Les entreprises du groupe Inductotherm utilisent l’induction électromagnétique pour des applications de fusion, de chauffage et de soudage dans de multiples industries. Mais qu’est-ce que l’induction exactement ? Et en quoi diffère-t-elle des autres méthodes de chauffage ?

Pour l’ingénieur typique, l’induction est une méthode de chauffage fascinante. Regarder une pièce de métal dans une bobine devenir rouge cerise en quelques secondes peut être surprenant pour ceux qui ne sont pas familiers avec le chauffage par induction. L’équipement de chauffage par induction nécessite une compréhension de la physique, de l’électromagnétisme, de l’électronique de puissance et du contrôle des processus, mais les concepts de base derrière le chauffage par induction sont simples à comprendre.

Les bases

Découvert par Michael Faraday, l’induction commence avec une bobine de matériau conducteur (par exemple, le cuivre). Lorsque le courant circule dans la bobine, un champ magnétique dans et autour de la bobine est produit. La capacité du du champ magnétique à effectuer un travail dépend de la conception de la bobine ainsi que de la quantité de courant circulant dans la bobine.

La direction du champ magnétique dépend de la direction du courant, ainsi un courant alternatif à travers la bobine entraînera un champ magnétique changeant de direction au même rythme que la fréquence du courant alternatif. Un courant alternatif de 60 Hz fera en sorte que le champ magnétique change de direction 60 fois par seconde. Un courant alternatif de 400kHz fera en sorte que le champ magnétique change de direction 400 000 fois par seconde.

Lorsqu’un matériau conducteur, une pièce de travail, est placé dans un champ magnétique changeant (par exemple, un champ généré avec du courant alternatif), une tension sera induite dans la pièce de travail (loi de Faraday). La tension induite entraînera un flux d’électrons : le courant ! Le courant qui circule dans la pièce va aller dans la direction opposée à celle du courant dans la bobine. Cela signifie que nous pouvons contrôler la fréquence du courant dans la pièce de travail en contrôlant la fréquence du courant dans la bobine.

Comme le courant circule dans un milieu, il y aura une certaine résistance au mouvement des électrons. Cette résistance se manifeste sous forme de chaleur (l’effet Joule). Les matériaux qui sont plus résistants au flux d’électrons dégageront plus de chaleur lorsque le courant les traverse, mais il est certainement possible de chauffer des matériaux hautement conducteurs (par exemple, le cuivre) en utilisant un courant induit. Ce phénomène est critique pour le chauffage par induction.

De quoi avons-nous besoin pour le chauffage par induction ?

Tout cela nous dit que nous avons besoin de deux choses fondamentales pour que le chauffage par induction se produise :

1. Un champ magnétique changeant
2. Un matériau électriquement conducteur placé dans le champ magnétique

Comment le chauffage par induction se compare-t-il aux autres méthodes de chauffage ?

Il existe plusieurs méthodes pour chauffer un objet sans induction. Parmi les pratiques industrielles les plus courantes, citons les fours à gaz, les fours électriques et les bains de sel. Ces méthodes reposent toutes sur le transfert de chaleur vers le produit depuis la source de chaleur (brûleur, élément chauffant, sel liquide) par convection et rayonnement. Une fois que la surface du produit est chauffée, la chaleur se transfère à travers le produit par conduction thermique.

Les produits chauffés par induction ne reposent pas sur la convection et le rayonnement pour la livraison de la chaleur à la surface du produit. Au lieu de cela, la chaleur est générée dans la surface du produit par le flux de courant. La chaleur de la surface du produit est ensuite transférée à travers le produit par conduction thermique. La profondeur à laquelle la chaleur est générée directement en utilisant le courant induit dépend de ce que l’on appelle la profondeur de référence électrique.

La profondeur de référence électrique dépend grandement de la fréquence du courant alternatif qui traverse la pièce. Un courant de fréquence plus élevée entraînera une profondeur de référence électrique plus faible et un courant de fréquence plus faible entraînera une profondeur de référence électrique plus importante. Cette profondeur dépend également des propriétés électriques et magnétiques de la pièce à travailler.

Les sociétés du groupe Inductotherm tirent parti de ces phénomènes physiques et électriques pour personnaliser les solutions de chauffage pour des produits et des applications spécifiques. Le contrôle minutieux de la puissance, de la fréquence et de la géométrie des bobines permet aux sociétés du groupe Inductotherm de concevoir des équipements présentant des niveaux élevés de contrôle des processus et de fiabilité, quelle que soit l’application.

Fusion par induction

Pour de nombreux processus, la fusion est la première étape de la production d’un produit utile ; la fusion par induction est rapide et efficace. En modifiant la géométrie de la bobine d’induction, les fours de fusion par induction peuvent contenir des charges dont la taille varie du volume d’une tasse à café à des centaines de tonnes de métal en fusion. De plus, en ajustant la fréquence et la puissance, les sociétés du groupe Inductotherm peuvent traiter pratiquement tous les métaux et matériaux, y compris, mais sans s’y limiter, le fer, l’acier et les alliages d’acier inoxydable, le cuivre et les alliages à base de cuivre, l’aluminium et le silicium. Les équipements à induction sont conçus sur mesure pour chaque application afin de s’assurer qu’ils sont aussi efficaces que possible.

Un avantage majeur inhérent à la fusion par induction est le brassage inductif. Dans un four à induction, le matériau de charge métallique est fondu ou chauffé par le courant généré par un champ électromagnétique. Lorsque le métal devient fondu, ce champ provoque également le déplacement du bain. C’est ce qu’on appelle le brassage par induction. Ce mouvement constant mélange naturellement le bain, produisant un mélange plus homogène et contribuant à l’alliage. La quantité de brassage est déterminée par la taille du four, la puissance mise dans le métal, la fréquence du champ électromagnétique et le type/la quantité de métal dans le four. La quantité de brassage inductif dans un four donné peut être manipulée pour des applications spéciales si nécessaire.

Fusion sous vide par induction

Parce que le chauffage par induction est accompli en utilisant un champ magnétique, la pièce de travail (ou la charge) peut être physiquement isolée de la bobine d’induction par un matériau réfractaire ou un autre milieu non conducteur. Le champ magnétique traversera ce matériau pour induire une tension dans la charge qu’il contient. Cela signifie que la charge ou la pièce à usiner peut être chauffée sous vide ou dans une atmosphère soigneusement contrôlée. Cela permet de traiter des métaux réactifs (Ti, Al), des alliages spéciaux, du silicium, du graphite et d’autres matériaux conducteurs sensibles.

Chauffage par induction

Contrairement à certaines méthodes de combustion, le chauffage par induction peut être contrôlé avec précision, quelle que soit la taille du lot. La variation du courant, de la tension et de la fréquence à travers une bobine d’induction permet d’obtenir un chauffage technique finement ajusté, parfait pour des applications précises comme la cémentation, la trempe et le revenu, le recuit et d’autres formes de traitement thermique. Un haut niveau de précision est essentiel pour les applications critiques telles que l’automobile, l’aérospatiale, les fibres optiques, le collage des munitions, la trempe et le revenu des fils à ressort. Le chauffage par induction est bien adapté aux applications de métaux spéciaux comme le titane, les métaux précieux et les composites avancés. Le contrôle précis du chauffage par induction est inégalé. De plus, en utilisant les mêmes principes de chauffage que les applications de chauffage en creuset sous vide, le chauffage par induction peut être réalisé sous atmosphère pour des applications continues. Par exemple, le recuit brillant des tubes et tuyaux en acier inoxydable.

Soudage par induction à haute fréquence

Lorsque l’induction est délivrée en utilisant un courant à haute fréquence (HF), un soudage uniforme est possible. Dans cette application, les très faibles profondeurs de référence électrique qui peuvent être réalisées avec le courant HF. Dans ce cas, une bande de métal est formée en continu, puis passe dans un ensemble de rouleaux conçus avec précision, dont le seul but est de forcer les bords de la bande formée à se rapprocher et à créer la soudure. Juste avant que la bande formée n’atteigne le jeu de rouleaux, elle passe par une bobine d’induction. Dans ce cas, le courant circule vers le bas, le long du « voile » géométrique créé par les bords de la bande, au lieu de se contenter de contourner l’extérieur du canal formé. Lorsque le courant circule le long des bords de la bande, ceux-ci s’échauffent jusqu’à une température de soudage appropriée (inférieure à la température de fusion du matériau). Lorsque les bords sont pressés l’un contre l’autre, tous les débris, oxydes et autres impuretés sont expulsés pour donner une soudure de forge à l’état solide.

L’avenir

Avec l’ère à venir des matériaux hautement sophistiqués, des énergies alternatives et de la nécessité d’autonomiser les pays en développement, les capacités uniques de l’induction offrent aux ingénieurs et aux concepteurs du futur une méthode de chauffage rapide, efficace et précise.