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¿Qué es el calentamiento por inducción?

El calentamiento por inducción es un proceso que se utiliza para unir, endurecer o ablandar metales u otros materiales conductores. Para muchos procesos de fabricación modernos, el calentamiento por inducción ofrece una atractiva combinación de velocidad, consistencia y control.


Los principios básicos del calentamiento por inducción se han comprendido 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 tiempos 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 llevado 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, se aplica directamente un soplete o una llama abierta a la pieza metálica. Pero con el calentamiento por inducción, el calor en realidad se "induce" dentro de la pieza mediante la circulación de 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 en sí no se calienta y no hay contaminación del producto. Cuando se configura correctamente, el proceso se vuelve muy repetible y controlable.



Cómo funciona el calentamiento por inducción

¿Cómo funciona exactamente el calentamiento por inducción? Ayuda a tener un conocimiento básico de los principios de la electricidad. Cuando se aplica una corriente eléctrica alterna al primario de un transformador, se crea un campo magnético alterno. Según la Ley de Faraday , si el secundario del transformador está ubicado dentro del campo magnético, se inducirá una corriente eléctrica.


En una configuración básica de calentamiento por inducción una fuente de alimentación de RF de estado sólido envía una corriente CA a través de un inductor (a menudo una bobina de cobre), y la parte que se va a calentar (la pieza de trabajo) se coloca dentro del inductor. El inductor sirve como primario del transformador y la pieza a calentar se convierte en un secundario de cortocircuito. Cuando una pieza metálica se coloca dentro del inductor y entra en el campo magnético, se inducen corrientes parásitas circulantes dentro de la pieza.

Estas corrientes parásitas fluyen contra la resistividad eléctrica del metal, generando un calor preciso y localizado sin ningún contacto directo entre la pieza y el inductor. Este calentamiento ocurre tanto con partes magnéticas como no magnéticas, y a menudo se denomina "efecto Joule", refiriéndose a la primera ley de Joule, una fórmula científica que expresa la relación entre el calor producido por la corriente eléctrica que pasa a través de un conductor.


En segundo lugar, se produce calor adicional dentro de las partes magnéticas a través de 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, no hay contacto entre el inductor y la pieza, y tampoco hay gases de combustión. El material a calentar se puede ubicar en un lugar aislado de la fuente de alimentación; sumergido en un líquido, cubierto por sustancias aisladas, en atmósferas gaseosas o incluso al 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 pieza


METAL O PLÁSTICO

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 de metal 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 parásitas, los materiales magnéticos también producen calor a través de lo que se denomina 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 DELGADO

Con materiales conductores, aproximadamente el 85% del efecto de calentamiento ocurre en la superficie o "piel" de la pieza; la intensidad del calentamiento disminuye a medida que aumenta la distancia desde la superficie. Por lo tanto, las piezas pequeñas o delgadas generalmente se calientan más rápidamente que las piezas grandes y gruesas, especialmente si las piezas más grandes deben calentarse por completo.


La investigación ha demostrado una relación entre la frecuencia de la corriente alterna y la profundidad de penetración del calentamiento: cuanto mayor es la frecuencia, menor es el calentamiento en la pieza. Las frecuencias de 100 a 400 kHz producen calor de energía relativamente alta, ideal para calentar rápidamente piezas pequeñas o la superficie / piel de piezas más grandes. Para el calor profundo y penetrante, se ha demostrado que los ciclos de calentamiento más largos a frecuencias más bajas de 5 a 30 kHz son los más efectivos.


RESISTIVIDAD

Si utiliza exactamente el mismo proceso de inducción para calentar dos piezas de acero y cobre del mismo tamaño, 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 de corriente, 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

Es dentro del inductor donde se desarrolla el campo magnético variable requerido para el calentamiento por inducción a través del flujo de corriente alterna. Por tanto, el diseño del inductor es uno de los aspectos más importantes del sistema global. Un inductor bien diseñado proporciona el patrón de calentamiento adecuado para su pieza y maximiza la eficiencia de la fuente de alimentación de calentamiento por inducción, al mismo tiempo que permite una fácil inserción y extracción de la pieza.


Capacidad de suministro de energía

El tamaño de la fuente de alimentación de inducción necesaria para calentar una pieza en particular se puede calcular fácilmente. Primero, se debe determinar cuánta energía se necesita transferir a la pieza de trabajo. Esto depende de la masa del material que se está calentando, el calor específico del material y el aumento de temperatura requerido. También deben considerarse las pérdidas de calor por conducción, convección y radiación.


Grado de cambio de temperatura requerido

Finalmente, la eficiencia del calentamiento por inducción para una aplicación específica depende de la cantidad de cambio de temperatura requerido. Puede adaptarse a 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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