感应热处理基础知识.docx

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感应热处理基础知识

感应热处理基础知识

1频率分段

高频（电流）频率：

100～500KHZ，常用200～300KHZ；

超音频（电流）频率：

30～80KHZ，常用30～40KHZ；

中频（电流）频率：

500～20000HZ，常用2500和8000HZ；

工频感应加热：

不需变频机，直接取用于50HZ工业电网。

2高频感应加热装置

高频感应加热装置又称高频炉或高频机，它实质上是一个大功率变频器，通过电子管振荡器将工频交流电变为大功率高频交流电，故又称为电子管式高频发生器。

目前，国产高频感应加热装置按其振荡功率有8、30、60、100、200KW等品种。

2.1可控整流器

可控整流器的作用是将高压变压器输出的三相高压电整流成高压直流电，并且要求直流电压在一定范围内可控，以便在加热不同尺寸的工件时能相应改变振荡器的输出功率。

闸流管因具有功率大、能承受高压、管压降小、整流效率较高等优点，故20～200KW大功率高频加热装置一般都采用它作为可控整流器的整流元件。

闸流管可控整流器常用的栅极电压控制方法有交直流叠加控制和移相控制两种。

2.2三相可控整流电路三种典型工作状态

（1）可控闸流管全部受控状态（α=180°）

（2）可控闸流管全不受控状态（α=30°）

（3）可控闸流管部分受控状态（30～180°）

2.3高压硅整流器

高压硅整流器是在高压变压器高压侧用硅组作整流元件制作的整流器，是一种新型的大功率整流器。

2.4电子管振荡器

振荡管又叫发射管，是高频振荡器的核心元件。

大功率高频振荡管都采用真空三极管形式。

2.5电子管主要参数

（1）内阻Ri：

在栅压一定时，阳极电压增量△Ua与阳极电流增量△Ia之比，称为电子管内阻，即：

Ri=∣Ug=常数

（2）放大系数μ：

保持阳极电流不变，阳极电压增量△Ua与栅极电压增量之比，称为振荡管的放大系数，即：

μ=∣Ia=常数

放大系数表明了栅压对阳极电流的控制能力比阳极电压对阳极电流的控制作用要强μ（3～100）倍。

（3）跨导S：

在恒定的阳极电压下，阳极电流增量△Ia与栅极电压增量△Ug之比称为三极管的跨导，即S=∣Ua=常数

跨导即为栅极特性曲线直线部分的斜率。

它表示栅极电压对阳极电流的控制能力。

S愈大，控制能力愈强。

以上三个参数Ri、μ、S互相关联，即μ=S·Ri

2.6三极电子管的放大工作状态

（1）甲类工作状态：

栅负偏压Eg小于截止栅负偏压Eg0放大器静态工作点为A1点，阳流导通角2θ=360°此状态在特性曲线直线部分，非线性失真小，直流功率耗损很大，放大效率很低；

（2）乙类工作状态：

栅负偏压Eg2=Ego，静态工作点为A2点，阳流导通角2θ=180°，此状态非线性失真大，直流损耗小，效率较高；

（3）丙类工作状态：

│Eg3│＞│Ego│，2θ＜180°，非线性失真很大，但直流损耗更小，效率更高。

2.7电子管自激振荡

当不同频率的电流通过LC并联电路时，电路呈现不同的阻抗。

只有频率刚好等于谐振频率的电流通过时，电路阻抗最大，此时电路处于谐振状态。

谐振电路呈现的纯电性阻抗称为回路的等效外阻，用RD表示，其值由下式决定：

RD=

由于只有谐振时的阻抗最大，因此只有频率为谐振频率的电流ia通过LC振荡回路时产生的电压降最大，其值iaRD=μk。

而其它频率的信号通过时回路呈现的阻抗很小，相当于短路，很容易通过。

所以，无论何种复杂波形的电流通过LC振荡回路时，它总是选择揩振频率的成分，产生谐振频率的振荡，而将其他频率的分波滤掉。

电子管自激振荡器的自激振荡过程就是利用了这一选频特性。

2.8自激振荡条件

（1）相位条件：

要维持振荡必须使反馈线圈的反馈电压ug和振荡回路电压uk同相位。

（2）振幅条件：

正反馈太小也不能维持振荡，必须满足一定条件。

通常将反馈电压ug和振荡回路电压uk之比称为反馈系数（用β表示），β值越大，反馈量也越大。

因电子管的电压放大倍数k=，所以：

k·β=1

要使自激振荡器正常工作，必须满足k·β≥1的条件。

2.9双回路振荡

大功率高频振荡器多采用双回路自激振荡器，在双回路振荡电路中，第一槽路和第二槽路之间耦合程度借助于LS来调节，而第二槽路与感应圈则通过淬火变压器耦合。

淬火变压器又称高频变压器，它是一个无铁芯的空心降压变压器，一次线圈就是第二振荡回路的电感线圈，约10匝，二次线圈为单匝，即淬火感应器。

没有第二槽路的振荡器为单回路振荡器，其缺点是不能根据负载的变化调节回路的阻抗匹配，但回路耗损较少，有利于提高整机效率。

2.10电子管振荡器的工作状态及其调整

电子管振荡器的工作状态对输出功率大小、电能利用效率及振荡管的使用寿命影响很大。

（1）最大功率输出的条件——阻抗匹配问题

振荡器等效外阻（Ro）与折合内阻（Rn）相等时，振荡器的输出功率最大，也就是所谓负载与电子管实现了匹配。

振荡器等效外阻与加热工件大小和第一与第二槽路和耦合程度有关。

而折合内阻也不是常数，它受反馈系数影响。

（2）高效输出条件

三极电子管在丙类工作状态（│Eg3│＞│Ego│，2θ＜180°＝时，振荡器的实际效率最高（可达60～80%）；而乙类和甲类较低，分别为50～60%和25～30%。

（3）振荡器三种工作状态

①欠压状态：

振荡管栅流比阳流小很多，可忽略不计，所以又叫无栅流或小栅流状态。

只有栅压μg较小时，栅流才小，故称“欠压”。

由于在欠压状态下，振荡管阳极损耗很大，因而效率低。

严重的欠压会显著降低振荡管寿命，甚至有烧毁阳极的危险；

②临界状态：

临界状态是指Ro=Rn，即等效外阻和振荡管折合内阻刚好匹配的状态。

在一定的振荡电压（Ea）下，振荡器工作于临界状态时，振荡回路高频电压Ua1和Ia1最大，所以振荡功率最大，由于Ua1m大，Ea不变时，阳压利用系数ξ增大。

这时，阴极电子在栅极上的分配比例增加，阳极耗损减小，因此效率也增高。

临界状态是调整振荡器时要选取的工作状态。

③过压状态：

当RD＞Rn时，振荡回路高频电压Ua1增大而“过压”。

由于“过压”，反馈系数不变时，栅压也“过压”。

过压造成阳流显著减小，而栅流很大。

故过压状态又叫大栅流状态。

在过压状态，随着RD的增加，过压程度增加，振荡器效率将继续增大，但输出功率将减小。

严重的过压，会使输出功率显著降低。

综小所述：

振荡器的工作状态以欠压和强过压状态最为恶劣，它不仅不能充分发挥设备潜力，而且会增加电能耗损，降低设备（振荡管）使用寿命，影响产品质量；而临界状态和弱过压状态是输出功率大效率高的最佳工作状态，是高频感应加热作业中所要求的工作状态。

2.11工作状态的调节

在高频感应加热工件时，振荡器的RD不可避免地要发生变化。

如果工件在开始加热时阻抗是匹配的，则随着工件温度的升高，由于金属电阻率升高导磁率下降，焦耳热效率和磁滞热效应减小，亦即负荷降低，Rj减小，因而RD随之增大，振荡器将从临界状态向过压状态转化，高频输出功率下降。

这种现象，在工件温度到达居黑点附近时表现特别明显。

故而在加热工件过程中，相应于RD的增大，应随时注意减小反馈或加大耦合，以维持振荡器始终处于最佳工作状态。

振荡器工作状态的调节，归纳起来就是转动三个手轮，观察四个表。

即用耦合手轮调节RD，用反馈手轮改变Rn，以实现阻抗的匹配；调节移相手轮以改变输出功率。

反馈和耦合手轮的配合可保持一个不动，旋转另一个，或反之，或两者同时进行。

在旋转耦合，反馈手轮的同时，应注视阳流、栅流表的指示，使两者保持一定比值。

在旋转移相手轮改变阳极电压时，应注视直流千伏表的指示。

还有一个高频电压表（即槽路电压表），供调整工件状态时参考。

3超音频感应加热

超音频感应加热装置的工作电流频率一般为30～70KHZ。

这个频率略高于音频上限（20KHZ），故称超音频。

超音频感应加热装置是上世纪60年代发展起来的一种先进表面加热设备，对中模数（2.5～6）齿轮、链条、花键轴、凸轮轴、曲轴的表面淬火特别适合，弥补了高频与中频对这些零件淬火时淬硬层分布不均匀的缺陷。

超音频感应加热装置的工作原理及结构、外形与高频感应加热装置相同，仅在振荡电路上有两个不同点：

一是振荡器频率低，因此在振荡回路上安排的电容器量大；二是多采用单回路振荡电路。

4双频感应加热装置

双频感应加热装置是指具有高频和超音频两段频率的感应加热装置。

目前国产双频感应加热设备，其超音频频率为30～50KHZ，高频频率为90～150KHZ，高频频率虽比一般高频设备频率200～300KHZ要低，但生产实践表明：

两种频率的加热效果差不多。

在电路设计上，两个振荡回路通过专用闸刀开关转换。

5中频感应加热装置

中频感应加热装置的电流频率通常为1000～8000HZ。

它适用于加热层深3～16mm、工件直径大（20～500mm）的钢铁零件的表面淬火，亦可用于回火、正火、锻坯透热或熔炼金属。

在汽车、拖拉机制造业中，曲轴和凸轮轴等零件的表面淬火多采用中频装置加热。

中频感应加热装置的中频电源有中频发电机（机式中频电源）和晶闸管中频电源两种。

5.1中频淬火变压器

中频淬火变压器的作用是实现发电机与负载的匹配和降压。

淬火加热用感应圈大多为单匝或双匝。

为了操作安全和避免零件与感应圈之间电击穿而烧杯工件，感应圈上工作电压要求为15～100V的低压，而流过感应圈的电流都要求较大，以便在感应圈内建立强的交变磁场。

但是，中频发电机的输出电压达375V或750V的高电压，为此，用中频淬火变压器降压。

中频感应加热的负载，一般是电感性负载，功率因数cosφ很低。

频率为2500HZ的发电机，其功率因数cosφ通常为0.36～0.50；频率为8000HZ的发电机，其功率因数仅为0.2～0.3。

为提高功率因数，通常在电感性负载两端并联若干电容器。

若选择合适，使其组成谐振于中频电源频率的谐振电路，功率因数cosφ=1，发电机将输出最大的有效功率。

5.2电容量与匝比的选择和调整

中频淬火加热时，电容量和匝比的选择和调整是一个很重要的问题。

电容量和匝比调整得好，有利于发电机功率的利用和提高淬火质量。

一般每加热一批工件，都应调整一次，以获得适合于加热该种零件所需要的电容量和匝比。

调整过程比较麻烦，因电容量和匝比互相影响，有时需要多次反复，才能达到满意效果。

但无论多么复杂，功率因数cosφ等于或接近于1是判断电容量和匝比配合是否合适的基本标准和依据。

其调整步骤大致如下：

（1）调整前，感应装置的电气、水冷等系统应处于正常状态。

感应圈中必须放零件，不可在无负载情况下调整。

（2）初选匝比和电容量。

依生产经验或感应器尺寸（内经和高度），初定匝比和电容量。

一般感应器有效直径愈大，高度愈低，其阻抗愈大，为保持阻抗匹配，匝比应选小些，反之亦然。

电容量与匝比的调整方法：

（1）观察功率因数表指示值，若cosφ值超前，表明负载为电容性，应减小电容量；反之则相反。

但由于钢制零件在加热过程中电阻率上升。

导磁率下降，因而负载性质逐渐向电感性方向转移。

故在实际调整中，开始加热时，一般先将回路调成电容性负载，即调到谐振点的电容量后，再过量补偿10～20%的电容量，使cosφ值为0.85～0.90（超前）。

随着工件温度的提高，cosφ值由电容性逐渐接近于1。

此时，功率表的读数正好等于负载电压与电流的乘积，表示电路已达到谐振状态。

（2）当不用电压自动调整装置时，保持励磁电流恒定，则可以根据负载接通前后电压表的读数来调整电容量。

若接通负载后电压表读数下降，表示负载为电感性，应增加电容量；反之，若电压表读数上升，表示负载为电容性，应减小电容量；若接通负载前后电压变化小，表示电容量合适，电路接近谐振。

（3）当使用电压自动调整装置时，电容量的多少还可根据接通负载前后励磁电流表读数的变化来判断。

接通负载后，励磁电流上升，表示负载为电感性，应增大电容量；反之，若励磁电流下降，表示负载为电容性，应减小电容量；若不变