感應加熱裝置

1、 職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫金屬材料與熱處理課程感應加熱裝置主講教師：馬晶西安航空職業(yè)技術學院感應加熱裝置一、感應加熱原理感應加熱就是利用感應電流通過工件產生的熱效應，使工件表面局部加熱，繼之快速冷卻，以獲得M組織的工藝。1. 感應加熱的特點1）熱源在工件表層，加熱速度快，熱效率高。2）工件不是整體加熱，變形小。3) 工件加熱時間短，表面氧化脫碳量少。4）工件表面硬度高，缺口敏感性小，沖擊韌性、疲勞強度以及耐磨性等均有很大提高。這樣有利于發(fā)揮材料的潛力，節(jié)約材料消耗，提高零件使用壽命。5）設備緊湊，使用方便，勞動條件好。6）不僅用在表面淬火還可用在穿透加熱與化學熱處理等。2. 感

2、應加熱的分類根據(jù)所用電流頻率的不同，將感應加熱裝置分為高頻感應加熱裝置、中頻感應加熱裝置和工頻感應加熱裝置。高頻感應加熱表面淬火：電流頻率為100500kHz，最常用頻率為200300kHz，可獲淬硬層深度為0.52.0mm。主要適用于中、小模數(shù)齒輪及中、小尺寸軸類零件的表面淬火。中頻感應加熱表面淬火：電流頻率為50010000Hz，最常用頻率為28008000Hz，可獲淬硬層深度為35mm。主要用于要求淬硬層較深的較大尺寸的軸類零件及大中模數(shù)齒輪的表面淬火。工頻感應加熱表面淬火：電流頻率為50Hz，不需要變頻設備?？色@淬硬層深度為1015mm。適用于軋輥、火車車輪等大直徑零件的表面淬火。3.

3、 感應加熱的原理感應加熱表面淬火在航空工業(yè)中廣泛應用。圖1是高頻感應加熱表面淬火示意圖。從圖中可見，欲淬火的鋼件被套在感應加熱器內，當感應加熱器接入高頻電流時，在它周圍便產生交變磁場，同時零件中亦產生頻率相同而方向相反的感應電流，由于“集膚圖1 感應加熱的原理圖效應”的緣故，感應電流主要集中在工件表層，并且愈靠近表面，電流密度愈大，頻率愈高。在接入的高頻電流頻率很高的情況下，感應電流全部集中在工件的最表層，而心部的電流密度幾乎等于零。其結果僅需幾秒或幾十秒就使工件表層迅速升溫至淬火溫度。當工件通過噴水套時，即完成淬火。二、中頻感應加熱裝置中頻感應加熱裝置的電流頻率一般在1000-8000Hz，

4、適用于加熱深度大于3mm直徑為20-500mm工件的感應加熱，多用于鋼鐵零件的表面淬火，也可用于回火、正火及熔煉金屬等。在汽車、拖拉機等制造業(yè)中，曲軸和凸輪軸等零件的表面淬火多采用中頻感應加熱裝置。中頻裝置的頻率有1000、2500、4000、8000Hz等，其中2500Hz和1800Hz兩種應用最多，功率從數(shù)十千瓦至數(shù)百千瓦。中頻感應加熱裝置的中頻電源有中頻發(fā)電機組和晶閘管中頻電流兩種，應用最廣又較早問世的是發(fā)電機組。它早在20世紀20年代初期就已應用于感應加熱，自1966年研制成較發(fā)電機組優(yōu)異的晶閘管變頻器（即晶閘管中頻裝置）后，前者就逐漸被后者所取代。本節(jié)只介紹晶閘管中頻電源感應加熱裝置

5、。1.中頻感應加熱裝置牌號僅舉一例，K/0.5，表示可控硅變頻器，頻感應加熱中頻（0.5KHz）爐，輸出功率350，淬火、焊接兩種用途。頻率3060KHz。(1)中頻爐的應用1)適于加熱深度為3mm，20500mm，工件的感應加熱?？捎糜阡摷拇慊?，亦可正火、回火。2)在汽車、拖拉機的制造業(yè)中，曲軸、凸輪軸，多采用中頻爐表面淬火。以晶閘管變頻中頻爐為最常見。這是一種利用晶閘管將三相電流，變?yōu)閹装賻浊z單相直流電的裝置。因此，晶閘管是其核心元件。晶閘管，亦稱可控硅，它是一種大功率整流元件。常見的普通晶閘管由4層半導體組成。第一層P是陽極A，第二層是控制極G，第三層P是控制極，第四層N是陰極K。

6、它和二極管一樣，是單向導電的器件，區(qū)別僅在于多了一個控制極它的結構是四層三端結構元件共有三個結。可以把它看成由1個和1個管組成的裝置。晶閘管的工作原理是，當極加正電壓，流到陰極的電流經過管子內部就有放大作用，此時極輸入一個正向信號，就會實現(xiàn)整流。在中頻感應加熱爐的電路里，還有振蕩電路，實現(xiàn)變頻要求。具體原理此處從略。2.晶閘管變頻中頻爐的特點1）與已經淘汰的發(fā)電式中頻感應加熱爐比較,它的體積小,重量輕,噪音和振動小,啟動與停止方便.因此,應用十分廣泛。2）教材中也提到發(fā)電式中頻爐。這種落后的設備已經被淘汰。它是用電動機帶動能發(fā)出750V，8000HZ電流的中頻感應加熱裝置。中頻爐淬火舉例（圖見

7、熱處理工藝學P189圖734）45鋼，汽車發(fā)動機凸輪軸，原始狀態(tài)正火；要求表面淬火19處，硬化層深度25mm。其中齒輪（1個）表面硬度HRC5058，其余18處均為HRC5563。選擇感應器外圓形感應器，內圓直徑61 mm，高度31 mm，內壁有噴水孔，采用10mm，銅板制成。感應爐100KW，8KHz。在專用淬火床上進行淬火。裝夾一次，可以完成各部位淬火。19處淬火部位，由專用控制設備操作，依次加熱并淬火、并且自回火。具體工藝參數(shù)如下：齒輪，加熱時間2s，冷卻水壓力2Kg/cm2。電壓600V，電流130140A；凸輪：加熱時間3s，冷卻水壓力2Kg/cm2。電壓630V，電流125150A

8、；偏心輪：加熱時間2s，冷卻水壓力2Kg/cm2。電壓630V，電流140150A；軸頸：加熱時間4s，冷卻水壓力2Kg/cm2。電壓600V，電流140160A；高頻感應加熱表面淬火，是將鋼件表面快速加熱到淬火溫度，在熱量尚未傳至零件心部時，隨即迅速冷卻，在其表面獲得一定深度淬硬層的熱處理工藝。淬火后，工件表層為細針狀馬氏體，心部仍為韌性較高的原始組織（通常為調質后的組織）。3.高頻感應加熱裝置的工作原理高頻感應加熱表面淬火在航空工業(yè)中廣泛應用。圖5是高頻感應加熱表面淬火示意圖。從圖中可見，欲淬火的鋼件被套在感應加熱器內，當感應加熱器接入高頻電流時，在它周圍便產生交變磁場，同時零件中亦產生頻

9、率相同而方向相反的感應電流，由于“集膚效應”的緣故，感應電流主要集中在工件表層，并且愈靠近表面，電流密度愈大，頻率愈高。在接入的高頻電流頻率很高的情況下，感應電流全部集中在工件的最表層，而心部的電流密度幾乎等于零。其結果僅需幾秒或幾十秒就使工件表層迅速升溫至淬火溫度。當工件通過噴水套時，即完成淬火。 圖2 高頻感應加熱表面淬火示意圖4.高頻感應加熱裝置的結構簡介 P102圖6是高頻爐的外觀照片。從圖中可見，高頻感應加熱裝置由電源柜、振蕩柜等組成。電源柜的面板上有指示燈、5個電表（陽極直流高壓表、燈絲電壓表、振蕩管陽極和柵極的電流表、高頻電壓表）。主要作用是用來顯示高頻爐各個電路的工作參數(shù)，也是

10、操作者判斷和調節(jié)高頻爐工作狀態(tài)的依據(jù)。這是高頻爐的指示裝置。保護裝置電源柜和振蕩柜里面，裝有全部電氣元件，柜子的門都有電氣連鎖開關，只有關閉好柜子的門，才能開啟整機。另外，高頻爐的振蕩柜、電源柜、變壓器、穩(wěn)壓器都要嚴格用螺栓接地，以保證設備和人身安全。5.高頻感應加熱裝置的安全使用要求為了安全使用高頻爐，必須嚴格按照操作程序進行：（1）送電送水合上電源空氣開關，高頻柜面板上的三相電源指示燈亮，說明供電正常；啟動水泵，打開水路閥門，水壓不低于68KPa（0.8kgf/cm2）。（2）三級預熱振蕩管燈絲一級預熱接通燈絲一擋開關，對燈絲實施一級預熱。（3）振蕩管燈絲二級預熱按下第二擋燈絲加熱按鈕，振

11、蕩管燈絲電壓升到額定值，即33V左右，預熱時間1520min。（4）三級預熱給陽極加直流高壓即按下高壓接通按鈕，高壓指示燈亮，就會向高壓整流電路供電，輸出電壓由電壓表顯示。（5）加熱工件通常，用手動控制加熱工件。用鉗子夾持工件，并放入感應圈內。按下加熱按鈕，加熱指示燈亮，計算加熱時間。到時間后，按下停止加熱按鈕。并迅速將工件沉入感應圈下方的水槽中，實施水中淬火。（6）高頻爐關閉的操作程序，與開機程序相反。此處從略。6.實例分析以45鋼軸件為例，在高頻淬火時，加熱溫度840920（AC3以上100150），時間380400/s；并且需要說明的是，由于加熱速度十分快，鋼件表面不會產生過熱。而且晶粒

12、比一般淬火還要細??；淬火后得到隱針狀馬氏體。在這個例子里，如鋼件直徑10mm，設備頻率2500Hz，淬硬層可達2.4mm。研究發(fā)現(xiàn)，當工件的淬硬層為直徑的10時，能獲得最大的疲勞強度；一般小型工件，淬火后淬硬層取直徑的1520。從上例可見，對于不同材料、形狀和大小的工件，具體高頻淬火的工藝，要查有關手冊得到。即包括高頻淬火機的型號、感應器的形狀和尺寸、感應器與工件表面的距離（1.53.0mm）、工件的移動速度（0.33.0mm）、噴水器與感應器的距離（1020mm）、采用的頻率、加熱的時間等。由于高頻感應加熱設備具有加熱速度快，熱效率高、淬火質量好表面硬度高、淬火層深度易于控制、工件變形小、脫

13、碳少；并且易于實現(xiàn)機械化和自動化操作，工作環(huán)境清潔等優(yōu)點，因此，在冶金和機械制造廠家應用十分廣泛。在熱處理技術的現(xiàn)代化中，也具有很好的發(fā)展前景。三、感應熱處理輔助設備感應熱處理優(yōu)點是機械化自動化程度較高，產品處理質量的均勻性和一致性好，同時減輕體力勞動和改善勞動條件。感應加熱用熱處理設備主要指淬火機床、感應器以及各種專用的感應加熱調質、退火、淬火生產流水線等。1.淬火機床（1）淬火機床分類按生產方式分，淬火機床有通用、專用及生產線三大類型。通用淬火機床適用于單個或小批量生產;專用淬火機床適用于批量或大批量生產；生產線將多種熱處理工藝組合在一起，生產效率更高，適用于大批量生產。按感應加熱電源分，

14、由于感應加熱電源不同，淬火機床結構也有所不同，按電源頻率分為高頻淬火機床、中頻淬火機床、工頻淬火機床。按處理零件類型分，一般可分為軸類淬火機床、齒輪淬火機床、導軌淬火機床、平面淬火機床及棒料熱處理流水線等。按處理零件安放的形式分，有立式淬火機床、臥式淬火機床。按處理工藝分，可分為淬火、回火、退火、調質及透熱等用途的淬火機床設備。2.淬火機床的基本結構1)機架：機架是機床的主要基礎件，必須有足夠的剛性，結構力求簡單。2)升降部件：同時感應淬火，零件需從感應器中進出，應便于裝卸，連續(xù)感應淬火，零件與感應器作連續(xù)相對運動，應設計升降、橫向或回轉等運動機構。3)零件裝卡與轉動部件：為了感應加熱均勻，圓

15、形零件應在加熱時旋轉，一般旋轉速度采用30200 r/min。速度過快影響零件冷卻。4)傳動機構：由于移動和轉動需要變速，一般采用無級變速，易實現(xiàn)自動控制。3.淬火機床的選擇要求1）使用要求直接與生產技術經濟指標有關，對通用淬火機床一般考慮以下幾點：通用性。應能處理軸類、齒輪等多種常見的感應淬火零件。可靠性。定位準確，移動、轉動速度穩(wěn)定，控制電器、機件、監(jiān)控儀表動作準確、可靠、重現(xiàn)性好。調整方便，操作與維護簡單，工作安全，保護措施齊全。機床價格合理，機床占地面積小，生產率高，能耗少。2）功能產數(shù)要求針對所處理零件技術要求，應對淬火機床功能及所配控制器件有所要求和選擇。零件轉速：從加熱均勻性考慮

16、，轉速應快；從噴水冷卻考慮，轉速不宜太滑板移動速度，取決于加熱的比功率與感應器寬度。淬火介質管路直徑的選?。捍慊鸾橘|進水管徑與電磁水閥的通徑應一致。中頻淬火變壓器型號的選擇。對于通用淬火機床，應采用多匝比的中頻淬火變壓器，以適應多品種零件生產，淬火變壓器容量最好為發(fā)電機容量的3倍。中頻電容器容量的確定。中頻電容器用KVAR表示其容量。4.感應器（1）感應器的結構感應圈：感應器的主要部分，通過感應圈產生的交變磁場，使得工件得以加熱。匯流板：連接感應圈和連接板，將電流輸入感應圈。連接板：用于連接匯流板和淬火變壓器的輸出端接頭。冷卻水管：用來冷卻感應器本身兼供工件淬火用冷卻用水。（2）感應器的分類感應器的種類很多，按加熱方法的不同可分為同時加熱感應器和連續(xù)加熱感應器。按零件加熱部位形狀的不同，感應器又可分為外表面加熱感應器、內表面加熱感應器、平表面加熱感應器、特殊形狀加熱感應器，而按電源頻率的不同，感應器還可分為高頻、中頻、工頻加熱感應器。（3）感應器的基本要求1）感應圈應與工件表面加熱區(qū)形狀和尺寸相適應，使工件能夠迅速獲得所需要的加熱區(qū)和加熱層，加熱溫度的分布要均勻。2）感應器的電效率應盡可能高，應盡量減少感應器本身的電能損耗。3）感應器工作時，由于渦流損失而發(fā)熱