DE971278C - Verfahren zur Hochfrequenzinduktionsloetung und -haertung - Google Patents

Description

Es ist bekannt, mit Hilfe hochfrequenter Wirbel-" ströme metallische Werkstücke z. B. zum Zwecke der Härtung oder des Lötens zu erhitzen. Für die Induktionshärtung kann man entweder dais Werkstück kontinuierlich am Heizleiter vorbeiführen, erwärmen und aihschreeken, oder aber man kann es mittels einer vorgegebenen genauen Zeitschaltung auf einmal erwärmen und anschließend durch Wärmeleitung in den kühlen Kern oder durch Waseeraibschreckung härten.

Dieses letztere Verfahren wird bei kleineren Werkstücken vornehmlich angewandt. Es erfordert die präzise Einhaltung· der genauen Heizzeit, da jede Abweichung von· der als richtig ermittelten Heizzeit einen Ausschuß bedeutet. Insbesondere bei sehr kleinen Werkstücken, z. B. Lagerzapfen von Uhren, oder bei der Herstellung von Präzisionslötungen handelt es sich darum, eine vorgegebene Wärmemenge im Werkstück präzise zu erzeugen. Bei sehr kleinen. Objekten muß, wenn man auf eine ao kleine Eindringtiefe, d. h. dünne Härteschicht mit weichem Kern, Wert liegt, einerseits eine sehr hohe Frequenz, andererseits eine extrem kurze Schalt zeit eingehalten werden, damit nicht die Wärme durch Wärmeleitung tiefer eindringt. Zeiten unterhalb von etwa V100 bis V1000 s variabel einstellbar präzise mit den zur Verfügung stehenden Hilfsmitteln der Technik e^;n- und auszuschalten, bedingt

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heute — sofern überhaupt möglich ·—· einen sehr hohen Aufwand. Daher ist die Induktionshärtung kleinster Teile und die Herstellung kleinster Lötungen bisher nicht Anwendungsgebiet der Induktionserwärmung geworden.

Um eine genau vorgegebene Wärmemenge im Werkstück durch Induktionsspule, gespeist aus einem Hochfrequenzgenerator, in extrem kurzer Zeit zu erzeugen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die für ein Werkstück benötigte elektrische Energie einem auf einen entsprechenden Energiebetrag aufgeladenen elektrischen Kondensator entnommen wird. Die Ladungsenergie des elektrischen Kondensators kann durch über die Entladungszeit hinausreichenden mechanischen Kontaktschluß auf den Hochfrequenzgenerator geschaltet werden, an dessen Hochfrequenizausgang die Heizspule mit dem zu erwärmenden oder zu härtenden Werkstück angebracht ist. Da der Wirkungisgrad des Hochfrequenzgenerators konstant ist, solange keine Variation irgendwelcher Schailtglieder vorgenommen wird, ist die im Werkstück erzeugte Wärmemenge durch die Ladung des Kondensators in Joule einstellbar.

Der Ausgleich der Kondensatorlaidung durch den Verbrauch des Hochfrequenzgenerators geht sehr schnell vonstatten, Zeiten zwischen 10—² und 10—* s für die Dauer des gesamten Erwärmungisvorganges sind leicht erreichbar.

.30 Folgendeis Beispiel möge dies erläutern:

Ein Zinntröpfen von 0,2 g Gewicht soll so* weit erhitzt werden, daß er sowohl schmilzt wie auch mit der unter ihm befindlichen Unterlage gut verfließt. Dann ist zur Erhitzung dieses Zinnkügelchens (spezifische Wärme von Zinn von etwa 0,05° C auf 400⁰ [Schmelzwärme vernachlässigt]) der Wärmebedarf ~ 4 cal, d. h. ~ 16 Joule. Bei einem angenommenen Wirkungsgrad der ganzen Anordnung von 0,1 wären 160 Joule im Kondensator als

.40 Ladung aufzubringen. Bei einer Betriebsspannung der vorzusehenden Röhre für kurzzeitige Stöße in Höhe von 10 kV errechnet sich die Größe des Kondensators: V2 C U² =160 Joule, U = 10 kV, C = 3,2 Mikrofarad.

■45 Der Gleichstromwiderstand des belasteten Generators sei 2500 Ohm. Die Zeitkonstante der Kondensatorentladung über einen ohmschen Widerstand ist: t = R · C; in unserem Beispiel:

t = 25OO · 3,2 · ΙΟ"⁶ S

-γ—3

S.

Wie aus diesem groben Beispiel ersichtlich, erreicht man unschwer kürzeste Erwärmungszeiten. Bai sehr kleinen Werkstücken, bei denen die Kondensatorladung auf Grund der benötigten, kleinen Wärmemenge sehr viel kleiner ist als im Beispiel, erreicht man Erwärmungszeiten um 10—⁴ s.

Bei Uhrenizapfen z. B. ist es erwünscht, eine äußere- Härteschicht von etwa nur 10 μ zu erhalten, den inneren Kern aber noch nicht durchzuhärten. Die elektrische Eindringtiefe des Induktionsstromes kann durch Wahl einer entsprechend hohen Frequenz, z. B. 20 MHz, leicht auf so kleine Werte gebracht werden. Bei den bisher bekannten Verfahren erwärmte sich, mit längeren, Einschaltzeiten der Hochfrequenz innerhalb der Einschailtzeit der Kern des kleinen Werkstückes durch Wärmeleitung ebenfalls auf Härtetemperatur, beim Abschrecken entstanden Härtespannungen, das Werkstück wurde spröde.

Mit dam vorbeschniebenen Verfahren ist es jedoch möglich, eine so extrem kurze Härtezeit zu erzielen, daß auch bei kleinsten Objekten, z. B. Wellen von 0,5 mm Durchmesser, der kalte Kern die in der nur wenige μ dicken aufgeheizten Haut entstandene Wärme aufzunehmen vermag, ohne sich seibist auf Härtetemperatur zu erwärmen, so daß das Abschrecken entfällt.

Durch eingehende experimentelle Messungen wurde festgestellt, daß bei Anwendung der sonst gebräuchlichen Härtetemperaturen zwischen 800 bis 900⁰ C hier infolge der extrem kurzen Erhitz'Ungs- und Abschreckungszeit keine ausreichende Härte entsteht. Die Umwandlung des Austenits in Martensit benötigt eine gewisse Zeit, die hier unterschritten wird. Das gleiche gilt für die Lösung des Graphits in den. Ferritkristallen.

Vornehmlich letzterer Prozeß kann jedoch ausreichend stark beschleunigt werden, indem man höhere als sonst übliche Härtetemperaturen, z. B. 1200⁰C, verwendet, wodurch die Lösungsgeschwindigkeit sehr stark erhöht wird. Bei längeren Härtezeiten würde dies zu Zerreiß spannungen: an der Oberfläche, sogenannten Härterissen, führen. Bei den extrem dünnen Härteschichten ist eine solche Temperatur aber gefahrlos. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die Ladung des Kondensators so z,u erhöhen, daß die äußere Haut des Werkstückes höher als auf die sonst 'übliche Härtetemperatur erhitzt wird, um dadurch trotz extrem kurzer Aufhitzungszeit eine vollständige Aushärtung dieser Haut zu erhalten.

Die Zuführung der Hochfrequenz zu so kleinen Werkstücken, wie z. B. Lagerzapfen an Uhren, erfordert eine außerordentliche Konzentration der Hochfrequenzenargie auf kleinstem Raum.

Zur Erzielung eineis· guten elektrischen Wirkungsgrades ist es erforderlich, daß dia Induktionserwärmungsspule gut an die Ankopplungsspule des Schwingkreises angepaßt ist. Ihre Selbstinduktion muß hierzu mindestens gleich oder größer als die der Ankopplungsspule des Schwingkreises sein. Induktionsspulen, die nur aus einer bis vier Windungen bestehen bei etwa, 1 mm Durchmesser, lassen sich aber nur dann mit ausreichend hoher Selbstinduktion ausführen, wenn sie aus dünnem Draht gefertigt werden.

Eine erfahrungsgemäß günstige Dimensionierung ist z. B. für eine Generatorfrequenz von 30 MHz eine Spule mit einem Innendurchmesser von 1 mm, einem DrahMurchimesser von 0,7mm und einer Windungsganghöhe von 0,8 mm bei einer Spulenlänge von/ 3,1 mm bei vier Windungen. Eine derartige Spule hat wegen ihres guten Verhältnissieis von Länge zu Durchmesser und ihrer hohen Windungszahl eine ausreichend hohe Selbstinduktion.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen., zur Induktionshärtung nach dem vorbeschriebenen Impulsverfahren von kleinisten Werkstücken Heizleiterispulen zu verwenden, die aus einer oder mehreren Windüngen dünnen Kupferlackdrabtes oder blankem Kupfer- oder Silberdraht bestehen und deren Wärmespeichervermögen ausreichend hocih ist, daß sie sich während eines einzigen Hochfrequenzstramstoßes nicht unzulässig erwärmen auf Grund othmscher oder induktiver Verluste. Die natürliche oder künstliche Kühlung wird derart eingestellt, daß die während eines Stromstoßes im Heizleiter erzeugte Wärme in der Pause bis zum nächsten abgeführt wird.

Da die Röhre des Generators sowie der gesamte Schwingungskreis nur einen sehr kleinen Bruchteil der gesamten Betriebszeit Strom führen, braucht man den Generator elektrisch nur so zu dimensionieren, wie man es für den Mittelwert der ao Leistung bei Dauerbetrieb tun, würde. Bei Pausen von ι Sekunde und Härtezeiten von. V100 Sekunde und 10 kW z. B. wäre thermisch eine Dimensionierung auf ¹⁰/ioo kW, d. h. 100 W, ausreichend, ausreichende Spannungsfestigkeit aller Teile vorausgesetzt.

Da bei dem vorbeschriebenen Verfahren die Erwärmung des- Werkstückes ausschließlich durch die Kondensatorladung variiert wird, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die variierbaire Ladespannung des Kondensators in Joule, Kalorien oder bei stets gleichen Werkstücken in Härtetemperatur ablesbar zu gestalten und eine elektrische Schaltung zur Kondensataraufladung zu verwenden, die unabhängig von Netzspannungs Schwankungen zur Vermeidung von Schwankungen! im Härteeirgebnis die gleiche vorgegebene Ladespannung automatisch erreicht und erst nach Erreichen derselben die Auslösung des Härtevargangeis freigibt.

Bei der Härtung bereits fertiggesohliffener, blanker Präzisionswerkstücke soll tunlichst die Oberfläche blank bleiben und nicht nachbeairbeitet werden. Dieses ist möglich durch Verwendung einer Wasserstoffatmasphäre, die auch die besten Wärmeableitungswerte hat, aber hai den erhöhten, hier erforderlichen. Temperaturen, leicht Explosionsgefahren .bedingt. Besser ist es daher, den Härtevorgang unter einer Edelgasatmosphäre sich abspielen zu lassen. Um das wertvolle Edelgas nicht unnötig in den Härtepausen ausströmen zu lassen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, elektropneumatisch oder mechanisch einen Wasserstoff- oder Edelgasstrom, vorzugsweise Argon, aus einer Varratsflasohe über Reduzierventile bekannter Art beim vorbeschriebeneni Impulshärteverfahren unmittelbar vor, während und nach der Härtung auf das Werkstück strömen zu lassen zwecks Erbalt der blanken Oberfläche und fallweise den Gasstrom zur Abführung der in der Induktionsspule entstandenen Wärme während der Pause nAir eines Teils der Pause zu verwenden.

Die Kondensatorliadung ist bei dem vor beschriebenen Verfahren der Energiespeicher für die Durchführung der einzelnen Härtung. Jedesmal muß die Kondensatorladung plötzlich auf den Hochfrequenzgenerator geschaltet wenden. Die elekirische Verbindung braucht jedooh nicht langer als bis zur völligen Entladung des Kondensators besteheinzubleiiben, im Gegenteil, es ist erwünscht, daß sie möglichist sofort nach beendeter Entladung gelöst wird, damit deir Kondensator wieder auf Be- reitschaft aufgeladen werden kann. Zur Durchführung derartiger Kurzzeitschaltungen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein Relais oder Schaltschürtz als Schalter zu verwenden, dessen Magnetspule durch, die Entladung eines Hilfskondensators erregt wird. Wählt man die Ladeenergie dieses Hilfskondensators A = ¹Zt C U² (Joule) derart, daß sie nur wenig, aber ausreichend, größer ist als die für das kräftige Zusammenstoßen der Kontakte und die Bewegung des Ankers erforderliche mechanische Arbeit A — P · S (P = Kraft, ^ = Hubweg) sowie die zusätzlich hierfür aufzubringende Beschleunigungs arbeit, so wird, hierdurch erreicht, daß die Kontakte sich nur sehr kurzzeitig berühren und wieder auseinandergehen. Bei niederohniiger Magnetspule ist die Entladung dieses Hilfskondensators schneller als der mechanische Vorgang der Schaltung. Man erhält hierbei leicht Berührungszeiten von Vioo bis ²Aoo s, ausreichend für die Lösung der gestellten Aufgabe, nur während der Entladezeiit des Kondensators einen Kontaktschluß herzustellen. Die Erzielung einer sehr kurzen Härtezeit, verbunden mit einer extrem dünnen Härteschicht, erfordert nach dem Obigen eine schnelle Umsetzung der Ladungsenergie des Speicherkondensatars in hochfrequente Schwingungsenergie. Hierzu ist ein großer Emissionsstrom der Röhren erforderlich. Bei dem obigen Beispiel ist bei 10 kV für einen Gleichsitromwideristand von 2500 Ω ein mittlerer Anodenstrom von 4 A erforderlich, die Emission muß daher wegen der Aussteuerung von 0 bis auf den doppelten Betnag mindestens 8 A betragen. Höhere Emissionen ergeben kürzere Härtezeiten.

Erfindungsgemäß wind daher vorgeschlagen, zur Durchführung des Impulshärteverfahrens Hochfrequenzgeneratorröhren höchster Kathodenemission, vorzugsweise Trioden mit thorier ten Wolfram kathoden zu verwenden, die hohe Betriebsspannungen bei gleichzeitig sehr hohen Emissionsströmen ermöglichen.

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   ι. Verfahren zur Hochfrequenzinduktionslötung und -härtung, wobei das Werkstück durch Induktionsströme mittels einer Induktionsspule, gespeist aus einem Hochfrequenzgenerator, erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, tao daß die für ein Werkstück benötigte elektrische Energie einem auf einen entsprechenden Energiebetrag aufgeladenen elektrischen Kondensator entnommen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch ge- 1*5 kennzeichnet, daß die Ladung>senergie des elek-

   trischen Speicherkondenisiators durch über die Eratladungszeit hinausreicihenden mechanischen Konitaktsch'kiß auf den Hochfrequenzgenerator geschaltet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator durch entsprechende elektrische Dimensionierung des Hochfrequenzgenerators in weniger als V100 s über den Hochfrequenzgenerator entladen wird mit einer am Werkstück resultierenden Oberflächentemperatur von über 900⁰ C.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeicihoer, daß zur Induktionserwärmiung Heizleiterspuilen verwendet werden, die aus einer oder mehreren Windungen Silber- oder KupferdraJiteis oder -bandes bestehen, deren Wärmekapazität soi gewählt ist, d&ü die Temperatur dieser Spulen während eines Erhitzungsvorganges auf weniger al's die zuläsisige maximale Betriebstemperatur ansteigt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei periodischem Betrieb die Betrielbspaulsen in Übereinistimmung· mit der Kühlung der Induktionsspule so gewählt sind, daß die während eines· Härterrorganges in dem Heizleiter erzeugte Wärme während der Pause oider eines Teiles der Pause, durch die verwendete Kühlungsart abgeführt wird.
6. 6. Verfahren nach. Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die variierbare Ladespannung· des Kondensators in Joule, Kalorien oder bei stets gleichen Werkstücken in· Oberflächentemperatur des Werkstückes ablesbar gestaltet wird' und/oder eine elektrische Schaltung zur Kondensatoraufladung verwandt wird, die unabhängig von Netzspannungsschwankungen die gleiche .vorgegebene Ladespannung¹ automatisch erreicht und erist naöh Erreichen derselben die Auslösung- des Härtevorgunges freigibt.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch 4.0-gekennzeichnet, daß elektropneumatisch oder mechanisch ein Wasserstoff- oder Edelgasstrom, vorzugsweise Argon, aus einem Vorratsbehälter unmittelbar vor, während und nach der Härtung auf das Werkstück strömt und fallweise dieser Gasstrom zur Abführung der in der Induktionsspule entstandenen Wärmemenge' verwendet wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zu kurzzeitigen, Verbindungen des Speiaherko>ndensaitors mit dem Hochfrequenzgenerator ein Relais oder Schaltschütz als Schalter verwendet wird, dessen Magnetspule durch die Entladung eines Hilfskondensator» erregt ward, und daß die Ladeanergie dieses Hilfskondensaitors. so dimensioniert ist, daß sie gleich oder größer ist als¹ die für das einmalige Zusammenführen der Kontakte und die Deckung der mechanischen Verluste des Schalters benötigte Energie.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Hochfrequenzgenerator Röhren hoher Kathodenemission, vorzugsweise Trioden mit thorierten Woiiframkathoden, verwendet werden, deren Emission so hoch ist, daß der Anodenstrom Werte erreicht, die eine Entladung des Speicherkondensators in weniger als Vioo s ermöglichen'.

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