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? ? ? “高頻”指的是高頻及感應(yīng)加熱技術(shù)，它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。[1]感應(yīng)加熱是指金屬受到頻帶由幾十赫茲到幾兆赫茲的高頻電場的激發(fā)后，在金屬表面或內(nèi)部感應(yīng)出電流并產(chǎn)熱的過程。

　　中文名感應(yīng)加熱外文名Induction Heating定義金屬在交變電場的激發(fā)下感應(yīng)發(fā)熱工作原理用感應(yīng)電流使工件局部加熱領(lǐng)域計算機通信特點頻度高

　　簡介編輯播報

　　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，有時也用于整體淬火和回火。20世紀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,應(yīng)用范圍也不斷擴大。[2]

　　原理編輯播報

　　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，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?，使表層的溫度升高，即實現(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溫度后迅速冷卻，即可實現(xiàn)表面淬火。[2]

　　分類編輯播報

　　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。[2]

　　特點編輯播報

　　優(yōu)點

　?、俨槐卣w加熱，工件變形小，電能消耗小。

　?、跓o公害。

　　③加熱速度快，工件表面氧化脫碳較輕。

　?、鼙砻娲阌矊涌筛鶕?jù)需要進行調(diào)整，易于控制。

　?、菁訜嵩O(shè)備可以安裝在機械加工生產(chǎn)線上，易于實現(xiàn)機械化和自動化，便于管理，且可減少運輸，節(jié)約人力，提高生產(chǎn)效率。

　?、薮阌矊玉R氏體組織較細，硬度、強度、韌性都較高。

　?、弑砻娲慊鸷蠊ぜ韺佑休^大壓縮內(nèi)應(yīng)力，工件抗疲勞破斷能力較高。

　　缺點

　　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)備編輯播報

　　感應(yīng)加熱熱處理的設(shè)備主要由電源設(shè)備、淬火機床和感應(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或電源功率不足時，可采用連續(xù)加熱的方法，使工件和感應(yīng)器相對移動，前邊加熱，后邊冷卻。但最好還是對整個加熱表面一次加熱。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)加熱淬火機床的主要作用是使工件定位并進行必要的運動。此外還應(yīng)附有提供淬火介質(zhì)的裝置。淬火機床可分為標(biāo)準機床和專用機床，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。

　　進行感應(yīng)加熱熱處理時，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。

　　高頻控制板編輯播報

　　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%)負載穩(wěn)定性差，在輕載運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，控制集中化，動態(tài)響應(yīng)速度快，多種狀態(tài)保護指示。

　　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22V/0.5A的電源為全橋逆變IGBT驅(qū)動電路提供電源。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)型霍爾保護接口，此板可配合斬波器板和驅(qū)動板組裝IGBT高頻感應(yīng)加熱裝置。[2]

　　問題編輯播報

　　（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。但實際上常規(guī)的變換變壓器不可能實現(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“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，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與電流相對時間變化率的乘積成正比。即：

　　|Uspike|=Lleakdi/dt（1）

　　當(dāng)工作頻率升高，電流相對時間的變化率也就增加。漏感的影響將更嚴重。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。

　?。?）繞組間電容

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

　?。?）趨膚效應(yīng)

　?。?）鄰近效應(yīng)

　?。?）局部過熱點

　　常規(guī)的變換變壓器工作在高頻時，其磁芯中部會有局部過熱點。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，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，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)嚴重等不利因素在變換變壓器中都存在。