（華夏天信金屬）高頻感應(yīng)焊接 唐天經(jīng)理 15222225611

摘要：闡述了（華夏天信金屬）高頻感應(yīng)加熱焊接的發(fā)展、原理和特點(diǎn)，，分析了（華夏天信金屬）高頻感應(yīng)焊接設(shè)備中的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，應(yīng)用感應(yīng)加熱的基礎(chǔ)理論提出了根據(jù)零件加熱要求的特點(diǎn)選擇合適的（華夏天信金屬）高頻電源和設(shè)計(jì)優(yōu)良的感應(yīng)器的技術(shù)措施。同時(shí)介紹了（華夏天信金屬）高頻感應(yīng)加熱在焊接加熱中的應(yīng)用：感應(yīng)釬焊和感應(yīng)熔覆焊。

關(guān)鍵詞：（華夏天信金屬）高頻感應(yīng) 加熱 焊接 感應(yīng)圈 感應(yīng)釬焊 熔覆焊

1 （華夏天信金屬）高頻感應(yīng)焊的發(fā)展

  （華夏天信金屬）高頻加熱已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬的熱處理、熔煉、焊接等方面。感應(yīng)焊是利用交變磁場(chǎng)一電場(chǎng)感應(yīng)場(chǎng)中工件上的渦流效應(yīng)加熱工件，使工件熔化，從而實(shí)現(xiàn)焊接的一種方法。焊接設(shè)備由交流電源和感應(yīng)加熱圈組成。交流電源按其頻率不同分為（華夏天信金屬）高頻和中頻，（華夏天信金屬）高頻電源由于頻率高，加熱迅速，應(yīng)用廣泛。感應(yīng)圈是感應(yīng)加熱設(shè)備的重要元件，交流電源的能量是通過它傳遞給焊件而實(shí)現(xiàn)加熱的，通常用紫銅管制作，工作時(shí)管內(nèi)通水冷卻。感應(yīng)圈可以根據(jù)不

同的需要設(shè)計(jì)成合理的結(jié)構(gòu)，對(duì)于保證焊接質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率有重大的影響，常見的結(jié)構(gòu)形式有單式、多螺管式、扁平式、外熱式、內(nèi)熱式等。感應(yīng)加熱電源早在20世紀(jì)50年代就已經(jīng)出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)主要有：工頻感應(yīng)爐、中頻發(fā)電機(jī)組、電子管振蕩器式（華夏天信金屬）高頻電源。20世紀(jì)50年代末硅晶閘管的出現(xiàn)引發(fā)了感應(yīng)加熱電源技術(shù)的一場(chǎng)革命，感應(yīng)加熱電源及其應(yīng)用得到了飛速的發(fā)展。到20世紀(jì)80年代，IGBT開關(guān)器件的發(fā)明使感應(yīng)電源的頻率可高達(dá)100kHz，功率達(dá)MW級(jí)。

2 （華夏天信金屬）高頻感應(yīng)加熱原理和特點(diǎn)

 2.1（華夏天信金屬）高頻感應(yīng)加熱原理

   將工件放入感應(yīng)器（線圈通常使用紫銅管制作而成）內(nèi)，當(dāng)感應(yīng)器通入一定頻率的交變電流，周圍即產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。交變磁場(chǎng)的電磁感應(yīng)產(chǎn)生即性瞬間變化的強(qiáng)磁束，將金屬等被加熱物體放置在感應(yīng)圈內(nèi)，磁束就會(huì)貫穿整個(gè)被加熱物質(zhì)，在被加熱物質(zhì)內(nèi)部與加熱的電流相反的方向產(chǎn)生很大的渦電流，由于被加熱物質(zhì)內(nèi)的電阻產(chǎn)生焦耳熱，使物質(zhì)本身的溫度迅速上升，這就是感應(yīng)加熱的原理。

感應(yīng)加熱原理圖

（華夏天信金屬）高頻感應(yīng)加熱是利用（華夏天信金屬）高頻感應(yīng)設(shè)備產(chǎn)生的（華夏天信金屬）高頻磁場(chǎng)在磁導(dǎo)材料表面的法拉第電磁效應(yīng)和焦耳效應(yīng)在材料表面產(chǎn)生渦流，利用渦流產(chǎn)生的熱能加熱材料。在線圈的交變磁場(chǎng)中導(dǎo)體內(nèi)所產(chǎn)生的感應(yīng)電流(單位：A)為

式中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度(單位：T)；S為工件受磁場(chǎng)作用的橫截面積(單位：cm2)；?為交流電頻率(單位：Hz)；N為感應(yīng)線圈的匝數(shù)；Z為工件的阻抗(單位：Q)。

2.2（華夏天信金屬）高頻感應(yīng)加熱特點(diǎn)

   表面效應(yīng)（集膚效應(yīng)）：由于焦耳效應(yīng)，渦流在金屬材料中產(chǎn)生的熱與金屬的電阻、感應(yīng)電流的關(guān)系式為Q=I2RT 由此可知，產(chǎn)生的熱量Q與頻率門的平方成正比，所以（華夏天信金屬）高頻感應(yīng)的頻率越高，加熱的速度越快。當(dāng)直流電通過導(dǎo)體時(shí)， 電流在導(dǎo)體截面上的分布是均勻的，但是當(dāng)交流電通過圓柱導(dǎo)體時(shí)，電流分布是中心密度小，越接近表面密度越大，當(dāng)電流頻率相當(dāng)高時(shí)，導(dǎo)體的中心可以沒有電流，而全部集中在導(dǎo)體的表面，這種現(xiàn)象稱為（華夏天信金屬）高頻電流的表面效應(yīng)。渦流是由進(jìn)入工件的交變磁場(chǎng)引起的，而磁場(chǎng)從工件的表面到心部也是按指數(shù)曲線衰減的，因此，渦流的最大值集中在工件的表面，這也是表面效應(yīng)。渦流的理論透入深度δ為：式中：ρ材料電阻率，μ 為導(dǎo)磁率， ?為電流頻率。

鄰近效應(yīng)：兩鄰近的導(dǎo)體，例如兩匯流排或感應(yīng)線圈與被感應(yīng)應(yīng)加熱的零件，在有電流通過的情況下，由于電流磁場(chǎng)的相互作用，在導(dǎo)體上的電流將重新分布，這種現(xiàn)象被稱之為鄰近效應(yīng)。

圓環(huán)效應(yīng)：圓環(huán)形導(dǎo)體通入（華夏天信金屬）高頻電流（或中頻）交流時(shí)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在環(huán)內(nèi)集中，環(huán)外分散，環(huán)內(nèi)的磁通不僅穿過環(huán)外空間，同時(shí)也穿過環(huán)形導(dǎo)體本身，這樣就使環(huán)形導(dǎo)體外側(cè)交鏈的磁通多于內(nèi)側(cè)，于是環(huán)形導(dǎo)體外側(cè)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，迫使電流在環(huán)形導(dǎo)體內(nèi)側(cè)的電流透入深度中流過，這種現(xiàn)象稱為（華夏天信金屬）高頻電的環(huán)形效應(yīng)。

在感應(yīng)加熱裝置中，感應(yīng)線圈和工件通常是同心安置，由于導(dǎo)體和工件上的電流方向在任一瞬間都是相反的，所以電流都集中在感應(yīng)線圈的內(nèi)表面和工件的外表面上，工件外表面最先受熱升溫

2.3感應(yīng)加熱的頻率

  用于感應(yīng)加熱的電源頻率范圍很大， 可從50 赫茲到幾兆赫茲，選擇頻率的重要依據(jù)是加熱頻率和溫度分布，其次是考慮各種加工工藝（如淬火，焊接）對(duì)電流頻率的一些特殊要求。熔煉透熱加工工藝要求加熱溫度均勻；而淬火要求滿足淬應(yīng)層深度，在此基礎(chǔ)上，要求淬應(yīng)層深度內(nèi)加熱溫度均勻。對(duì)于熔煉還要考慮功率和攪拌力。再者頻率高的電源較頻率低的電源價(jià)格高，功率大的電源價(jià)格高，為此選擇電源頻率及功率成為一項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

 2.4（華夏天信金屬）高頻感應(yīng)加熱焊接的特點(diǎn)

(1)加熱速度快、生產(chǎn)效率高。

（華夏天信金屬）高頻感應(yīng)加熱單位功率高達(dá)500—1 000/ kW2，所以加熱速度極快，大面積焊接所需時(shí)間只要幾秒，可大大縮短焊接時(shí)間，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。

(2)熱影響區(qū)小、對(duì)基體損傷小。

（華夏天信金屬）高頻感應(yīng)加熱的集膚效應(yīng)使得待焊工件的加熱深度很淺，甚至可以達(dá)到零點(diǎn)幾毫米，僅僅依靠工件傳熱向芯部導(dǎo)熱，工件任一點(diǎn)在進(jìn)入感應(yīng)器內(nèi)時(shí)，被急劇加熱到融化溫度，離開感應(yīng)器就進(jìn)入急劇冷卻狀態(tài)，幾乎沒有保溫時(shí)間，加熱時(shí)間極短，所以熱影響區(qū)很小，基本不會(huì)損傷基體。另外，氧化皮生成極少，即使在空氣中加熱，坯料表面的氧化、脫

碳也非常少。

(3)避免或減少界面脆性化合物的形成，焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)異。

由于感應(yīng)加熱速度快、能量集中、冷卻時(shí)間短，獲得的奧氏體晶粒細(xì)，所以感應(yīng)加熱的工件具有非常好的金相組織。用于異種金屬焊接則因加熱時(shí)間極短可以減少界面脆性化合物的形成，能夠有效地提高焊接接頭的力學(xué)性能。

(4)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜界面的焊接。

感應(yīng)器加熱頭可以根據(jù)不同工件的加熱需要設(shè)計(jì)成相應(yīng)的形狀，而極短的加熱時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)局部加熱，加熱區(qū)溫度迅速建立，溫度過渡區(qū)較窄，這樣感應(yīng)器能夠沿著復(fù)雜界面移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜界面的焊接。

另外，（華夏天信金屬）高頻感應(yīng)加熱焊接還具有節(jié)能、可重現(xiàn)性、易于自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是加熱溫度不易準(zhǔn)確控制，且產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)人體危害較大。

3 （華夏天信金屬）高頻感應(yīng)加熱設(shè)備

（華夏天信金屬）高頻電源和感應(yīng)加熱器組成。要獲得理想的接頭，首先就要選擇優(yōu)良的電源和感應(yīng)器。

 3.1（華夏天信金屬）高頻感應(yīng)電源

目前（華夏天信金屬）高頻感應(yīng)電源主要為IGBT、MOSFET等類型電源，感應(yīng)設(shè)備向微型化、模塊化、集成化方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)感應(yīng)電源公司很多，其中，美國(guó)AMERITHERM公司,RF 電源很有特色。

 3.2感應(yīng)圈設(shè)計(jì)

感應(yīng)加熱是利用感應(yīng)器進(jìn)行的，感應(yīng)器的形狀及其與工件之間的相互位置，強(qiáng)烈地影響著工件的加熱質(zhì)量和效率。因此，要求感應(yīng)熱處理工作者對(duì)感應(yīng)器的形狀和尺寸作出精心的設(shè)計(jì)和選擇。在選擇感應(yīng)其形狀結(jié)構(gòu)與尺寸時(shí)，必須注意考慮以下因素：

①工件被加熱部分的形狀、尺寸和位置，確定感應(yīng)器的類型、有效導(dǎo)體的形狀和尺寸以及附屬夾具的形狀等。

②感應(yīng)加熱電流的頻率， 確定感應(yīng)器載流導(dǎo)體的厚度。

③感應(yīng)加熱電源的功率容量和電壓等級(jí)等，確定感應(yīng)器的最大電流密度和阻抗大小，進(jìn)而確定感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式和冷卻方法（冷卻水和淬火介質(zhì)）。

   3.3感應(yīng)器形狀參數(shù)的選擇

    感應(yīng)器的形狀參數(shù)如圖1所示。

①間隙α

間隙是指有效圈內(nèi)表面至零件側(cè)表面之間的距離，常用α來表示。間隙是感應(yīng)器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。由感應(yīng)加熱原理可知，α越小，感應(yīng)器效率越高。有資料介紹，當(dāng)α增加1 倍時(shí)，輸送給零件的功率下降58.3%；α增加2倍時(shí)，功率下降75%。

間隙增大從而降低感應(yīng)器效率的重要原因是漏磁通增加， 感應(yīng)加熱的能量就是靠磁通傳遞的。間隙也不能太小，其原因有三個(gè)：第一，間隙太小，將增加零件對(duì)感應(yīng)器的磨損；第二，間隙太小，將造成零件與感應(yīng)器之間打火放電，將零件和感應(yīng)器打壞或燒熔； 第三， 間隙太小，在零件淬火時(shí)易產(chǎn)生點(diǎn)狀裂紋，增大間隙，裂紋情況則明顯好轉(zhuǎn)。間隙α的具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)工件的具體形狀及加熱要求確定。

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