感應加熱

感應加熱是一種相當新的工藝，它之所以獲得應用，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。

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、合成電流的分佈和吸收的功率。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，溫度的分佈狀況等這些知識，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，還應廣泛掌握應用和發展情況，感應加熱主要的應用趨勢。

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。

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。渦流主要分佈於工件表面，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。感應圈用紫銅管製做，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。

感應電動勢的瞬時值為：

式中：e——瞬時電勢，V；Φ——零件上感應電流迴路所包圍面積的總磁通，Wb，其數值隨感應器中的電流強度和零件材料的磁導率的增加而增大，並與零件和感應器之問的間隙有關。

為磁通變化率，其絕對值等於感應電勢。電流頻率越高，磁通變化率越大，使感應電勢P相應也就越大。式中的負號表示感應電勢的方向與 的變化方向相反。

零件中感應出來的渦流的方向，在每一瞬時和感應器中的電流方向相反，渦流強度取決於感應電勢及零件內渦流迴路的電抗，可表示為：

式中，I——渦流電流強度，A；Z——自感電抗，Ω；R——零件電阻，Ω；X——阻抗，Ω。

由於Z值很小，所以I值很大。

零件加熱的熱量為：

式中Q——熱能，J；t——加熱時間，s。

對鐵磁材料（如鋼鐵），渦流加熱產生的熱效應可使零件溫度迅速提高。鋼鐵零件是硬磁材料，它具有很大的剩磁，在交變磁場中，零件的磁極方向隨感應器磁場方向的改變而改變。在交變磁場的作用下，磁分子因磁場方向的迅速改變將發生激烈的摩擦發熱，因而也對零件加熱起一定作用，這就是磁滯熱效應。這部分熱量比渦流加熱的熱效應小得多。鋼鐵零件磁滯熱效應只有在磁性轉變點(768℃)以下存在，在以上，鋼鐵零件失去磁性，因此，對鋼鐵零件而言，在點以下，加熱速度比在點以上時快。

感應加熱頻率的選擇：根據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, 一般用於中小型零件的加熱，如小模數齒輪及中小軸類零件等。

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

工頻(50HZ)加熱淬硬層深度為10-20mm，一般用於較大尺寸零件的透熱，大直徑零件（直徑300mm以上，如軋輥等）的表面淬火。

感應加熱淬火表層淬硬層的深度，取決於加熱的厚度，而加熱的厚度又取決於交流電的頻率，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的關係，有如下公式：

式中：f為頻率，單位為Hz；δ為加熱深度，單位為毫米（mm）。

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應用。

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。

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后，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）后立即噴水冷卻（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，易於控制操作，易於實現機械化，自動化。

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閑難的問題，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能化控制方向發展，具有計算機智能介面、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。