El Calentamiento por Inducción
El calentamiento por inducción es un proceso que se usa para unir, templar o suavizar metales o otros materiales conductores. Para muchos procesos de fabricación modernos, el calentamiento por inducción ofrece una atractiva combinación de velocidad, consistencia, fiabilid y control.
Los principios básicos del calentamiento por inducción se han entendido y aplicado a la fabricación desde la década de 1920. Durante la Segunda Guerra Mundial, la tecnología se desarrolló rápidamente para cumplir con los requisitos urgentes de tiempo de guerra para un proceso rápido y confiable para endurecer las piezas metálicas del motor. Más recientemente, el enfoque en las técnicas de manufactura esbelta y el énfasis en el control de calidad mejorado han conducido a un redescubrimiento de la tecnología de inducción, junto con el desarrollo de fuentes de alimentación de inducción de estado sólido controladas con precisión.
¿Qué hace que este método de calentamiento sea tan único? En los métodos de calentamiento más comunes, una antorcha o llama abierta se aplica directamente a la parte metálica. Pero con el calentamiento por inducción, el calor es realmente "inducido" dentro de la parte misma al circular las corrientes eléctricas.
El calentamiento por inducción se basa en las características únicas de la energía de radiofrecuencia (RF): esa parte del espectro electromagnético por debajo de la energía infrarroja y de microondas. Dado que el calor se transfiere al producto a través de ondas electromagnéticas, la pieza nunca entra en contacto directo con ninguna llama, el inductor no se calienta (ver Figura 1) y no hay contaminación del producto. Cuando se configura correctamente, el proceso se vuelve muy repetible y controlable.
Cómo funciona la calefacción de inducción
¿Cómo funciona exactamente la calefacción por inducción? Ayuda tener una comprensión básica de los principios de la electricidad. Cuando se aplica una corriente eléctrica alterna al primario de un transformador, se crea un campo magnético alterno. De acuerdo con la Ley de Faraday, si el secundario del transformador se encuentra dentro del campo magnético, se inducirá una corriente eléctrica.
En una instalación básica de calentamiento por inducción que se muestra en la Figura 2, una fuente de alimentación de RF de estado sólido envía una corriente de CA a través de un inductor (a menudo una bobina de cobre) y la parte que se va a calentar (la pieza) se coloca dentro del inductor. El inductor sirve como transformador primario y la parte que se calienta se convierte en un cortocircuito secundario. Cuando una parte metálica se coloca dentro del inductor y entra en el campo magnético, se inducen corrientes parásitas circulantes dentro de la pieza.
Como se muestra en la Figura 3, estas corrientes parásitas fluyen contra la resistividad eléctrica del metal, generando calor preciso y localizado sin ningún contacto directo entre la pieza y el inductor. Este calentamiento ocurre tanto con las partes magnéticas como con las no magnéticas, y a menudo se conoce como el "efecto Joule", refiriéndose a la primera ley de Joule, una fórmula científica que expresa la relación entre el calor producido por la corriente eléctrica pasada a través de un conductor.
En segundo lugar, se produce calor adicional dentro de las partes magnéticas a través de la histéresis: fricción interna que se crea cuando las partes magnéticas pasan a través del inductor. Los materiales magnéticos ofrecen naturalmente resistencia eléctrica a los campos magnéticos que cambian rápidamente dentro del inductor. Esta resistencia produce fricción interna que a su vez produce calor.
En el proceso de calentamiento del material, por lo tanto, no hay contacto entre el inductor y la parte, y tampoco hay gases de combustión. El material a calentar se puede ubicar en un entorno aislado de la fuente de alimentación; sumergido en un líquido, cubierto por sustancias aisladas, en atmósferas gaseosas o incluso en el vacío.
Factores importantes a considerar
La eficiencia de un sistema de calentamiento por inducción para una aplicación específica depende de varios factores: las características de la pieza en sí, el diseño del inductor, la capacidad de la fuente de alimentación y la cantidad de cambio de temperatura requerido para la aplicación.
Las características de la parte
METAL O PLASTICO
Primero, el calentamiento por inducción funciona directamente solo con materiales conductores, normalmente metales. Los plásticos y otros materiales no conductores a menudo se pueden calentar indirectamente calentando primero un susceptor metálico conductor que transfiere calor al material no conductor.
MAGNÉTICO O NO MAGNÉTICO
Es más fácil calentar materiales magnéticos. Además del calor inducido por las corrientes de Foucault, los materiales magnéticos también producen calor a través del llamado efecto de histéresis (descrito anteriormente). Este efecto deja de ocurrir a temperaturas por encima del punto "Curie", la temperatura a la que un material magnético pierde sus propiedades magnéticas. La resistencia relativa de los materiales magnéticos se clasifica en una escala de "permeabilidad" de 100 a 500; mientras que los no magnéticos tienen una permeabilidad de 1, los materiales magnéticos pueden tener una permeabilidad de hasta 500.
GRUESO O FINO
Con materiales conductivos, aproximadamente el 85% del efecto de calentamiento ocurre en la superficie o "piel" de la pieza; la intensidad de calentamiento disminuye a medida que aumenta la distancia desde la superficie. Por lo tanto, las partes pequeñas o delgadas generalmente se calientan más rápidamente que las partes gruesas grandes, especialmente si las partes más grandes necesitan calentarse completamente.
La investigación ha mostrado una relación entre la frecuencia de la corriente alterna y la profundidad de calentamiento de la penetración: cuanto mayor sea la frecuencia, menor será el calentamiento en la parte. Las frecuencias de 100 a 400 kHz producen calor de energía relativamente alta, ideal para calentar rápidamente piezas pequeñas o la superficie / piel de partes más grandes. Para un calor profundo y penetrante, se ha demostrado que los ciclos de calentamiento más largos a frecuencias más bajas de 5 a 30 kHz son más efectivos.
RESISTIVIDAD
Si usa exactamente el mismo proceso de inducción para calentar dos piezas del mismo tamaño de acero y cobre, los resultados serán bastante diferentes. ¿Por qué? El acero, junto con el carbono, el estaño y el tungsteno, tiene una alta resistividad eléctrica. Debido a que estos metales resisten fuertemente el flujo actual, el calor se acumula rápidamente. Los metales de baja resistividad como el cobre, el latón y el aluminio tardan más en calentarse. La resistividad aumenta con la temperatura, por lo que una pieza de acero muy caliente será más receptiva al calentamiento por inducción que una pieza fría.
Diseño inductor
Está dentro del inductor que el campo magnético variable requerido para el calentamiento por inducción se desarrolla a través del flujo de corriente alterna. Entonces, el diseño de inductores es uno de los aspectos más importantes del sistema en general. Un inductor bien diseñado proporciona el patrón de calentamiento adecuado de su parte y maximiza la eficiencia de la fuente de alimentación de calentamiento por inducción, a la vez que permite una fácil inserción y extracción de la pieza.
Capacidad de suministro de energía
El tamaño de la fuente de alimentación de inducción requerida para calentar una parte en particular puede calcularse fácilmente. Primero, uno debe determinar cuánta energía necesita transferirse a la pieza de trabajo. Esto depende de la masa del material que se está calentando, del calor específico del material y de la elevación de la temperatura requerida. También se deben considerar las pérdidas de calor por conducción, convección y radiación.
Se requiere el grado de cambio de temperatura
Finalmente, la eficiencia del calentamiento por inducción para una aplicación específica depende de la cantidad de cambio de temperatura requerido. Se puede acomodar una amplia gama de cambios de temperatura; como regla general, generalmente se utiliza más potencia de calentamiento por inducción para aumentar el grado de cambio de temperatura.
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Inglés
Fig. 1: Este breve video muestra cómo la pieza nunca toca la bobina del inductor.
Fig. 2: Configuración básica para calentamiento por inducción.
Fig. 3: Las corrientes de Foucault fluyen contra la resistividad eléctrica del metal.