DE1129636B - Verfahren und Vorrichtung zur Induktionsheizung mit Hochfrequenz - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Induktionsheizung mit Hochfrequenz Es ist bekannt, elektrisch leitende Werkstücke dadurch zu erwärmen, daß man sie einem magnetischen Wechselfeld aussetzt, um sie zu schweißen oder hartzulöten, oder um sie einer Wärmebehandlung zu unterwerfen. Die Wahl der Frequenz dieses Wechselfeldes hängt von den herzustellenden Erwärmungsbedingungen und von der Art der Werkstücke ab.
• Es ist insbesondere bekannt, daß infolge des sogenannten Hauteffekts die Wärmewirkung, welche durch die in den zu erwärmenden Werkstücken induzierten Ströme erzeugt wird, praktisch auf eine »Eindringtiefe« genannte Werkstoffdicke konzentriert ist, welche um so kleiner ist, je höher die Frequenz ist.
• Es ist klar, daß man bei allen Aufgaben der Erwärmung durch Induktion stets die Wärmewirkung an den Stellen zu erzeugen sucht, wo sie tatsächlich zweckmäßig ist, wobei vermieden wird, die von dem Vorgang nicht betroffenen Teile zu erwärmen. Bei vielen Anwendungen ist die Stelle, auf welche die Wärme konzentriert werden soll, äußerst klein. Dies ist insbesondere bei der Herstellung von Rohren aus Bandmaterial der Fall, welches beim Durchlauf durch eine entsprechende Maschine - allmählich gebogen wird, bis sich die beiden Kanten des Bandmaterials mit einem gewissen Druck berühren: Es wird dann durch Induktion eine örtliche Erwärmung der Berührungsstelle auf eine hohe Temperatur vorgenommen, wodurch die Nahtschweißung des Rohrs durch Schmieden erfolgt.
• Fig. 1 der Zeichnung zeigt dieses bekannte Verfahren schematisch.
• Das in der Pfeilrichtung vorwärts laufende Rohr T wird aus einem Bandmaterial hergestellt, welches nach Maßgabe seines Vorschubs gebogen wird. An der Stelle A, an welcher die beiden Kanten des Bandmaterials aneinanderstoßen, werden diese auf die Schweißtemperatur gebracht. Hierfür wird im allgemeinen vor der Stelle A ein Induktor J angeordnet, welcher durch zu dem Rohr konzentrische Windungen gebildet und durch einen Hochfrequenzgenerator G gespeist wird. Sowohl hier als auch in den weiteren Ausführungen ist unter Hochfrequenz jede Frequenz zu verstehen, welche über der der üblichen Verteilungsnetze für elektrische Energie liegt und für den angestrebten Zweck geeignet ist. Im vorliegenden Fall kann sie z. B. mehrere hundert Kilohertz betragen.
• Der in dem Induktor J fließende Strom induziert in dem Rohr T Ströme, welche sich insbesondere über den Punkt A schließen. Bei geeigneter Wahl des Induktors, seiner Stellung in bezug auf den Punkt A und der Frequenz und der Stromstärke des Speisestroms gelingt es, die an dieser Stelle gewünschte Wärmewirkung zu erzeugen. Leider erzeugen die induzierten Ströme auch an anderen Stellen des Rohrs eine unnütze Erwärmung, welche zu einer unerwünschten Überdimensionierung des Generators G führt.
• Wenn L die abgewickelte Breite des Bandmaterials, H die Länge des Induktors, p die Eindringtiefe, o der spezifische Widerstand des Metalls und I der Effektivwert der Stromstärke der induzierten Ströme ist, welcher zur Erreichung der gewünschten Wärmewirkung erforderlich ist, kann der Stromwärmeverlust in dem der Einwirkung des Induktors ausgesetzten Abschnitt des Bandmaterials durch folgende Formel ausgedrückt werden Da der Strom I durch die gewünschte Wärmewirkung vorgegeben ist, kann ausgesagt werden, daß der Verlust durch unnütze Erwärmung des Bandmaterials durch das Verhältnis o/p des nicht zu erwärmenden Abschnitts gekennzeichnet ist.
• Ferner ist bekanntlich die Eindringtiefe P proportional zu worin f die Frequenz der induzierten Ströme und #t die magnetische Permeäbilität des Metalls ist: Hieraus ergibt sich, daß das Verhältnis o/p proportional zu ist, d. h., für eine gegebene Frequenz und ein Metall mit gegebenem spezifischem Widerstand ist es zu der Quadratwurzel aus der Permeabilität proportional. Diese ist nun mit dein magnetischen Zustand des Metalls veränderlich. So kann z. B. für gewöhnlichen weichen Stahl der Wert von o/p je nach der magnetischen Sättigung des Bandmaterials bei einer Frequenz in der Größenordnung von 450 kHz zwischen 0,002 und 0,02 schwanken.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Induktionsheizung mit hoher Frequenz von magnetischen Werkstoffen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die magnetische Permeabilität der zu erwärmenden Werkstoffe in den Teilen, in welchen diese keine Nutzerwärmung erfahren sollen, dadurch herabgesetzt wird, daß diese Teile, deren Wandstärke merklich größer als die Eindringstiefe ist, durch ein magnetisches Gleichfeld gesättigt werden.
• Die Erfindung hat ferner eine Vorrichtung zur Ausübung des obigen Verfahrens hauptsächlich für die Nahtschweißung von Rohren, welche entweder durch Biegen oder durch schraubenförmiges Aufwickeln eines Bandmaterials hergestellt werden, zum Gegenstand, welche durch einen Magnetkreis gekennzeichnet ist, welcher entweder innerhalb oder außerhalb des zu schweißenden Rohres angeordnet ist und einen magnetischen Gleichiluß geeigneter Stärke liefert, wobei die Pole dieses Magnetkreises magnetisch mit der Rohrwand so gekoppelt sind, daß der Gleichfluß den Querschnitt des Bandmaterials auf der praktisch der Einwirkung des Induktors ausgesetzten Rohrlänge durchsetzt, wobei eine Unterbrechung in einem dieser Pole gegenüber der Zone des Rohres vorgesehen ist, welche erhitzt werden soll, so daß diese dem Einfluß des Gleichflusses entzogen wird.
• Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
• Fig. 1 zeigt das Prinzip einer Nahtschweißung von Rohren; Fig. 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer , erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• In Fig. 2 wird ein Rohr 1 durch Biegen eines Bandmaterials mittels einer nicht dargestellten Maschine gebildet. Es läuft in der Pfeilrichtung durch einen Induktor 2, welcher mit einem Strom geeigneter Frequenz und Stärke gespeist wird. Die beiden Ränder des Bandmaterials vereinigen sich an einer Stelle 3, an welcher das Metall auf die Schweißtemperatur gebracht werden soll.
• Innerhalb des Rohres 1 ist ein Magnetkreis angeordnet, welcher in Fig.3 schaubildlich dargestellt ist und einen Weicheisenkern 4 geeigneter Form enthält, welcher eine nicht dargestellte von Gleichstrom durchflossene Wicklung und Polstücke 5 und 6 geeigneter Dicke trägt, welche ebenfalls aus Weich- t eisen sind und in geringer Entfernung von der Rohrwand liegen. Der Fluß dieses Magnetkreises schließt sieh durch die Rohrwand und hat eine solche Stärke, daß das diese Wand bildende Metall magnetisch gesättigt wird. Das Polstück 6 besitzt e einen Ausschnitt 7, welcher der Stelle 3 gegenüber und in bezug auf die Verbindungslinie der beiden Ränder des Bandmaterials symmetrisch liegt, so daß die den Punkt 3 umgebende Zone nicht magnetisch gesättigt wird, so daß in ihr die günstigsten Bedingungen für die Entwicklung von Stromwärmeverlusten verwirklichi sind, während eine erhebliche Verringerung dieser Verluste in dem der Einwirkung des Induktors ausgesetzten Rest des Metalls erhalten wird. Der obige Magnetkreis kann auf beliebige geeignete Weise befestigt werden. Die Polstücke 5 und 6 können gegebenenfalls mit Rollen versehen werden, welche einen genauen Luftspalt zwischen diesen Stücken und der Innenwand des Rohrs aufrechterhalten und gleichzeitig zur Vergleichsmäßigung der Herstellung desselben beitragen. Diese Polstücke, insbesondere das Stück 6, können auch gegebenenfalls mit Wasser oder auf beliebige andere geeignete Weise gekühlt werden, ebenso wie die anderen Abschnitte des Magnetkreises.
• Anstatt eine Gleichstromwicklung auf dem Kern 4 vorzusehen, kann dieser Kern durch einen kräftigen Dauermagneten oder eine gleichwertige Kombination von mehreren Dauermagneten ersetzt werden.
• Der zur Sättigung des Metalls dienende Magnetkreis kann natürlich auch so ausgebildet werden, daß er außerhalb des Rohres liegt. Ferner kann die Kombination von zwei Magnetkreisen vorgesehen werden, von denen der eine innerhalb und der andere außerhalb des Rohres liegt.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Induktionsheizung mit Hochfrequenz von magnetischen Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Permeabilität der zu erwärmenden Werkstoffe in den Teilen, in welchen diese keine Nutzerwärmung erfahren sollen, dadurch herabgesetzt wird, daß diese Teile; deren Wandstärke merklich größer als die Eindringtiefe ist, durch ein magnetisches Gleichfeld gesättigt werden.
2. 2. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 für die Nahtschweißung von entweder durch Biegen oder durch schraubenförmiges Aufwickeln eines Bandmaterials gebildeten Rohren, gekennzeichnet durch einen innerhalb oder außerhalb des zu schweißenden Rohrs angeordneten Magnetkreis, welcher einen magnetischen Gleiehfluß geeigneter Stärke liefert, und dessen Pole magnetisch mit der Rohrwand so gekoppelt sind, daß der Gleichfluß den Querschnitt des Bandmaterials auf der praktisch der Einwirkung des Induktors ausgesetzten Länge des Rohrs durchsetzt, wobei eine Unterbrechung in einem der Pole gegenüber der Zone des Rohrs, welche eine Nutzerwärmung erfahren soll, so angeordnet ist, daß diese dem Einfluß des Gleichflusses entzogen ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Gleichfluß liefernde, innerhalb des zu schweißenden Rohrs anzuordnende Magnetkreis durch einen zylindrischen oder parallelepipedischen Weicheisenkern (4) gebildet wird, welcher eine mit Gleichstrom gespeiste Wicklung trägt und an seinen Enden mit kreisförmigen Polstücken (6, 7) entsprechender Stärke versehen ist, welche magnetische Pole bilden, deren Umfangsfläche in geringem Abstand von der Innenwand des Rohres liegt, wobei eines der Polstücke mit einem Ausschnitt (7) versehen ist, welcher der Verbindungsstelle der beiden Ränder des Bandmaterials gegenüberliegt, an welcher die Schweißtemperatur erreicht werden soll, derart, daß die magnetische Sättigung in der Umgebung dieser Stelle verhindert wird.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichfluß durch einen oder mehrere Dauermagnete erzeugt wird.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die magnetische Sättigung des Metalls erzeugende Magnetkreis mit Rollen versehen ist, welche sich gegen die Oberfläche des zu schweißenden Rohres legen.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine Kombination von zwei Magnetkreisen, von denen der eine innerhalb und der andere außerhalb des zu schweißenden Rohres liegt, wobei diese Magnetkreise die magnetische Sättigung der Teile des Rohres erzeugen, welche nicht einer Nutzerwärmung ausgesetzt werden sollen.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Kühlung der Gesamtheit oder eines Teils der den Sättigungsgleichfluß erzeugenden Magnetkreise. In Betracht gezogene Druckschriften Deutsche Patentschrift Nr. 869 385; deutsche Auslegeschrift Nr. 1006 545.