Hitze durch Induktion ins Metall - So funktioniert's!

Schauen wir uns zunächst einen ganz normalen Wechselstrom-Transformator an. Auf einem Metallblatt-Paketkern sitzt im Bild links die sogenannte 'Primärwicklung'. Ein stromdurchflossener Leiter, dessen Wirkung dadurch verstärkt wird, dass er nicht einmal um das Paket geführt ist, sondern in ganz vielen Windungen. Bei Transformatoren üblicherweise ein Wicklungspaket aus vielen Hundert Windungen eines dünnen Kupferlackdrahtes.

Bild: Ein Transformator. Auf dem Kern ist links die Primärwicklung, rechts die Sekundärwicklung. Obwohl beide Wicklungen voneinander isoliert sind, entsteht in der Sekundärwicklung eine Spannung.

Auf der rechten Seite im Bild erkennt man dann noch die sogenannte Sekundärwicklung. Diese ist in der Realität meist mit weniger Windungen, dafür aber mit dickerem Kupferlackdraht ausgeführt. Das liegt daran, dass man bei den meisten Transformatoren die Spannung heruntertransformieren will (z.B. von 230V aus der Steckdose auf 12V), die Spannung auf der Sekundärseite aber von der Zahl der Windungen abhängt.

 

Stellen Sie sich nun vor, dass die beiden Enden der Sekundärwicklungen miteinander verbunden werden. Also ein KURZSCHLUSS entsteht. Der ein oder andere wird so etwas aus leidvoller Erfahrung kennen: Durch die Sekundärwicklung fliesst auf einmal so viel Strom, wie der Trafo hergibt, und die Wicklung wird fürchterlich heiß! 

Bild: Transformator ohne Voltmeter, dafür mit Kurzschluss
Bild: Sekundärwicklung wird heiß!

[Spätestens an dieser Stelle würde es in der beliebten, britschen Serie mahnend heißen: "Do not try this at home!" - also nicht nachmachen.

 

Bei jedem normalen Transformator wird so ein Zustand schnell gestoppt, indem entweder eine Thermosicherung im Wicklungspaket schmilzt, oder eine kleine Schmelzsicherung durchbrennt und damit den Strom stoppt.

 

Im Fall des Induktionsheizgerätes liegen die Dinge ähnlich, mit diesen wesentlichen Unterschieden:

  • Die 'Primärwicklung' besteht aus genau einer 'Windung' eines dicken Kupfer-Hohlleiters
  • Dieser Hohlleiter wird von Kühlflüssigkeit durchflossen, um die großen Leistungen sicher umsetzen zu können
  • Die 'Sekundärwicklung' ist das Metall, was erwärmt werden soll
  • Der 'Kurzschluss' wird präzise von der Primärseite her geregelt und begrenzt, damit nichts durchbrennt
Bilder: Das offene Blechpaket führt dazu, dass die Feldlinien sich ihren Weg durch die Luft suchen.
Sobald ein Gegenstand aus Metall in die Feldlinien gehalten wird, entsteht darin eine Spannung, die sich sofort wieder kurzschliesst, dadurch entsteht im Innern des Metalls die Hitze!

In der Realität sieht die Induktorspitze so aus wie im nachfolgenden Bild. Das wirksame, elektrische Feld entsteht genau in einem Kreisbogen vor den Plattenpaket-Enden. Die Eindringtiefe hängt von der Geräteleistung und damit der Induktorfläche ab. Beim A800 kann man davon ausgehen, dass bis in eine Tiefe von 7-8mm noch die volle Leistung zur Verfügung steht. Danach nimmt die wirksame Leistung ab. Mit dem A4000 kann man bis in etwa 15mm Tiefe die volle Leistung erzeugen. Beides natürlich unter der Voraussetzung eines einfachen, magnetischen Stahls.

Bild: Der Aufbau der Induktorspitze mit Hohlleiter und dem offenen Transformatorpaket.
Funktionsweise: Stromfluss durch den Hohlleiter erzeugt ein magnetisches Feld, welches durch das Blechpaket kanalisiert und verstärkt wird. In blau der Verlauf der Feldlinien am offenen Paketende.

FAQ - Das wollen eigentlich alle wissen

  • Stimmt es, dass man Schraubverbindungen durch Erhitzen der Mutter öffnet?

    Nein, jedenfalls nicht nur! Das Arbeitsprinzip ist das SCHNELLE Erhitzen durch Induktion von innen. Das führt dazu, dass an den Übergangsstellen wie z.B. dem Gewinde die Rostverbindung oder das Festbacken aufbricht. Es funktioniert genauso, wenn man nur an den Schraubenkopf herankommt! Hitzestoß hinein, etwas warten, mit der Abkühlung geht die Schraube auf.
  • Wird der Induktor heiß?

    Nein, dieser wird von Kühlmittel durchflossen und erwärmt sich kaum.

  • Kann man mit Induktion auch Stahl schmelzen?

    Eigentlich nur dünnes Blech, aus Versehen. Dort baut sich bei unsachgemäßer Handhabung so schnell so viel Hitze auf, dass man ein richtiges Loch hineinbrennt. Sobald der Stahl eine gewisse Dicke hat, ist bei Hellrotglut Schluss, da stellt sich ein Gleichgewicht mit der abnehmenden Leitfähigkeit ein, sodass die Temperatur nicht weiter steigt.

  • Funktioniert das Induktionsheizgerät auch mit anderen Metallen als Stahl?

    Ja, speziell mit Aluminium für Blechnerarbeiten ist das eine tolle Alternative zur Arbeit mit der Flamme. Allerdings braucht man für alles außer normalem, magnetischem Stahl viel mehr Leistung. Was bei den Alesco-Geräten bekanntlich kein Problem ist.

  • Funktioniert das auch mit Kunststoff?

    Nein, das Prinzip beruht darauf, dass im Zielgebiet Strom fliessen kann, das Material muss also leitfähig sein. Dieser Effekt lässt sich nutzen, indem man durch geklebte Materialien wie Glas, Kunststoff oder Aufkleber hindurch das Träger-Metall erwärmt und sich der Kleber rückstandsfrei löst.

  • Warum muss die Maschine so groß und schwer sein?

    Der größte Teil von Bauform und Gewicht kommt von der WASSERKÜHLUNG. Es gibt auch kleinere, nicht gekühlte Geräte, mit denen kann man in der Werkstatt aber nicht so viel anfangen!

  • Gibt es verschieden geformte Aufsätze für den Induktor?

    Nein. Derlei wird bei den erwähnten, viel kleineren Geräten gemacht. Wenn für den Einsatz in der PKW-Blechnerei eine Punkterhitzung gemacht werden soll, bekommt man das über den Abstandshalter problemlos hin. Für flächigen Einsatz kann man die Teflonkappe aufstecken und einfach mit kreisenden Bewegungen die Fläche erwärmen.

  • Was ist mit Gefügeänderung und Härteverlust, speziell an Lenkungsbauteilen wollen die Hersteller doch keinen Wärmeeinsatz?

    Man muss klar unterscheiden: Wird ein nicht gehärteter Stahl nicht über 'Dunkelrotglut' erhitzt und nicht abgeschreckt, gibt es auch keine wesentlichen Gefügeänderungen. Die Empfehlung der Hersteller kommt daher, dass man beim Einsatz eines Brenners kaum vermeiden kann, zumindest an der Oberfläche in den gefährlichen Bereich zu kommen. Mit dem Induktionsheizgerät kann man den selben Effekt (z.B. Öffnen einer Mutter oder Spurstange) mit wesentlich geringerer Maximaltemperatur erreichen. Aber wie bei der Flamme gilt: Es handelt sich um ein Werkzeug, für dessen sachgerechten Einsatz der Mechaniker verantwortlich ist.
    Wenn man das an einem dicken Stück Stahl probiert und lange genug heizt, spürt man übrigens im Handgriff, wenn man den Punkt überschreitet, an dem das Material nicht mehr magnetisch ist. Dorthin kommt man aber nicht aus Versehen. 

  • Kann man die Geräte auch zum Vorwärmen für Schweissarbeiten einsetzen?

    Aber sicher. Hierbei sollte man klar zwischen zwei Fällen unterscheiden:
    - Primäre Erwärmung: Bei allen Strukturen bis 17mm Tiefe kann man die
      Wärme überall dort, wo sie hinsoll, mit Induktion DIREKT erzeugen.
      Man kann mit dem Induktor recht schnell über das zu erwärmende
      Gebiet fahren und die Temperatur wird nirgends wesentlich höher
      als die Zieltemperatur.
    - Sekundäre Erwärmung:  Für alles, was tiefer ist, wird man mit Induktion
      den Effekt der Wärmeleitung nutzen und in den obersten 17mm der
      Struktur höhere Temperaturen erzeugen. Wärmeleitung erledigt den
      Rest. Damit nutzt man den Effekt wie bei der Erwärmung mit der Flamme,
      ABER: Wesentlich geringere Übertemperaturen und 17mm Weg gespart!

Temperaturprofil an 20mm Blech bei Erwärmung mit Autogenflamme (links) und Induktion (rechts). Die Farben entsprechen den normalen Glühfarben


  • Kann man die Temperatur regeln?

    Direkt - nein. Es gibt bislang keine Möglichkeit, die Temperatur im Zielgebiet zu messen. Indirekt aber sehr wohl! Es gibt bei den Geräten ja genau zwei Parameter, die die zu erreichende Temoeratur bei gewissem Material beeinflussen: Die Leistungs-Einstellung (5%..100%) und die Anwendungsdauer, also beispielsweise wie schnell man mit gedrücktem Auslöser über eine Fläche streicht. Damit lässt sich ein sehr robuster, gut reproduzierender Arbeitsprozess festlegen.
    Ausserdem hilft einem, dass die Induktionshitze im Zielgebiet relativ zügig (unter einer Sekunde) auf etwa 700°C kommt - Dukelrot- bis Dunkelkirschrot-Glut. Die weitere Erhitzung dauert erheblich länger, da ab diesen Temperaturen die Wirkung nachlässt. Und wer's vermasselt und zu lange auf einem Punkt heizt, der spürt die Überschreitung des 'Curie-Punkts' im Metall durch einen leichten Schlag im Induktor, wenn das Magnetfeld im Stahl zusammen bricht
    .

  • Darf man auch gehärtete Schrauben mit Induktion öffnen?

    Öffnen schon. Nur sollte man gehärtete Materialien, die man über +250°C erhitzt hat, danach durch neue ersetzen. Die Härteeigenschaften haben sich durch Anlass-Effekte verändert. 

Temperaturprofil an 20mm Blech bei Erwärmung mit Autogenflamme (links) und Induktion (rechts). Die Farben entsprechen den normalen Glühfarben