DE9218805U1

DE9218805U1 - Kompaktes Induktions-Heizgerät zum Feinschweißen

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Publication number: DE9218805U1
Application number: DE9218805U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-04-08
Filing date: 1992-04-07
Publication date: 1995-11-02
Anticipated expiration: 2002-04-08

Description

Die Erfindung betrifft ein kompaktes Induktions-Heizgerät für kleine Schweißarbeiten an Metallteilen für Anwendungen in der Optik und, im allgemeinen, bei Miniaturverschweißungen, 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 erzeugten 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 Brillengestelle) und für MikroverschweiBungen Generatoren mit Frequenzen bis zu einigen MHz und Leistungen in der Größenordnung einiger kW eingesetzt werden.

Die bekannten Induktions-Heizgeräte für diese Anwendungen werden über Kabel von einem Generator gespeist. Sie beherbergen einen großen Hochstromtransformator, der kernlos

oder mit Ferritkern ausgeführt sein kann. Die Sekundärströme 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 Hochstromtransformator zur Erzeugung der Sekundärströme aufnehmen müssen.

Die bekannten Heizgeräte haben daher den großen Nachteil, nicht für Anwendungen geeignet zu sein, bei denen Schweißgeräte 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 Transformators 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 großdimensionierter Transformator nötig. Aufgrund des Skineffekts und des Widerstands der Wicklungen kommt es zu weiteren Verlusten, 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 Kühlsysteme und die Zuführung großer Ströme durch den Generator nötig macht. Dies hat einige Hersteller dazu angeregt, Geräte zu schaffen, die ihren Betrieb nach jedem Schweißvorgang 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.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Induktions-Heizgerät zum Erhitzen und/oder 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 Wartungsaufwand erforderlich. Es führt zu geringeren Verlusten und Parasitärerwärmungen, und schafft einen Ausgleich zwischen hoher Leistung und guten Einsatzmöglichkeiten beim Schweißen.

Die Erfindung besteht in einem kompakten Gerät, das im Inneren den kapazitativen Teil eines elektrischen Mittelfrequenz-Resonanzkreises enthält, und das ein vorne aus dem Gerät ragendes Induktivitätselement, vorzugsweise 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 Erzeugung des Heizeffekts im induktiven Teil vorzugsweise 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 &mgr;&EEgr; und einen sehr kleinen Ohm'sehen 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 kompakte Form der erfindungsgemäßen induktiv-kapazitiven Einheit, eine Vereinfachung des Generators und insgesamt eine Verringerung des Aufwands möglich. Zur besseren Beweglichkeit des Schweißkopfes bleibt nur ein dünnes und flexibles Verbindungskabel zwischen Generator und Schweißkopf nötig.

Anhand der angefügten Figuren werden nun Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen 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 Heizgeräts, 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
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Fig. 4 eine Aufsicht auf eine andere Ausführungsform des

Heizgerätes, bei der der kapazitive Teil von mehreren, zueinander parallel angeordneten zylindrischen Kondensatoren gebildet wird.
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Die Figuren und die dazugehörige Beschreibung beschränken sich im wesentlichen auf den elektrischen Resonanzkreis, da dieser das Besondere der Erfindung darstellt. Es versteht 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 bezeichnet, mit 2 eine kernlose Schweiß-Stromschleife zur Wärmeerzeugung, mit 3 elektrische Eingangsklemmen, mit 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 Halteflügel bezeichnet, die aus den Schienen 7 und 8 ragen, und auf denen Kondensatoren 11 hoher Güte angeordnet sind. Die Kondensatoren bestehen jeweils aus einer Vielzahl von leitenden Schichten, die durch dünne Glimmer-Isolierschichten getrennt sind.

Mit 12 ist eine Isolierplatte bezeichnet, die die Stromschienen 7 und 8 hinterseitig verbindet. Die Bezugsziffern 1.3 und 14 bezeichnen Anschlüsse für einen Kühlmittelkreislauf, während 15 und 16 die elektrischen Eingangsklemmen für eine Verbindung mit dem Generator durch das Elektrokabel 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 Kapazitätselemente 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, verbunden. 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 Fläehe, 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 Induktionselement verhält sich während des Betriebs wie die Primärwicklung eines Transformators, dessen Sekundärwicklung von dem zu erhitzenden Metallelement gebildet wird, wobei 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 Frequenz des Speisestroms, der normalerweise größenordnungsmäßig einige Hunderttausend bis einige Millionen Oszillationen pro Sekunde ausführt, im Bereich der Resonanzfrequenz 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 Erwärmungseffekt 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 metallisehen Elektroden der Kondensatoren 11. Die Kondensatoren bilden für Mittelfrequenzströme, wie die hier verwendeten, nur einen vernachlaßigbaren Widerstand. Es tritt daher nur eine sehr geringe Dissipation in Wärme auf, so daß der Speisegenerator 5 in Pausen zwischen zwei Aufheizungen oder Schweißvorgangen 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 stattfindenden aktiven Dissipation von Energie.

Im allgemeinen ist die Wärmemenge gering, die bei dem erfindungsgemäßen Heizgerät abgeführt werden muß, um eine überhitzung der Kondensatoren und der Steuerstromkreise

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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 and 8 längs verlaufende Hohlräume und Lm Inneren der Elemente 18 und der Stromschleife verlaufende Hohlräume. Die Elemente 18 und die Stromschleife 2 werden nur vermindert von der Kühlflüssigkeit durchströmt, 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 Kühlflüssigkeitsstroms durch eine röhrenförmige nicht-leitende Brücke 20 realisiert, wobei die Brücke 2 0 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 Parallelschaltung verwendet werden, wie z.B. die in Fig. 4 dargestellten 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 anzuführenden Schweißarbeiten angepaßt sein.

Das schachteiförmige Gehäuse der erfindungsgemäßen Vorrichtung 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 aufweisen, die in Abhängigkeit von dem Aufbau und der Art der Bewegungen des Mittels ausgebildet sind, an dem die erfindungsgemäße Vorrichtung zu befestigen ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt außerdem Schaltkreise zur Erzeugung, Regelung und Steuerung der abzugebenden Leistung, der Zeit der Leistungsabgabe, der zu erreichenden· Temperaturen des Drucks der Kühlflüssigkeit und anderer, nicht beschriebener Größen, die nicht den Gegenstand der Erfindung ausmachen.

Claims

Schutzansprüche

1. Kompaktes Induktions-Heizgerät zum Feinschweißen metallischer Teile, insbesondere von Brillen, mit hinteren und/oder seitlichen Anschlüssen für ein Kabel zur Verbindung mit einem Elektrogenerator und für Leitungen zur Verbindung mit einem Kühlsystem, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (1), das im Inneren einen kapazitiven Teil (6) eines elektrisehen Mittelfrequenz-Resonanzkreises enthält und das ein vorne aus dem Gehäuse (1) ragendes Schweiß-Induktionselement (2) mit mindestens einer Windung aufweist, wobei das Induktionselement einen induktiven Teil des Resonanzkreises bildet.

2. Induktions-Heizgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Stromschienen (7, 8), die ohne einen Kontakt zueinander zu bilden nebeneinander liegen und durch Kapazitätselemente (11) des Resonanzkreises elektrisch miteinander verbunden 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 mindestens eine Windung aufweisenden, 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 5

ist und zum Kurzschließen wenigstens eines Teils eines Kühlflüssigkeitsstroms eingerichtet ist.

5. Induktions-Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mehrere Kondensatoren hoher Güte, die elektrisch zwischen die Stromschienen (7, 8) und parallel zueinander geschaltet sind.

6. Induktions-Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

gekennzeichnet durch mehrere Glimmer-Kondensatoren (11), 15

die parallel zueinander durch Halte- und Anschlußflügel

(10) mit den Stromschienen (7, 8) verbunden sind.

7. Induktions-Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

gekennzeichnet durch ein Schweiß-Induktionselement (2) 20

in Form einer Stromschlaife mit einer oder zwei Windungen.

⁸· Induktions-Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen tragenden, schachteiförmigen Aufbau, der an der Unterseite und/oder an den Seiten Verankerungsmittel aufweist.

9. Induktions-Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweiß-Induktions-

_ element (2) in seiner Größe, Form und Orientierung an 30

die jeweilige Anwendung des Heizgeräts angepaßt ist.