Prinzip der induktiven Erwärmung, Funktionsweise, Vorteile und Anwendungen

Induktionserwärmung ist ein thermisches Verfahren, bei dem ein elektrisch leitfähiges Werkstück in ein wechselndes elektromagnetisches Feld gebracht wird. Im Bauteil entstehen Wirbelströme, diese Stromdichte wandelt elektrische Energie in Wärme um. Bei ferromagnetischen Werkstoffen tragen bis zur Curietemperatur zusätzlich Ummagnetisierungsverluste zur Erwärmung bei, typische Werte sind Cobalt 1121 Grad Celsius, Eisen 768 Grad Celsius, Nickel 360 Grad Celsius.

So entsteht Wärme im Werkstück

Der Induktor wirkt zusammen mit dem Werkstück wie ein kurzgeschlossener Lufttransformator. Das Magnetfeld des Induktors induziert im Werkstück Wirbelströme. Diese Ströme fließen vor allem nahe der Oberfläche, die elektrische Leistung liegt direkt im Bauteil an, der Wärmeweg ist kurz, die Aufheizzeiten sind gering. Bei ferromagnetischen Werkstoffen kommt bis zur Curietemperatur der Hystereseverlust hinzu, darüber dominiert die reine Wirbelstromerwärmung.

Frequenzbereiche und Eindringtiefe

In der Praxis unterscheidet man niederfrequente Anwendungen etwa 50 bis 300 Hertz, mittelfrequente Anwendungen bis etwa 50 Kilohertz und hochfrequente Anwendungen ab etwa 50 Kilohertz. Die gewählte Arbeitsfrequenz steuert die Eindringtiefe. Je niedriger die Frequenz, desto tiefer dringt der Strom in das Material ein. Die Verteilung der Stromdichte folgt dem Skineffekt, außen höher, innen geringer. Die genaue Eindringtiefe hängt von der elektrischen Leitfähigkeit, der magnetischen Permeabilität und der Temperatur des Werkstoffs ab.

• Niedrige Frequenz, größere Eindringtiefe, geeignet für massive Querschnitte und volumige Erwärmung
• Mittlere Frequenz, ausgewogen zwischen Tiefe und Oberflächenleistung, häufigster Bereich in der Fertigung
• Hohe Frequenz, geringe Eindringtiefe, ideal für Oberflächenprozesse und dünnwandige Geometrien

Werkstoffabhängigkeit und Wirkungsgrad

Die Effizienz der Induktionserwärmung wird maßgeblich durch die elektrische Leitfähigkeit und die magnetischen Eigenschaften des Werkstoffs bestimmt. Stähle und rostfreie Stähle erwärmen sich gut, bei Kupfer und Aluminium ist die Leitfähigkeit hoch, daher sind Leistung, Frequenz und Kopplung sorgfältig zu wählen. Mit steigender Temperatur sinkt die Permeabilität ferromagnetischer Werkstoffe bis zur Curietemperatur, die Erwärmungscharakteristik ändert sich, die Regelung muss dies berücksichtigen.

Induktor, Kopplung und Prozessführung

Die Qualität des Ergebnisses steht und fällt mit dem Induktor. Wichtige Stellgrößen sind Geometrie, Windungszahl, Abschirmung, Kopplungsabstand und Stromverteilung. Eine enge, gleichmäßige Kopplung reduziert die Aufheizzeit und verbessert die Temperaturhomogenität. Im Prozess werden Leistung, Frequenz, Einschaltzeit, eventuelle Bewegung des Werkstücks und die Kühlung abgestimmt. Die Temperaturmessung erfolgt je nach Aufgabe mit Pyrometer, Thermoelement oder durch Parameterkorrelation. Eine geregelte Prozessführung sorgt für reproduzierbare Ergebnisse.

Anwendungen in der Fertigung

• Löten, hochfeste Verbindungen, kurze Taktzeiten, geringe Oxidation
• Härten, definierte Randhärtetiefe, gezielte Zonenhärtung, Abschrecken direkt im Takt
• Glühen, Spannungsarm, Normalglühen, Weichglühen mit reproduzierbarer Temperaturkurve
• Schrumpfen, Fügen und Lösen von Presssitzen mit enger Maßhaltigkeit
• Anlassen, kontrollierte Temperaturfenster zur Einstellung der Bauteileigenschaften
• Schweißen und Schmelzen, prozesssicher und sauber, je nach Aufgabe mit Schutzgas oder Vakuum
• Wissenschaft und Prüftechnik, reproduzierbare Erwärmung für Labore, Institute und Validierungen

Schutzgas und Vakuum

Das Induktionsfeld wirkt durch nichtleitende Medien wie Glas oder Keramik. Da keine offene Flamme vorhanden ist und der Wärmeeintrag berührungslos erfolgt, eignet sich Induktion sehr gut für Prozesse in Schutzgas oder Vakuum. Die Bauteiloberfläche bleibt sauber, Verfärbungen werden minimiert, Nacharbeit sinkt.

Vorteile auf einen Blick

• Berührungslose Erwärmung, dadurch geringer Verschleiß und saubere Oberflächen
• Exakte Temperaturführung, reproduzierbare Ergebnisse durch geregelte Prozesse
• Hoher Wirkungsgrad, Energie wird direkt im Werkstück umgesetzt
• Schnelle Aufheizzeiten, kurze Taktzeiten in Serie
• Geringer Platzbedarf, einfache Integration in Linien und Zellen
• Gute Arbeitsbedingungen, keine offene Flamme, kein Prozessrauch

Praxisnahe Beispiele

• Löten einer Messing Stahl Baugruppe, Zieltemperatur 650 bis 700 Grad Celsius, typische Haltedauer 15 bis 30 Sekunden je nach Masse und Kopplung
• Randhärten eines Zapfens, geforderte Randhärtetiefe wenige Millimeter, Erwärmung im Sekundenbereich, anschließendes Abschrecken im Takt
• Schrumpffügen eines Zahnradsitzes, Erwärmung um 180 bis 220 Grad Celsius, Montagefenster wenige Sekunden, hohe Wiederholgenauigkeit

FAQ zur Induktionserwärmung

Wie wähle ich eine passende Frequenz

Die Geometrie und die geforderte Eindringtiefe sind ausschlaggebend. Dünnwandige Bauteile und Oberflächenprozesse profitieren von hoher Frequenz, massive Querschnitte benötigen eher niedrige Frequenz. In der Regel wird die Kombination aus Leistung, Frequenz und Kopplung im Versuchsfeld abgeglichen.

Wie messe ich die Temperatur zuverlässig

Berührungslos mit Pyrometer oder Thermografie bei freien Oberflächen, mit Thermoelementen bei abgeschirmten Zonen oder zur Parametrierung. In Serienprozessen erfolgt die Freigabe häufig über ein erprobtes Parameterfenster mit dokumentierter Korrelation zur Bauteilqualität.

Welche Materialien lassen sich induktiv erwärmen

Alle elektrisch leitfähigen Materialien, zum Beispiel Stahl, Edelstahl, Kupfer, Messing und Aluminium. Bei Werkstoffen mit sehr hoher Leitfähigkeit werden Kopplung und Leistung sorgfältig angepasst, damit die Zieltemperatur sicher erreicht wird.

Eignet sich Induktion für Schutzgas und Vakuum

Ja. Das Feld wirkt durch nichtleitende Medien, daher lassen sich Prozesse in Schutzgas oder Vakuum sehr gut realisieren. Die Bauteiloberfläche bleibt sauber, Verfärbungen werden reduziert.

Woran erkenne ich einen stabilen Prozess

Wiederholgenaue Aufheizzeiten, dokumentierte Temperaturführung, enge Toleranzen am Bauteil und geringe Nacharbeit. Zusätzlich hilft eine vernünftig ausgelegte Datenerfassung bei Audit und Serienfreigabe.

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