Induktionserwärmung

Alle Werkstoffe, die elektrisch leitend oder halbleitend sind - wie zum Beispiel alle Metalle sowie Sili­zium, Graphit und bestimm­te Kera­miken - lassen sich induktiv erwärmen. Bringt man ein Werk­stück in ein magne­tisches Wechsel­feld, so wird in ihm nach dem Trans­formator­prinzip ein Strom induziert. Dieser vorwiegend in der Ober­fläche fliessende Wirbel­strom ist kurz­geschlos­sen und wird direkt in Wärme umge­wandelt. Das hoch­frequente Magnet­feld wird von einem Induktor erzeugt, welcher der zu erwär­menden Zone des Werk­stückes ange­passt ist, wodurch sich das Werk­stück bei Bedarf auch par­tiell erwärmen lässt.

Hochfrequenzgenerator M260

Der aus einem wassergekühlten Kupferrohr bestehende Induktor ist an den Schwing­kreis des Induktions­gene­rators ange­schlossen. Auf diese Weise lässt sich in der gesamten Ober­fläche oder nur in bestim­mten Bereichen des Werk­stückes eine hohe Strom­dichte erzeugen, welche an dem ohmschen Wider­stand des Werk­stückes eine Spannung verur­sacht. Strom und Spannung werden an diesem Wider­stand in Wärme umge­wandelt.

Die Tiefe der erwärmten Schicht wird von der Gene­rator­frequenz bestimmt. Durch die richtige Wahl von Frequenz und Leistung lassen sich mit Induk­tionser­wärmung von der Ober­flächen­här­tung kleiner Teile bis zur Durch­wärmung grosser Schmiede­stücke alle technischen Erwär­mungs­pro­zesse realisieren.

Das Besondere an Induktionserwärmung ist die berührungs­lose Energie­über­tragung zwischen dem Induktor und dem Werk­stück. Die Energie lässt sich auch über eine relativ grosse Distanz von mehreren Zenti­metern übertragen. Auf diese Weise ist die berüh­rungs­sichere Iso­lation des Induk­tors ohne Beein­trächti­gung des Erwär­mungs­pro­zesses möglich. Die Energie­über­tragung ist ohne eine Ver­ringe­rung des Wirkungs­grades auch im Vakuum oder durch die Wände eines elek­trisch nicht­lei­ten­den Behäl­ters möglich.

Es werden zur Induktions­erwärmung im wesent­lichen vier Fre­quenz­berei­che genutzt, welche sich durch die ver­fahrens­tech­nische Anwendung und die verwendete Geräte­technik unter­scheiden. Die dafür benötigte Energie wird in der Regel mittels Frequenz­umfor­mung vom öffent­lichen Strom­netz bezogen.

Netzfrequenzanlagen mit 50 . . 300 Hz werden zum Beispiel für das induktive Schmelzen von Metallen in Hütten­werks­rela­tionen, zur Walz­erwär­mung von Brammen, zur Erwär­mung von Rezipi­enten in der chemischen Industrie oder dem Normal­glühen von Schweiss­nähten im Behälter­bau verwendet.

Schmiedeerwärmung Werkzeug

Mittel­frequenz­anlagen werden mit­tler­weile für Frequenzen von 1 . . 100 kHz vor­zugs­weise als statische Gene­rato­ren gebaut, welche heute kosten­günstiger als rotierende Motor- / Generator­sätze hergestellt werden können. Diese An­la­gen arbeiten besonders effi­zient bei der Erwär­mung grös­serer Werk­stücke, weil dann der - durch die nie­drige Be­triebs­frequenz bedingte - viel­windige Induk­tor ohne einen Aus­gangs­trans­for­mator ange­schlos­sen werden kann.

Die Hauptanwendungsgebiete sind unter anderem die Blech­erwärmung in Band­verzinkungs­anlagen für die Auto­mobil­indus­trie, die Schmiede­erwär­mung von Teilen mit mittlerer Masse, die Her­stel­lung von Edel­metall­legie­rungen für die Schmuck­indus­trie oder die Ober­flächen­erwär­mung zum Härten mit höheren Eindring­tiefen.

Hochfrequenzanlagen mit Betriebsfrequenzen von 100 kHz . . 6 MHz haben die viel­fäl­tig­sten An­wen­dungs­möglich­keiten bei der induk­tiven Erwär­mung. Klein­teile, wie zum Beispiel Werk­zeuge, werden mit Hoch­frequenz schmiede­erwärmt und anschlies­send die Verschleiss­flächen partiell induktiv gehärtet. Bei Zer­spanungs­werk­zeugen werden die Schneid­kanten mit induktiv hartge­löteten Hart­metall- oder Diamant-Plättchen bestückt. Gut geeignet ist der Hoch­frequenz­bereich zur Schmiede­erwärmung von Klein­teilen aller Art oder zur Erwär­mung von schwer erwärm­baren Werk­stoffen, wie Kupfer- oder Aluminium­legierungen.

Eine Nachbe­handlung durch das Glühen der Elektroden von evakuierten oder gasge­füllten Leucht­mitteln, wie etwa Gasent­ladungs­lampen oder Röntgen­röhren, ist durch die Glas­körper der fertigen Produkte hindurch üblich. In der Auto­mobil­indus­trie werden mit Hoch­frequenz die Gleit­lager­flächen von Kurbel- und Nocken­wellen gehärtet sowie Getriebe­teile zum Auf­schrumpfen oder Vernieten partiell erwärmt. Im Bereich Medizin­technik werden mit HF-Genera­toren Implantate aus Edel­stahl und Titan vor der Umformung erwärmt, um spätere Kalt­brüchig­keit zu vermeiden.

Schmiedeerwärmung Baubeschläge

Induktionsgeneratoren werden für die viel­fältig­sten Er­wär­mungs­auf­gaben in der indus­tri­ellen Fer­ti­gung ein­ge­setzt, bei denen eine Wärme­behand­lung hoher Qualität mit repro­duzier­baren Ergeb­nis­sen und grosser Wirt­schaft­lich­keit gefordert ist. Im For­schungs­bereich kommt Induk­tions­erwär­mung zur An­wen­dung, wenn höchste Tem­pera­turen und Energie­dichte oder reinste Pro­zess­bedin­gun­gen ge­for­dert sind.

Induktionserwärmung bietet im Vergleich zu anderen Verfahren einen sehr hohen Wirkungs­grad, da die Wärme sehr schnell nur in den Berei­chen des Werk­stückes erzeugt wird, die erwärmt werden müssen. Mit Induk­tionser­wärmung lassen sich ohne besonderen Aufwand hohe Tempera­turen von mehreren tausend Grad er­rei­chen. Erwär­mungen im Hoch­vakuum sind auch durch die Wände eines nicht­metalli­schen Rezipi­enten möglich.

Induktionserwärmung ist im Niedertemperaturbereich < 500° C im Vorteil, wenn grosse Massen schnell oder berüh­rungs­los erwärmt werden müssen. Induk­tionser­wärmung ist im mittleren Tem­pera­tur­bereich 500°C . . 1.500° C von Vor­teil, weil dieses Ver­fahren einen kosten­günstigen Energie­träger verwendet. Induk­tionser­wärmung ist im Hoch­tem­pera­tur­bereich > 1.500° C sowohl bei den Inves­titions-, Unter­haltungs- und Energie­kosten unschlagbar.

Induktionserwärmung ist ein industrielles Erwärmungs­verfahren, welches sich von konkur­rieren­den Erwärmungs­verfahren wie folgt unter­scheidet:

Verfahren Heissluft Gasflamme E-Ofen Induktion Laser
Investitionskosten sehr gering gering mittel hoch sehr hoch
Erwärmungskosten sehr hoch sehr hoch mittel sehr gering hoch
Wirkungsgrad sehr gering sehr gering gering sehr hoch gering
Energiedichte sehr gering mittel gering hoch sehr hoch
Maximaltemperatur sehr gering hoch mittel sehr hoch sehr hoch
Änderungsflexibilität gering hoch sehr gering sehr hoch sehr hoch

Die saubere und emissionsfreie Induktions­erwärmung kommt der Qua­li­tät der Arbeits­plätze und dem Schutz unse­rer Umwelt ent­ge­gen. Eine schnelle und genaue Leis­tungs­rege­lung ent­spricht den Erfor­der­nissen der auto­mati­sierten Fer­tigung fehler­freier Teile. Wegen der hohen Verschleiss­festig­keit bieten Induk­tions­ge­ne­ra­toren eine nahezu hun­dert­pro­zen­tige Ver­füg­bar­keit bei mode­raten In­ves­ti­tions­kosten.


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