概述
感應加熱是一種相當新的工藝,它之所以獲得套用,主要是由於它獨特的性能。當迅速變化的電流流過金屬工件時,便產生集膚效應,它使電流集中於工件表層,在金屬表層上產生一個選擇性很高的熱源。法拉弟發現了集膚效應的這個優點,發現了電磁感應這個值得注意的現象。他也是感應加熱的奠基者。感應加熱不要求外部熱源,而是利用受熱工件自身作為熱源,這個方法也不要求工件與能源即感應線圈接觸。其他的性能,包括可以根據頻率選擇不同的加熱深度,根據線圈耦合設計而得到精確的局部加熱,以及很高的功率密集度,或者說很高的功率密度。
原理
感應加熱表面淬火是利用電磁感應原理,在工件表面層產生密度很高的感應電流,迅速加熱至奧氏體狀態,隨後快速冷卻得到馬氏體組織的淬火方法,。當感應圈中通過一定頻率的交流電時,在其內外將產生與電流變化頻率相同的交變磁場。金屬工件放入感應圈內,在磁場作用下,工件內就會產生與感應圈頻率相同而方向相反的感應電流。由於感應電流沿工件表面形成封閉迴路,通常稱為渦流。此渦流將電能變成熱能,將工件的表面迅速加熱。渦流主要分布於工件表面,工件內部幾乎沒有電流通過,這種現象稱為表面效應或集膚效應。感應加熱就是利用集膚效應,依靠電流熱效應把工件表面迅速加熱到淬火溫度的。感應圈用紫銅管制做,內通冷卻水。當工件表面在感應圈內加熱到一定溫度時,立即噴水冷卻,使表面層獲得馬氏體組織 。
套用
感應加熱表面淬火具有表面質量好,脆性小,淬火表面不易氧化脫碳,變形小等優點,所以感應加熱設備在金屬表面熱處理中得到了廣泛套用。
感應加熱設備
感應加熱設備是產生特定頻率感應電流,進行感應加熱及表面淬火處理的設備。
表面淬火
將工件放在用空心銅管繞成的感應器內,通入中頻或高頻交流電後,在工件表面形成同頻率的的感應電流,將零件表面迅速加熱(幾秒鐘內即可升溫800~1000度,心部仍接近室溫)後立即噴水冷卻(或浸油淬火),使工件表面層淬硬。
與普通加熱淬火比較感應加熱表面淬火具有以下優點:
1、加熱速度極快,可擴大A體轉變溫度範圍,縮短轉變時間。
2、淬火後工件表層可得到極細的隱晶馬氏體,硬度稍高(2~3HRC)。脆性較低及較高疲勞強度。
3、經該工藝處理的工件不易氧化脫碳,甚至有些工件處理後可直接裝配使用。
4、淬硬層深,易於控制操作,易於實現機械化,自動化 。
加工設備
適於感應加熱的熱處理過程應充分利用這些特性,並按下列步驟設計出完整的設備。
首先,工藝要求必須與感應加熱的基本特性相符。本章將敘述工件中的電磁效應、合成電流的分布和吸收的功率。根據感應電流產生的加熱效應和溫度效應,以及在不同的頻率,不同的金屬和工件形狀下,溫度的分布狀況等這些知識,使用者和設計者,即可根據技術條件的要求決定其棄取。
第二,感應加熱的具體形式,必須按是否符合技術條件的要求而確定,還應廣泛掌握套用和發展情況,感應加熱主要的套用趨勢。
第三,感應加熱的適宜性和最好的使用方法確定之後,便可設計出感應器和供電系統。
感應加熱中的許多問題,與工程上的一些基本感性知識很相似,一般都是來源於實踐經驗。也可以這樣說,如果沒有對於感應器形狀、電源頻率和受熱金屬熱工性能的正確理解,就不可能設計出感應加熱器或系統。
感應加熱的作用,在不可見的磁場影響下,與火焰淬火是一樣的。例如,由高頻發生器產生的較高頻率(200000赫以上),一般能產生劇烈、快速和局部性的熱源,相當於小而集中的高溫氣體火焰的作用。反之,中頻(1000赫及10000赫)的加熱效果,比較分散和緩慢,熱量穿透較深,與比較大的和開闊的氣體火焰相似 。
技術發展
現代感應加熱電源正朝著大功率,高頻化方向發展。這對現代電力電子器件來說是一個相當大的挑戰。傳統的方法是採用器件串並聯的方式,但這存在器件之間均流均壓閒難的問題,特別是當器件串並聯很多時,則需要保證精確的同步信號,以避免器件之間的環流損壞電力電子器件。但在很多情況下這很難精確保證。特別是當串並聯器件較多功率等級很大時,它的優良特性可有效地減少逆變橋並聯之間的環流,通過參數設計可以均衡各橋的功率分配,降低器件的損耗,從而有效地解決了逆變橋並聯中出現的一些問題,有利於感應加熱電源多橋並聯,提高輸出功率和可靠性。
LLC諧振負載最大的優點是有利於感應加熱中的多機並聯,它不需要在逆變器之間附加任何元件,即使各橋的信號延時角度很大也能保證系統止常工作,抑制各橋之間的環流,調節各逆變器的輸出功率。
隨著感應熱處理生產線自動化控制程度及電源高可靠性要求的提高,必須加強加熱工藝成套裝置的開發。同時感應加熱系統正向智慧型化控制方向發展,具有計算機智慧型接口、遠程控制和故障自動診斷,小型化,適合野外作業,高效節能等控制性能的感應加熱電源系統正成為未來的發展目標 。