高頻及感應(yīng)加熱技術(shù)目前對金屬材料加熱效率最高、速度最快，且低耗環(huán)保。它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)對金屬材料的熱加工、熱處理、熱裝配及焊接、熔煉等工藝中。它不但可以對工件整體加熱，還能對工件局部的針對性加熱；可實(shí)現(xiàn)工件的深層透熱，也可只對其表面、表層集中加熱；不但可對金屬材料直接加熱，也可對非金屬材料進(jìn)行間接式加熱。等等。因此，感應(yīng)加熱技術(shù)必將在各行各業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛。高頻是指頻帶由3MHz到30MHz的無線電波。HF多數(shù)是用作民用電臺(tái)廣播及短波廣播。其對于電子儀器所發(fā)出的電波抵抗力較弱，因此經(jīng)常受到干擾。

簡介

用感應(yīng)電流使工件局部加熱的表面熱處理工藝。這種熱處理工藝常用于表面淬火，也可用于局部退火或回火，有時(shí)也用于整體淬火和回火。20世紀(jì)30年代初，美國、蘇聯(lián)先后開始應(yīng)用感應(yīng)加熱方法對零件進(jìn)行表面淬火。隨著工業(yè)的發(fā)展，感應(yīng)加熱熱處理技術(shù)不斷改進(jìn),應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。

基本原理

將工件放入感應(yīng)器 - 線圈內(nèi)，當(dāng)感應(yīng)器中通入一定頻率的交變電流時(shí)，周圍即產(chǎn)生交變磁場。交變磁場的電磁感應(yīng)作用使工件內(nèi)產(chǎn)生封閉的感應(yīng)電流——渦流。感應(yīng)電流在工件截面上的分布很不均勻，工件表層電流密度很高，向內(nèi)逐漸減小,這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。工件表層高密度電流的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽贡韺拥臏囟壬?，即?shí)現(xiàn)表面加熱。電流頻率越高，工件表層與內(nèi)部的電流密度差則越大，加熱層越薄。在加熱層溫度超過鋼的臨界點(diǎn)溫度后迅速冷卻，即可實(shí)現(xiàn)表面淬火。

分類

根據(jù)交變電流的頻率高低，可將感應(yīng)加熱熱處理分為超高頻、高頻、超音頻、中頻、工頻5類。①超高頻感應(yīng)加熱熱處理所用的電流頻率高達(dá)27兆赫，加熱層極薄，僅約0.15毫米，可用于圓盤鋸等形狀復(fù)雜工件的薄層表面淬火。②高頻感應(yīng)加熱熱處理所用的電流頻率通常為200～300千赫，加熱層深度為0.5～2毫米,可用于齒輪、汽缸套、凸輪、軸等零件的表面淬火。③超音頻感應(yīng)加熱熱處理所用的電流頻率一般為20～30千赫，用超音頻感應(yīng)電流對小模數(shù)齒輪加熱，加熱層大致沿齒廓分布，粹火后使用性能較好。④中頻感應(yīng)加熱熱處理所用的電流頻率一般為2.5～10千赫，加熱層深度為2～8毫米，多用于大模數(shù)齒輪、直徑較大的軸類和冷軋輥等工件的表面淬火。⑤工頻感應(yīng)加熱熱處理所用的電流頻率為50～60赫，加熱層深度為10～15毫米，可用于大型工件的表面淬火。

特點(diǎn)和應(yīng)用

感應(yīng)加熱的主要優(yōu)點(diǎn)是

①不必整體加熱，工件變形小，電能消耗小。?

②無公害。?

③加熱速度快，工件表面氧化脫碳較輕。

④表面淬硬層可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，易于控制。?

⑤加熱設(shè)備可以安裝在機(jī)械加工生產(chǎn)線上，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，便于管理，且可減少運(yùn)輸，節(jié)約人力，提高生產(chǎn)效率。

⑥淬硬層馬氏體組織較細(xì)，硬度、強(qiáng)度、韌性都較高。

⑦表面淬火后工件表層有較大壓縮內(nèi)應(yīng)力，工件抗疲勞破斷能力較高。

感應(yīng)加熱熱處理也有一些缺點(diǎn)

與火焰淬火相比，感應(yīng)加熱設(shè)備較復(fù)雜，而且適應(yīng)性較差，對某些形狀復(fù)雜的工件難以保證質(zhì)量。?

感應(yīng)加熱廣泛用于齒輪、軸、曲軸、凸輪、軋輥等工件的表面淬火，目的是提高這些工件的耐磨性和抗疲勞破斷的能力。汽車后半軸采用感應(yīng)加熱表面淬火，設(shè)計(jì)載荷下的疲勞循環(huán)次數(shù)比用調(diào)質(zhì)處理約提高10倍。感應(yīng)加熱表面淬火的工件材料一般為中碳鋼。為適應(yīng)某些工件的特殊需要，已研制出供感應(yīng)加熱表面淬火專用的低淬透性鋼。高碳鋼和鑄鐵制造的工件也可采用感應(yīng)加熱表面淬火。淬冷介質(zhì)常用水或高分子聚合物水溶液。

設(shè)備

感應(yīng)加熱熱處理的設(shè)備主要由電源設(shè)備、淬火機(jī)床和感應(yīng)器組成。電源設(shè)備的主要作用是輸出頻率適宜的交變電流。高頻電流電源設(shè)備有電子管高頻發(fā)生器和可控硅變頻器兩種。中頻電流電源設(shè)備是發(fā)電機(jī)組。一般電源設(shè)備只能輸出一種頻率的電流,有些設(shè)備可以改變電流頻率，也可以直接用50赫的工頻電流進(jìn)行感應(yīng)加熱。?

電源設(shè)備的選擇與工件要求的加熱層深度有關(guān)。加熱層深的工件，應(yīng)使用電流頻率較低的電源設(shè)備；加熱層淺的工件，應(yīng)使用電流頻率較高的電源設(shè)備。選擇電源設(shè)備的另一條件是設(shè)備功率。加熱表面面積增大，需要的電源功率相應(yīng)加大。當(dāng)加熱表面面積過大時(shí)或電源功率不足時(shí)，可采用連續(xù)加熱的方法，使工件和感應(yīng)器相對移動(dòng)，前邊加熱，后邊冷卻。但最好還是對整個(gè)加熱表面一次加熱。這樣可以利用工件心部余熱使淬硬的表層回火，從而使工藝簡化，還可節(jié)約電能。

感應(yīng)加熱淬火機(jī)床的主要作用是使工件定位并進(jìn)行必要的運(yùn)動(dòng)。此外還應(yīng)附有提供淬火介質(zhì)的裝置。淬火機(jī)床可分為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床和專用機(jī)床，前者適用于一般工件，后者適用于大量生產(chǎn)的復(fù)雜工件。

進(jìn)行感應(yīng)加熱熱處理時(shí)，為保證熱處理質(zhì)量和提高熱效率，必須根據(jù)工件的形狀和要求，設(shè)計(jì)制造結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)母袘?yīng)器。常用的感應(yīng)器有外表面加熱感應(yīng)器、內(nèi)孔加熱感應(yīng)器、平面加熱感應(yīng)器、通用型加熱感應(yīng)器、特型加熱感應(yīng)器、單一型加熱感應(yīng)器、復(fù)合型加熱感應(yīng)器，熔煉加熱爐等。

高頻控制板

高頻大功率感應(yīng)加熱裝置，多年來一直采用電子管做為開關(guān)器件。由于電子管壽命短、效率低 - 50%-70%負(fù)載穩(wěn)定性差，在輕載運(yùn)行過程逆變器輸出電壓出現(xiàn)間歇式振蕩 - 電壓型逆變器，因此在高頻大功率場合采用IGBT半導(dǎo)體器件代替電子管器件勢在必行。采用IGBT半導(dǎo)體器件的感應(yīng)加熱裝置具有效率高、電路簡單。制造和使用都較方便，采用IGBT大功率感應(yīng)加熱電源對工件具有升溫快，易于控制，養(yǎng)化脫碳少工藝質(zhì)量可靠。因此采用IGBT來實(shí)現(xiàn)大功率感應(yīng)加熱電源是明智的選擇。我公司生產(chǎn)的KS系列和KP系列高頻感應(yīng)加熱控制板具有數(shù)字觸發(fā)，免調(diào)試，脈沖失真度低，抗干擾能力強(qiáng)，控制集中化，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，多種狀態(tài)保護(hù)指示。?

高頻感應(yīng)加熱主控制板，主要采用SG3525A作為PWM脈沖形成，輸出脈沖頻率范圍20KHZ—60KHZ,脈沖間隔互為180度，死區(qū)時(shí)間可以自行調(diào)整。可適用于IGBT全橋逆變串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱裝置用斬波器調(diào)壓調(diào)功。功率范圍：15KW-120KW,該控制板接線少，控制集中，無須調(diào)試，工作電源電壓為三路交流雙18V/1A及四個(gè)22V/0.5A的電源為全橋逆變IGBT驅(qū)動(dòng)電路提供電源。具有過流，過壓，缺水，高頻，低頻，多種狀態(tài)指示，并提供開關(guān)型霍爾保護(hù)接口，此板可配合斬波器板和驅(qū)動(dòng)板組裝IGBT高頻感應(yīng)加熱裝置。

高頻時(shí)常規(guī)變換變壓器存在的問題

（1）漏電感（簡稱漏感）?

理想的變壓器（完全耦合的變壓器）原邊繞組產(chǎn)生的磁通應(yīng)全部穿過副邊繞組，沒有任何損失和泄漏。但實(shí)際上常規(guī)的變換變壓器不可能實(shí)現(xiàn)沒有任何損失和泄漏。原邊繞組產(chǎn)生的磁通不可能全部穿過副邊繞組。非耦合部分磁通就在繞組或?qū)w中有它自己的電感，存貯在這個(gè)“電感”中的能量不和主功率變壓器電路相耦合。這種電感我們稱之為“漏感”。理想變換器對絕緣的要求和為了要得到很低的電磁干擾（EMI）而需要很緊的電磁耦合以減小漏感的要求，是相互矛盾的。

當(dāng)變壓器不通電（轉(zhuǎn)向脫離電源或開關(guān)處于關(guān)斷期間）時(shí)，漏感存貯的能量要釋放出來形成明顯的噪音。在示波器上能看到此噪音的高頻尖峰脈沖波形。高頻尖峰脈沖波形的幅值Uspike和漏感Lleak與電流相對時(shí)間變化率的乘積成正比。即：?

|Uspike|=Lleakdi/d

當(dāng)工作頻率升高，電流相對時(shí)間的變化率也就增加。漏感的影響將更嚴(yán)重。漏感的影響和變換器的開關(guān)速度成正比。漏感產(chǎn)生過高的尖峰脈沖會(huì)損壞變換器中的功率器件并形成明顯的電磁干擾（EMI）。為了降低漏感產(chǎn)生的尖峰脈沖幅值Uspike，而在變換器電路中必須加入緩沖網(wǎng)絡(luò)。但緩沖網(wǎng)絡(luò)的加入，會(huì)增大變換器電路的損耗。使變換器電路隨工作頻率提高，損耗增加，效率降低。?

（2）繞組間電容

當(dāng)變壓器的繞組是多層繞組時(shí)，則頂層繞組和底層繞組之間就有電位差。兩個(gè)導(dǎo)體之間有電位差，就存在電容。這個(gè)電容就稱為“繞組間電容”。當(dāng)工作在高頻時(shí)，這個(gè)電容會(huì)以驚人的速率進(jìn)行充電和放電。電容充電和放電過程中會(huì)產(chǎn)生損耗。在給定的時(shí)間內(nèi)，它充電和放電的次數(shù)愈多，損耗就愈大。?

（3）趨膚效應(yīng)

（4）鄰近效應(yīng)

（5）局部過熱點(diǎn)

常規(guī)的變換變壓器工作在高頻時(shí)，其磁芯中部會(huì)有局部過熱點(diǎn)。因此，為了減小熱效應(yīng)，常規(guī)變換變壓器的工作頻率提高時(shí)，就必須相應(yīng)地減小其磁通密度，增大其體積。這就使得無法用它去做高功率密度的電源。

對于低輸出電壓理想型變換器來說，它的降壓比是很高的。用常規(guī)變換變壓器時(shí)，通常1匝輸出繞組，大約需要32匝原邊繞組。這樣，原邊繞組就需多層布置，因而漏感和繞組間電容大、趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)嚴(yán)重等不利因素在變換變壓器中都存在。