DE3916181A1 - Durchlaufofen zum waermebehandeln von werkstuecken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchlaufofen zum Wärmebehandeln von Werkstücken, mit einer Fördervorrichtung zum Fördern der Werkstücke durch den Ofen, sowie mit einer Heizung in einer Heizzone des Ofens, in der die Werkstücke bis auf eine Höchst­ temperatur erwärmt werden und wobei die Werkstücke anschließend abgekühlt werden.

Bei einem derartigen, aus der GB-A-20 45 137 bekannten Durch­ laufofen werden die Werkstücke durch ein Endlosband durch den Ofen transportiert und in einer Heizzone bis auf eine Höchsttemperatur erwärmt, anschließend in einer nachfolgenden Kühlzone abgekühlt und daraufhin aus dem Ofen abgeführt. Typische Wärmebehandlungen sind Hart- und Hochtemperaturlöten, Aluminiumlöten, Einschmelzen, Glühen, Härten, Anlassen, Ein­ formen oder dgl..

Sollen beispielsweise zwei Teile miteinander verlötet werden, so werden die zusammengesetzten Teile mit Lot an den zu ver­ lötenden Fugenstellen versehen, in der Heizzone bis auf die Liquidustemperatur des Lotes erwärmt und für eine gewisse Zeitspanne, meist 2 bis 3 Minuten im Bereich der Liquidus­ temperatur gehalten. Während dieser Zeitspanne läuft das Lot in die Spalte zwischen den beiden zusammengefügten Teilen und füllt diese aus. Wird die Liquidustemperatur nicht erreicht, schmilzt die Lötpaste nicht und es findet überhaupt kein Verlöten der Teile statt. Wird die Liquidustemperatur nicht lange genug gehalten, so kann das Lot nicht in die feinen Haarspalten über Kapillarwirkung eintreten. Werden dagegen die Teile zu lange auf Liquidustemperatur gehalten, so werden die Teile verkupfert, d.h. das geschmolzene Lot fließt durch die enge Spalte der aneinandergefügten Teile hindurch und verteilt sich mehr oder weniger gleichmäßig über die Oberfläche der beiden Teile. Welcher dieser zuvor erwähnten Vorgänge nun im Ofen stattgefunden hat kann bei einem Ofen der eingangs genann­ ten Art erst am Produkt erkannt werden, das im abgekühlten Zu­ stand das Ende des Durchlaufofens verläßt. Wurde die Liquidus­ temperatur nicht erreicht, oder wurde diese nur für eine sehr kurze Zeitspanne erreicht, so ist die Lötpaste noch auf den Werkstücken in nahezu unverändertem Zustand zu erkennen. Wurde die Liquidustemperatur zu lange erhalten, ist das Werkstück mit einer gleichmäßigen Lotschicht überzogen. Im ersteren Falle wird anschließend entweder die Temperatur der Heizung erhöht, oder die Durchlaufgeschwindigkeit verringert, um ein Schmelzen des Lots zu erreichen. Im zweiten Fall wird die Durchlaufgeschwindigkeit erhöht, um die Liquidusphase zu verkürzen.

Nachteilig an derartigen bekannten Durchlauföfen ist, daß der Zustand des Werkstückes in der Heizzone erst anhand des aus der Kühlzone austretenden Produktes festgestellt werden kann. Bedenkt man, daß übliche Durchlauföfen Heizzonen im Längen­ bereich von 1 bis 5 m und Gesamtlängen von 15 bis 20 m auf­ weisen, und übliche Durchlaufgeschwindigkeiten von 100 bis 400 mm/min aufweisen, so resultieren daraus Durchlauf­ zeiten von mehreren Stunden. D.h., ein Fehler im Bereich der Steuerung der Heizzone, die ganz am Anfang eines Durchlaufofens liegt, kann erst mehrere Stunden später anhand eines aus dem Ende der Kühlzone auslaufenden Gutes festgestellt werden. Wird aufgrund der Feststellung eine Regelung entweder der Heiztemperatur oder der Durchlaufgeschwindigkeit durchgeführt, so kann deren Erfolg auch erst wieder nach einer langen Zeit­ spanne festgestellt werden, so daß ein Einstellen eines Durch­ laufofens einen erheblichen Zeitaufwand in Anspruch nehmen kann, der sich bis zu einem ganzen Tag ausdehnen kann. Wird der Durchlaufofen bereits laufend mit Werkstücken bestückt, kann außerdem eine erhebliche Ausschußmenge entstehen. Ferner ist nachteilig, daß in einer Anlaufphase, die über viele Stunden dauert, der Ofen in der Heizzone unter erheblichem Energieauf­ wand erwärmt werden muß, somit eine lang andauernde unwirt­ schaftliche Phase eines Durchlaufofens existiert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, hier Abhilfe zu schaffen, und einen Durchlaufofen der eingangs genannten Art zu schaffen, der sehr rasch in den zutreffenden Betriebszustand gebracht werden kann, bzw. Änderungen des Betriebszustandes sehr rasch erfaßt und entsprechende Regelungen durchgeführt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß am Ofen Mittel zum Messen der Werkstücktemperatur vorgesehen sind, und daß die Durchlaufgeschwindigkeit der Fördervorrichtung und/oder die Heizleistung der Heizung in Abhängigkeit von der gemessenen Werkstücktemperatur regelbar ist.

Durch Vorsehen von Mittel zum Messen der Werkstücktemperatur am Ofen kann an einer beliebigen Stelle die jeweilige Werkstück­ temperatur gemessen werden, somit festgestellt werden, ob das Werkstück eine in diesem Abschnitt vorgegebene Temperatur aufweist oder nicht. Werden Abweichungen der Sollwerttemperatur festgestellt, so wird entweder die Heizleistung geregelt, die Bandlaufgeschwindigkeit verändert, oder beide Maßnahmen gleich­ mäßig durchgeführt. Es braucht also nicht mehr abgewartet werden, bis das Gut den Ofen verläßt, sondern man kann die Temperatur des Werkstückes über den Längenverlauf des Ofens verfolgen und dadurch feststellen, ob die geeigneten Tempera­ turen, beispielsweise zum Löten, Blankglühen, Einschmelzen, Härten, Anlassen oder dgl. erreicht werden.

Wird z.B. festgestellt, daß die für einen Lötvorgang notwendige Temperatur überhaupt nicht erreicht wird, so kann dies lediglich durch Erhöhen der Heizleistung der Heizung ausgeglichen werden. Wird festgestellt, daß zwar die Liquidustemperatur des Lotes erreicht wird, diese jedoch nicht ausreichend lange gehalten wird, so kann die Fördergeschwindigkeit verringert werden. Wird dagegen die Liquidustemperatur zu lange gehalten, so wird dementsprechend die Geschwindigkeit der Fördervorrichtung erhöht.

Diese Messungen sind beispielsweise in einem Bereich des Durchlaufofens möglich, der kurz nach dem Einlauf in der Heizzone liegt, so daß sehr rasch die optimale Temperatur­ führung der Werkstücke zum Erreichen der Höchsttemperatur möglich ist.

Somit wird die Aufgabe vollkommen gelöst.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Mittel zum Messen der Werkstücktemperatur in Durch­ laufrichtung in einem Endbereich der Heizzone angeordnet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß in einem Bereich, der wesentlich für den Erfolg des Wärmebehandlungsvorgangs ist, nämlich der Bereich kurz vor Erreichen der Höchsttemperatur, erfaßt wird, wobei in diesem Bereich beispielsweise durch eine einzige Messung soviel Information erhalten werden kann, um die für die optimale Wärmeführung zutreffenden Parameter, d.h. Temperatur und Durchlaufgeschwindigkeit einstellen zu können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Mittel zum Messen der Werkstücktemperatur zumindest ein an einer Seitenwand des Ofengehäuses angeordnetes Strah­ lungspyrometer auf, das die Temperatur eines an ihm vorbeilau­ fenden Werkstückes mißt.

Diese Maßnahme hat zum einen den Vorteil, daß die Werkstücke zur Messung der Temperatur nicht mit Temperaturfühlern in mechanischen Kontakt gebracht werden müssen. Ferner hat die Anordnung in der Seitenwand des Ofengehäuses den Vorteil, daß an einem für den Ofen gut zugänglichen und frei von anderen Bauteilen liegenden Ort die erfindungsgemäßen Mittel zum Messen der Werkstücktemperatur angebracht werden können. Somit ist es möglich, auch bereits bestehende Öfen nachträglich umzu­ rüsten.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung führen die Mittel zum Messen der Werkstücktemperatur die Meßwerte einem Rechner zu, der die Meßwerte mit Sollwerten vergleicht, und der derart mit einer Steuerung des Antriebes der Fördervorrichtung ver­ bunden ist, daß bei einem zu hohen Temperaturwert die Durchlauf­ geschwindigkeit erhöht und bei einem zu niederen Temperaturwert die Durchlaufgeschwindigkeit verlangsamt wird.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch konstruktiv einfache Mittel eine automatische Steuerung bzw. Änderung der Durchlauf­ geschwindigkeit erreicht werden kann. Auch diese Möglichkeit eröffnet ein einfaches Nachrüsten von bereits bestehenden Durchlauföfen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Rechner mit einer Steuerung der Heizung verbunden.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine zentrale Recheneinheit zugleich die Durchlaufgeschwindigkeit und die Heizung regeln kann, so daß es dann möglich ist, durch geeignete Programme ein optimales Abstimmen von Heizleistung und Durchlaufgeschwin­ digkeit durchzuführen, so daß sowohl unter wirtschaftlichen als auch unter Materialbelastungsgesichtspunkten eine optimale Führung der Werkstücke durch den Durchlaufofen erreicht werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung messen die Mittel zum Messen der Werkstücktemperatur die Temperatur mehrerer hintereinanderlaufender Werkstücke in einem Bereich der Heizzone des Ofens, in dem die Werkstücke auf Höchsttemperatur erwärmt sind.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß beispielsweise beim Löten die Zeitdauer des Liquidusbereiches sehr genau erfaßt werden kann und dementsprechend dieser Liquidusbereich genau geregelt werden kann. Liegen Erfahrungswerte fest, daß Werkstücke einer bestimmten Geometrie bei einem bestimmten Liquidusbereich optimal verlötet werden können, so kann das Erreichen und die Ansteuerung dieses Liquidusbereiches durch die zuvor erwähnte Maßnahme besonders einfach und rasch erreicht werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in der Seitenwand des Ofens gekühlte Quarzglasfenster vorgesehen, die wie Strahlungspyrometer anbringbar sind.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch die Quarzglasfenster, die gasdicht abgeschlossen werden können, ohne direkten Zugang in den Innenraum des Durchlaufofens die Temperaturmessung durchgeführt werden kann. Dies ist insbesondere bei Schutzgas­ öfen anzuwenden, die ein Schutzgas enthalten, das mit Luft brennt. Es ist dann sichergestellt, daß das Ofengehäuse weiter­ hin rundum dicht abgeschlossen ist, jedoch trotzdem die Tempe­ ratur der im Innenraum des Ofens aufgenommenen Werkstücke erfaßt bzw. gemessen werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im Bereich der Heizzone des Ofens jeweils am Anfang- und Endbereich ein Strahlungspyrometer angeordnet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß in dieser Aufheizphase, bei der sich die Temperatur über die Transportstrecke sehr stark erhöht, Differenzmessungen durchgeführt werden können, die exakte Steuerungsmöglichkeiten eröffnen.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen und in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Teillängsschnitt eines erfin­ dungsgemäßen Durchlaufofens, und

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Temperaturverlaufes von Werkstücken im Ofen von Fig. 1 über die Ofen­ länge gesehen.

Ein in Fig. 1 dargestellter erfindungsgemäßer Durchlaufofen 10 weist eine Fördervorrichtung 12 in Form eines endlosen Förder­ bandes 12 auf, das über einen Antrieb 14 durch den Ofen 10 durchbewegt werden kann, wie dies durch einen Pfeil 15 ange­ deutet ist. Das Förderband 12 ist dabei als gebräuchliches Drahtgliederförderband ausgebildet.

Der Ofen 10 weist ein Gehäuse 16 auf, das in Förderrichtung des Förderbandes 12 gesehen, eine Heizzone 18 aufweist, an die sich eine Kühlzone 20 anschließt. Der Einlaß der Heizzone ist über eine bewegbare Einlaßtür 22 verschließbar, das Aus­ trittsende der Kühlzone 20 ist durch eine Auslaßtür 24 ver­ schließbar.

Die Einlaßtür 22 und die Auslaßtür 24 sind über hier nicht näher dargestellte Mechanismen jeweils so anhebbar, daß Werk­ stücke 26 bis 29, die auf dem Förderband 12 liegen, gerade unter der jeweiligen Tür hindurch entweder in die Heizzone 18 des Ofens 10 eingebracht oder aus der Kühlzone 20 des Ofens abtransportiert werden können. Der in Fig. 1 dargestellte Ofen kann auch als Schutzgasofen ausgebildet sein, wobei dann in der Heizzone 18 ein Schutzgas zugeführt wird, das sowohl in Richtung der Einlaßtür 22 als auch in Richtung der Auslaßtür 24 strömt und dadurch ein Eintreten von Luftsauerstoff in den Ofen verhindert. Das unter der Einlaßtür 22 bzw. der Auslaßtür 24 austretende Schutzgas brennt dann mit dem Luftsauerstoff ab und bildet im Bereich der Einlaßtür 22 bzw. der Auslaßtür 24 einen Flammenschleier.

Im Bereich der Heizzone 18 des Gehäuses 16 sind im letzten Drittel der Heizzone 18 in einer Seitenwand Mittel 30 zum Erfassen der Werkstücktemperatur der vom Förderband 12 durch den Ofen geförderten Werkstücke 26 bis 29 vorgesehen. Die Mittel 30 weisen dabei ein erstes Strahlungspyrometer 31 auf, das auf einem gasdichten, gekühlten Quarzglasfenster in der Seitenwand des Gehäuses 16 angesetzt ist. Derartige Strah­ lungspyrometer können über die Wärmestrahlung eines Gutes dessen Temperatur erfassen. Das im in Fig. 1 dargestellte erste Strahlungspyrometer ist dabei auf einer solchen Höhe angeordnet, daß es die Temperatur eines an ihm vorbeitranspor­ tierten Werkstückes 28 erfassen kann.

Das erste Strahlungspyrometer 31 ist etwa 300 mm vor dem Bereich angeordnet, in dem das Werkstück seine höchste Temperatur erreichen soll, bei einem Lötprozeß, beispielsweise eine Temperatur von 1090°C, die der sog. "Liquidustemperatur" des Lotes entspricht, d.h. die Temperatur bei der das Lot schmilzt. Die Ofentemperatur beträgt dabei etwa 1120°C.

In Fig. 2 ist eine Kurve 40 dargestellt, die dem optimalen Temperaturverlauf eines Werkstückes entspricht, währenddessen es zwischen Einlaßtür 22 und Auslaßtür 24 bewegt wird.

Aus der Kurve 40 ist zu entnehmen, daß die Werkstücke in der Heizzone 18 des Ofens 10 sehr rasch erwärmt werden, und in dessen Endbereich die höchste Temperatur erreichen. Diese Temperatur, die beim Löten der Liquidustemperatur entspricht, soll während einer Zeitspanne Δ t von etwa 2 bis 3 Minuten gehalten werden, daran anschließend schließt sich dann die Abkühlphase in der Kühlzone 20 an.

Mißt der erste Strahlungspyrometer 31 am Werkstück 28 eine Temperatur, die einem Meßpunkt M ₁ entspricht, so weist das Werkstück 28 die zutreffende Temperatur auf. Diese Temperatur kann von dem Strahlungspyrometer 31 angezeigt werden, oder, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, über eine Leitung 33 einem Prozeßrechner 35 zugeführt werden. Der Prozeßrechner 35 ist über eine Leitung 36 mit einer Steuerung 13 des Antriebes 14 verbunden. Der Prozeßrechner 35 ist ferner über eine Leitung 37 mit einer Steuerung 39 der Heizung 38 in der Heizzone 18 des Ofens 10 verbunden.

Registriert der Strahlungspyrometer 31 beim Werkstück 28 einen Temperaturwert M ₂, der unterhalb der Sollwerttemperatur liegt, so kann entweder über den Prozeßrechner 35 die Heizleistung der Heizung 38 erhöht werden, falls diese nicht ausreichend ist. Es ist auch möglich, die Steuerung 13 des Antriebes dahingehend zu aktivieren, daß die Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes 12 vermindert wird. In beiden Fällen kann erreicht werden, daß das Werkstück 28 in diesem Fall dann doch noch den Liquidusbereich an der vorgesehenen Stelle im Ofen 10 erreicht und in diesem ausreichend lang gehalten werden kann.

Es ist auch möglich, daß der Prozeßrechner 35 sowohl die Heizleistung der Heizung 38 als auch die Bandlaufgeschwindigkeit vermindert, so daß möglichst rasch das Werkstück 28 auf die höhere Liquidustemperatur gebracht werden kann.

Registriert der erste Strahlungspyrometer 31 beim Werkstück 28 eine Temperatur M ₃, die über dem Sollwert M ₁ liegt, und bei­ spielsweise sich schon bereits im Bereich der Liquidustemperatur bei einem Lötvorgang befindet, so wird die Bandgeschwindigkeit soweit erhöht, daß das Werkstück 28 allenfalls noch für den Zeitraum Δ t im Liquidusbereich gehalten wird.

Die Anordnung eines Strahlungspyrometers 31 im letzten Drittel der Heizzone 18 vor Erreichen des Liquidusbereiches, reicht aus, um gängige Durchlauföfen in kurzer Zeit rasch auf die optimalen Bedingungen einzustellen.

Im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in Durchlauf­ richtung gesehen im ersten Drittel der Heizzone 18 ein zweites Strahlungspyrometer 32 angeordnet, das gleichermaßen wie das erste Strahlungspyrometer 31 ausgebildet und angeordnet ist und das die Temperatur eines Werkstückes 27 erfaßt, die einem Wert M ₄ auf der Kurve 40 entspricht. Durch Differenzbildung zwischen den von den beiden Strahlungspyrometern 31 und 32 erfaßten Werten können dann Differenzmessungen durchgeführt werden. Das zweite Strahlungspyrometer 32 ist über eine Leitung 34 ebenfalls mit dem Prozeßrechner 35 verbunden.

Es ist auch möglich, Temperaturmeßpunkte unmittelbar nach der Heizzone 18 oder in der Kühlzone 20 vorzusehen, je nachdem, ob Temperaturwerte in diesen Bereichen besonders für den Erfolg der Wärmebehandlung ausschlaggebend sind, so daß jeweils aussagekräftige Informationen eingeholt werden können.

Claims (8)

1. Durchlaufofen zum Wärmebehandeln von Werkstücken (26 bis 29), mit einer Fördervorrichtung (12) zum Fördern der Werkstücke (26 bis 29) durch den Ofen (10), sowie mit einer Heizung (38) in einer Heizzone (18) des Ofens (10), in der die Werkstücke (26 bis 29) bis auf eine Höchsttemperatur erwärmt werden, und wobei die Werkstücke (26 bis 29) anschließend abgekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß am Ofen (10) Mittel zum Messen der Werkstücktemperatur vorgesehen sind, und daß die Durch­ laufgeschwindigkeit der Fördervorrichtung (12) und/oder die Heizleistung der Heizung (38) in Abhängigkeit von der gemessenen Werkstücktemperatur regelbar ist.

2. Durchlaufofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (30) zum Messen der Werkstücktemperatur in Durchlaufrichtung in einen Endbereich der Heizzone (18) angeordnet sind.

3. Durchlaufofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittel (30) zum Messen der Werkstück­ temperatur zumindest ein an einer Seitenwand des Ofen­ gehäuses (16) angeordnetes Strahlungspyrometer (31, 32) aufweisen, das die Temperatur eines an ihm vor­ beilaufenden Werkstückes (27, 28) mißt.

4. Durchlaufofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (30) zum Messen der Werkstücktemperatur die Meßwerte einem Rechner (35) zuführen, der die Meßwerte mit Sollwerten vergleicht und der derart mit einer Steuerung (13) des Antriebes (14) der Fördervorrichtung (12) verbunden ist, daß bei einem zu hohen Temperaturwert die Durchlaufgeschwindig­ keit erhöht und bei einem zu niederen Temperaturwert die Durchlaufgeschwindigkeit verlangsamt wird.

5. Durchlaufofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (35) mit einer Steuerung (39) der Heizung (38) verbunden ist.

6. Durchlaufofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich der Heizzone (18) des Ofens (10), in dem die Werkstücke (26 bis 29) auf Höchsttemperatur erwärmt sind, die Mittel (30) zum Messen der Werkstücktemperatur die Temperatur mehrerer hintereinander verlaufende Werkstücke (26 bis 29) messen.

7. Durchlaufofen nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Seitenwand des Ofengehäuses (16) gekühlte gasdichte Quarzglasfenster vorgesehen sind, an denen die Strahlungspyrometer (31, 32) anbring­ bar sind.

8. Durchlaufofen nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Heizzone (18) des Ofens (10) jeweils am Anfangs- und Endbereich ein Strahlungspyrometer (31, 32) angeordnet ist.