Eine Generator-Reihe der Eldec Schwenk Induction GmbH ermöglicht das Zusammenspiel unterschiedlicher Frequenzen beim induktiven Erwärmen. Die richtige Mischung führt zu besseren Ergebnissen beim Löten und Randschichthärten.
Hans-Joachim Peter leitet die Berliner Außenstelle der Eldec Schwenk Induction GmbH in Dornstetten, Web-Site: www.eldec.de
Ein typisches Kennzeichen der induktiven Erwärmung war bisher, dass entweder Mittelfrequenz(MF)- oder Hochfrequenz(HF)-Generatoren eingesetzt wurden – je nach Geometrie des zu behandelnden Werkstücks oder Werkstück-Abschnittes. Nun wird es aber für manchen Anwender schwierig, sich für einen bestimmten Frequenzbereich zu entscheiden. Dies ist zum Beispiel beim Löten der Fall, wenn der Anwender ein breites Spektrum an großen und kleinen Teilen verbinden will: Massive Werkstücke, die tiefer eingewärmt werden sollen, benötigen eine niedrige Frequenz. Kleinere Werkstücke brauchen dagegen eher eine höhere Frequenz.
Zwei Anwendungsfälle mit Teilen ganz unterschiedlicher Geometrie machen dies deutlich (siehe Bilder unten): Der nichtrostende Faltenbalg, der an einen Messingkörper angelötet werden soll, braucht zum Beispiel eine hohe Frequenz. Die zum Hartlöten erforderliche Erwärmungszone muss möglichst auf die Lötzone beschränkt bleiben, um nicht die Werkstoffeigenschaften des Metallbalgs zu beeinträchtigen. Das gilt insbesondere für die ersten ringförmigen Wellen an der Lötzone. Realisieren lässt sich diese Forderung mit einer Frequenz von etwa 300 kHz, bei der die Induktionsenergie auf einen engen Bereich konzentriert werden kann.
Anders sieht es bei massiven Werkstücken aus, die möglichst durchwärmt werden sollten. Hier empfiehlt sich eine niedrigere Frequenz (MF), die zu einer größeren Streuung und damit zu einem weicheren Erwärmungsfeld führt. So lässt sich bei einer Frequenz von rund 15 kHz das Werkstück im Bild aus Rohr und Flansch gut löten. Da der anzulötende Flansch relativ dickwandig ist, kann die in tieferen Schichten erzeugte Wärme das ganze Werkstück schnell und gleichmäßig durchdringen. Das Ergebnis ist besser, als wenn die Wärme mit Hochfrequenz in einer lokal begrenzten Stelle erzeugt wird.
Durch die Entwicklung eines neuen Generatortypus, dem Zweifrequenz-Generator, kann der Anwender jetzt nicht nur zwischen den zwei Frequenzbereichen MF oder HF wählen, sondern darüber hinaus die beiden Frequenzbereiche im Verhältnis von 9:1 bis 1:9 mischen, je nach Bedarf. Er schneidet das Amplitudenverhältnis der beiden Frequenzen gezielt auf die Anforderungen des jeweiligen Werkstückes zu.
Der ZFG 15 igbt ist beispielsweise ein Gerät aus dieser Reihe, die die Eldec Schwenk Induction GmbH aus Dornstetten auf den Markt gebracht hat. Dabei handelt es sich um eine komplette Induktionserwärmungsanlage mit zwei Frequenzumrichtern in IGBT-Transistortechnik und einem Koaxialtransformator, der über ein flexibles Kabel angeschlossen ist. Die Ausgangsleistung beträgt 15 kW, die äußeren Abmessungen liegen bei 550 mm x 790 mm x 780 mm. Pulsweitenmodulation (PWM) und Pulspaketsteuerung (PPS) auf Basis der IGBT-Transistortechnik sorgen dafür, dass die abgegebene Leistung über dem gesamten Frequenzbereich konstant bleibt und damit ein durchgängig hoher Wirkungsgrad von Anfang bis Endtemperatur gewährleistet ist. Das Amplitudenverhältnis der MF- und HF-Leistung lässt sich stufenlos zwischen 10 bis 90 % MF und 90 bis 10 % HF einstellen, wobei die mittelfrequente Grundschwingung von einer HF-Schwingung überlagert wird. Über die integrierte SPS lassen sich bis zu acht Zeitzonen mit frei wählbaren Leistungsstufen definieren. Diese Programmierung löst auch komplizierte Erwärmungsaufgaben. Da der Frequenzumrichter wassergekühlt ist, hat die Anlage eine geringe Bauhöhe. Zusätzlich zur Temperaturregelung kann ein Pyrometer angeschlossen werden.
Diese neuen Zweifrequenz-Generatoren, die wie alle MF- oder HF-Generatoren in IGBT-Transistortechnik ausgeführt sind, optimieren auch das Randschichthärten von Zahnrädern im Allzahnverfahren. In der Vergangenheit war es nicht möglich, mit einer bestimmten Frequenz die Zahnflanken gleichmäßig tief einzuhärten.
Entweder erwärmte sich der Zahnkopf stärker als der Zahnfuß oder umgekehrt. Das ist erklärlich, weil der Zahnkopf eine höhere Frequenz erfordert als der Zahnfuß. In der Praxis sah das Ergebnis meist so aus, dass der Zahnkopf bis zum Teilkreis durchgehärtet war, während der Zahnfuß so halbwegs mitgehärtet wurde. Der Anwender musste beim Einhärten der Zahnräder also Kompromisse schließen.
Durch den Einsatz von Zweifrequenz-Generatoren kann er jetzt für die jeweilige Zahngeometrie ein individuell passendes Frequenzgemisch wählen und damit Zahnkopf- und Zahnfußbereich gleichmäßig einhärten. Die Bildsequenz im Kasten lässt den Einfluss der Frequenz auf die Einwärmung sehr gut erkennen. Bei einem Frequenzgemisch von 10 % HF und 90 % MF glüht der Zahngrund deutlich stärker als der Zahnkopf (links). Umgekehrt glüht bei einem Frequenzgemisch von 90 % HF und 10 % MF der Zahnkopf deutlich mehr als der Zahnfuß (Mitte). Ein optimiertes Glühbild ergibt sich schließlich bei einem Frequenzgemisch von 30 % HF und 70 % MF, bei dem Zahnkopf und Zahnfuß eine gleiche Oberflächentemperatur aufweisen. Dies ist eine gute Voraussetzung, um eine konturentreue Einhärtung zu erzielen. Den Beweis liefert das Schliffbild des nach diesem Verfahren gehärteten Zahnradritzels.
Die Reihe der Zweifrequenz-Generatoren umfasst zurzeit die Leistungsgrößen von 15 kW, 25 kW, 75 kW, 150 kW und 300 kW.
Optimiertes Randschichthärten: Erst die Frequenz-Mischung härtet von Kopf bis Fuß durch
Beim Randschichthärten mit nur einer Frequenz erwärmt sich der Zahnfuß stärker als der Zahnkopf oder umgekehrt. Demgegenüber bietet der Zweifrequenz-Generator die Möglichkeit, für jede Zahngeometrie ein passendes Frequenzgemisch zu wählen und die Zahnflanken gleichmäßig einzuhärten:
Bei einem Frequenzgemisch von 10 % HF und 90 % MF glüht der Zahngrund deutlich stärker als der Zahnkopf (linkes Bild). Umgekehrt glüht bei 90 % HF und 10 % MF der Zahnkopf deutlich mehr als der Zahnfuß (Mitte). Das Frequenzgemisch von 30 % HF und 70 % MF führt schließlich zum optimalen Glühbild, bei dem Zahnkopf und -fuß dieselbe Oberflächentemperatur aufweisen (rechts). Das Stirnrad im Schliffbild erhielt nach dieser Methode eine durchgehend gleichmäßig eingehärtete Oberflächenschicht (Fußkreisdurchmesser 10, Kopfkreisdurchmesser 20, Zähnezahl 6). Die Heizzeit lag unter 0,5 s.
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