Gia nhiệt cảm ứng hoạt động như thế nào?

So với các phương pháp gia nhiệt truyền thống khác để gia nhiệt sơ bộ (preheating) và khử ứng suất (stress relieving) mối hàn, gia nhiệt cảm ứng là một quy trình đơn giản, hiệu quả về chi phí, mang lại nhiệt độ nhanh và ổn định. Về cơ bản, chính chi tiết cần gia nhiệt trở thành phần tử sinh nhiệt, trong đó nhiệt độ cao nhất được tạo ra và kiểm soát ngay trong vật thể, thay vì phải dùng nguồn nhiệt bên ngoài như ngọn lửa từ đèn khò propane hoặc bộ phận sứ của máy gia nhiệt điện trở. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng giải đáp bốn câu hỏi thường gặp về nguyên lý và ứng dụng của gia nhiệt cảm ứng.

Nguyên lý khoa học của gia nhiệt cảm ứng là gì?

Gia nhiệt cảm ứng dựa trên nguyên lý điện từ (electromagnetism). Khi dòng điện chạy qua dây dẫn bằng đồng, nó tạo ra một từ trường xung quanh dây dẫn. Chiều của từ trường phụ thuộc vào chiều dòng điện. Ta có thể xác định hướng của từ trường bằng quy tắc bàn tay phải: ngón cái chỉ theo hướng dòng điện, các ngón còn lại cuộn theo chiều của từ trường. Khi dòng điện tăng, từ trường xung quanh dây dẫn trở nên lớn và mạnh hơn. Nếu dòng điện đổi chiều, hướng từ trường cũng đảo ngược. Khi dòng điện liên tục thay đổi chiều (dòng điện xoay chiều), từ trường cũng luân phiên giãn ra và sụp lại — đây chính là cơ sở tạo ra hiện tượng cảm ứng điện từ.

Làm thế nào để kim loại được gia nhiệt bằng cảm ứng?

Khi một khối kim loại được đặt trong từ trường xoay chiều, dòng điện xoáy (eddy currents) sẽ được sinh ra bên trong kim loại. Từ trường càng mạnh, dòng điện xoáy càng lớn. Các dòng điện này chạy trong khối kim loại và gặp điện trở của chính vật liệu, sinh ra nhiệt lượng theo hiệu ứng Joule – đây chính là nguồn nhiệt chính trong gia nhiệt cảm ứng. Các kim loại có điện trở suất thấp như đồng (Cu) và nhôm (Al) cần dòng điện xoáy lớn hơn để đạt được cùng mức nhiệt so với các kim loại có điện trở suất cao như thép cacbon (carbon steel) – loại dễ gia nhiệt hơn.

Ngoài ra, với vật liệu sắt từ (ferromagnetic), còn có tổn hao do từ trễ (hysteresis losses) – phát sinh do sự cản trở của vật liệu đối với sự thay đổi của từ trường. Mặc dù tổn hao từ trễ tạo ra ít nhiệt hơn hiệu ứng Joule, nhưng nó vẫn đóng góp đáng kể vào tổng nhiệt lượng sinh ra. Do đó, vật liệu có từ tính như thép cacbon sinh nhiệt nhiều hơn, trong khi vật liệu không từ tính như đồng và nhôm không sinh nhiệt từ tổn hao từ trễ.

Làm sao để điều khiển cường độ từ trường?

Khi cần gia nhiệt vật thể, ta phải tạo ra từ trường đủ mạnh để sinh ra các dòng điện xoáy trong vật liệu. Cường độ từ trường có thể được tăng lên bằng cách đặt nhiều dây dẫn có dòng điện cùng chiều gần nhau. Đây là lý do tại sao các cuộn cảm ứng (induction coil) thường có nhiều vòng dây quấn. Ngược lại, nếu các dây dẫn được đặt gần nhau nhưng dòng điện chạy ngược chiều, từ trường đối nghịch sẽ triệt tiêu lẫn nhau, dòng điện xoáy sẽ không sinh ra và vật liệu sẽ không được gia nhiệt. Do đó, trong thiết kế cuộn dây cảm ứng, cần tránh sắp xếp dòng điện ngược chiều song song.

Một yếu tố quan trọng khác là khoảng cách ghép (coupling distance) – tức khoảng cách giữa dây dẫn và chi tiết gia nhiệt. Vì từ trường mạnh nhất nằm sát dây dẫn, nên khi cuộn dây càng gần vật thể, nhiệt sinh ra càng nhiều. Ngược lại, khoảng cách càng xa, từ trường yếu hơn và hiệu suất gia nhiệt giảm đi.

Hai kiểu cuộn cảm ứng phổ biến nhất là gì?

1. Cuộn solenoid (Solenoid Coil)
   Loại cuộn này được tạo ra bằng cách quấn dây dẫn quanh một vật hình trụ như ống hoặc bình chứa. Cường độ từ trường phụ thuộc vào số vòng dây, khoảng cách giữa các vòng, và vị trí của cuộn dây so với vật cần gia nhiệt.
2. Cuộn phẳng (Pancake Coil)
   Loại này được chế tạo bằng cách quấn dây dẫn phẳng theo hình xoắn ốc, sau đó đặt bên cạnh bề mặt phẳng của vật (ví dụ như tấm thép). Do chi tiết nằm bên cạnh chứ không nằm trong cuộn dây, từ trường yếu hơn so với cuộn solenoid. Để bù lại, ta tăng số vòng dây để tăng cường độ từ trường. Giống như cuộn solenoid, số vòng dây, khoảng cách giữa cuộn dây và vật, và mức độ khít giữa các vòng trong đều ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng gia nhiệt. Lưu ý rằng, khi các vòng trong của cuộn dây quá gần nhau, từ trường có thể triệt tiêu, dẫn đến không sinh nhiệt.

Nếu bạn còn những thắc mắc khác về công nghệ gia nhiệt cảm ứng, vui lòng liên hệ chúng tôi qua email: info@hoathinh.com.vn, đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi sẽ phản hồi và tư vấn chi tiết.