Induktionsvärme används när en metalldel behöver värmas snabbt, lokalt och med styrbara processvärden. I en automatiserad produktionslinje kan en induktionsvärmare samverka med PLC, temperaturgivare, robotar och transportbanor. Effekt, tid, temperatur och position kan då kontrolleras vid varje cykel.
Tekniken används bland annat vid lödning, härdning, smide, förvärmning samt montering och demontering av presspassade delar. Den kan ingå i helautomatiska produktionsceller eller i stationer där en operatör placerar komponenten medan systemet sköter värmningen.
Induktionsvärme skapar värme i metalldelen
I ett induktionssystem leds högfrekvent växelström genom en spole. Det skapar ett växlande magnetfält som alstrar elektriska strömmar i ett ledande arbetsstycke. Materialets elektriska motstånd omvandlar strömmarna till värme.
Eftersom värmen uppstår i komponenten behövs ingen öppen låga. Energin kan koncentreras till området närmast induktionsspolen. Det passar när exempelvis en mutter, lagerbana, bussning eller ring ska värmas utan att hela konstruktionen når samma temperatur.
Resultatet påverkas av material, geometri, godstjocklek, frekvens, effekt och spolens utformning. Även avståndet mellan spolen och arbetsstycket har stor påverkan. Detaljen behöver därför placeras likadant vid varje cykel.
PLC-styrning samordnar värmecykeln
En PLC kan styra när induktionsgeneratorn ska starta, vilken effekt som används och hur länge uppvärmningen pågår. Systemet kan också kontrollera att detaljen ligger rätt, att skyddet är stängt och att kylningen fungerar innan värmningen börjar.
En vanlig sekvens startar med att komponenten matas in och placeras i en fixtur. Givare bekräftar läget, varefter spolen eller arbetsstycket flyttas till sin bestämda position. PLC:n startar generatorn och följer processen tills inställd tid, temperatur eller energimängd har uppnåtts.
Kommunikationen kan ske genom digitala signaler, analoga signaler eller industriella nätverk. Signalutbytet kan omfatta driftklar, start, aktiv värmning, cykel klar, kylflöde och fellarm.
Temperaturgivare ger återkoppling
Tidsstyrning kan räcka när komponenterna har jämna egenskaper och alltid placeras på samma sätt. Om material, massa eller starttemperatur varierar kan temperaturåterkoppling ge bättre kontroll.
Beröringsfria pyrometrar används ofta under pågående uppvärmning. De kräver fri sikt mot mätytan och rätt inställning för materialets emissivitet. Oxid, beläggningar och varierande ytfinish kan påverka mätvärdet. Termoelement mäter genom kontakt med komponenten, men passar inte alltid vid korta cykler eller rörliga detaljer.
Systemet kan även övervaka:
- faktisk effekt och uppvärmningstid
- kylvattenflöde och kylvattentemperatur
- komponentens läge och avstånd till spolen
En cykel som hamnar utanför tillåtna gränser kan stoppas eller märkas för kontroll.
Induktionslödning i automatiserad produktion
Ett användningsområde för automatiserad induktionsvärme är induktionslödning. Metoden koncentrerar värmen till området där komponenterna ska sammanfogas, medan materialet utanför värmezonen påverkas mindre. Den används bland annat för rör, ringar, ledare, kopparskenor och elektriska komponenter.
PLC-systemet kan styra effekt, uppvärmningstid och temperatur efter detalj och lödmaterial. Fixturer eller robotar håller komponenterna i samma position under varje cykel. Det ger jämnare förutsättningar och gör det möjligt att registrera processvärden för varje detalj.
Induktionsvärme i robotceller
I en robotcell kan roboten föra arbetsstycket till en fast spole eller flytta spolen till komponenten. Valet påverkas av detaljens vikt, spolgeometri, cykeltid och antalet produktvarianter.
En fast spole ger en stabil uppställning där roboten sköter inläggning och urtagning. En robotburen spole ger större rörelsefrihet när flera områden ska värmas, men ställer högre krav på kabeldragning, slangpaket och mekaniskt skydd.
Roboten måste nå samma läge och vinkel vid varje cykel. Fixturer, mekaniska stopp och närvarogivare kan användas för att kontrollera positionen. Vid produktbyten kan styrsystemet hämta ett recept med rätt robotprogram, effekt, värmningstid och temperaturgränser.
Spolen anpassas efter detaljen
Induktionsspolen styr var energin koncentreras. En spole för en viss bultdimension ger inte samma resultat på ett större lager eller en komponent med annan form. Spolens diameter, form, antal varv och avstånd till materialet påverkar uppvärmningshastigheten och temperaturfördelningen.
Spolen behöver tåla återkommande rörelser och värmecykler. Mekaniska skydd kan hindra arbetsstycket från att komma för nära. Kylningen måste anpassas till cykeltiden, eftersom lågt flöde eller för hög kylvattentemperatur kan skada utrustningen.
Om linjen hanterar flera detaljtyper kan spolen bytas manuellt eller automatiskt. Styrsystemet bör kontrollera att rätt spole är monterad före start.
Repeterbarhet och spårbarhet
En repeterbar process bygger på kontroll av flera värden. Starttemperatur, materialegenskaper, placering och spolens skick kan förändra slutresultatet.
Vid intrimningen tas ett processfönster fram genom provkörningar och temperaturmätningar. Därefter fastställs gränser för temperatur, tid, effekt och position. Kontrollen bör även göras vid planerad produktionstakt, eftersom kylning och komponenttemperatur kan förändras under längre körning.
Processdata kan sparas tillsammans med detaljnummer, recept och tidsstämpel. Med serienummer eller datamatriskoder kan värmecykeln kopplas till den enskilda komponenten. Informationen kan sedan användas vid kvalitetskontroll, felsökning och underhåll.
Säkerhetsfunktioner för hela cellen
Induktionsvärme använder ingen öppen låga, men heta delar, elektrisk utrustning, elektromagnetiska fält och rörliga maskindelar måste ingå i riskbedömningen.
Skydd och förreglingar ska hindra åtkomst under automatisk drift. Värmningen bör stoppas om en skyddsdörr öppnas, arbetsstycket saknas, kylningen faller bort eller spolen står i fel läge. Systemet ska inte starta om oväntat när ett fel återställs.
Riskbedömningen behöver även omfatta rengöring, spolbyte, felsökning och underhåll. Rutiner behövs för frånkoppling, skydd mot återstart och hantering av kvarvarande värme. Exponering för elektromagnetiska fält kan minskas genom avstånd, avskärmning och begränsad åtkomst. Personer med medicinska implantat kan behöva en särskild riskbedömning.
Regler för induktionssystem och maskinlinjer
Arbetsgivaren ska undersöka och riskbedöma arbetsutrustningen. Kraven finns bland annat i Arbetsmiljöverkets AFS 2023:11 om säker användning av arbetsutrustning. Vid induktionsvärme behöver riskbedömningen även omfatta elektromagnetiska fält, heta komponenter, elektrisk utrustning och oväntad start.
När flera maskiner kopplas samman och fungerar som en gemensam produktionslinje kan den som ansvarar för integreringen räknas som tillverkare av den sammansatta maskinen. Det kan medföra krav på gemensam riskbedömning, teknisk dokumentation och CE-märkning av maskinlinjen som helhet.
