高頻

高頻

高頻及感應加熱技術目前對金屬材料加熱效率最高、速度最快,且低耗環保。它已經廣泛套用於各行各業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,感應加熱技術必將在各行各業中套用越來越廣泛。高頻是指頻帶由3MHz到30MHz的無線電波。HF多數是用作民用電台廣播及短波廣播。其對於電子儀器所發出的電波抵抗力較弱,因此經常受到干擾。

基本信息

簡介

用感應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於表面淬火,也可用於局部退火或回火,有時也用於整體淬火和回火。20世紀30年代初,美國蘇聯先後開始套用感應加熱方法對零件進行表面淬火。隨著工業的發展,感應加熱熱處理技術不斷改進,套用範圍也不斷擴大。

基本原理

將工件放入感應器(線圈)內,當感應器中通入一定頻率的交變電流時,周圍即產生交變磁場。交變磁場的電磁感應作用使工件內產生封閉的感應電流——渦流。感應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,向內逐漸減小, 這種現象稱為集膚效應。工件表層高密度電流的電能轉變為熱能,使表層的溫度升高,即實現表面加熱。電流頻率越高,工件表層與內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後迅速冷卻,即可實現表面淬火。

分類

根據交變電流的頻率高低,可將感應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,可用於圓盤鋸等形狀複雜工件的薄層表面淬火。②高頻感應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,可用於齒輪、汽缸套、凸輪、軸等零件的表面淬火。③超音頻感應加熱熱處理所用的電流頻率一般為20~30千赫,用超音頻感應電流對小模數齒輪加熱,加熱層大致沿齒廓分布,粹火後使用性能較好。④中頻感應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,多用於大模數齒輪、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,可用於大型工件的表面淬火。

特點和套用

感應加熱的主要優點是

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表面淬硬層可根據需要進行調整,易於控制。⑤加熱設備可以安裝在機械加工生產線上,易於實現機械化和自動化,便於管理,且可減少運輸,節約人力,提高生產效率。
⑥淬硬層馬氏體組織較細,硬度、強度、韌性都較高。
⑦表面淬火後工件表層有較大壓縮內應力,工件抗疲勞破斷能力較高。

感應加熱熱處理也有一些缺點

與火焰淬火相比,感應加熱設備較複雜,而且適應性較差,對某些形狀複雜的工件難以保證質量。
感應加熱廣泛用於齒輪、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。汽車後半軸採用感應加熱表面淬火,設計載荷下的疲勞循環次數比用調質處理約提高10倍。感應加熱表面淬火的工件材料一般為中碳鋼。為適應某些工件的特殊需要,已研製出供感應加熱表面淬火專用的低淬透性鋼。高碳鋼和鑄鐵製造的工件也可採用感應加熱表面淬火。淬冷介質常用水或高分子聚合物水溶液。

設備

感應加熱熱處理的設備主要由電源設備、淬火工具機和感應器組成。電源設備的主要作用是輸出頻率適宜的交變電流。高頻電流電源設備有電子管高頻發生器和可控矽變頻器兩種。中頻電流電源設備是發電機組。一般電源設備只能輸出一種頻率的電流,有些設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加熱。

電源設備的選擇與工件要求的加熱層深度有關。加熱層深的工件,應使用電流頻率較低的電源設備;加熱層淺的工件,應使用電流頻率較高的電源設備。選擇電源設備的另一條件是設備功率。加熱表面面積增大,需要的電源功率相應加大。當加熱表面面積過大時或電源功率不足時,可採用連續加熱的方法,使工件和感應器相對移動,前邊加熱,後邊冷卻。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餘熱使淬硬的表層回火,從而使工藝簡化,還可節約電能。
感應加熱淬火工具機的主要作用是使工件定位並進行必要的運動。此外還應附有提供淬火介質的裝置。淬火工具機可分為標準工具機和專用工具機,前者適用於一般工件,後者適用於大量生產的複雜工件。
進行感應加熱熱處理時,為保證熱處理質量和提高熱效率,必須根據工件的形狀和要求,設計製造結構適當的感應器。常用的感應器有外表面加熱感應器、內孔加熱感應器、平面加熱感應器、通用型加熱感應器、特型加熱感應器、單一型加熱感應器、複合型加熱感應器,熔煉加熱爐等。

高頻控制板

高頻大功率感應加熱裝置,多年來一直採用電子管做為開關器件。由於電子管壽命短、效率低(50%-70%)負載穩定性差,在輕載運行過程逆變器輸出電壓出現間歇式振盪(電壓型逆變器),因此在高頻大功率場合採用IGBT半導體器件代替電子管器件勢在必行。採用IGBT半導體器件的感應加熱裝置具有效率高、電路簡單。製造和使用都較方便,採用IGBT大功率感應加熱電源對工件具有升溫快,易於控制,養化脫碳少工藝質量可靠。因此採用IGBT來實現大功率感應加熱電源是明智的選擇。我公司生產的KS系列和KP系列高頻感應加熱控制板具有數字觸發,免調試,脈衝失真度低,抗干擾能力強,控制集中化,動態回響速度快,多種狀態保護指示。

高頻感應加熱主控制板,主要採用SG3525A作為PWM脈衝形成,輸出脈衝頻率範圍20KHZ—60KHZ,脈衝間隔互為180度,死區時間可以自行調整。可適用於IGBT全橋逆變串聯諧振感應加熱裝置用斬波器調壓調功。功率範圍:15KW-120KW,該控制板接線少,控制集中,無須調試,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驅動電路提供電源。具有過流,過壓,缺水,高頻,低頻,多種狀態指示,並提供開關型霍爾保護接口,此板可配合斬波器板和驅動板組裝IGBT高頻感應加熱裝置。

高頻時常規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)原邊繞組產生的磁通應全部穿過副邊繞組,沒有任何損失和泄漏。但實際上常規的變換變壓器不可能實現沒有任何損失和泄漏。原邊繞組產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導體中有它自己的電感,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。
當變壓器不通電(轉向脫離電源開關處於關斷期間)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衝波形。高頻尖峰脈衝波形的幅值Uspike和漏感Lleak與電流相對時間變化率的乘積成正比。即:|Uspike|=Lleakdi/d當工作頻率升高,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速度成正比。漏感產生過高的尖峰脈衝會損壞變換器中的功率器件並形成明顯的電磁干擾(EMI)。為了降低漏感產生的尖峰脈衝幅值Uspike,而在變換器電路中必須加入緩衝網路。但緩衝網路的加入,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。(2)繞組間電容
當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生損耗。在給定的時間內,它充電和放電的次數愈多,損耗就愈大。(3)趨膚效應
(4)鄰近效應
(5)局部過熱點
常規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,常規變換變壓器的工作頻率提高時,就必須相應地減小其磁通密度,增大其體積。這就使得無法用它去做高功率密度的電源。
對於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、趨膚效應和鄰近效應嚴重等不利因素在變換變壓器中都存在。

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