird, da sich alsdann die um die- einzelnen
Bögen herum gebildeten Magnetfelder in ihrer Wirkung auf die- Werkstückoherfläche
überlagern. Um die oszillierende Bewegung sicherzustellen, sind bei 6 in die Zuleitungen
bewegliche Lamellen eingeschaltet, die bei 7 gegeneinander isoliert sind. Diese
Lamellen gestatten eine seitliche Bewegung der Heizeinrichtung. Die Bewegung wird
hervorgerufen durch an sich bekannte mechanische oder elektrische Vorrichtungen.
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Während in Abb.2 eine das Werkstück umfassende Spule dargestellt ist,
zeigt Abb. 3, eine sog. Leiterschleife, die sich über dem Werkstück schließt. Der
eine Ast 3b der Leiterschleife ist gerade ausgeführt, während der andere Ast 3a.
in Wellenform verlegt ist. Die Form ist hier eckig, und es ist ohne weiteres ersichtlich,
daß an Stelle einer derartigen eckigen Form beispielsweise auch eine Form benutzt-
werden könnte, wie sie in Abb. 2 dar-. gestellt ist. Dieser Vorrichtung wird zweckmäßig
ebenfalls eine oszillierende Bewegung in Richtung des Pfeiles 5 erteilt, wozu in
den Zuleitungen bewegliche Lamellen 6, die bei 7 gegeneinander isoliert sind, angeordnet
sind. Mit einer derartigen Vorrichtung, bei der der gerade und der wellenförmige
Ast eine Vielzahl von Flächen 8 gleicher Form einschließt, die je nach der gewählten
Art Dreiecke, Vierecke, Halbkreise od. dgl. sein können, gelingt es, einen erheblichen
Wärmefluß nach dem Innern des Werkstücks vordringen zu lassen. :Ulan gelangt mithin
bei gleicher Frequenz zu größeren Eindringtiefen der Erwärmung. Da gegenüber dem
geraden Ast 3b dieWärmewirkung wesentlich geringer ist als gegenüber dem wellenförmig
verlegten Ast 3a, kann eine solche Vorrichtung mit besonderem Erfolg dort benutzt
werden, wo es sich darum handelt, unter schwacher Vorwärmung und starkem endgültigem
Erwärmen einen Gesamterhitzungsvorgang durchzuführen. Von besonderem Vorteil ist
die Anwendung einer solchen Vorrichtung daher bei langgestreckten Werkstücken, wie
Panzerplatten od. dgl., bei denen eine solche Erwärmung aus metallurgischen Gründen
gewisse Vorzüge genießt.
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Eine weitere Ausbildungsform einer Heizleiterschleife ist in Abb.4
dargestellt. Beide Äste 311 und 3b sind hier in Wellenform verlegt, und zwar derart,
daß die einzelnen Äste sich überschneiden. Während die beiden Äste gemäß Abb. 3
Flächen 8 von rechteckiger Form einschlossen, schließt eine Vorrichtung gemäß Abb.
a Flächen 8 kreisförmiger Form ein.
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Durch eine derartige Vorrichtung ist eine besonders gute Übertragung
der Leistung vom Induktor auf das Werkstück gewährleistet.
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Bei den Vorrichtungen gemäß Abb. 2 bis 4. ist jeweils eine Spule bzw.
eine Leiterschleife vorgesehen. Es ist indes auch möglich, besondere Wirkungen zu
erzielen, indem mehrere Spulen oder mehrere Leiterschleifen zu gemeinsamer Wirkung
vereinigt werden. Solche Vorrichtungen sind .in den Abb. 5 und 6 für eine Spulenanordnung
dargestellt, wobei jeweils zwei Spulen vorgesehen sind. Es ist jedoch ohne weiteres
möglich, auch mehr als zwei Spulen anzuordnen. Wesentlich ist bei einer derartigen
Ausführungsform, daß in benachbarten Spulen bzw. Schleifen in jeder Phase jeweils
entgegengesetzteS:tromrichtungherrscht. Diebeiden Spulen 3 und 13 der Abb.
5 sind in ihren heizenden Teilen 3a und i3 a so gelegt, daß rombenarti.ge Flächen
8 eingeschlossen werden.
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Bei der Vorrichtung gemäß Abb. 6 ist die Form der Teile 3 bzw. 13
so, gewählt, daß rechteckige Flächen 8 eingeschlossen werden. Selbstverständlich
ist es auch hier möglich, eine oszillierende Bewegung hervorzurufen, um eine selektive
Wirkung der einzelnen Bögen zu unterbinden. Ein besonderer Vorteil der Vorrichtungen
gemäß Abb. 5 und 6 beruht auch darauf, daß in den Abschnitten 3 und 13 eine
Bifilarwirkun:g hervorgerufen werden 'kann, die ein Aufheizen der nicht' zu erwärmenden
Flächen des Werkstücks unter allen Umständen vermeidet.
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Wie bereits aus den Zeichnungen ersichtlich, eignen sich Vorrichtungen
gemäß der Erfindung in hervorragendem Maße zum einseitigen Oberflächenerhitzen langgestreekter
Werkstücke, insbesondere von Panzerplatten. Indes ist die Anwendungsmöglichkeit
hierauf nicht beschränkt, sondern sie ist grundsätzlich überall dort gegeben, wo
es sich darum handelt, eine gewisse Temperaturstaffelung längs der Hauptstromrichtung
durchzuführen, oder wo es erforderlich ist, eine besonders wirksame Leistungsübertragung
zwischen Induktor und Werkstück sicherzustellen. Es können daher mit derartigen
Vorrichtungen auch. Walzei, Schienen, Nocken und andere Maschinenteile behandelt
werden, und zwar nicht nur zu
dem Zweck, @2in durchzuführen, sondern
auch beispielsweise für Zwecke des Glühens und Entspannens von Blechen.