Le chauffage par induction est un procédé utilisé pour coller, durcir ou ramollir des métaux ou d’autres matériaux conducteurs. Pour de nombreux processus de fabrication modernes, le chauffage par induction offre une combinaison attrayante de vitesse, de cohérence et de contrôle.
Les principes de base du chauffage par induction sont compris et appliqués à la fabrication depuis les années 1920.Pendant la Seconde Guerre mondiale, la technologie s’est développée rapidement pour répondre aux exigences urgentes en temps de guerre pour un processus rapide et fiable de durcissement des pièces de moteur en métal. Plus récemment, l’accent mis sur les techniques de fabrication allégées et l’accent mis sur l’amélioration du contrôle de la qualité ont conduit à une redécouverte de la technologie d’induction, ainsi qu’au développement d’alimentations à induction à semi-conducteurs contrôlées avec précision.
Qu’est-ce qui rend cette méthode de chauffage si unique? Dans les méthodes de chauffage les plus courantes, une torche ou une flamme nue est directement appliquée sur la pièce métallique. Mais avec le chauffage par induction, la chaleur est en fait « induite » dans la pièce elle-même par des courants électriques en circulation.
Le chauffage par induction repose sur les caractéristiques uniques de l’énergie radiofréquence (RF) – cette partie du spectre électromagnétique inférieure à l’énergie infrarouge et micro-ondes. La chaleur étant transférée au produit par ondes électromagnétiques, la pièce n’entre jamais en contact direct avec une flamme, l’inducteur lui-même ne chauffe pas (voir Figure 1) et il n’y a pas de contamination du produit. Lorsqu’il est correctement configuré, le processus devient très reproductible et contrôlable.
Comment fonctionne le chauffage par induction
Comment fonctionne exactement le chauffage par induction? Cela aide à avoir une compréhension de base des principes de l’électricité. Lorsqu’un courant électrique alternatif est appliqué au primaire d’un transformateur, un champ magnétique alternatif est créé. Selon la loi de Faraday, si le secondaire du transformateur est situé dans le champ magnétique, un courant électrique sera induit.
Dans une configuration de chauffage par induction de base illustrée à la figure 2, une alimentation RF à semi-conducteurs envoie un courant alternatif à travers un inducteur (souvent une bobine de cuivre), et la pièce à chauffer (la pièce à usiner) est placée à l’intérieur de l’inducteur. L’inducteur sert de transformateur primaire et la pièce à chauffer devient un court-circuit secondaire. Lorsqu’une pièce métallique est placée à l’intérieur de l’inducteur et pénètre dans le champ magnétique, des courants de Foucault en circulation sont induits à l’intérieur de la pièce.
Comme le montre la figure 3, ces courants de Foucault s’écoulent contre la résistivité électrique du métal, générant une chaleur précise et localisée sans contact direct entre la pièce et l’inducteur. Ce chauffage se produit avec des parties magnétiques et non magnétiques, et est souvent appelé « effet Joule », en référence à la première loi de Joule – une formule scientifique exprimant la relation entre la chaleur produite par le courant électrique traversant un conducteur.
Secondairement, une chaleur supplémentaire est produite à l’intérieur des pièces magnétiques par hystérésis – frottement interne créé lorsque des pièces magnétiques traversent l’inducteur. Les matériaux magnétiques offrent naturellement une résistance électrique aux champs magnétiques en évolution rapide à l’intérieur de l’inducteur. Cette résistance produit un frottement interne qui à son tour produit de la chaleur.
Dans le processus de chauffage du matériau, il n’y a donc pas de contact entre l’inducteur et la pièce, et il n’y a pas non plus de gaz de combustion. Le matériau à chauffer peut être situé dans un cadre isolé de l’alimentation électrique; immergé dans un liquide, recouvert de substances isolées, dans des atmosphères gazeuses ou même dans le vide.
Facteurs importants à considérer
L’efficacité d’un système de chauffage par induction pour une application spécifique dépend de plusieurs facteurs: les caractéristiques de la pièce elle-même, la conception de l’inducteur, la capacité de l’alimentation et la quantité de changement de température requise pour l’application.
Les caractéristiques de la pièce
MÉTAL OU PLASTIQUE
Tout d’abord, le chauffage par induction ne fonctionne directement qu’avec des matériaux conducteurs, normalement des métaux. Les plastiques et autres matériaux non conducteurs peuvent souvent être chauffés indirectement en chauffant d’abord un suscepteur métallique conducteur qui transfère de la chaleur au matériau non conducteur.
MAGNÉTIQUE OU NON MAGNÉTIQUE
Il est plus facile de chauffer des matériaux magnétiques. En plus de la chaleur induite par les courants de Foucault, les matériaux magnétiques produisent également de la chaleur par ce qu’on appelle l’effet d’hystérésis (décrit ci-dessus). Cet effet cesse de se produire à des températures supérieures au point « Curie » – la température à laquelle un matériau magnétique perd ses propriétés magnétiques. La résistance relative des matériaux magnétiques est évaluée sur une échelle de « perméabilité” de 100 à 500; alors que les matériaux non magnétiques ont une perméabilité de 1, les matériaux magnétiques peuvent avoir une perméabilité allant jusqu’à 500.
ÉPAIS OU MINCE
Avec des matériaux conducteurs, environ 85% de l’effet de chauffage se produit sur la surface ou « peau » de la pièce; l’intensité de chauffage diminue en fonction de la distance par rapport à la surface increases.So les pièces petites ou minces chauffent généralement plus rapidement que les grandes pièces épaisses, surtout si les pièces plus grandes doivent être chauffées tout au long.
La recherche a montré une relation entre la fréquence du courant alternatif et la profondeur de pénétration du chauffage: plus la fréquence est élevée, plus le chauffage de la pièce est faible. Les fréquences de 100 à 400 kHz produisent une chaleur à énergie relativement élevée, idéale pour chauffer rapidement de petites pièces ou la surface / peau de pièces plus grandes. Pour une chaleur profonde et pénétrante, des cycles de chauffage plus longs à des fréquences plus basses de 5 à 30 kHz se sont avérés les plus efficaces.
RÉSISTIVITÉ
Si vous utilisez exactement le même processus d’induction pour chauffer deux morceaux d’acier et de cuivre de même taille, les résultats seront très différents. Pourquoi? L’acier – avec le carbone, l’étain et le tungstène – a une résistivité électrique élevée. Parce que ces métaux résistent fortement au courant, la chaleur s’accumule rapidement. Les métaux à faible résistivité tels que le cuivre, le laiton et l’aluminium mettent plus de temps à chauffer. La résistivité augmente avec la température, de sorte qu’une pièce d’acier très chaude sera plus réceptive au chauffage par induction qu’une pièce froide.
Conception de l’inducteur
C’est à l’intérieur de l’inducteur que le champ magnétique variable requis pour le chauffage par induction est développé par le flux de courant alternatif. La conception de l’inducteur est donc l’un des aspects les plus importants du système global. Un inducteur bien conçu fournit le modèle de chauffage approprié pour votre pièce et maximise l’efficacité de l’alimentation par chauffage par induction, tout en permettant une insertion et un retrait faciles de la pièce.
Capacité d’alimentation
La taille de l’alimentation par induction nécessaire au chauffage d’une pièce particulière peut être facilement calculée. Tout d’abord, il faut déterminer la quantité d’énergie à transférer à la pièce. Cela dépend de la masse du matériau chauffé, de la chaleur spécifique du matériau et de l’élévation de température requise. Les pertes de chaleur dues à la conduction, à la convection et au rayonnement doivent également être prises en compte.
Degré de changement de température requis
Enfin, l’efficacité du chauffage par induction pour une application spécifique dépend de la quantité de changement de température nécessaire. Une large gamme de changements de température peut être adaptée; en règle générale, plus de puissance de chauffage par induction est généralement utilisée pour augmenter le degré de changement de température.