induktionsuppvärmning är en process som används för att binda, härda eller mjuka metaller eller andra ledande material. För många moderna tillverkningsprocesser erbjuder induktionsvärme en attraktiv kombination av hastighet, konsistens och kontroll.
de grundläggande principerna för induktionsuppvärmning har förstått och tillämpats på tillverkning sedan 1920-talet. under andra världskriget utvecklades tekniken snabbt för att möta brådskande krigstidskrav för en snabb och pålitlig process för att härda metallmotordelar. På senare tid har fokus på lean tillverkningstekniker och betoning på förbättrad kvalitetskontroll lett till en återupptäckt av induktionsteknik, tillsammans med utvecklingen av exakt kontrollerade, alla halvledar induktions Nätaggregat.
vad gör denna uppvärmningsmetod så unik? I de vanligaste uppvärmningsmetoderna appliceras en fackla eller öppen flamma direkt på metalldelen. Men med induktionsuppvärmning ”induceras” värme faktiskt i själva delen genom att cirkulera elektriska strömmar.
induktionsuppvärmning bygger på de unika egenskaperna hos radiofrekvensenergi (RF) – den delen av det elektromagnetiska spektrumet under infraröd och mikrovågsenergi. Eftersom värme överförs till produkten via elektromagnetiska vågor kommer delen aldrig i direkt kontakt med någon flamma, induktorn själv blir inte varm (se Figur 1) och det finns ingen produktförorening. När den är korrekt inställd blir processen mycket repeterbar och kontrollerbar.
hur induktionsvärme fungerar
hur exakt fungerar induktionsvärme? Det bidrar till att ha en grundläggande förståelse för elprinciperna. När en växelström appliceras på primären hos en transformator skapas ett alternerande magnetfält. Enligt Faradays lag, om transformatorns sekundär ligger inom magnetfältet, kommer en elektrisk ström att induceras.
i en grundläggande induktionsvärmeuppsättning som visas i Figur 2 skickar en solid state RF-strömförsörjning en växelström genom en induktor (ofta en kopparspole) och den del som ska värmas (arbetsstycket) placeras inuti induktorn. Induktorn fungerar som transformatorns primära och den del som ska värmas blir en kortslutning sekundär. När en metalldel placeras i induktorn och kommer in i magnetfältet induceras cirkulerande virvelströmmar i delen.
som visas i Figur 3 strömmar dessa virvelströmmar mot metallens elektriska resistivitet och genererar exakt och lokal värme utan någon direkt kontakt mellan delen och induktorn. Denna uppvärmning sker med både magnetiska och icke-magnetiska delar och kallas ofta ”Joule – effekten”, med hänvisning till Joules första lag-en vetenskaplig formel som uttrycker förhållandet mellan värme som produceras av elektrisk ström som passerar genom en ledare.
sekundärt produceras ytterligare värme inom magnetiska delar genom Hysteres-inre friktion som skapas när magnetiska delar passerar genom induktorn. Magnetiska material erbjuder naturligtvis elektriskt motstånd mot de snabbt föränderliga magnetfälten i induktorn. Detta motstånd ger inre friktion som i sin tur producerar värme.
vid uppvärmning av materialet finns det därför ingen kontakt mellan induktorn och delen, och det finns inte heller några förbränningsgaser. Materialet som ska värmas kan placeras i en miljö isolerad från strömförsörjningen; nedsänkt i en vätska, täckt av isolerade ämnen, i gasformiga atmosfärer eller till och med i vakuum.
viktiga faktorer att tänka på
effektiviteten hos ett induktionsvärmesystem för en specifik applikation beror på flera faktorer: egenskaperna hos själva delen, induktorns konstruktion, strömförsörjningens kapacitet och mängden temperaturförändring som krävs för applikationen.
egenskaperna hos delen
metall eller plast
för det första fungerar induktionsuppvärmning direkt endast med ledande material, normalt metaller. Plast och andra icke-ledande material kan ofta värmas indirekt genom att först värma en ledande metallmottagare som överför värme till det icke-ledande materialet.
magnetiska eller icke-magnetiska
det är lättare att värma magnetiska material. Förutom värmen som induceras av virvelströmmar producerar magnetiska material också värme genom det som kallas hystereseffekten (beskrivet ovan). Denna effekt upphör att inträffa vid temperaturer över” Curie ” – punkten-temperaturen vid vilken ett magnetiskt material förlorar sina magnetiska egenskaper. Det relativa motståndet hos magnetiska material är klassat på en” permeabilitet ” -skala av 100 till 500; medan icke-magnetik har en permeabilitet av 1, kan magnetiska material ha en permeabilitet så hög som 500.
tjock eller tunn
med ledande material uppträder cirka 85% av uppvärmningseffekten på ytan eller” huden ” på delen; uppvärmningsintensiteten minskar som avståndet från ytan increases.So små eller tunna delar värmer i allmänhet snabbare än stora tjocka delar, särskilt om de större delarna måste värmas hela vägen.
forskning har visat ett samband mellan frekvensen av växelströmmen och uppvärmningsdjupet för penetration: ju högre frekvens, desto grundare uppvärmning i delen. Frekvenser på 100 till 400 kHz producerar relativt hög energivärme, idealisk för snabb uppvärmning av små delar eller ytan/huden på större delar. För djup, penetrerande värme har längre uppvärmningscykler vid lägre frekvenser på 5 till 30 kHz visat sig vara mest effektiva.
resistivitet
om du använder exakt samma induktionsprocess för att värma två stycken av samma storlek av stål och koppar, blir resultaten ganska olika. Varför? Stål-tillsammans med kol, tenn och volfram – har hög elektrisk resistivitet. Eftersom dessa metaller starkt motstår strömflödet byggs värmen upp snabbt. Metaller med låg resistivitet som koppar, mässing och aluminium tar längre tid att värma. Resistiviteten ökar med temperaturen, så en mycket varm stålbit kommer att vara mer mottaglig för induktionsuppvärmning än en kall bit.
Induktordesign
Det ligger inom induktorn att det varierande magnetfält som krävs för induktionsuppvärmning utvecklas genom flödet av växelström. Så induktordesign är en av de viktigaste aspekterna av det övergripande systemet. En väl utformad induktor ger rätt värmemönster för din del och maximerar effektiviteten hos induktionsvärmeförsörjningen, samtidigt som den möjliggör enkel insättning och borttagning av delen.
Strömförsörjningskapacitet
storleken på induktionsströmförsörjningen som krävs för uppvärmning av en viss del kan enkelt beräknas. Först måste man bestämma hur mycket energi som behöver överföras till arbetsstycket. Detta beror på massan av materialet som värms upp, materialets specifika värme och den temperaturökning som krävs. Värmeförluster från ledning, konvektion och strålning bör också beaktas.
grad av temperaturförändring som krävs
slutligen beror effektiviteten av induktionsuppvärmning för specifik applikation på hur mycket temperaturförändring som krävs. Ett brett spektrum av temperaturförändringar kan rymmas; som tumregel används mer induktionsvärmekraft i allmänhet för att öka graden av temperaturförändring.