induktionsopvarmning er en proces, der bruges til at binde, hærde eller blødgøre metaller eller andre ledende materialer. For mange moderne fremstillingsprocesser tilbyder induktionsopvarmning en attraktiv kombination af hastighed, konsistens og kontrol.
de grundlæggende principper for induktionsopvarmning er blevet forstået og anvendt til fremstilling siden 1920 ‘ erne. under Anden Verdenskrig udviklede teknologien sig hurtigt for at imødekomme presserende krigstidskrav til en hurtig, pålidelig proces til at hærde metalmotordele. For nylig har fokus på lean produktionsteknikker og vægt på forbedret kvalitetskontrol ført til en genopdagelse af induktionsteknologi sammen med udviklingen af nøjagtigt kontrollerede, alle faststofinduktionsstrømforsyninger.
Hvad gør denne opvarmningsmetode så unik? I de mest almindelige opvarmningsmetoder påføres en fakkel eller åben ild direkte på metaldelen. Men med induktionsopvarmning “induceres” varme faktisk i selve delen ved at cirkulere elektriske strømme.
induktionsopvarmning er afhængig af de unikke egenskaber ved radiofrekvensenergi (RF) – den del af det elektromagnetiske spektrum under infrarød og mikrobølgeenergi. Da varme overføres til produktet via elektromagnetiske bølger, kommer delen aldrig i direkte kontakt med nogen flamme, selve induktoren bliver ikke varm (se figur 1), og der er ingen produktforurening. Når den er korrekt konfigureret, bliver processen meget gentagelig og kontrollerbar.
Sådan fungerer induktionsvarme
hvordan fungerer induktionsvarme nøjagtigt? Det hjælper med at have en grundlæggende forståelse af principperne for elektricitet. Når en vekslende elektrisk strøm påføres den primære af en transformer, oprettes et vekslende magnetfelt. Ifølge Faradays lov, hvis transformatorens sekundære er placeret inden for magnetfeltet, vil en elektrisk strøm blive induceret.
i en grundlæggende induktionsvarmeopsætning vist i figur 2 sender en solid state RF-strømforsyning en vekselstrøm gennem en induktor (ofte en kobberspole), og den del,der skal opvarmes (emnet), placeres inde i induktoren. Induktoren fungerer som transformatorens primære, og den del, der skal opvarmes, bliver en kortslutning sekundær. Når en metaldel placeres i induktoren og kommer ind i magnetfeltet, induceres cirkulerende hvirvelstrømme inden i delen.
som vist i figur 3 strømmer disse hvirvelstrømme mod metalets elektriske resistivitet og genererer præcis og lokal varme uden nogen direkte kontakt mellem delen og induktoren. Denne opvarmning sker med både magnetiske og ikke – magnetiske dele og kaldes ofte “Joule-effekten”, der henviser til Joule ‘ s første lov-en videnskabelig formel, der udtrykker forholdet mellem varme produceret af elektrisk strøm passeret gennem en leder.
sekundært produceres yderligere varme i magnetiske dele gennem Hysterese – intern friktion, der oprettes, når magnetiske dele passerer gennem induktoren. Magnetiske materialer tilbyder naturligvis elektrisk modstand mod de hurtigt skiftende magnetfelter i induktoren. Denne modstand producerer intern friktion, som igen producerer varme.
i processen med opvarmning af materialet er der derfor ingen kontakt mellem induktoren og delen, og der er heller ingen forbrændingsgasser. Materialet, der skal opvarmes, kan placeres i en indstilling isoleret fra strømforsyningen; nedsænket i en væske, dækket af isolerede stoffer, i gasformige atmosfærer eller endda i vakuum.
vigtige faktorer at overveje
effektiviteten af et induktionsvarmesystem til en bestemt applikation afhænger af flere faktorer: egenskaberne ved selve delen, induktorens design, strømforsyningens kapacitet og mængden af temperaturændring, der kræves til applikationen.
egenskaberne ved delen
METAL eller plast
for det første fungerer induktionsopvarmning kun direkte med ledende materialer, normalt metaller. Plast og andre ikke-ledende materialer kan ofte opvarmes indirekte ved først at opvarme en ledende metal susceptor, der overfører varme til det ikke-ledende materiale.
magnetisk eller ikke-magnetisk
det er lettere at opvarme magnetiske materialer. Ud over den varme, der induceres af hvirvelstrømme, producerer magnetiske materialer også varme gennem det, der kaldes hystereseeffekten (beskrevet ovenfor). Denne effekt ophører med at forekomme ved temperaturer over “Curie” – punktet-den temperatur, hvor et magnetisk materiale mister sine magnetiske egenskaber. Den relative modstand af magnetiske materialer vurderes på en” permeabilitet ” skala fra 100 til 500; mens ikke-magnetik har en permeabilitet på 1, kan magnetiske materialer have en permeabilitet så høj som 500.
tyk eller tynd
med ledende materialer forekommer omkring 85% af opvarmningseffekten på overfladen eller “huden” af delen; opvarmningsintensiteten mindskes, når afstanden fra overfladen increases.So små eller tynde dele opvarmes generelt hurtigere end store tykke dele, især hvis de større dele skal opvarmes hele vejen igennem.
forskning har vist et forhold mellem frekvensen af vekselstrømmen og opvarmningsdybden for penetration: jo højere frekvens, jo lavere er opvarmningen i delen. Frekvenser på 100 til 400 grader producerer relativt høj energi varme, ideel til hurtig opvarmning af små dele eller overfladen/huden på større dele. Ved dyb, gennemtrængende varme har længere opvarmningscyklusser ved lavere frekvenser på 5 til 30 grader vist sig at være mest effektive.
resistivitet
Hvis du bruger den nøjagtige samme induktionsproces til at opvarme to stykker af stål og kobber i samme størrelse, vil resultaterne være helt forskellige. Hvorfor? Stål – sammen med kulstof, tin og tungsten-har høj elektrisk resistivitet. Fordi disse metaller stærkt modstår strømmen, opbygges varmen hurtigt. Lav resistivitet metaller som kobber, messing og aluminium tager længere tid at varme. Resistiviteten stiger med temperaturen, så et meget varmt stykke stål vil være mere modtageligt for induktionsopvarmning end et koldt stykke.
Induktordesign
det er inden for induktoren, at det varierende magnetfelt, der kræves til induktionsopvarmning, udvikles gennem strømmen af vekselstrøm. Så induktordesign er et af de vigtigste aspekter af det samlede system. En veldesignet induktor giver det korrekte varmemønster for din del og maksimerer effektiviteten af induktionsvarmeforsyningen, mens den stadig tillader let indsættelse og fjernelse af delen.
Strømforsyningskapacitet
størrelsen på den induktionsstrømforsyning, der kræves til opvarmning af en bestemt del, kan let beregnes. For det første skal man bestemme, hvor meget energi der skal overføres til arbejdsstykket. Dette afhænger af massen af det materiale, der opvarmes, materialets specifikke varme og den krævede temperaturstigning. Varmetab fra ledning, konvektion og stråling bør også overvejes.
grad af temperaturændring krævet
endelig afhænger effektiviteten af induktionsopvarmning til specifik anvendelse af den krævede temperaturændring. En bred vifte af temperaturændringer kan indkvarteres; som tommelfingerregel bruges mere induktionsvarmekraft generelt til at øge graden af temperaturændring.