Misura temperatura nella tempra a induzione

Termocamere a lunghezza d'onda corta per il monitoraggio termico in presenza di campi elettromagnetici

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La tempra a induzione è un trattamento termico superficiale che migliora durezza, resistenza all'usura e vita a fatica di componenti metallici come alberi a gomiti, ingranaggi e alberi di trasmissione. Il processo sfrutta l'induzione elettromagnetica per riscaldare rapidamente lo strato superficiale del pezzo fino alla temperatura di austenitizzazione - tipicamente intorno a 1000°C - seguito da una rapida spegnimento in acqua, olio o soluzione polimerica che trasforma lo strato superficiale in una struttura metallurgica più dura, mantenendo il nucleo tenace. Il controllo preciso della temperatura è critico: un surriscaldamento causa fragilità eccessiva, un riscaldamento insufficiente non garantisce la durezza richiesta. La misura presenta però tre sfide specifiche: il campo elettromagnetico generato dalla bobina di induzione interferisce con le termocoppie, rendendo le loro letture inaffidabili; il pezzo è un target in movimento durante il processo; i vapori prodotti dallo spegnimento e l'induttore stesso possono ostruire parzialmente il campo visivo del sensore.

La soluzione: imaging termico a lunghezza d'onda corta disaccoppiato dall'induttore
Le termocamere a lunghezza d'onda corta sono la soluzione ottimale per questo processo perché, a differenza delle termocoppie, sono completamente disaccoppiate dall'induttore e non risentono delle interferenze elettromagnetiche generate dalla bobina. Posizionate all'esterno del campo elettromagnetico, acquisiscono in tempo reale la distribuzione termica sull'intera superficie del componente, identificando automaticamente la zona più calda del campo di misura - il cosiddetto hotspot - anche quando una parte del target è coperta dall'induttore o dai vapori dello spegnimento. Questa capacità di monitorare l'intera area di interesse simultaneamente, anziché un singolo punto come farebbe un pirometro, è determinante per componenti di geometria complessa e in movimento come l'albero a gomiti. Il segnale di temperatura viene trasmesso in continuo al PLC che governa la potenza del sistema di riscaldo, realizzando un controllo in anello chiuso del processo di tempra.

Caratteristiche tecniche e condizioni operative
Le termocamere a lunghezza d'onda corta per la tempra a induzione operano in un intervallo spettrale di circa 0,85-1,1 µm con range di misura da 450 a 1800°C, idoneo alle temperature di austenitizzazione degli acciai da costruzione e degli acciai legati. La risoluzione di 764×480 pixel e la frequenza di acquisizione di 32 Hz garantiscono immagini termiche dettagliate anche su componenti in rotazione o traslazione. Per applicazioni con emissività particolarmente bassa o segnali in banda NIR più intensa, sono disponibili modelli con banda spettrale 0,75-0,95 µm e range fino a 1900°C. Per proteggere la camera dal calore irradiato dal processo e dai vapori dello spegnimento, è disponibile un alloggiamento raffreddato ad acqua che consente il funzionamento fino a 315°C di temperatura ambiente. L'uscita del segnale è configurabile in modalità analogica o digitale via software, per l'integrazione diretta con i sistemi di controllo dell'impianto.

Vantaggi operativi e tracciabilità del processo
Il monitoraggio in anello chiuso consente di regolare la potenza dell'induttore in tempo reale, riducendo la variabilità del processo e garantendo proprietà meccaniche costanti su ogni pezzo - un requisito critico per componenti di trasmissione soggetti a carichi ciclici e d'impatto nel settore siderurgico e automotive. La rilevazione automatica dell'hotspot compensa le occlusioni parziali del campo visivo senza richiedere posizionamenti ottici complessi, riducendo i tempi di setup. L'archiviazione delle immagini termiche di ogni ciclo crea una documentazione di processo tracciabile, utile per la validazione del trattamento termico e per l'analisi delle non conformità. Rispetto alle termocoppie, l'assenza di contatto fisico elimina i problemi di usura e di interferenza elettromagnetica, abbattendo i costi di manutenzione e migliorando l'affidabilità complessiva del sistema di misura.

 
CSlaser 2M

CSlaser 2M

Misurare piccoli target metallici - terminali di saldatura, componenti su nastro trasportatore, spot di riscaldo a induzione di piccole dimensioni - richiede tre cose simultaneamente: spettro corto per i metalli, spot piccolo per la precisione spaziale e puntamento affidabile per l'allineamento. Il CSlaser 2M le combina in un corpo monoblocco: 1,6 µm per la stabilità della misura sui metalli, spot da 0,5 mm con ottiche close-focus e doppio laser che indica margini e dimensione dello spot a qualsiasi distanza.

PI 08M

PI 08M

Nei processi laser su metalli la misura termica è ostacolata dall'emissione della sorgente stessa: i laser CO₂ a 10,6 µm, Nd:YAG a 1064 nm e fibra a 1070 nm emettono a lunghezze d'onda che saturano i sensori a lunga lunghezza d'onda, rendendo impossibile distinguere il calore del processo dall'emissione del laser. La PI 08M opera in una banda stretta a 780-820 nm: i laser industriali più comuni emettono fuori da questa finestra spettrale e non interferiscono, mentre i metalli ad alta temperatura mostrano emissività elevata e stabile proprio in questa banda.

PI 1M

PI 1M

A lunga lunghezza d'onda l'emissività dell'acciaio caldo è bassa, instabile e dipendente dalla finitura superficiale: la misura diventa incerta proprio dove il controllo termico è più critico. A 0,85-1,1 µm l'emissività dei metalli sale significativamente e si stabilizza, riducendo l'impatto delle variazioni superficiali sulla ripetibilità della misura. La PI 1M porta questa fisica nella Precision Line: 764×480 pixel, fino a 1 kHz di frame rate e range da 450°C a 1800°C in un'unica scala continua, senza commutazioni di sottogamma.

FAQ

Nella tempra a induzione, la bobina genera un intenso campo elettromagnetico alternato che induce correnti parassite nel materiale da trattare. Lo stesso campo interferisce con il segnale elettrico delle termocoppie, alterandone la lettura in modo imprevedibile e rendendo i dati inaffidabili. I sensori IR - sia pirometri che termocamere - misurano invece la radiazione infrarossa emessa dalla superficie del pezzo e sono completamente insensibili ai campi elettromagnetici, indipendentemente dalla loro intensità. Posizionati all'esterno della zona di influenza dell'induttore, forniscono dati di temperatura stabili e affidabili per tutta la durata del ciclo di riscaldo.

Un pirometro misura la temperatura in un singolo punto e può essere una scelta valida per geometrie semplici e target fermi. Per componenti complessi come l'albero a gomiti - che si muove durante il processo e presenta superfici di geometria variabile - la termocamera a lunghezza d'onda corta è la scelta più robusta per due motivi principali. Primo: monitora l'intera superficie del pezzo simultaneamente, identificando automaticamente l'hotspot anche quando l'induttore o i vapori dello spegnimento coprono parte del campo visivo. Secondo: non richiede un puntamento preciso su un punto fisso, il che semplifica notevolmente l'installazione su target in movimento o con traiettorie variabili.

La hotspot detection è una funzione software delle termocamere IR che identifica automaticamente il pixel a temperatura più alta all'interno di un'area di interesse definita dall'utente. Nella tempra a induzione, questa funzione è particolarmente utile perché l'induttore e i vapori prodotti dallo spegnimento possono ostruire parzialmente la vista sulla superficie del pezzo in alcuni fotogrammi. Invece di perdere la misura in quei momenti, la termocamera rileva automaticamente la zona più calda della superficie visibile, garantendo una lettura continua e affidabile anche in condizioni di visibilità parziale. Il valore dell'hotspot viene trasmesso al PLC come dato di temperatura di riferimento per il controllo della potenza dell'induttore.

La temperatura di austenitizzazione nella tempra a induzione varia in funzione del tipo di acciaio trattato, ma si colloca tipicamente nell'intervallo 800-1000°C per gli acciai da costruzione comuni e può raggiungere valori più elevati per acciai legati o acciai per utensili. Il raggiungimento uniforme di questa temperatura sulla superficie del pezzo, prima della fase di spegnimento, è il parametro critico che determina la durezza finale e la profondità dello strato indurito. Le termocamere a lunghezza d'onda corta con range da 450 a 1800°C coprono l'intero spettro delle temperature di processo applicabili alla tempra induttiva dei materiali ferrosi.

Nel controllo in anello chiuso, la termocamera acquisisce in continuo la temperatura superficiale del pezzo durante il riscaldo e trasmette il dato - tramite uscita analogica o digitale - al PLC che gestisce la potenza del generatore di induzione. Quando la temperatura raggiunge il valore di setpoint impostato, il PLC riduce o interrompe il riscaldo e attiva la fase di spegnimento. Questo schema elimina la dipendenza dai tempi di riscaldo predefiniti - che variano con le condizioni ambientali, lo stato dell'induttore e le caratteristiche del pezzo - e garantisce invece che ogni componente raggiunga esattamente la temperatura richiesta prima della spegnimento, indipendentemente dalle variabili di processo. Il risultato è una riduzione significativa della dispersione nelle proprietà meccaniche finali dei pezzi prodotti.

L'accessorio principale per proteggere la termocamera in un impianto di tempra a induzione è l'alloggiamento raffreddato ad acqua, che mantiene la camera a temperatura operativa anche in ambienti fino a 315°C. Lo spurgo aria integrato nell'alloggiamento crea una barriera d'aria pulita davanti all'ottica, prevenendo il deposito di vapori condensati e particolato sulla lente. Per installazioni dove l'irraggiamento diretto dell'induttore potrebbe influenzare la lettura, è possibile aggiungere filtri ottici neutri o schermi protettivi senza compromettere l'accuratezza della misura. La scelta degli accessori dipende dalla distanza di installazione, dalla temperatura ambientale locale e dall'intensità dei vapori generati dal fluido di spegnimento: il team tecnico Luchsinger può supportare la configurazione ottimale in fase di progettazione dell'installazione.

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