Induktionserwärmung ist ein Prozess, der zum Verbinden, Härten oder Erweichen von Metallen oder anderen leitfähigen Materialien verwendet wird. Für viele moderne Fertigungsprozesse bietet die Induktionserwärmung eine attraktive Kombination aus Geschwindigkeit, Konsistenz und Kontrolle.
Die Grundprinzipien der Induktionserwärmung wurden seit den 1920er Jahren verstanden und in der Fertigung angewendet. Während des Zweiten Weltkriegs entwickelte sich die Technologie schnell, um die dringenden Anforderungen des Krieges an ein schnelles und zuverlässiges Verfahren zum Härten von Motorenteilen aus Metall zu erfüllen. In jüngerer Zeit haben der Fokus auf schlanke Fertigungstechniken und die Betonung einer verbesserten Qualitätskontrolle zu einer Wiederentdeckung der Induktionstechnologie geführt, zusammen mit der Entwicklung präzise gesteuerter, vollständig Festkörperinduktions-Stromversorgungen.
Was macht diese Heizmethode so einzigartig? Bei den gebräuchlichsten Heizmethoden wird ein Brenner oder eine offene Flamme direkt auf das Metallteil aufgebracht. Bei der Induktionserwärmung wird Wärme jedoch durch zirkulierende elektrische Ströme innerhalb des Teils selbst „induziert“.
Die Induktionserwärmung beruht auf den einzigartigen Eigenschaften der Hochfrequenzenergie – dem Teil des elektromagnetischen Spektrums unterhalb der Infrarot- und Mikrowellenenergie. Da Wärme über elektromagnetische Wellen auf das Produkt übertragen wird, kommt das Teil niemals in direkten Kontakt mit einer Flamme, der Induktor selbst wird nicht heiß (siehe Abbildung 1) und es kommt zu keiner Produktkontamination. Bei richtiger Einrichtung wird der Prozess sehr wiederholbar und kontrollierbar.
Wie funktioniert Induktionserwärmung
Wie genau funktioniert Induktionserwärmung? Es hilft, ein grundlegendes Verständnis der Prinzipien der Elektrizität zu haben. Wenn ein elektrischer Wechselstrom an die Primärwicklung eines Transformators angelegt wird, wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Wenn sich die Sekundärseite des Transformators innerhalb des Magnetfelds befindet, wird nach dem Faradayschen Gesetz ein elektrischer Strom induziert.
In einem grundlegenden Induktionserwärmungsaufbau, der in Abbildung 2 dargestellt ist, sendet eine Festkörper-HF-Stromversorgung einen Wechselstrom durch eine Induktivität (häufig eine Kupferspule), und das zu erwärmende Teil (das Werkstück) wird in die Induktivität eingelegt. Die Induktivität dient als Transformator primär und das zu erwärmende Teil wird zu einem Kurzschluss sekundär. Wenn ein Metallteil innerhalb des Induktors platziert wird und in das Magnetfeld eintritt, werden zirkulierende Wirbelströme innerhalb des Teils induziert.
Wie in Abbildung 3 gezeigt, fließen diese Wirbelströme gegen den spezifischen elektrischen Widerstand des Metalls und erzeugen präzise und lokalisierte Wärme ohne direkten Kontakt zwischen dem Teil und der Induktivität. Diese Erwärmung tritt sowohl bei magnetischen als auch bei nichtmagnetischen Teilen auf und wird oft als „Joule-Effekt“ bezeichnet, was sich auf Joules erstes Gesetz bezieht – eine wissenschaftliche Formel, die die Beziehung zwischen Wärme ausdrückt, die durch elektrischen Strom erzeugt wird, der durch einen Leiter geleitet wird.Zweitens wird zusätzliche Wärme in magnetischen Teilen durch Hysterese erzeugt – innere Reibung, die entsteht, wenn magnetische Teile den Induktor passieren. Magnetische Materialien bieten natürlich elektrischen Widerstand zu den sich schnell ändernden Magnetfeldern innerhalb des Induktors. Dieser Widerstand erzeugt innere Reibung, die wiederum Wärme erzeugt.
Beim Erhitzen des Materials besteht daher kein Kontakt zwischen dem Induktor und dem Teil und es gibt auch keine Verbrennungsgase. Das zu erwärmende Material kann sich in einer von der Stromversorgung isolierten Umgebung befinden. in eine Flüssigkeit getaucht, von isolierten Substanzen bedeckt, in gasförmige Atmosphären oder sogar in ein Vakuum.
Wichtige zu berücksichtigende Faktoren
Die Effizienz eines Induktionsheizsystems für eine bestimmte Anwendung hängt von mehreren Faktoren ab: die Eigenschaften des Teils selbst, das Design des Induktors, die Kapazität der Stromversorgung und die für die Anwendung erforderliche Temperaturänderung.
Die Eigenschaften des Teils
METALL ODER KUNSTSTOFF
Erstens arbeitet die Induktionserwärmung direkt nur mit leitfähigen Materialien, normalerweise Metallen. Kunststoffe und andere nichtleitende Materialien können oft indirekt erwärmt werden, indem zunächst ein leitfähiger Metalluszeptor erhitzt wird, der Wärme auf das nichtleitende Material überträgt.
MAGNETISCH ODER NICHT MAGNETISCH
Es ist einfacher, magnetische Materialien zu erhitzen. Neben der durch Wirbelströme induzierten Wärme erzeugen magnetische Materialien auch Wärme durch den sogenannten Hystereseeffekt (oben beschrieben). Dieser Effekt tritt bei Temperaturen oberhalb des „Curie“ -Punktes auf – der Temperatur, bei der ein magnetisches Material seine magnetischen Eigenschaften verliert. Der relative Widerstand magnetischer Materialien wird auf einer „Permeabilitätsskala“ von 100 bis 500 bewertet; Während nichtmagnetische Materialien eine Permeabilität von 1 aufweisen, können magnetische Materialien eine Permeabilität von bis zu 500 aufweisen.
DICK ODER DÜNN
Bei leitfähigen Materialien tritt etwa 85% des Heizeffekts auf der Oberfläche oder „Haut“ des Teils auf; Die Heizintensität nimmt mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche ab increases.So kleine oder dünne Teile erwärmen sich im Allgemeinen schneller als große dicke Teile, insbesondere wenn die größeren Teile vollständig erhitzt werden müssen.
Untersuchungen haben einen Zusammenhang zwischen der Frequenz des Wechselstroms und der Eindringtiefe der Erwärmung gezeigt: Je höher die Frequenz, desto flacher die Erwärmung im Teil. Frequenzen von 100 bis 400 kHz erzeugen relativ energiereiche Wärme, ideal zum schnellen Erwärmen von Kleinteilen oder der Oberfläche / Haut größerer Teile. Für tiefe, eindringende Wärme haben sich längere Heizzyklen bei niedrigeren Frequenzen von 5 bis 30 kHz als am effektivsten erwiesen.
SPEZIFISCHER WIDERSTAND
Wenn Sie genau denselben Induktionsprozess verwenden, um zwei gleich große Stahl- und Kupferstücke zu erhitzen, sind die Ergebnisse sehr unterschiedlich. Warum? Stahl – zusammen mit Kohlenstoff, Zinn und Wolfram – hat einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand. Da diese Metalle dem Stromfluss stark widerstehen, baut sich schnell Wärme auf. Metalle mit niedrigem spezifischen Widerstand wie Kupfer, Messing und Aluminium brauchen länger zum Erhitzen. Der spezifische Widerstand nimmt mit der Temperatur zu, so dass ein sehr heißes Stück Stahl für die Induktionserwärmung empfänglicher ist als ein kaltes Stück.
Induktor-Design
Innerhalb des Induktors wird das für die Induktionserwärmung erforderliche variierende Magnetfeld durch den Fluss von Wechselstrom entwickelt. So ist Induktorentwurf einer der wichtigsten Aspekte des Gesamtsystems. Ein gut konzipierter Induktor sorgt für das richtige Heizmuster für Ihr Teil und maximiert die Effizienz der Induktionsheizstromversorgung, während das Teil dennoch einfach eingesetzt und entfernt werden kann.
Stromversorgungskapazität
Die Größe der Induktionsstromversorgung, die zum Erwärmen eines bestimmten Teils erforderlich ist, kann leicht berechnet werden. Zunächst muss ermittelt werden, wie viel Energie auf das Werkstück übertragen werden muss. Dies hängt von der Masse des zu erwärmenden Materials, der spezifischen Wärme des Materials und dem erforderlichen Temperaturanstieg ab. Wärmeverluste durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung sollten ebenfalls berücksichtigt werden.
Grad der erforderlichen Temperaturänderung
Schließlich hängt die Effizienz der Induktionserwärmung für eine bestimmte Anwendung von der erforderlichen Temperaturänderung ab. Ein breites Spektrum von Temperaturänderungen kann aufgenommen werden; Als Faustregel gilt, dass im Allgemeinen mehr Induktionsheizleistung verwendet wird, um den Grad der Temperaturänderung zu erhöhen.