Existem dois métodos alternativos de têmpera por indução: a convencional “têmpera por escaneamento” e a menos comum “têmpera de etapa única (single-shot)”. Este artigo analisa o processo de têmpera por indução e discute estas opções
Por vezes, as características da peça de trabalho determinam o método que deve ser utilizado. Um eixo longo e de grande diâmetro, por exemplo, requer o escaneamento, já que a energia necessária para uma única etapa de têmpera seria simplesmente excessiva. Depois, existem as peças cujas formas irregulares ou geometrias complexas tornam apenas a têmpera por etapa única como alternativa viável.
Têmpera por Escaneamento
movimento relativo entre a peça de trabalho e do indutor. O escaneamento é dividido em têmpera vertical e horizontal. No primeiro caso, a peça de trabalho é mantida estacionária na posição vertical e um indutor se move ao longo do seu comprimento (por vezes, o indutor é estacionário e ocorre o movimento da peça de trabalho). O indutor desloca-se em diferentes velocidades, mas o habitual é o range de 5-25 mm/segundo.
Uma grande vantagem do escaneamento vertical é que o indutor é relativamente fácil de produzir, uma vez que é, normalmente, um único anel redondo. Outra vantagem do escaneamento vertical é que a ducha de resfriamento é colocada abaixo do indutor (Fig. 1). Isto significa que o meio de têmpera flui para baixo, sem interferir com o aquecimento. É possível controlar a profundidade de têmpera em diferentes zonas da peça de trabalho por meio do ajuste da velocidade do indutor e da potência transmitida a ela.
No caso da têmpera por escaneamento horizontal, a peça de trabalho mantida horizontalmente é movimentada através do indutor e ducha (Fig. 2). Um dos benefícios do escaneamento horizontal é que ele pode reduzir a distorção. Isto é conseguido pela manutenção da peça de trabalho numa posição concêntrica no indutor e na ducha, resultando no aquecimento e resfriamento simétrico. Outro benefício do escaneamento horizontal é que facilita têmpera de peças de trabalho de grandes dimensões. É possível, por exemplo, temperar tubos de até 6 metros de comprimento com este método.
Têmpera “Single-Shot”
A têmpera por processo único significa que toda a zona de têmpera é primeiro aquecida e depois resfriada. Esta têmpera pode ser conseguida com um indutor multivoltas que circunda toda a zona a ser temperada. Mas para peças com simetria rotacional é normalmente usado um indutor que segue o contorno da peça de trabalho, combinada com sua rotação. Os indutores podem ser projetados para “empurrar calor extra” em áreas como filetes em eixos flangeados, onde muitas vezes é difícil de obter profundidade suficiente de têmpera.
Os benefícios da têmpera por processo único incluem distorção minimizada e ótimos resultados para peças com geometrias complexas e/ou grandes mudanças de diâmetro.
Os tempos de aquecimento relativamente longos do método (em comparação com o escaneamento) também beneficiam a microestrutura e as tensões residuais da peça. No entanto, mesmo se o tempo de aquecimento do processo único para cada grão é maior em comparação com o escaneamento, o tempo total de aquecimento é menor, uma vez que a zona de aquecimento é aquecida em sua totalidade ao mesmo tempo.
A têmpera por etapa única normalmente exige mais energia do que o escaneamento. Esta potência adicional é necessária para atingir o aumento desejado de temperatura na zona completa de têmpera. Além disso, os indutores utilizados na têmpera por processo único são mais complexos e caros que os utilizados no escaneamento. E, se existir a necessidade de alterar a demanda de potência em algum ponto da peça de trabalho, será necessário modificar fisicamente o indutor de processo único. Com o escaneamento, tais mudanças podem geralmente ser feitas por ajuste do programa de controle.
“No Pain, no Gain”
Independentemente do método de têmpera por indução utilizado, o indutor é um componente crítico. Na verdade, projetar e testar os indutores é frequentemente o processo que mais leva tempo ao conceber uma solução de aquecimento por indução. Uma das principais razões para isso é o fato de que os indutores são específicos para cada aplicação (Fig. 3). Eles devem ser projetados para atingir resultados específicos em materiais específicos e em condições específicas. Não há (ou pelo menos não deveriam existir) projetos diretos “da prateleira”.
Rigorosos testes do projeto e da construção de um indutor são essenciais. Poucas pessoas percebem que os indutores são muitas vezes a parte mais exposta a severas condições de operação. Portanto, testes e simulações computacionais às vezes são necessários para chegar a um projeto que seja seguro e resistente à fadiga. E, claro, é preciso repetidos testes para atingir o ótimo padrão de aquecimento da peça.
Nada pode ser dado como certo na concepção de indutores. Com indutores com densidade de energia muito elevada, por exemplo, um teste precisa ser feito para determinar a velocidade correta em que a água de arrefecimento deve fluir através do indutor. Uma velocidade muito baixa resultará em uma transferência térmica insuficiente. Mas mesmo quando a velocidade correta tenha sido encontrada, o projetista do indutor tem que decidir se uma bomba de reforço é necessária para alcançar e manter o fluxo de água desejado. Um projetista competente de indutores irá também especificar um grau de pureza para a água de arrefecimento, a fim de minimizar a corrosão no interior da bobina. Então, algo aparentemente tão simples como a água do indutor é, de fato, uma questão complexa que exige competência técnica e equipamentos especializados.
Concentradores de Fluxo Magnético
Os concentradores de fluxo magnético são outro aspecto de uma solução geral de indução que à primeira vista parece ser relativamente simples. Como o nome sugere, a função principal de tais concentradores é a de concentrar a corrente na área do indutor de frente para a peça de trabalho. Sem um concentrador, o fluxo magnético se propaga em torno do indutor no ar – um meio de permeabilidade magnética baixa -, criando um campo magnético que atrai parte da corrente para fora da zona ativa de frente para a peça. Mas, quando o fluxo de retorno é conduzido por um concentrador, o campo magnético pode ser restrito a áreas bem definidas da peça de trabalho, resultando na característica de têmpera localizada em zonas do aquecimento por indução.
Muitas variáveis devem ser consideradas na produção como concentradores de fluxo: o material da peça, a forma e a aplicação do indutor. Cada uma influencia o desenho final do concentrador. Mesmo decidir o material a ser utilizado no concentrador pode ser uma tarefa complicada. Basicamente, os concentradores são feitos de laminados ou de ferrita pura e de pós à base de ferrita ou de ferro. Cada material do concentrador tem suas desvantagens e vantagens. Os laminados possuem as maiores densidades de fluxo e permeabilidades magnéticas e também são mais baratos que componentes feitos de pós à base de ferro e de ferrita. Contudo, os laminados devem ser estampados com alguns tamanhos padronizados e são, por conseguinte, menos flexíveis. Eles também são trabalhosos para montar.
As ferritas puras também podem oferecer excelente permeabilidade magnética. No entanto, elas sofrem de baixa saturação de densidade de fluxo e sua fragilidade as torna difíceis de serem trabalhadas (cortadores com ponta de diamante têm de ser utilizados). Pós de ferro são fáceis de moldar e oferecem altas densidades de fluxo. Mas muito cuidado deve ser tomado contra o sobreaquecimento devido perdas internas, juntamente à transerência de calor a partir da peça aquecida pela radiação, que podem prejudicar a ligação de tais pós por causa da temperatura relativamente baixa de trabalho.
Conclusão
Naturalmente, muitos outros fatores precisam ser considerados no projeto de indutores, sendo que a eficiência não é o último deles. A correta correspondência entre a impedância da bobina e da fonte de energia, por exemplo, é fundamental a fim de usar toda a potência do conversor. A necessidade de potência reativa, que é normalmente várias vezes maior que a exigência de potência ativa, influencia a frequência. Também é vital selecionar a forma correta de isolamento elétrico para o indutor. Novamente, essas são decisões complicadas influenciadas por diversas variáveis.
Como vimos, um indutor profissionalmente projetado e fabricado é um componente avançado e complexo. Infelizmente, muitos usuários de indução persistem em ver os indutores como tubos de cobre de baixa tecnologia.
Os resultados deste equívoco são projetos de indutores incorretos e até mesmo perigosos, reparos amadores, manutenção insuficiente ou incorreta, e, em última instância do processo, falhas de equipamento.
Para mais informações, contate: Kristian Berggren, e-mail: kb@se.efdgroup.net, Leif Markegård, e-mail: lm@no.efdgroup.net ou Mark Andrus, EFD Induction Inc., e-mail: anm@us.efdgroup.net. No Brasil, contate Evandro Nishimuni, diretor da filial EFD Induction Ltda em Sorocaba-SP, e-mail: eni@efdgroup.net – Tel: (15) 3031-4562.
