nagrzewanie indukcyjne jest procesem stosowanym do wiązania, utwardzania lub zmiękczania metali lub innych materiałów przewodzących. W wielu nowoczesnych procesach produkcyjnych nagrzewanie indukcyjne oferuje atrakcyjne połączenie szybkości, spójności i kontroli.
podstawowe zasady nagrzewania indukcyjnego są rozumiane i stosowane w produkcji od lat 20. XX wieku. podczas II wojny światowej technologia szybko się rozwijała, aby spełnić pilne wymagania wojenne dotyczące szybkiego i niezawodnego procesu utwardzania metalowych części silnika. Ostatnio nacisk na techniki lean manufacturing i nacisk na lepszą kontrolę jakości doprowadziły do ponownego odkrycia technologii indukcyjnej, wraz z rozwojem precyzyjnie kontrolowanych, wszystkich półprzewodnikowych zasilaczy indukcyjnych.
co sprawia, że ta metoda ogrzewania jest tak wyjątkowa? W najczęstszych metodach ogrzewania palnik lub otwarty płomień jest bezpośrednio nakładany na metalową część. Ale przy nagrzewaniu indukcyjnym ciepło jest faktycznie „indukowane” w samej części przez krążące prądy elektryczne.
ogrzewanie indukcyjne opiera się na unikalnych cechach energii częstotliwości radiowej (RF) – tej części widma elektromagnetycznego poniżej energii podczerwieni i mikrofalowej. Ponieważ ciepło jest przekazywane do produktu za pomocą fal elektromagnetycznych, część nigdy nie wchodzi w bezpośredni kontakt z płomieniem, sam induktor nie nagrzewa się (patrz rysunek 1) i nie ma zanieczyszczenia produktu. Po prawidłowym ustawieniu proces staje się bardzo powtarzalny i kontrolowany.
jak działa nagrzewanie indukcyjne
jak dokładnie działa nagrzewanie indukcyjne? Pomaga mieć podstawowe zrozumienie zasad elektryczności. Gdy zmienny prąd elektryczny jest przyłożony do pierwotnego transformatora, powstaje zmienne pole magnetyczne. Zgodnie z Prawem Faradaya, jeśli wtórny transformator znajduje się w polu magnetycznym, indukowany jest prąd elektryczny.
w podstawowej konfiguracji nagrzewania indukcyjnego pokazanej na fig.2, półprzewodnikowy zasilacz RF wysyła prąd przemienny przez cewkę indukcyjną (często cewkę miedzianą),a część, która ma być ogrzewana (przedmiot obrabiany), jest umieszczana wewnątrz cewki indukcyjnej. Cewka służy jako podstawowy transformator, a część, która ma być ogrzewana, staje się wtórnym zwarciem. Gdy metalowa część jest umieszczona w cewce indukcyjnej i wchodzi w pole magnetyczne, krążące prądy wirowe są indukowane w części.
jak pokazano na fig.3, te prądy wirowe wpływają na oporność elektryczną metalu, generując precyzyjne i zlokalizowane ciepło bez bezpośredniego kontaktu części z cewką indukcyjną. To ogrzewanie występuje zarówno z częściami magnetycznymi, jak i niemagnetycznymi i jest często określane jako „efekt Joule 'a”, odnosząc się do pierwszego prawa Joule ’ a-formuły naukowej wyrażającej związek między ciepłem wytwarzanym przez prąd elektryczny przechodzący przez przewodnik.
wtórnie, dodatkowe ciepło jest wytwarzane w częściach magnetycznych poprzez histerezę – tarcie wewnętrzne, które powstaje, gdy części magnetyczne przechodzą przez cewkę indukcyjną. Materiały magnetyczne naturalnie oferują opór elektryczny dla szybko zmieniających się pól magnetycznych w induktorze. Opór ten wytwarza tarcie wewnętrzne, które z kolei wytwarza ciepło.
w procesie ogrzewania materiału nie ma zatem kontaktu między cewką a częścią, ani nie ma żadnych gazów spalinowych. Materiał, który ma być ogrzewany, może być umieszczony w otoczeniu odizolowanym od zasilania; zanurzony w cieczy, pokryty izolowanymi substancjami, w atmosferze gazowej lub nawet w próżni.
ważne czynniki, które należy wziąć pod uwagę
sprawność systemu nagrzewania indukcyjnego dla określonego zastosowania zależy od kilku czynników: charakterystyka samej części, konstrukcja cewki indukcyjnej, pojemność zasilacza i wielkość zmiany temperatury wymaganej do zastosowania.
charakterystyka części
METAL lub plastik
Po pierwsze, nagrzewanie indukcyjne działa bezpośrednio tylko z materiałami przewodzącymi, Zwykle metalami. Tworzywa sztuczne i inne materiały nieprzewodzące często mogą być ogrzewane pośrednio przez pierwsze podgrzanie przewodzącego metalu, który przenosi ciepło do materiału nieprzewodzącego.
magnetyczne lub niemagnetyczne
łatwiej jest podgrzać materiały magnetyczne. Oprócz ciepła indukowanego przez prądy wirowe, materiały magnetyczne wytwarzają również ciepło poprzez tak zwany efekt histerezy (opisany powyżej). Efekt ten przestaje występować w temperaturach powyżej punktu „Curie” – temperatury, w której materiał magnetyczny traci swoje właściwości magnetyczne. Względna rezystancja materiałów magnetycznych jest oceniana na skali „przepuszczalności” od 100 do 500; podczas gdy nie-magnetyczne mają przepuszczalność 1, Materiały magnetyczne mogą mieć przepuszczalność nawet 500.
grube lub cienkie
W przypadku materiałów przewodzących około 85% efektu ogrzewania występuje na powierzchni lub” skórze ” części; intensywność ogrzewania zmniejsza się wraz z odległością od powierzchni increases.So małe lub cienkie części zazwyczaj nagrzewają się szybciej niż duże grube części, zwłaszcza jeśli większe części muszą być ogrzewane przez całą drogę.
badania wykazały związek między częstotliwością prądu przemiennego a głębokością penetracji grzewczej: im wyższa częstotliwość, tym płytsze ogrzewanie w części. Częstotliwości od 100 do 400 kHz wytwarzają stosunkowo wysokoenergetyczne ciepło, idealne do szybkiego ogrzewania małych części lub powierzchni/skóry większych części. W przypadku głębokiego, przenikliwego ciepła, dłuższe cykle grzewcze przy niższych częstotliwościach od 5 do 30 kHz okazały się najbardziej skuteczne.
Rezystywność
jeśli użyjesz dokładnie tego samego procesu indukcyjnego do podgrzania dwóch kawałków stali i miedzi o tej samej wielkości, wyniki będą zupełnie inne. Dlaczego? Stal – wraz z węglem, cyną i wolframem-ma wysoką rezystywność elektryczną. Ponieważ metale te silnie opierają się przepływowi prądu, ciepło szybko się gromadzi. Metale o niskiej rezystywności, takie jak miedź, mosiądz i aluminium, dłużej się nagrzewają. Rezystywność wzrasta wraz z temperaturą, więc bardzo gorący kawałek stali będzie bardziej podatny na nagrzewanie indukcyjne niż zimny kawałek.
konstrukcja induktora
to w induktorze powstaje zmienne pole magnetyczne wymagane do nagrzewania indukcyjnego poprzez przepływ prądu przemiennego. Tak więc konstrukcja cewki indukcyjnej jest jednym z najważniejszych aspektów całego systemu. Dobrze zaprojektowany induktor zapewnia odpowiedni wzór nagrzewania dla twojej części i maksymalizuje wydajność zasilacza indukcyjnego, jednocześnie umożliwiając łatwe wkładanie i wyjmowanie części.
pojemność zasilacza
wielkość zasilacza indukcyjnego wymaganego do podgrzania określonej części można łatwo obliczyć. Po pierwsze, należy określić, ile energii należy przenieść do obrabianego przedmiotu. Zależy to od masy ogrzewanego materiału, ciepła właściwego materiału i wymaganego wzrostu temperatury. Należy również wziąć pod uwagę straty ciepła spowodowane przewodzeniem, konwekcją i promieniowaniem.
wymagany stopień zmiany temperatury
wreszcie, wydajność nagrzewania indukcyjnego dla określonego zastosowania zależy od wymaganej zmiany temperatury. Szeroki zakres zmian temperatury może być uwzględniony; z reguły większa indukcyjna moc grzewcza jest ogólnie wykorzystywana w celu zwiększenia stopnia zmiany temperatury.