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Vorrichtung zum elektroinduktiven Erhitzen von metallischen Werkstücken
Die Erfindung betrifft das elektroinduktive Erhitzen, bei welchem entweder zwischen
Werkstück und Heizeinrichtung eine Relativbewegung stattfindet oder beide Teile
ruhen. Für diese Verfahren werden Heizvorrichtungen benutzt in Form von Spulen,
.die das Werkstück umfassen, oder Leiterschleifen, die sich über der Oberfläche
des Werkstückes schließen. Um -die gewünschte Temperaturverteilung, sei es in der
Werkstückoberfläche oder im gesamten Querschnitt des Werkstückes, zu erreichen,
sind Iberei'ts die verschiedensten Vorschläge gemacht worden, wie beispielsweise
Anpassung der Kopplung, Wahl der Heizleiterquerschnitte, Änderung -der Energiezufuhr
oder der Frequenz u..dgl., sowie selbstverständlich auch das Mittel, während des
Aufheizens bestimmte Teile des Werkstückes mit Flüssigkeiten zu kühlen. Diese Mittel
sind, wenn sie in Anpassung an die jeweils vorkommenden Fälle ,richtig eingesetzt
werden, durchaus wirksam. Es gibt indes Fälle, in denen diese Mittel selbst unter
gleichzeitiger Anwendung einer starken Kühlung nicht ausreichen, um unerwünscht
starke Temperatursteigerungen -zu. verhindern. Dies ist beispielsweise dann der
Fall, wenn das zu behandelnde Werkstück in ,der Nähe der Oberfläche mit einer Bohrung,
Aussparung od.,dgl. versehen ist, die sich in einem gewissen Abstand von der Oberfläche
längs dieser erstreckt. Es entsteht ,auf diese
Weise in der Nähe
der Oberfläche ein Gebiet geringer Wandstärke. Diese Gebiete geringer Wandstärke
stellen für den induzierten, im Werkstück fließenden Strom einen verengten Leitweg
dar, in welchem der Strom in seiner Gesamtheit zu fließen bestrebt ist. Es entsteht
infolgedessen an diesen Stellen eine Stromkonzentration, die derart stark ist, daß
selbst energischste Kühlung nicht zu verhindern vermag, daß die Temperaturerhöhung
an diesen Stellen voreilt und meist in kürzester Zeit zum Verbrennen des Werkstoffes
oder .gar zum Abschmelzen führt.
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Zweck der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, mit der auch
derartige Werkstücke behandelt werden können, ohne daß an niesen gefährdeten Stellen
zu starke Temperaturerhöhungen, Verbrennungen, Abschmelzen od. .dgl: eintreten.
Die Lösung der Aufgabe geht von der Erkenntnis aus, daß nur eine besondere Führung
des im Werkstück induzierten Stromes zum Ziele führen kann.
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Gemäß der Erfindung wird daher eine Vorrichtung zum elektro-induq-,tiven
Erhitzen von metallischen Werkstücken vorgeschlagen, bei welcher im Bereich solcher
Werkstückabschnitte, die infolge von Bohrungen, unter der Oberfläche liegender Aussparungen
ad..dgl. verengte Leitwege für den induzierten Strom .aufweisen, der Heizleiter
-in Richtung dieser Bohrungen, Aussparungen ad. dgl. schleifenförmig ausgebuchtet
ist und ,die Äste dieser Ausbuchtungsschleife in enge Nachbarschaft gelegt sind.
Diese Art der Ausbildung der eigentlichen Heizvorrichtung ist sowohl für Leiterschleifen
als auch für Spulen möglich. Um -die Wirkung zu veranschaulichen, sei zunächst ausgegangen
vom fortschreitenden Verfahren, bei welchem eine Relativbewegung zwischen Werkstück
und Heizeinrichtung stattfindet. Wenn die Heizeinrichtung sich mit ihrer Ausbuchtung
in denjenigen Bereichen des Werkstückes befindet, in denen Bohrungen, Aussparungen
od..dgl. unter der Oberfläche nicht vorhanden sind, so wirkt sich die Ausbuchtung
der Vorrichtung nicht aus, da infolge der engen Nachbarschaft der beiden Aste der
Ausbuchtung eine Bifilarwirkung eintritt, wodurch sich die beiden entstehenden Magnetfelder
gegenseitig aufheben. Gelangt nun ,die Vorrichtung beim Fortschreiten über die Werkstückoberfläche
in den Bereich einer Bohrung oder Aussparung, so findet zunächst eine starkeKonzentraüion
in: demengenLeitweg.zwischen Werkstückoberfläche und Bohrungs- bzw. Ausspärungswandung
statt, die .den Ansatz zu einer j erheblichen Temperaturerhöhung macht. Dadurch
vergrößert sich der Widerstand, und die Ströme haben die Neigung, einen Weg geringeren
Widerstandes zu suchen. Da die Ströme mit Vorliebe auf Wegen fließen, die der Heizleiter
vorschreibt, wenn der kürzeste Weg widerstandsungünstiger ist, so werden .die Ströme
längs der Ausbuchtung geleitet und .gelangen so zu Gebieten, die noch geringere
Temperatur aufweisen. Es erfolgt mithin eine Verteilung des Stromes .auf weitere
Flächenabschnitte der Oberfläche und diamit eine Verminderung der Konzentration.
Beim ruhenden Verfahren, bei welchem zwischen Werkstück und Heizeinrichtung eine
Relativbewegung nicht stattfindet, wird die Ausbuchtung von, vornherein an die Stelle
verlegt, an der Aussparungen oder Bohrungen unter der Oberfläche liegen, und die
soeben für das fortschreitende Verfahren geschilderte Wirkung tritt hier ebenfalls
ein.
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Im nachfolgenden wird an Hand der Zeichnungen die Erfindung näher
erläutert.
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In Abb. i ist die Ausbildung :des Heizleiters an einer Stelle dargestellt,
an .der das Werkstück unter der Oberfläche eine Bohrung oder Aussparung aufweist.
Der Heizleiter i wird vom Strom in Richtung des Pfeiles 2 durchflossen. Im Bereich
21 befindet sich im Werkstück .die Bohrung oder Aussparung unter der Oberfläche,
und der Heizleiter ist .gemäß der Erfindung an dieser Stelle mit einer Ausbuchtung
3 versehen. Die Stromrichtung in dieser Ausbuchtung ist durch ,die Pfeile 4 und
5 gekennzeichnet. Solange sich .die Vorrichtung über Werkstückabschnitten befindet,
die genügend große Leitwege für den induzierten Strom zur Verfügung stellen, hat
die Ausbuchtung keine Wirkung. Der Abstand 6 der beiden Äste der Ausbuchtung 3 ist
so gewählt, da.B eine Bifilarwirkung auftritt, d. h. also, daß sich die Wirkung
der .um .die Aste gebildeten Magnetfelder gegenseitig aufhebt. Hinzu kommt noch
die Wirkung, ,daß sich,die induzierten Ströme auf dem Wege geringsten Widerstandes
zuschließen bestrebt sind. Wenn sich aber unter der Ausbuchtung 3 ein Werkstückabschnitt
befindet, der ,dem induzierten Strom einen nur verengten Leitweg zur Verfügung stellt,
so besteht in diesem Gebiet die Tendenz einer stärkeren Temperaturerhöhung, wodurcheine
Zunahmedes Widerstandes hervorgerufen wird. Die Ströme versuchen nach Gebieten geringeren
Widerstandes auszuweichen und werden bei diesem Ausweichen von den Leitern der Ausbuchtung
3 gleichsam gef"uhrt, so daß sich eine Abnahme der Stromkonzentration ,durch Verteilung
über größere Flächen bzw. Räume in dem gefährdeten dünnen Querschnitt ergibt. Zur
Unterstützung der verringerten Heizwirkung infolge der Konzentrationsverteilung
ist es zweckmäßig, die Bohrungen und Aussparungen während des Aufheizens von innen
-und gegebenenfalls auch von außen zu kühlen.
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In Abb. 2 ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung in Verbindung mit
einem Werkstück dargestellt, bei der die Heizeinrichtung längs der Linie A-A der
Abb. i geschnitten ist. Der Heizleiter hat in an sich bekannter Weise rechteckigen
Querschnitt und ist reit einem Hohlraum 13 versehen, durch den ein Kühlmittel fließen
kann. Dieses Kühlmittel kann gleichzeitig dazu ausgenutzt werden, die Oberfläche
abzuspritzen, wenn es sich darum handelt, die Oberfläche des Werkstückes im fortschreitenden
Verfahren zu härten. Hierzu sind Austrittsschlitze 14 vorgesehen. Wenn erwünscht,
kann der Hohlraum 13 im Leiter so gelegt werden, daß der Leiter i gegenüber der
Werkstückoberfläche eine größere Wandstärke ia besitzt als auf der entgegengesetzten
Seite ib. Das Werkstück io, das in Richtung es Pfeiles 12 unter der Heizeinrichtung
hindurchbewegt
wird, besitzt in der Nähe der Oberfläche eine Bohrung i i, die sich längs der Oberfläche
erstreckt. @ An dieser .Stelle ist die Ausbuchtung 3 ,des Heizleiters vorgesehen.
Die Ausbuchtung ist hierbei so verlegt"daß ihr Abstand 15 mit zunehmender Entfernung
vom Hauptleiter der Spule .größer wird. Diese Anordnung .unterstützt die erwünschte
Wirkung im Bereich einer Bohrung i i oder einer ähnlichen Aussparung innerhalb der
Oberfläche des Werkstückes. Die gegenseitige Lage der beiden Äste der.Ausbuchtung
muß in.Anpassung an die jeweiligen Betriebsbedingungen gewählt werden. Je höher
die benutzte Frequenz ist, um so enger muß der Abstand 6 der beiden Äste gewählt
werden. Indes ist es auch möglich, daß der Spalt sich mit zunehmender Entfernung
vom Hauptleiter verengt, so,daß in einem gewissen Maße eine spitzwinkelige Anordnung
der beiden Heizleiteräste entsteht.
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Die Vorrichtungen nach Abb. i und 2 zeigen eine Ausbuchtung in nur
einer Richtung. Es ist faber auch möglich, die Ausbuchtung in Form einer Doppelschleife
zu legen, wie dies in Abb. 3 und 4 dargestellt ist. Die beiden Schleifen 3a und
3b der Doppelschleifen erstrecken sich nach entgegengesetzten Richtungen. Die Stromrichtung
ist in den einzelnen Ästen bei 4" und 4b bzw. 5a und Sb angedeutet. Die beiden Schleifen
3a und 3b können dabei entweder, wie in Abb. 3 dargestellt, in Reihe oder, wie in
Abb. 4 bezeigt, parallel geschaltet sein.
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In sämtlichen Abbildungen sind Fälle dargestellt, in denen die Ausbuchtung
3 senkrecht zur Hauptlinienführung der Leiterschleife oder Spule angeordnet ist.
Je nachdem, wie der Verlauf der Bohrung oder ,Aussparung unter der Werkstücköberfläche
verläuft, kann es auch zweckmäßig sein, bei der Anordnung der Ausbuchtung 3 von
der Senkrechten ineinem:gewissenUmfang abzuweichen bzw. auch eine gekrümmte oder
gebogene Linienführung zu wählen. Wie im einzelnen die Ausbuchtung anzubringen ist
und welche Abstände für die Äste zu wählen bzw. welche Längen der Ausbuchtung vorzusehen
sein werden, ergibt sich in jedem Einzelfall unter Berücksichtigung der gegebenen
Betriebsbedingungen, vor allem der .angewendeten Frequenz und Leistung. Zu berücksichtigen
ist ferner :die Werkstückform, die Stärke ;des gefährdetenQuerschnittes und die
Werkstoffeigenschaften des zu behandelnden Werkstückes. Durch einige Stichversuche
läßt sich infdes, die günstigste Form leicht ermitteln.