感应加热技术

1、感应加热系统的组成

电磁加热系统主要由电磁加热控制板和加热线圈两部分组成。

加热输出接触器的输出端经过电磁加热控制板将交流电进行整流、滤波、逆变成高频的交流电，再通过链接线圈加到电磁的加热线圈上，高频的交流电通过保温材料作用于被加热体上，从而达到被加热体的自发热过程。

还可以用另外一种方式，将电源直接输入到电磁加热控制板，加热输出接触器直接通过电磁加热控制器的方式直接控制电磁加热控制板的工作状态。

2、对输出功率的控制

对于感应加热输出功率的控制有很多种方法，其中感应电源有两种控制方法：即负载串联谐振型和负载并联谐振型。串联谐振感应加热电源较并联的有很多优势，比如:启动时比较迅速、可以使用体积相对较小的电感和整流，可以使用不空整流等。

加热过程有特定需要达到的目的，所以感应加热电源需要控制输出功率，使功率保持到一个可调节的范围内。串联谐振电源的调功方式有两大类：直流侧调压调功和逆变侧调功。

其中直流侧调压调功中又包括两种方式：是采用晶闸管全控整流;另一种是不控整流后用斩波器进行调压。逆变侧调功的方法就比较多，比如:通过脉冲宽度调节、通过电压调节、通过脉冲频率调节、通过脉冲密度调节、通过移相调节、通过改变功率因素调节以及以上各种方法的综合调节法等。

通过这些方法的调节都可以达到调节温度的目的。在加热一个物体，整个过程可能需要不同的温度，所以要求在不同的阶段保证不同的温度。

现在用调节脉冲密度调功法调节温度的方法是使用较多的一种，这种方法可以直接完成对输出电源的电流幅值进行控制，通过实验既定的模型，通过建立在某一特定电流幅值的基础上，建立T=f(t)即温度与时间的函数关系，实现温度的分段控制，以达到各时间段不同温度的要求。

3、温度控制的算法

目前使用较多的一种算法就是模糊控制算法，这种算法具有大惯性、非线性、有滞后、相邻段有较强偶合等特点，这种算法可以模拟人脑进行思维、判断以及推理的过程，可以将人的经验等用语言的方式表达出来，再通过计算机的处理，完成输入和输出的建模过程，是一个智能化的实现过程。

模糊算法的数据库录入的是专家的语言信息，并在使用时将这种语言转化为控制策略，可以解决实际使用过程中的各种问题，有些复杂的数据模型需要建立精确的数学模型，这种算法可以解决这些复杂的建模过程。

这种方法很好地完成了推理系统与控制系统间以及模糊数据和精确数据的转化问题。温度的控制就是一个不确定的数据模型，通过电磁感应的输出功率和模糊算法的结合就可以完成温度的精确控制，控制精度可以上下不相差1℃。

1、什么是高频加热

高频感应加热绝大多数是用于工业金属零件表面加热，是使工件表面产生一定的感应电流，迅速加热零件表面，然后迅速加热的一种金属热处理方法。

2、什么是中频加热

中频感应加热是将金属件放在一个感应线圈内，感应线圈通交流电，产生交变电磁场，在金属件内感应出交变电流，由于趋肤效应，电流主要集中在金属件表面，所以表面的温度最高，在感应线圈下面紧跟着喷水冷却或其他冷却，由于加热及冷却主要集中在表面，所以表面改性很明显，而内部改性基本没有，可以有很特殊的热处理效果。

3、高频加热和中频加热的区别

高频感应加热和中频感应加热都属于表面热处理技术的一种，都是利用高频率(或中频率、工频)的感应电流，使钢件表面迅速加热，随后立即冷却的一种方法。

高频感应加热和中频感应加热的工作原理一样，都是感应加热原理：即工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电(1000-300000Hz或更高)的空心铜管。产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800-1000℃，而心部温度升高很小。

不过加热过程中，感应电流在工件中的分布是不均匀的，不同的电流频率产生的加热效果也是不同的：

高频感应加热：

电流频率在100～500kHz;淬硬层浅(1.5~2mm);硬度高;工件不易氧化;变形小;加热质量好;生产效率高;适用于摩擦条件下工作的零件，如一般较小的齿轮、轴类。

中频感应加热：

电流频率在500～10000Hz;淬硬层较深(3~5mm);适用于承受扭曲、压力负荷的零件，如曲轴、大齿轮、磨床主轴等。

简而言之，高频感应加热和中频感应加热的最大区别就是加热厚度的不同，高频感应加热可以短时间的表层淬硬，晶体组织很细，结构变形小，而中频表面应力比高频的要小。

高频感应加热就是利用高频感应电流使工件表面很快加热到加热温度，然后用水或油喷射冷却的一种热处理方法。高频感应加热的特点是加热速度快、加热组织细、硬度高、耐磨性好、表面变形小、淬硬层深度容易控制、生产率高等。

影响高频感应加热的加热硬度的主要技术参数包括：加热温度、电流频率、加热速度、间隙距离、冷却时间、电位值。

1、加热温度：感应加热的温度应根据钢种、原始组织及在相边区间的加热速度来确定。采用感应加热时，在较宽的温度范围内均可得到良好的组织。因此，可在固定电参数的情况下，选用不同的加热时间(或在选用不变的加热时间下，选用不同的比功率)来调节淬硬层的深度。

2、电流频率：电流频率是感应加热的主要工艺参数，需根据要求的硬化层深度来确定，为了提高生产率，要求加热的热透入深度大于淬硬层深度，即全部采用电磁感应加热，而不采用传导加热。当工件截面很小时，频率选高些。

3、加热速度：在进行一定深度的表面加热时，应该力求用涡流“透入式加热”。加热速度应能在尽可能短的时间内达到规定的加热深度。根据淬硬层深度选择加热时间为1.5s，比功率(ρ)为1.7。

4、间隙距离：在实际生产中，多数情况是设备频率过高，采用如下方法保证在表面不过热条件下获得较深的加热层：降低比功率，延长加热时间;增加工件和感应器间的间隙(3mm)，延长加热时间;同时加热时采用断续加热法，增加热传导时间;进行预热，在炉中预热到600～700℃后再移到感应器中进行最后加热。

5、冷却时间：为避免产生加热裂纹，必须严格控制冷却时间，使工件既能获得足够的表面硬度，又不冷透，并能利用工件内部残存的热量进行210～240℃自回火。连续加热时，可通过调整感应器与工件的相对移动速度、间隙、喷水孔与工件轴向的夹角改变工件的预冷时间。在单独设置喷水圈时，通过改变其与感应器的距离，就可达到预期的预冷时间。

6、电位值：当加热层深度为热态电流透入深度的40%～50%时，加热的总效率(包括电效率和热效率)最高。

感应加热表面加热是对工件表面进行快速加热，使工件表面迅速达到加热温度，随后冷却使工件表面获得加热组织，而心部仍保持原始组织的一种加热方法。

中频感应加热是通过感应圈感应加热，交流电的频率为50Hz。电源可用四台BX-500型或BX2-1000型交流电焊机并联使用。它们在100%工作持续率下，可供给电流1600A。

中频感应加热是通过感应圈感应加热，交流电的频率为1000Hz左右。电源可用功率为100kW的晶闸管并联逆变中频电源。中频感应加热的特点：

①因为频率较高，加热相同壁厚和管径的焊接接头，中频比工频可节省电能。

②随着工作电流减少，感应圈的截面相应减少，既节省了铜或铝材，又改善了劳动强度。

③发热效率高，升温速度快，提高了工效。

④无剩磁。用作焊前预热时，不需退磁。

⑤有集肤效应，当工件厚度过大时，里外壁温差太大。

⑥中频输出电压较高，在使用中要注意安全。

感应加热表面加热的工艺参数，包括热参数和电参数。热参数主要有感应加热温度、加热时间和加热速度。电参数包括设备频率。以及决定单位表面功率的阳极电压、阳极电流、槽路电压和栅极电流。热参数和电参数是密切相关的，生产中是通过调整电参数来控制热参数，从而保证感应加热表面加热质量。