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感應(yīng)加熱

利用電磁感應(yīng)原理,把坯料放在交變磁場中,使其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而產(chǎn)生焦耳熱來加熱坯料的方法。

  感應(yīng)加熱:工件放到感應(yīng)器內(nèi),感應(yīng)器一般是輸入中頻或高頻交流電 (300-300000Hz或更高)的空心銅管。產(chǎn)生交變磁場在工件中產(chǎn)生出同頻率的感應(yīng)電流,這種感應(yīng)電流在工件的分布是不均勻的,在表面強,而在內(nèi)部很弱,到心部接近于0,利用這個集膚效應(yīng),可使工件表面迅速加熱,在幾秒鐘內(nèi)表面溫度上升到800-1000oC,而心部溫度升高很小。
 

  感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱多數(shù)用于工業(yè)金屬零件表面淬火、金屬熔煉、棒料透熱、刀具焊接等多個領(lǐng)域,是使工件內(nèi)部產(chǎn)生一定的感應(yīng)電流,形成渦流,迅速加熱零件表面,達到表面迅速加熱,甚至透熱融化的效果。

  頻率選擇

  感應(yīng)加熱頻率的選擇:根據(jù)熱處理及加熱深度的要求選擇頻率,頻率越高加熱的深度越淺。

  高頻(10KHZ以上)加熱的深度為0.5-2.5mm, 一般用于中小型零件的加熱,如小模數(shù)齒輪及中小軸類零件等。

  中頻(1~10KHZ)加熱深度為2-10mm,一般用于直徑大的軸類和大中模數(shù)的齒輪加熱。

  工頻(50HZ)加熱淬硬層深度為10-20mm,一般用于較大尺寸零件的透熱,大直徑零件(直徑Ø300mm以上,如軋輥等)的表面淬火。

  經(jīng)驗公式

  感應(yīng)加熱淬火表層淬硬層的深度,取決于加熱的厚度,而加熱的厚度又取決于交流電的頻率,一般是頻率高加熱深度淺,淬硬層深度也就淺。頻率f與加熱深度δ的關(guān)系,有如下經(jīng)驗公式:δ=20/√f(20°C);δ=500/√f(800°C)。

  式中:f為頻率,單位為Hz;δ為加熱深度,單位為毫米(mm)。

  具體應(yīng)用

  感應(yīng)加熱表面淬火具有表面質(zhì)量好,脆性小,淬火表面不易氧化脫碳,變形小等優(yōu)點,所以感應(yīng)加熱設(shè)備在金屬表面熱處理中得到了廣泛應(yīng)用。

  感應(yīng)加熱設(shè)備是產(chǎn)生特定頻率感應(yīng)電流,進行感應(yīng)加熱及表面淬火處理的設(shè)備。

  淬火應(yīng)用

  感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用

  一、應(yīng)用:

  承受扭轉(zhuǎn)、彎曲等交變負荷作用的工件,要求表面層承受比心部更高的應(yīng)力或耐磨性,需對工件表面提出強化要求,適于含碳量We=0.40~0.50%鋼材。

  二、工藝方法

  快速加熱與立即淬火冷卻相結(jié)合。

  通過快速加熱使待加工鋼件表面達到淬火溫度,不等熱量傳到中心即迅速冷卻,僅使表層淬硬為馬氏體,中心仍為未淬火的原來塑性、韌性較好的退火(或正火及調(diào)質(zhì))組織。

  三、主要方法:

  感應(yīng)加熱表面淬火(高頻、中頻、工頻),火焰加熱表面淬火,電接觸加熱表面淬火,電解液加熱表面淬火,激光加熱表面淬火,電子束加熱表面淬火。

  四、感應(yīng)加熱表面淬火

  (一)基本原理:

  將工件放在用空心銅管繞成的感應(yīng)器內(nèi),通入中頻或高頻交流電后,在工件表面形成同頻率的的感應(yīng)電流,將零件表面迅速加熱(幾秒鐘內(nèi)即可升溫800~1000度,心部仍接近室溫)后立即噴水冷卻(或浸油淬火),使工件表面層淬硬。(如下面動畫所示)

  (二)加熱頻率的選用

  室溫時感應(yīng)電流流入工件表層的深度δ(mm)與電流頻率f(HZ)的關(guān)系為

  頻率升高,電流透入深度降低,淬透層降低。

  常用的電流頻率有:

  1、高頻加熱:100~500KHZ,常用200~300KHZ,為電子管式高頻加熱,淬硬層深為0.5~2.5mm,適于中小型零件。

  2、中頻加熱:電流頻率為500~10000HZ,常用2500~8000HZ,電源設(shè)備為機械式中頻加熱裝置或可控硅中頻發(fā)生器。淬硬層深度~10 mm。適于較大直徑的軸類、中大齒輪等。

  3、工頻加熱:電流頻率為50HZ。采用機械式工頻加熱電源設(shè)備,淬硬層深可達10~20mm,適于大直徑工件的表面淬火。

  (三)、感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用:

  與普通加熱淬火比較具有:

  1、加熱速度極快,可擴大A體轉(zhuǎn)變溫度范圍,縮短轉(zhuǎn)變時間。

  2、淬火后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(jīng)該工藝處理的工件不易氧化脫碳,甚至有些工件處理后可直接裝配使用。

  4、淬硬層深,易于控制操作,易于實現(xiàn)機械化,自動化。

  五、火焰表面加熱淬火

  適于中碳鋼35、45鋼和中碳合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr及65Mn、灰口鑄鐵、合金鑄鐵的火焰表面淬火。是用乙炔-氧或煤氣-氧混合氣燃燒的火焰噴射快速加熱工件。工件表面達到淬火溫度后,立即噴水冷卻。淬硬層深度為2~6mm,否則會引起工件表面嚴重過熱及變形開裂。

  技術(shù)研究

  現(xiàn)代感應(yīng)加熱電源正朝著大功率,高頻化方向發(fā)展。這對現(xiàn)代電力電子器件來說是一個相當大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的方法是采用器件串并聯(lián)的方式,但這存在器件之間均流均壓閑難的問題,特別是當器件串并聯(lián)很多時,則需要保證精確的同步信號,以避免器件之間的環(huán)流損壞電力電子器件。但在很多情況下這很難精確保證。特別是當串并聯(lián)器件較多功率等級很大時,它的優(yōu)良特性可有效地減少逆變橋并聯(lián)之間的環(huán)流,通過參數(shù)設(shè)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并聯(lián)中出現(xiàn)的一些問題,有利于感應(yīng)加熱電源多橋并聯(lián),提高輸出功率和可靠性。

  電壓型LLC負載拓撲如圖1所示。由圖1可知,不同之處是在以往LC并聯(lián)負載基礎(chǔ)上再串聯(lián)一個電感L1,L2和R為感應(yīng)圈的等效電路,通常L1比L2大很多,L1參與諧振并起到隔離負載和電源,調(diào)節(jié)功率分配的作用??梢娝c傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源中的負載匹配變壓器作用很相似,因而可以消除造價昂貴,效率不高的高頻變壓器,使得整個裝置的體積縮小、重量減輕。LLC諧振電路阻抗表達式為

  由基本的電路分析可得它有兩個諧振頻率, 一個是并聯(lián)諧振頻率f0和一個串聯(lián)諧振頻率f1

  式中:Leq=L1//L2。

  定義k=L1/L2,一般來說k值較大以滿足負載匹配的要求,因此f0與f1很接近。為了獲得較大功率以及控制系統(tǒng)設(shè)計方便,系統(tǒng)的理想工作點在f1。Q=L2ωo/R≈L2ω1/R為了負載的品質(zhì)因數(shù){Q》1),將k》1,Q代入式(1),則在諧振點有

  由式(3)可知在ω1、點電源工仵在感性狀態(tài)以保證開關(guān)管可靠換流,且電容上電壓滯后逆變器輸出電壓90°。可以證明在ω1點為輸出功率最大值。

  由式(4)可看出電感L1起到阻抗變換,功率調(diào)節(jié)作用。系統(tǒng)功率曲線以及阻抗特性曲線如圖2所示。

  從圖2中可以看出φ(ω)在整個頻域內(nèi)是非單調(diào)函數(shù),這種特性不利于用鎖相環(huán)控制.相反θ(ω)=arg(vc/v1)卻呈單調(diào)變化特性,且在ω1點有θ(ω1)≈-90°,所以.θ(ω)可作為控制變量引入到PLL中,從而鎖定在諧振點。電容上電壓最大值出現(xiàn)在諧振點ω1。 vc ≈v1Q/k (5)

感應(yīng)加熱系統(tǒng)功率曲線以及阻抗特性曲線

  2 感應(yīng)加熱并聯(lián)模塊環(huán)流分析

  LLC諧振負載最大的優(yōu)點是有利于感應(yīng)加熱中的多機并聯(lián),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(tǒng)止常工作,抑制各橋之間的環(huán)流,調(diào)節(jié)各逆變器的輸出功率,多機并聯(lián)圖如圖3所示。
 


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