Il riscaldamento ad induzione è un processo che viene utilizzato per legare, indurire o ammorbidire metalli o altri materiali conduttivi. Per molti processi di produzione moderni, il riscaldamento a induzione offre una combinazione attraente di velocità, coerenza e controllo.
I principi di base del riscaldamento ad induzione sono stati compresi e applicati alla produzione dal 1920. Durante la seconda guerra mondiale, la tecnologia si è sviluppata rapidamente per soddisfare i requisiti urgenti in tempo di guerra per un processo veloce e affidabile per indurire le parti del motore in metallo. Più recentemente, l’attenzione alle tecniche di produzione snella e l’enfasi sul miglioramento del controllo della qualità hanno portato a una riscoperta della tecnologia a induzione, insieme allo sviluppo di alimentatori a induzione a stato solido controllati con precisione.
Cosa rende questo metodo di riscaldamento così unico? Nei metodi di riscaldamento più comuni, una torcia o una fiamma aperta viene applicata direttamente alla parte metallica. Ma con il riscaldamento a induzione, il calore viene effettivamente “indotto” all’interno della parte stessa facendo circolare le correnti elettriche.
Il riscaldamento a induzione si basa sulle caratteristiche uniche dell’energia a radiofrequenza (RF) – quella porzione dello spettro elettromagnetico al di sotto dell’energia infrarossa e delle microonde. Poiché il calore viene trasferito al prodotto tramite onde elettromagnetiche, la parte non entra mai in contatto diretto con alcuna fiamma, l’induttore stesso non si scalda (vedi Figura 1) e non vi è contaminazione del prodotto. Se impostato correttamente, il processo diventa molto ripetibile e controllabile.
Come funziona il riscaldamento a induzione
Come funziona esattamente il riscaldamento a induzione? Aiuta ad avere una comprensione di base dei principi dell’elettricità. Quando una corrente elettrica alternata viene applicata al primario di un trasformatore, viene creato un campo magnetico alternato. Secondo la Legge di Faraday, se il secondario del trasformatore si trova all’interno del campo magnetico, verrà indotta una corrente elettrica.
In una configurazione di riscaldamento a induzione di base mostrata in Figura 2, un alimentatore RF a stato solido invia una corrente CA attraverso un induttore (spesso una bobina di rame) e la parte da riscaldare (il pezzo in lavorazione) viene posizionata all’interno dell’induttore. L’induttore funge da trasformatore primario e la parte da riscaldare diventa un cortocircuito secondario. Quando una parte metallica viene posizionata all’interno dell’induttore ed entra nel campo magnetico, le correnti parassite circolanti vengono indotte all’interno della parte.
Come mostrato in Figura 3, queste correnti parassite fluiscono contro la resistività elettrica del metallo, generando calore preciso e localizzato senza alcun contatto diretto tra la parte e l’induttore. Questo riscaldamento avviene sia con parti magnetiche che non magnetiche, ed è spesso indicato come “effetto Joule”, riferendosi alla prima legge di Joule – una formula scientifica che esprime la relazione tra il calore prodotto dalla corrente elettrica passata attraverso un conduttore.
Secondariamente, il calore aggiuntivo viene prodotto all’interno delle parti magnetiche attraverso l’isteresi – attrito interno che si crea quando le parti magnetiche passano attraverso l’induttore. I materiali magnetici offrono naturalmente resistenza elettrica ai campi magnetici in rapida evoluzione all’interno dell’induttore. Questa resistenza produce attrito interno che a sua volta produce calore.
Nel processo di riscaldamento del materiale, non vi è quindi alcun contatto tra l’induttore e la parte e non vi sono gas di combustione. Il materiale da riscaldare può essere posizionato in un ambiente isolato dall’alimentazione; immerso in un liquido, coperto da sostanze isolate, in atmosfere gassose o anche nel vuoto.
Fattori importanti da considerare
L’efficienza di un sistema di riscaldamento ad induzione per una specifica applicazione dipende da diversi fattori: le caratteristiche della parte stessa, il design dell’induttore, la capacità dell’alimentazione elettrica e la quantità di variazione di temperatura richiesta per l’applicazione.
Le caratteristiche della parte
METALLO O PLASTICA
In primo luogo, il riscaldamento a induzione funziona direttamente solo con materiali conduttivi, normalmente metalli. La plastica e altri materiali non conduttivi possono spesso essere riscaldati indirettamente riscaldando prima un suscettore metallico conduttivo che trasferisce il calore al materiale non conduttivo.
MAGNETICO O NON MAGNETICO
È più facile riscaldare materiali magnetici. Oltre al calore indotto dalle correnti parassite, i materiali magnetici producono anche calore attraverso quello che viene chiamato effetto di isteresi (descritto sopra). Questo effetto cessa di verificarsi a temperature superiori al punto “Curie” – la temperatura alla quale un materiale magnetico perde le sue proprietà magnetiche. La resistenza relativa dei materiali magnetici è valutata su una scala di “permeabilità” da 100 a 500; mentre i non magnetici hanno una permeabilità di 1, i materiali magnetici possono avere una permeabilità fino a 500.
SPESSO O SOTTILE
Con materiali conduttivi, circa l ‘85% dell’effetto di riscaldamento si verifica sulla superficie o sulla” pelle ” della parte; l’intensità del riscaldamento diminuisce con la distanza dalla superficie increases.So le parti piccole o sottili generalmente riscaldano più rapidamente delle grandi parti spesse, specialmente se le parti più grandi devono essere riscaldate fino in fondo.
La ricerca ha mostrato una relazione tra la frequenza della corrente alternata e la profondità di penetrazione del riscaldamento: maggiore è la frequenza, minore è il riscaldamento nella parte. Frequenze da 100 a 400 kHz producono calore relativamente ad alta energia, ideale per riscaldare rapidamente piccole parti o la superficie/pelle di parti più grandi. Per il calore profondo e penetrante, è stato dimostrato che i cicli di riscaldamento più lunghi a frequenze più basse da 5 a 30 kHz sono i più efficaci.
RESISTIVITÀ
Se si utilizza lo stesso processo di induzione per riscaldare due pezzi di acciaio e rame della stessa dimensione, i risultati saranno molto diversi. Perché? L’acciaio – insieme al carbonio, allo stagno e al tungsteno-ha un’elevata resistività elettrica. Poiché questi metalli resistono fortemente al flusso di corrente, il calore si accumula rapidamente. Metalli a bassa resistività come rame, ottone e alluminio richiedono più tempo per riscaldarsi. La resistività aumenta con la temperatura, quindi un pezzo di acciaio molto caldo sarà più ricettivo al riscaldamento a induzione rispetto a un pezzo freddo.
Design dell’induttore
È all’interno dell’induttore che il campo magnetico variabile richiesto per il riscaldamento a induzione viene sviluppato attraverso il flusso di corrente alternata. Quindi la progettazione dell’induttore è uno degli aspetti più importanti del sistema generale. Un induttore ben progettato fornisce il modello di riscaldamento corretto per la parte e massimizza l’efficienza dell’alimentazione di riscaldamento a induzione, pur consentendo un facile inserimento e rimozione della parte.
Capacità di alimentazione
La dimensione dell’alimentazione a induzione necessaria per il riscaldamento di una particolare parte può essere facilmente calcolata. Innanzitutto, è necessario determinare quanta energia deve essere trasferita al pezzo in lavorazione. Ciò dipende dalla massa del materiale da riscaldare, dal calore specifico del materiale e dall’aumento della temperatura richiesto. Dovrebbero essere considerate anche le perdite di calore da conduzione, convezione e radiazione.
Grado di variazione di temperatura richiesto
Infine, l’efficienza del riscaldamento ad induzione per applicazioni specifiche dipende dalla quantità di variazione di temperatura richiesta. Una vasta gamma di variazioni di temperatura può essere accomodata; come regola generale, più potenza di riscaldamento a induzione è generalmente utilizzata per aumentare il grado di variazione di temperatura.