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Verfahren und Vorrichtung zum elektroinduktiven Erhitzen metallischer
Werkstücke Das Verfahren des elektroinduktiven Erhitzens von Werkstücken ist an
sich bekannt und hat sich in der Praxis für die verschiedensten Zwecke bewährt.
Das Erhitzen erfolgt bekanntlich durch ein-oder mehrwindige Spulen, die das Werkstück
umfassen, oder durch Leiterschleifen, die sich über der Werkstückoberfläche schließen.
Die Spulen werden von Stromquellen mehr oder minder hoher Frequenz gespeist, und
zwar sind die Spulen bzw. Leiterschleifen entweder unmittelbar oder unter Zwischenschaltung
eines Transformators an diese Stromquellen angeschlossen. Das bekannte induktive
Erhitzen und die hierfür entwickelten Vorrichtungen dienen entweder dazu, das Werkstück
insgesamt oder nur an seiner Oberfläche zu erwärmen, wobei vielfach auch die Aufgabe
gestellt ist, Teile der Oberflächen von einer Erwärmung auszuschließen oder in nur
geringem Maße erfassen zu lassen. Die in dem Werkstück erzielte Temperaturerhöhung
dient den verschiedensten metallurgischen Zwecken, wie Anlassen, Ausglühen, oberflächlich
oder durchgehend Härten u. dgl.
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Ein Vorteil des elektroinduktiven Erhitzens gegenüber dem Erhitzen
der Werkstücke beispielsweise in einem Ofen oder durch unmittelbare Beheizung mit
einem Brenner ist die Möglichkeit, die Temperaturverteilung in der We-rkstückoberfläche
und auch im gesamten Werkstück nach Wunsch zu steuern, um beispielsweise einzelne
Teile nicht zu erwärmen, um beim nachfolgenden Abschrecken weiche Zonen zu erzielen
oder auch gewisse eng begrenzteTeile auszuglühen, um diese Stellen weich
zu
machen, Spannungen zu entfernen u. dgl. Es sind daher auch bereits :die verschiedensten
Vorschläge zum Steuern der Temperaturverteilung gemacht worden, so z., B. .dies
Verändern der Heizleiterduerschnitte, geeignete Kühlung des Werkstückes während
des Aufheizens, Veränderung des Abstandes zwischen Heizleiter und Werkstückoberfläche,
d. h. also eine Veränderung der Kopplung und ähnliche Mittel. Wenn auch im allgemeinen
die Ergebnisse dieser angewendeten Mittel zum Beeinflussen der Temperaturverteilung
zufriedenstellend sind, haben diese Mittel insofern gewisse Nachteile, als entweder
ein Optimum des theoretisch erzielbaren elektrischen oder wärmewirtschaftlichen
Wirkungsgrades nicht zu erreichen ist. So bedeutet beispielsweise die Verschlechterung
der Kopplung im der Nähe solcher Teile des Werkstückes, die eine geringere Temperaturerhöhung
erfahren sollen als der Rest des Werkstückes, eine Minderung des elektrischen Wirkungsgrades
und eine Kühlung und damit Vernichtung der im Werkstück zur Entstehung ,gelangenden
Wärme an einzelnen Stellen eine Beeinträchtigung der Wärmewirtschaftfichkeit. Auch
läßt sich im allgemeinen die Wirkung einer einmal gegebenen rSpulenanordnung im
Verlaufe des .Aufheizens nicht mehr ändern oder aber es sind verhältnismäßig verwickelte
elektrische und mechanische Vorgänge hierzu erforderlich.
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Diese Nachteile der bekannten Verfahren und Mittel sollen gemäß der
Erfindung beseitigt oder zum mindesten weitgehend vermindert werden. Hierzu schlägt
die Erfindung vor, das elektroinduktive Erhitzen metallischer Werkstücke mittels
Leiterschleifen oder Spulen so auszuüben, daß die Temperaturverteilung, insbesondere
in der Werkstückoberfläche, durch benachbarte, gegensinnig wirkende Magnetfelder
gesteuert wird. _ Diese Mlagnetfelder, die sich gegenseitig beeinflussen sollen;
werden .durch benachbarte Leiterteile erzeugt; die ,gegensinnig stromdurchflossen
sind.
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Nach d lies@em Grundsatz aufgebaute Vorrichtungen sind sowohl fÜr
Werkstücke verwendbar, bei denen nur ein Teil der Oberfläche, beispielsweise nur
eine Seite, aufgebeizt werden soll, als auch für Werkstücke, deren: gesamte Oberfläche
erhitzt werden soll. Für ein Erwärmen: metallischer Werkstücke über den ganzen Querschnitt
ist das Verfahren ebenfalls von Bedeutung; und zwar um Querschmittsänderurigen des
Werkstückes derart Rechnung tragen zu können, daß beispielsweise bei der fortschreitenden
Erwärmung, bei welcher eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Heizieinrichtung
stattfindet, unabhärftgig von diesen Formänderungen die Temperaturerhöhung stets
das gewollte Ausmaß aufweist. Das neuartige Mittel der Temperaturbeeinflussung ist
für die verschiedensten metäll'urgischeri Zwecke anwendbar, so beispielsweise -für
das Härten, Anlassem, Ausglüben u. dgl'.
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Im nachfolgenden wird die Erfindung an Hand: einiger Ausführungsbeispiele
näher erläutert: Die Abb. r diene zunächst dem Verständnis: der Verhältnisse, -die
eintreten, wenn die Oberfläche eines Werkstückes durch eine Leiterschleife beeinfluß-t
wird; d. h. also durch eine Spulenform, die sich nicht um den Werkstückkörper 'herum,
sondern über der. Werkstückoberfläche schließt. Diese Leiterschleife ist in Abb.
z bei 2 über dem Werkstück z beliebiger Form angedeutet. In der Leiterschleife fließt
ein Strom, der bei 3(' dem Fluß bei 3 innerhalb jeder Phase entgegengesetzt gerichtet
ist. Um die beiden Äste der Leiterschleife bilden sich die magnetischen Felder q.
und q.', die in dem Werkstück Heizströme induzieren. Unter der Voraussetzung, daß
keine Relativbewegung zwischen Werkstück und Heizeinrichtung stattfindet, ergibt
sich unter jedem Leiter eine Heizzone.
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Voraussetzung aber dafür, daß durch die entgegengesetzt durchflossenen
Äste der Schleife gleicliartigeZonen der Erwärmung erzeugt werden, ist jedoch, daß
der Abstand 5 zwischen beiden Ästen so groß ist, daß ein gegenseitiges Beeinflussen
der beiden erzeugten gegensinnigen Magnetfelderweitgehend ausgeschlossen ist. Werden
jedoch die beiden Äste der Schleife in unmittelbare Nachbarschaft (etwa neben- oder
übereinander) gebracht, so wird an dieser Stelle im Werkstück kein Strom mehr induziert
und daher auch keine Heizwirkung hervorgerufen, weil sich die beiden Magnetfelder
aufheben. Zwischen den beirclen äußersten Fällen unbeeinflußter Ausbildung beider
Magnetfelder und vollkommener Aufhebung gibt es stetig sich ändernde Wirkungen derart,
daß mit geringer werdendem Abstand zwischen den beiden Ästen die Heizwirkung bis
zu einem Optimum, dem Beginn des für den Fachmann in Frage komnnenden Variationsbereic
he!s, zu- und .dann abnimmt.
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Diese Abnahme des Abstandes im Variations= Bereich zwischen den beiden
Leiterästen kann längs ihrer Erstreckung sprunghaft, absatzweise bzw. stetig sein.
In Abb. 2 ist eine sprunghafte Änderung des Abstandes dargestellt. Die Leiterschleife
2., die über dem Werkstück i liegt, zeigt etwa in der Mitte eine starke Einbuchtung,
so daß die Leiteräste :2 und 2' eng benachbart werden. An dieser Stelle ist die
Wirkung der beiden erzeugten Magnetfelder aufgehoben, und es entsteht bei 3" keine
nennenswerte Aufhetzung des Werkstückes, während im Bereich d. und q.' sich induzierte
Ströme ausbilden, die ein Erwärmen auf ein bestimmtes Maß zur Folge haben. Ohne
Relativbewegung zwischen Werkstück und Heizeinrichtung würden zwei; getrennte Zonen
erhöhter Temperatur entstehen; bei Relativbewegung würde je eine Zone in der Nähe
der äußeren Kanten des Werkstückes erhitzt werden, während in der Mitte ein Streifen
ohne nennenswerte Temperaturerhöhung entstehen würde. Beispielsweise durch Abschrecken
eines derart erwärmten Körpers würde eine Härtung der Außenränder unter Aufrechterhaltung
eines weichen Streifens in der Mitte erhultan.
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In Abb. 3 ist einte absatzweise Änderung des Abstandes der Äste auf
ihrer Längserstreckung dargestellt. Die Erwärmung bei 3 ist außerordentlich gering,
nimmt im Gebiet bei 4 .etwa Mittelwerte an und ist bei 5 am .höchstem. Bei Relativbewegung
-kann
dieser Zustand der Temperaturverteilung auf der gesamten
Werkstücklänge erzeugt werden.
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In Abb. q, ist eine stetige Änderung des Abstandes der Äste der Schleife
2 dargestellt. In der Nähe der Spitze 3 der dreieckigen Schleife ist die Wärmewirkung
ein Minimum, während sie bei q.. ihren Höchstwert erreicht. Der Übergang zwischen
diesen beiden äußersten Heizwerten erfolgt stetig. Es ist selbstverständlich, daß
je nach derdurchzuführeniden Aufgabe Kombinationen der Ausbildungsformen der Schleifen
nach Abb. 2 bis q. gewählt werden können.
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Besondere Schwierigkeiten macht das Erwärmen von Werkstücken, bei
welchen die Mantellinien der Begrenzungsflächen sich schneiden und/oder gekrümmt
sind, wie dies beispielsweise bei einem Kegel, Kegelstumpf, einer Halbkugel, Kalotte,
einem Konus od,. dgl.,der Fall ist. UnterAnwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung
lassen sich diese Schwierigkeiten beseitigen, indem eine Vorrichteng verwendet wird,
die aus einer oder mehreren Leiterschleifen besteht, deren gegensinnig gespeiste
Äste ihre geringsten Abstände an den Stellen aufweisen, an denen der Werkstückquerschnitt
die geringsten Abmessungen bat. Für einen kegelförmigen Körper wäre dies beispielsweise
der Fall in der Nähe der Spitze, wie aus Abb. 5 ersichtlich. Über den Kegel i wird
die Leiterschleife 2: gestülpt, die aus mehreren in Reihe geschalteten Schleifen
besteht, deren Äste sich in. Richtung der Mantellinie des Kegels erstrecken. In
der Nähe der Kegelspitze ist der Abstand der einzelnen gegensinnig gespeisten Äste
gering, während er in der Nähe der Basis groß ist. Um unter allen Umständen ein
gleichmäßiges Aufheizen der gesamten Oberfläche sncherzustellen, ist es zweckmäßig,
während des Aufhei'zens den Kegel i um seine Achse in Umlauf zu versetzen oder zum
mindesten eine hin und; her gehende Drehbewegung zu erteilen. Es ist ohne weiteres
.ersichtlich, daß bei Anwendung von Spulen, die .das Werkstück umfassen, Ein derartiges
Aufheizen nicht möglich wäre, .da sich in Achsrichtung des Werkstückes die Stromwege
in der Oberfläche für,die induzierten Ströme ständig ändern.
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Zum Aufheizen von Halbkugeln können ähnliche Vorrichtungen benutzt
werden. Abb.6 zeigt die D'raufsich.t auf einhalbkugelförmiges Werkstück i, welches
von Spulen :2 überdeckt wird. Die Einzelspulen befinden sich in Parallelschaltung.
Die Stromrichtungen sind durch die Pfeile 3 gekennzeichnet, Entsprechend den verschieden
großen aufzuheizenden Flächen wird ,die. Heizwirkung bei den kleineren Flächen 4'durch
Annäherung der mit entgegengesetzten Strömen gespeisten Windungen 5 und 6 geschwächt,
so daß beim Drehen des Werkstückes um seine senkrechte Achse das Aufheizen auch
bei 4, und q.' gleichmäßig erfolgt.
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Das Verfahren, durch gegenseitige Beeinflussung gegensinnig wirkender
Magnetfelder die Temperaturverteilung im Werkstück zu steuern, läßt sich auch auf
Fälle anwenden, bei denen die Spulen das Werkstück umfassen, und zwar werden im
allgemeinen zu diesem Zweck zwei Spulen benötigt; es können aber auch mehrere sein.
Es ist schon vorgeschlagen worden, zwei oder mehrere Spülen um ein Werkstück zu
legen, um gewisse Wirkungen hervorzurufen. In manchen Fällen sollen nach den älteren
Vorschlägen diese Spulen zu verschiedenen Zeiten zur Einwirkung gelangen, indem
beispielsweise die eine Spute das Erhitzen auf Abschrecktemperatur vornimmt, während
die zweite Spule das Anlassen besorgt, oder aber die Spulen stehen in gewisser Wechselwirkung
in einem einheitlichen Aufheizvorgang. In beiden Fällen sind aber beide Spulen gleichsinnig
gespeist, und es ist bisher noch nicht daran gedacht worden, die entstehenden Magnetfelder
aufeinander zurAuswirkung gelangen zu lassen, um, wie dies gemäß der Erfindung vorgeschlagen
wird, eine bestimmte Temperaturverteilung sicherzustellen, insbesondere nicht derart,
daß induzierte Ströme im Werkstück sowohl in der Spulenebene als auch senkrecht
zu dieser Ebene erzeugt werden.
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Die Vorgänge und die benötigte Vorrichtung sind in, Abb.7 schematisch
dargestellt. Es soll das plattenförmige Werkstück i durch das Werkstück umfassende
Spulen erhitzt werden. Die eine Spule 2 erzeugt einen induzierten Strom 5, der strichpunktiert
dargestellt ist. Soll beispielsweise nur die obere Fläche erhitzt werden, so kann
nach früheren Vorschlägen die Kopplung auf der Gegenseite so gewählt werden, daß
bei 6 eine nur schwache Konzentration der Ströme erzielt wird, die zu einem nennenswerten
Aufheizen nicht ausreicht. Gemäß der Erfindung wird nun noch eine zweite Spule 3
vorgesehen, die zunächst ebenfalls einen induzierten Strom erzeugt, der im Werkstück
in der Spulenebene fließt. Wesentlich ist aber, daß die Spule 3 im Vergleich zur.Spule
i gegensinnig gespeist wird, so daß entsprechende Leiterteile von Strömen entgegengesetzter
Richtung durchflossen werden. Wenn nämlich dann der Abstand 4 zwischen beiden Spulen
ein Maß annimmt, bei welchem eine gegenseitige Beeinflussung der um jeden Leiter
herum erzeugten magnetischen Felder möglich. ist, so bildet sich ;außer dem in der
Spulenebene fließenden Werkstückstrom senkrecht zu den Spulenebenen ein induzierter
Strom g im Werkstück aus, der sich an der Erzeugung der A.ufheizwürme im Werkstück
beteiligt. Der induzierte Strom; g und damit die zusätzliche Aufheizwirkung ist
um so geringer, je geringer der Abstand q. ist, und! sie wächst bei Größerwerden
des Abstandes bis zu einem Optimum, um dann wieder einem Nullwert zuzustreben, der
dann erreicht ist, wenn die magnetischen Felder beider Spulen sich gegenseitig nicht
mehr beeinflussen. In diesem Fall entstehen zwei völlig getrennte Strombahnen in
Richtung der Spulenebenen, die sich gegenseitig nicht beeinflussen. Selbstverständlich
können sinngemäß an Stelle zweier Spulen auch mehrere Spulen verwendet werden, die
sich dann gegenseitig entsprechend beeinflussen.
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Die Tatsache, daß die Annäherung der Heizleiter i der einzelnen gegensinnig
gespeisten Spulen zu
einem Aufheben oder Verringern der Heizwirkung
führt, kann beispielsweise dazu ausgenutzt werden, streifenförmige Erwärmungen,
die mit nicht erwärmten Streifen abwechseln, hervorzurufen, wie dies schematisch
in Abb. 8 dargestellt ist. Während sieh in dem plattenförmigen Werkstück z zwischen
den Spulen,-q- und 3 an den Stellen 4, 5 und 6. Verhältnisse herausbilden, die den.
in Abb. 7 geschilderten entsprechen, hebt sich die induzierende Wirkung bei 3' und
damit die Heizwirkung auf, oder aber es kann, wenn der Abstand im Verhältnis zur
Darstellung in Abb.. & bei 2', 3' etwas :größer gewählt wird; eine Verzögerung
des Aufheizens in diesem Teil des Werkstückes gegenüber dem übrigen Werkstück erzielt
werden.
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Die Steuerbarkeit des Aufheizens durch die erzeugten, gegensinnig
wirkenden Magnetfelder hat aber nicht nur Interesse für ein Aufheizen, das seine
Ausmaße oder seinenUmfangwährend desgesamten Aufheizvorganges beibehält; insbesondere
beim Aufheizen im fortschreitenden Verfahren kommt es häufig vor, daß die Temperaturverteilung
beim Weiterwandern des Werkstückes eine andere sein muß als bei den voraufgehenden
Stellen. Das Verfahren gemäß der, Erfindung bietet hier die Möglichkeit der annähernd
trägheitslosen Steuerung der Heizwirkung. .Hierzu ist es gemäß: der- Erfindung lediglich
erforderlich, die: einzelnen Leiterschleifen bzw. Spulen mit mechanischen Mitteln
bekannter Art zu versehen, die eine Veränderung der gegenseitigen Abstände der Heizleiter
während des Aüfheizens ermöglichen. Hierzu werden zweckmäßigerweise Kurvensteuerungen
benutzt, deren Steuerbewegung vom Vorschub des Werkstückes: abgeleitet ist und diese
auf Schlitten od. dgl. überträgt, die die einzelnen Spulen oder Schleifen tragen.
Diese Maßnahmen gemäß der Erfindung ermöglichen so, ohne elektrischen Eingriff in
den Hochfrequenzkreis oder in den Erregerkreis des Generators eine stufenlose Regelung
der Heizwirkung. Eine Regelung durch komplizierte mechanische oder elektrische;
Regler, beispielsweise im Erregerkreis des Generators, ist somit überflüssig, was
eine wesentliche Erhöhung der Betriebssicherheit und Herabsetzung der Anschaffungskosten
solcher Anlagen zur Folge hat.
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Unter Anwendung des mit den beschriebenen Vorrichtungen ausgeübten
Verfahrens gelingt es, selbst verwickelte Körperformen zu erwärmen, ohne daß besondere
Schwierigkeiten eintreten. Es sei z. B. ein Körper auf seiner Oberfläche mit gehärteten
Flächen zu versehen, wie er in Abb. 9 und ro im Längs- bzw. Querschnitt dargestellt
ist. Zu diesem Zweck wird eine Behandlung in mehreren, in diesem Beispiel zwei Arbeitsgängen,
durchgeführt. Um jedoch eine Doppelhärtung bestimmter Oberflächen zu vermeiden,
werden im Bereich dieser Oberflächen beim ersten Arbeitsgang gegensinnig gespeiste,:
eng benachbarte Leiterteile vorgesehen, die ein Aufheizen dieser Oberflächen verhindern.
Zu diesem Zweck bedient man sich einer Vorrichtung 3, wie sie in Abb: r z schematisch
-dargestellt ist. Sie besteht aus zwei Leitern, die gegensinnig gespeist sind und
das Werkstück r umschließen. Beim ersten Arbeitsgang werden durch die Leiter 5 bzw.
4 die beiden Seitenflächen 2 erwärmt und gegebenenfalls durch Abschrecken gehärtet,
während,die Flächen 6 und auch die gegenüberliegenden Flächen, die überhaupt nicht
behandelt werden sollen, keine Erwärmung erfahren. Dies kommt daher, daß sich hier
die Magnetfelder aufheben, während in der Nähe der Seitenteile stets je ein Magnetfeld
wirksam bleibt. Zum Erwärmen der Flächen 6 wird vor dem zweiten Arbeitsgang das
Werkstück um 9o° geschwenkt. Die Behandlung erfolgt mit :einer Spule, die dem ,aus
Abh. to ersichtlichen Querschnitt des Werkstückes angepaßt und in bekannter Weise
ausgebildet ist.
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Bei der Behandlung von-Werkstücken. mit eckigem Querschnitt treten
Schwierigkeiten auf, die auf eine (Konzentrierung der induzierten Ströme in der
Nähe der Ecken zurückzuführen sind. und die eine Ungleichmäßigkeit und sogar ein
überhitzen an diesen Stellen zur Folge haben. Diese Schwierigkeiten werden beseitigt,
wenn eine Vorrichtung gemäß Abb. r.2 zum Aufheizen solcher Werkstücke benutzt wird.
Um das Werkstück r ist eine Spule 3 eckiger Form herumgelegt.. An jeder Ecket des
Werkstückes ist im Heizleiter eine Schleife vorgesehen, die je zwei gegensinnig
gespeiste Äste bildet, die durch die Pfeile 5 und 6,angedeutet sind. Während die
Spule an den Flächen des Werkstückes r ein übliches Aufheizen gewährleistet, wird
durch die entgegengesetzt gerichteten Magnetfelder in der Nähe der Ecken :2 die
Konzentration der Ströme an diesen Stellen vermindert, so daß ein gleichmäßiges
Erwärmen auf dem ganzen Umfang des Werkstückes erzielt und jedenfalls ein überhitzen
in der Nähe der Stellen 2 vermieden wird. Es ist selbstverständlich, daß sinngemäß
abgewandelte Vorrichtungen dieser Art überall dort Anwendung finden können, wo es
sich darum handelt, Ecken, Kanten u. dgl. bei ruhendem oder fortschreitendem elektroinduktiven
Erhitzen anzuwenden.
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Abgesehen davon, daß die Möglichkeit,der Beeinflussung der Temperaturverteilung
im Werkstück durch das Verfahren gemäß der Erfindung und den zur Ausübung des Verfahrens
geschilderten Vorrichtungen besonders einfach ist, liegt der wesentliche Vorteil
darin, daß die gegenseitige Aufhebung der Magnetfelder und damit die Verhinderung
einer Heizwirkung an den- betreffenden Stellen nicht von einer Verschlechterung
des elektrischen Wirkungsgrades begleitet ist. Bei den bisher für diese Zwecke vorgeschlagenen
Verfahren und Mitteln ergab sich dagegen vielfach eine sogar sehr wesentliche Verschlechterung
des elektrischen Wirkungsgrades oder aber eine Verminderung der Wärmewirtschaftlichkeit,
ein Nachteil, der bei -den Maßnahmen gemäß der Erfindung vermieden wird.