TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die Erfindung betrifft ein Hochstromkabel für Induktionsanwendungen wie z.B. das
induktive Erwärmen metallischer Bauteile beim Schweißen. Die Erfindung betrifft auch
ein Verfahren zum Anbringen eines elektrischen Anschlusses an ein solches Hochstromkabel
sowie die Verwendung einer Anschlusshülse für das Herstellen eines solchen elektrischen
Anschlusses.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
[0002] Bei bestimmten Schweißvorgängen ist es notwendig, die miteinander zu verbindenden
Bauteile vorzuwärmen bzw. nach einem Schweißgang auf einer bestimmten Temperatur zu
halten. Durch Vorwärmen der Bauteile kann (materialabhängig) eine sog. Aufhärtung
(Bildung sehr harter Gefügezonen durch Überschreitung bestimmter Kohlenstoffwerte
in der beim Schweißen wärmebeeinflussten Zone) verhindert werden. Bei mehrlagigem
Schweißen ist die sog. Zwischenlagentemperatur von Bedeutung, die nicht unter einen
bestimmten Wert fallen sollte, um sog. Kaltrisse zu vermeiden. Bei bestimmten Prozessen
sollen die Bauteile nach dem eigentlichen Schweißvorgang für eine bestimmte Zeit auf
einer bestimmten Temperatur gehalten (geglüht) werden. In allen diesen Fällen müssen
die Bauteile durch geeignete Mittel zusätzlich zum eigentlichen Schweißvorgang erwärmt
werden.
[0003] Bei einem bekannten und häufig verwendeten Verfahren werden ein oder mehrere Gasbrenner
einer Schweißvorrichtung vorgeschaltet, an denen die Bauteile dann vorbeigeführt werden,
um den Schweißnahtbereich der zu schweißenden Bauteile vorzuwärmen. Je nach Anordnung
und Ausrichtung der Brenner, Material und Form der Bauteile und Geschwindigkeit, mit
der sich Bauteile und Brenner relativ zueinander bewegen, ist die Erwärmung der Bauteile
sehr ungleichmäßig, was negative Auswirkungen auf den Werkstoff der Bauteile haben
kann. Beispielsweise toleriert der Stahl 15 NiCuMoNb 5 - WB 36 (Werkstoffnummer 1.6368),
der in der Kesselindustrie sehr oft eingesetzt wird, nur sehr niedrige Auf- und Abkühlraten
und sollte daher nicht mit einer Flamme vorgewärmt werden.
[0004] Neben der sog. Flammenvorwärmung ist die Vorwärmung mittels Infrarotstrahlung bekannt,
womit Temperaturspitzen in den Bauteilen vermieden werden sollen. Dieses Verfahren
ist allerdings ebenso wie die Erwärmung mit Flammen sehr energieintensiv und mit Energieverlusten
im Bereich von 70 % verbunden. Zudem ist mittels Infrarotstrahlung oft nur eine oberflächliche
Erwärmung der Bauteile möglich, während gerade bei Bauteilen mit einer großen Dicke
eine Erwärmung des gesamten Schweißnahtbereichs wünschenswert ist.
[0005] In den letzten Jahren werden Bauteile deshalb verstärkt mittels Induktion erwärmt.
Dabei werden im Schweißnahtbereich vor einer eigentlichen Schweißvorrichtung mittels
einer als Induktor bezeichneten Vorrichtung Wirbelströme in den Bauteilen induziert,
die zur Widerstandserwärmung führen. Je nach Induktorgeometrie, Schweißnahtgeometrie
und Induktorleistung kann der gesamte Schweißnahtbereich vorgewärmt werden. Dabei
kann zwischen zwei grundsätzlich verschiedenen Induktorbauarten, nämlichen starren
und schlaffen, unterschieden werden, die sich jeweils für bestimmte Anwendungsarten
durchaus bewährt haben. Daneben kann zwischen Induktoren, die aktiv über fluide Kühlmittel
gekühlt werden und über entsprechende Kühlmittelleitungen verfügen, und solchen, die
nicht über Kühlmittelleitungen verfügen, unterschieden werden.
[0006] Aus der
DE 100 47 492 A1 sind verschiedene starre Induktoren bekannt, die nicht über Kühlmittelleitungen verfügen
und zur schnellen lokalen Aufheizung bestimmt sind. Die Induktoren sind spezifisch
für bestimmte Schweißnahtformen (z.B. Kehlnaht, Stumpfnaht), Schweißverfahren und
Bauteile gefertigt und dienen dazu, die Schweißgeschwindigkeit dadurch drastisch zu
erhöhen, dass die Bauteile kurz (typischerweise etwa 100 mm) vor dem Schweißbrenner
sehr schnell induktiv erwärmt werden. Dazu werden die Induktoren sehr dicht über den
Bauteilen platziert. Für Stähle wird eine Arbeitshöhe, also ein Abstand zwischen Induktor
und Bauteil, von 1 bis 2 mm, für Aluminium-Legierungen sogar von vorzugsweise weniger
als 1 mm genannt. Entsprechende Induktoren arbeiten mit einer Induktorleistung von
etwa 15 bis 30 kW, und es werden Wechselstromfelder im Frequenzbereich von ca. 9 bis
23 kHz induziert. Damit sind dann Schweißgeschwindigkeiten von 400 bis 1.200 mm/Minute
erreichbar.
[0007] Induktoren der anderen Bauart, sogenannte schlaffe, band- oder schlauchförmige Induktoren
sind z.B. aus der
US 2007/0215606 A1 bekannt. Sie bestehen aus einem Hochstromkabel in Form vorzugsweise verseilten Litze
oder eines Drahtes, wobei das Kabel entweder, wie in der genannten
US 2007/0215606 A1 beschrieben, direkt mit einem wasserdichten Schlauch umgeben oder aber von aber von
einem i.d.R. metallischen Geflechtschlauch ummantelt ist, der dann, falls eine Kühlung
benötigt wird, von einem wasserdichten Schlauch zur Führung eines Kühlmittels umgeben
sein kann.
[0008] So sind z.B. mit ein bis drei Lagen Kupfergeflechtschlauch ummantelte Metallschläuche
bekannt, bei denen an das Ende ein Anschlussstück gelötet ist, mittels welchem dann
der elektrische Anschluss durch Verschraubung mit Überwurfmutter erfolgen kann. Typischerweise
befinden sich solche Kabel noch in einem Schutzschlauch aus Glasfasergewebe. Problematisch
bei dieser Art von Kabeln ist, dass sie mechanisch nur mittelmäßig robust sind und
zudem bereits bei Anwendungstemperaturen über 200 °C eine Wasserkühlung benötigen.
[0009] Ferner sind in Silikonschläuchen geführte Kupferlitzen bekannt, bei denen der elektrische
Anschluss über eine sogenannte Hochstrom-Steckverbindung meist mittels Lamellen-Kontaktelementen
mit äußerer Wasserführung oder als Bajonett-Stecker mit innerer Wasserführung erfolgt.
Solche Kabel sind mechanisch wenig robust, besitzen aber eine Strombelastbarkeit von
etwa 40 A/mm
2. Die kabelseitigen Anschlusselemente werden dabei als entsprechend geformte Hülsen
an die Kupferlitze gelötet oder gepresst.
[0010] Insbesondere wenn sehr hohe Temperaturen unter Verwendung von Hochstromkabeln induktiv
erzeugt werden sollen, z.B. Temperaturen bis zu 800 °C, haben sich Aluminium-Hochstromkabel
besonders bewährt, bei denen i.d.R. in einem Edelstahlgeflechtschlauch eine Aluminiumlitze
geführt ist. Trotz der hohen Temperaturen benötigen solche Kabel keine Wasserkühlung
und sind sehr robust. Es hat sich allerdings gezeigt, dass es problematisch ist, solche
Aluminium-Hochstromkabel in leichter und zuverlässiger Weise mit Anschlussstücken
zum Anschließen der Kabel an elektrische Geräte zu versehen. Bislang werden dazu an
das jeweilige Aluminiumkabel Kabelschuhe ebenfalls aus Aluminium angeschweißt. Allerdings
werden entsprechende Induktionswärmeanlagen häufig durch fachfremdes Personal verwendet,
so dass es nicht selten zu Fehlern bei der Verschraubung der Kabelschuhe mit Anschlüssen
an einem elektrischen Gerät kommt, die sogar zur Zerstörung der Kabelschuhe führen
können. Zudem ist die Isolation der Kabelschuhe problematisch. Für Aluminium-Hochstromkabel
sind bislang keine Steckverbinder wie z.B. Steckverbinder für Kupferkabel bekannt,
über welche in einfacher Weise auch durch fachfremdes Personal eine entsprechende
Hochstromsteckverbindung realisiert werden könnte.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
[0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ummanteltes Aluminium-Hochstromkabel
anzugeben, das in einfacher und sicherer Weise an typische elektrische Geräte, wie
z.B. Erzeuger eines Induktionsstroms, anschließbar ist. Der Erfindung liegt auch die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Anbringen eines elektrischen Anschlussstücks an
ein ummanteltes Aluminium-Hochstromkabel anzugeben.
[0012] Die Aufgabe wird gelöst von einem Hochstromkabel mit den Merkmalen des Anspruchs
1 bzw. einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Der nebengeordnete Anspruch
10 betrifft die Verwendung einer erfindungsgemäßen reibgeschweißten Hülse zur Herstellung
eines elektrischen Anschlusses bei einem ummantelten Aluminium-Hochstromkabel.
[0013] Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie es ermöglicht, Aluminium-Hochstromkabel,
die eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Hochstromkabeln gerade bei sogenannten
Mittelfrequenzanwendungen (d.h. Anwendungen, bei denen Wechselströme mit einer Frequenz
von typischerweise einigen hundert Hz bis hin zu einigen kHz angewandt werden) wie
z.B. der induktiven Erwärmung von metallischen Bauteilen im Rahmen der Werkstückvor-
oder -nachbereitung bei Schweißvorgängen besitzen, in einfacher und vor allem sicherer
Weise mit einem quasi standardisierten Hochstromstecker zur Herstellung von Steckverbindungen
zu versehen.
[0014] Die erfindungsgemäß vorgesehene Anschlusshülse mit einem ersten im Wesentlichen zylindrischen
Abschnitt aus einem ersten Metall und einem daran angeschweißten im Wesentlichen zylindrischen
Abschnitt aus einem zweiten Metall, wobei der erste Abschnitt aus Aluminium besteht,
ermöglicht es vorteilhaft, die Anschlusshülse mit der Aluminiumlitze zu verschweißen.
Je nach Material des zweiten im Wesentlichen zylindrischen Abschnitts kann dieser
vorteilhaft mit einem Hochstromstecker verbunden, insbesondere verlötet werden.
[0015] Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der zweite Abschnitt aus Kupfer. Er
kann aber auch aus anderen geeigneten Materialien, z.B. Silber, bestehen. Da Hochstromstecker
der hier in Frage stehenden Art typischerweise aus Messing bestehen, kann dann der
zweite Abschnitt mit dem Hochstromstecker verlötet werden.
[0016] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Innendurchmesser zumindest
des zweiten Abschnitts dazu bemessen, die Ummantelung mit der Aluminiumlitze aufzunehmen.
Dies ermöglicht es, auch die Ummantelung einzufassen und somit einen "sauberen" Abschluss
des Kabels zu bilden.
[0017] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Ummantelung
um eine Edelstahl-Geflechtummantelung. Dies ermöglicht vorteilhaft eine besonders
robuste, gleichzeitig aber auch flexible und mithin an unterschiedliche Geometrien
eines z.B. induktiv zu erwärmenden Bereichs anpassbare Ausgestaltung des Hochstromkabels.
[0018] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der erste im Wesentlichen zylindrische
Abschnitt und der zweite im Wesentlichen zylindrische Abschnitt miteinander reibverschweiß.
Dies ermöglicht eine besonders stabile Ausgestaltung der Anschlusshülse bei gleichzeitiger
Beibehaltung einer sehr guten elektrischen Leitfähigkeit.
[0019] Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Anbringen eines Hochstromsteckers an einem
Hochstromkabel mit einer ummantelten Aluminiumlitze wird zunächst eine Anschlusshülse
mit zwei im Wesentlichen zylindrischen Abschnitten, von denen einer aus Aluminium
und der andere aus einem anderen Metall, vorzugsweise Kupfer oder Silber, besteht,
bereitgestellt und es wird an wenigstens einem Ende des Hochstromkabels ein Teil der
Aluminiumlitze freigelegt, wobei diese beiden Schritte natürlich in beliebiger Reihenfolge
oder auch parallel erfolgen können. Dann wird die Anschlusshülse auf das Hochstromkabel
so aufgeschoben, dass sich die Aluminiumlitze in dem aus Aluminium bestehenden Abschnitt
der Anschlusshülse befindet, worauf der aus Aluminium bestehende Abschnitt der Anschlusshülse
mit der Aluminiumlitze verschweißt wird. Anschließend kann die Anschlusshülse in eine
zu der Anschlusshülse zumindest partiell komplementäre Aufnahme eines Hochstromsteckers
eingebracht und dort befestigt werden.
[0020] Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Bereitstellen der
Anschlusshülse das Reibverschweißen der beiden im Wesentlichen zylindrischen Abschnitte
miteinander.
[0021] Das Befestigen der Anschlusshülse in der Aufnahme kann, sofern geeignete Materialien
für die Aufnahme, z.B. Messing, und den zweiten im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt
der Anschlusshülse, z.B. Kuper, verwendet werden, durch Anlöten erfolgen.
[0022] Anspruch 10 betrifft die Verwendung einer reibgeschweißten Anschlusshülse mit zwei
im Wesentlichen zylindrischen Abschnitten, von denen einer aus Aluminium und der andere
aus einem anderen Metall, vorzugsweise Kupfer oder Silber, besteht, zur Herstellung
eines elektrischen Anschlusses bei einem ummantelten Aluminium-Hochstromkabel.
[0023] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
rein beispielhaften und nicht beschränkenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der vier Zeichnungsfiguren umfassenden Zeichnung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
[0024]
- Fig. 1
- zeigt ein geflechtummanteltes Aluminium-Hochstromkabel mit teilweise entfernter Ummantelung.
- Fig. 2
- zeigt eine Anschlusshülse zum Anschweißen an das Kabel gemäß Fig. 1.
- Fig. 3
- zeigt das Kabel mit angeschweißter Hülse.
- Fig. 4
- zeigt einen Stecker zur Aufnahme der Anschlusshülse.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
[0025] In der Fig. 1 ist ein in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnetes Hochstromkabel gezeigt,
das aus einer bei diesem Ausführungsbeispiel von einem Edelstahlgeflecht 12 ummantelten
verseilten Aluminiumlitze besteht. Zum besseren Verständnis des Aufbaus des Kabels
ist ein relativ langer Abschnitt der Aluminiumlitze freigelegt, also deutlich mehr,
als eigentlich zum nachfolgend noch beschriebenen Verschweißen der Aluminiumlitze
mit einem Abschnitt einer Anschlusshülse freigelegt werden müsste.
[0026] Damit sich die einzelnen Stränge der Aluminiumlitze nicht vollständig auffasern,
wurde im gezeigten Zustand das Ende der Aluminiumlitze mit Isolierband 16 umwickelt.
[0027] Die Fig. 2 zeigt eine in ihrer Gesamtheit mit 20 bezeichnete erfindungsgemäße Anschlusshülse
mit zwei im Wesentlichen zylindrischen Abschnitten 22 und 24, wobei der Abschnitt
22 aus Aluminium und der Abschnitt 24 bei diesem Ausführungsbeispiel aus Kupfer bestehen.
Die beiden Abschnitte 22 und 24 sind miteinander reibverschweißt.
[0028] Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt die Anschlusshülse 20 ferner zwei Madenschrauben
26 im Endbereich des aus Kupfer bestehenden Abschnitts 24, die zum Festklemmen eines
in die Anschlusshülse 20 eingeführten Hochstromkabels dienen, die aber optional sind
und nicht vorgesehen sein müssen.
[0029] Die beiden zylindrischen Abschnitte 22 und 24 besitzen bei diesem Ausführungsbeispiel
denselben Außendurchmesser, der Innendurchmesser des Abschnitts 24 kann aber größer
bemessen sein als der des aus Aluminium bestehenden Abschnitts 22, so dass auch ein
Teil der Ummantelung des Kabels, wie in Fig. 3 gezeigt, in die Hülse eingeführt werden
kann. Der Innendurchmesser des aus Aluminium bestehenden Abschnitts kann dagegen kleiner
sein, da er nur die Aluminiumlitze aufnehmen muss.
[0030] In Fig. 3 ist der Zustand nach Aufschieben und der Anschlusshülse auf das Kabel,
Verschweißen der Aluminiumlitze mit dem aus Aluminium bestehenden Abschnitt 22 der
Hülse und Anlöten des bei diesem Ausführungsbeispiel aus Kupfer bestehenden Abschnitts
24 an die hier aus Edelstahlgeflecht bestehende Ummantelung 12 gezeigt, so dass ein
erfindungsgemäßes Hochstromkabel 30 gebildet ist. Für den Fachmann erschließt sich
sofort, dass auf diese Weise ein nicht nur optisch ansprechender und eleganter Abschluss
des Hochstromkabels gebildet werden kann, sondern dass sich dieser Abschluss hervorragend
zum Anschließen an elektrische Geräte wie z.B. Erzeuger von Induktionswechselströmen
eignet, denn der aus Aluminium bestehende Abschnitt kann leicht und dauerhaft mit
der aus Aluminium bestehenden Litze verschweißt werden, während der aus Kupfer oder
einem entsprechenden anderen geeigneten Metall bestehende Abschnitt eine hervorragende
Leitfähigkeit und Robustheit aufweist, insbesondere aber leicht mit einem Stecker
aus einem entsprechenden Material, typischerweise aus Messing, verbunden werden kann.
Fig. 4 zeigt einen in seiner Gesamtheit mit 40 bezeichneten entsprechenden Hochstromstecker.
[0031] Der Hochstromstecker 40 besitzt bei diesem Ausführungsbeispiel einen zylindrischen
Kontaktabschnitt 42, eine zylindrische Aufnahmehülse 44 und einen Abschlussflansch
46. Der Innendurchmesser der Aufnahmehülse 44 ist so bemessen, dass die Aufnahmehülse
44 eine Aufnahme 48 für die Anschlusshülse 20 gemäß Fig. 2 bildet. Die Anschlusshülse
kann nach Einführen in die Aufnahme 48 durch Madenschrauben gesichert werden, die
durch eine oder mehrere Bohrungen 50 in die Aufnahmehülse eingedreht werden. Vorzugsweise
wird die Anschlusshülse jedoch nach dem Einbringen selbiger in die Aufnahme 48 mit
dem Stecker 40 verlötet, was vorteilhaft dadurch möglich ist, dass der am kabelzugewandten
Teil der Anschlusshülse befindliche Abschnitt der Anschlusshülse aus einem Metall
wie insbesondere Kupfer oder Silber besteht, das sich gut mit dem Metall, aus dem
typischerweise ein Hochstromstecker der hier in Frage stehenden Art, insbesondere
Messing, besteht, verlöten lässt. Diese Materialien sind auch deutlich härter als
Aluminium, so dass der Aufnahmeabschnitt des Steckers nicht nur für eine gute elektrische
Verbindung zwischen dem Hochstromkabel und dem Stecker sorgt, sondern gleichzeitig
auch den nach Herstellen der entsprechenden Verbindung innenliegenden Aluminiumabschnitt
der Anschlusshülse schützt. Der Kontaktabschnitt 42 des Steckers 40 ist in an sich
bekannter Weise zum Einbringen in eine entsprechende Aufnahme an einem elektrischen
Gerät vorgesehen.
[0032] Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen
möglich, die sich z.B. auf die Ausgestaltung und insbesondere die Formgebung der Anschlusshülse
beziehen. Wichtig ist, dass die Ausgestaltung der Hülse aus zwei unterschiedlichen
Materialien, von denen eines Aluminium ist, gewährleistet, dass die Anschlusshülse
sicher und dauerhaft mit der Aluminiumlitze verschweißt werden kann.
1. Hochstromkabel insbesondere für Induktionsanwendungen mit einer in einer Ummantelung
geführten, vorzugsweise verseilten Aluminiumlitze,
dadurch gekennzeichnet,
dass an wenigstens einem Ende der Aluminiumlitze eine auf die Litze geschobene Anschlusshülse
vorgesehen ist,
wobei die Hülse aus einem ersten im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt aus einem
ersten Metall und einem daran angeschweißten im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt
aus einem zweiten Metall besteht und
wobei der erste Abschnitt aus Aluminium besteht und mit der Aluminiumlitze verschweißt
ist.
2. Hochstromkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt aus Kupfer oder Silber besteht.
3. Hochstromkabel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser zumindest des zweiten Abschnitts dazu bemessen ist, die Ummantelung
mit der Aluminiumlitze aufzunehmen.
4. Hochstromkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung eine Edelstahl-Geflechtummantelung ist.
5. Hochstromkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste im Wesentlichen zylindrische Abschnitt und der zweite im Wesentlichen zylindrische
Abschnitt miteinander reibverschweißt sind.
6. Hochstromkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusshülse in einem Hochstromstecker befestigt ist.
7. Verfahren zum Anbringen eines Hochstromsteckers an einem Hochstromkabel mit einer
ummantelten Aluminiumlitze,
gekennzeichnet durch
- Bereitstellen einer Anschlusshülse mit zwei im Wesentlichen zylindrischen Abschnitten,
von denen einer aus Aluminium und der andere aus einem anderen Metall, vorzugsweise
Kupfer oder Silber, besteht,
- Freilegen eines Teils der Aluminiumlitze,
- Aufschieben der Anschlusshülse auf das Hochstromkabel so, dass sich die Aluminiumlitze
in dem aus Aluminium bestehenden Abschnitt der Anschlusshülse befindet,
- Verschweißen des aus Aluminium bestehenden Abschnitts der Anschlusshülse mit der
Aluminiumlitze und
- Einbringen der Anschlusshülse in eine zu der Anschlusshülse zumindest partiell komplementäre
Aufnahme eines Hochstromsteckers und
- Befestigen der Anschlusshülse in der Aufnahme.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen der Anschlusshülse das Reibverschweißen der beiden im Wesentlichen
zylindrischen Abschnitte miteinander umfasst.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigen der Anschlusshülse in der Aufnahme durch Anlöten erfolgt.
10. Verwendung einer Anschlusshülse mit zwei im Wesentlichen zylindrischen Abschnitten,
von denen einer aus Aluminium und der andere aus einem anderen Metall, vorzugsweise
Kupfer oder Silber, besteht, zum Anbringen eines Hochstromsteckers an einem Hochstromkabel
mit einer geflochtenen Aluminiumlitze.