Die Unternehmen der Inductotherm Group nutzen elektromagnetische Induktion für Schmelz-, Erwärmungs- und Schweißanwendungen in zahlreichen Branchen. Doch was genau ist Induktion? Und wie unterscheidet sie sich von anderen Erwärmungsverfahren?
Für den typischen Ingenieur ist die Induktion eine faszinierende Erwärmungsmethode. Zu beobachten, wie sich ein Metallstück in einer Spule innerhalb von Sekunden kirschrot verfärbt, kann für diejenigen, die mit der Induktionserwärmung nicht vertraut sind, überraschend sein. Induktionserwärmungsanlagen erfordern Kenntnisse in Physik, Elektromagnetismus, Leistungselektronik und Prozesssteuerung, doch die grundlegenden Konzepte hinter der Induktionserwärmung sind leicht zu verstehen.
Die Grundlagen
Die von Michael Faraday entdeckte Induktion beginnt mit einer Spule aus leitfähigem Material (zum Beispiel Kupfer). Wenn Strom durch die Spule fließt, entsteht ein Magnetfeld in und um die Spule herum. Die Fähigkeit des Magnetfelds, Arbeit zu verrichten, hängt sowohl von der Bauweise der Spule als auch von der Stärke des durch die Spule fließenden Stroms ab.
Die Richtung des Magnetfelds hängt von der Stromrichtung ab.
Fluss; daher führt ein Wechselstrom durch die Spule zu einem Magnetfeld, dessen Richtung sich mit derselben Frequenz wie die des Wechselstroms ändert. Bei 60 Hz Wechselstrom wechselt die Richtung des Magnetfelds 60 Mal pro Sekunde. Bei 400 kHz Wechselstrom wechselt die Richtung des Magnetfelds 400.000 Mal pro Sekunde.
Wird ein leitfähiges Material, ein Werkstück, in einsich änderndesMagnetfeld (beispielsweise ein durch Wechselstrom erzeugtes Feld) gebracht, wird im Werkstück eine Spannung induziert (Faradaysches Gesetz). Die induzierte Spannung führt zu einem Elektronenfluss: Strom! Der durch das Werkstück fließende Strom verläuft in entgegengesetzter Richtung zum Strom in der Spule. Das bedeutet, dass wir die Frequenz des Stroms im Werkstück steuern können, indem wir die Frequenz des Stroms in der Spule steuern.
Wenn Strom durch ein Medium fließt, entsteht ein gewisser Widerstand gegen die Bewegung der Elektronen. Dieser Widerstand äußert sich in Form von Wärme (Joule-Effekt). Materialien, die dem Elektronenfluss einen größeren Widerstand entgegensetzen, geben beim Durchfließen von Strom mehr Wärme ab; es ist jedoch durchaus möglich, hochleitfähige Materialien (zum Beispiel Kupfer) mithilfe eines induzierten Stroms zu erwärmen. Dieses Phänomen ist für die induktive Erwärmung von entscheidender Bedeutung.
Was braucht man für die Induktionserwärmung?
All dies zeigt uns, dass zwei grundlegende Voraussetzungen erfüllt sein müssen, damit Induktionserwärmung stattfinden kann: ein sich änderndes Magnetfeld undein elektrisch leitfähiges Material, das in dieses Magnetfeld eingebracht wird.
Wie schneidet die Induktionserwärmung im Vergleich zu anderen Erwärmungsmethoden ab?
Es gibt verschiedene Methoden, einen Gegenstand ohne Induktion zu erwärmen. Zu den gängigsten industriellen Verfahren zählen Gasöfen, Elektroöfen und Salzbäder. Bei all diesen Verfahren erfolgt die Wärmeübertragung von der Wärmequelle (Brenner, Heizelement, flüssiges Salz) auf das Produkt durch Konvektion und Strahlung. Sobald die Oberfläche des Produkts erwärmt ist, wird die Wärme durch Wärmeleitung im Produkt weitergeleitet.
Bei induktionserwärmten Produkten erfolgt die Wärmeübertragung an die Produktoberfläche nicht durch Konvektion und Strahlung. Stattdessen wird die Wärme durch den Stromfluss direkt in der Produktoberfläche erzeugt. Die Wärme aus der Produktoberfläche wird dann durch Wärmeleitung im gesamten Produkt verteilt. Die Tiefe, bis zu der die Wärme direkt durch den induzierten Strom erzeugt wird, hängt von der sogenanntenelektrischen Referenztiefe ab.
Die elektrische Referenztiefe hängt stark von der Häufigkeit von
der durch das Werkstück fließende Wechselstrom. Ein Strom mit höherer Frequenz führt zu einer geringeren Tiefe elektrische Referenztiefe und ein Strom mit niedrigerer Frequenz führt zu einer tieferen elektrische Referenztiefe. Diese Tiefe hängt auch von den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Werkstücks ab. Siehe Abbildung: Elektrische Referenztiefe bei hohen Frequenzen (links) und niedrigen Frequenzen (rechts)
Die Unternehmen der Inductotherm Group nutzen diese physikalischen und elektrischen Phänomene, um maßgeschneiderte Erwärmungslösungen für bestimmte Produkte und Anwendungen zu entwickeln. Durch die sorgfältige Steuerung von Leistung, Frequenz und Spulengeometrie sind die Unternehmen der Inductotherm Group in der Lage, Anlagen mit einem hohen Maß an Prozesskontrolle und Zuverlässigkeit zu entwickeln – unabhängig von der jeweiligen Anwendung.
Induktionsschmelzen
Bei vielen Verfahren ist das Schmelzen der erste Schritt zur Herstellung eines brauchbaren Produkts; das Induktionsschmelzen ist schnell und effizient. Durch die Anpassung der Geometrie der Induktionsspule können Induktionsschmelzöfen Chargen aufnehmen, deren Größe vom Volumen einer Kaffeetasse bis zu Hunderten von Tonnen geschmolzenem Metall reicht. Darüber hinaus können die Unternehmen der Inductotherm Group durch die Anpassung von Frequenz und Leistung praktisch alle Metalle und Werkstoffe verarbeiten, darunter unter anderem: Eisen, Stahl und 
Edelstahllegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen, Aluminium und Silizium. Die Induktionsanlagen werden für jede Anwendung individuell konzipiert, um eine möglichst hohe Effizienz zu gewährleisten.
Ein wesentlicher Vorteil des Induktionsschmelzens ist das induktive Rühren. In einem Induktionsofen wird das Metallschmelzgut durch den von einem elektromagnetischen Feld erzeugten Strom geschmolzen oder erhitzt. Sobald das Metall geschmolzen ist, bewirkt dieses Feld auch eine Bewegung des Schmelzbades. Dies wird als induktives Rühren bezeichnet. Diese ständige Bewegung mischt das Schmelzbad auf natürliche Weise, wodurch eine homogenere Mischung entsteht und die Legierung unterstützt wird. Das Ausmaß des Rührens wird durch die Größe des Ofens, die in das Metall eingespeiste Leistung, die Frequenz des elektromagnetischen Feldes sowie die Art und Menge des Metalls im Ofen bestimmt. Das Ausmaß des induktiven Rührens in einem bestimmten Ofen kann bei Bedarf für spezielle Anwendungen angepasst werden.
Induktions-Vakuumschmelzen
Da die Induktionserwärmung mithilfe eines Magnetfelds erfolgt, kann das Werkstück (oder die Last) durch feuerfestes Material oder ein anderes nichtleitendes Medium physikalisch von der Induktionsspule isoliert werden. Das Magnetfeld durchdringt dieses Material und induziert in der darin befindlichen Last eine Spannung. Das bedeutet, dass die Last oder das Werkstück unter Vakuum oder in einer sorgfältig kontrollierten Atmosphäre erwärmt werden kann. Dies ermöglicht die Bearbeitung von reaktiven Metallen (Ti, Al), Speziallegierungen, Silizium, Graphit und anderen empfindlichen leitfähigen Werkstoffen.
Induktionserwärmung
Im Gegensatz zu einigen Verbrennungsverfahren lässt sich die Induktionserwärmung unabhängig von der Chargengröße präzise steuern. Durch die Variation von Strom, Spannung und Frequenz über eine Induktionsspule lässt sich die Erwärmung feinabstimmen – ideal für präzise Anwendungen wie Einsatzhärten, Härten und Anlassen, Glühen sowie andere Formen der Wärmebehandlung. Ein hohes Maß an Präzision ist für kritische Anwendungen wie in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, der Glasfaserindustrie, beim Härten von Draht und beim Anlassen von Federdraht unerlässlich. Die Induktionserwärmung eignet sich hervorragend für Spezialanwendungen mit Metallen wie Titan, Edelmetallen und hochmodernen Verbundwerkstoffen. Die bei der Induktion mögliche präzise Erwärmungssteuerung ist unübertroffen. Da die Induktionserwärmung auf denselben Erwärmungsprinzipien basiert wie die Erwärmung in Vakuumtiegeln, kann sie zudem unter Atmosphäre für kontinuierliche Anwendungen durchgeführt werden. Ein Beispiel hierfür ist das Glühen von Edelstahlrohren.
Hochfrequenz-Induktionsschweißen
Wenn die Induktion mit Hochfrequenzstrom (HF) erfolgt, ist sogar Schweißen möglich. Bei dieser Anwendung ist die sehr geringe elektrische Referenztiefen das mit Hochfrequenzstrom erreicht werden kann. In diesem Fall wird ein Metallband kontinuierlich geformt und durchläuft anschließend eine Anlage 
aus präzise gefertigten Walzen, deren einziger Zweck darin besteht, die geformten Bandkanten zusammenzupressen und die Schweißnaht herzustellen. Unmittelbar bevor das geformte Band die Walzengruppe erreicht, durchläuft es eine Induktionsspule. In diesem Fall fließt der Strom entlang des durch die Bandkanten gebildeten geometrischen „V“ und nicht nur um die Außenseite des geformten Kanals herum. Während der Strom entlang der Bandkanten fließt, erwärmen sich diese auf eine geeignete Schweißtemperatur (unterhalb der Schmelztemperatur des Materials). Wenn die Kanten zusammengedrückt werden, werden alle Rückstände, Oxide und sonstigen Verunreinigungen herausgedrückt, was zu einer festen Schmiedeschweißverbindung führt.
Die Zukunft
Angesichts des bevorstehenden Zeitalters hochentwickelter Werkstoffe, alternativer Energien und der Notwendigkeit, Entwicklungsländer zu stärken, bieten die einzigartigen Möglichkeiten der Induktion Ingenieuren und Konstrukteuren der Zukunft eine schnelle, effiziente und präzise Erwärmungsmethode.