感应加热

本科毕业设计（论文）文献综述题目: 感应加热热处理温度精密控制研究学生姓名：史腾飞院（系）：材料成型及控制工程专业班级：材料0905 指导教师：徐向前完成时间： 2013 年 3 月 27 日前言感应加热技术是利用电磁场在工件表而引起的漩涡损耗，使工件局部加热，从而完成淬火和金属焊接等加工。

工件加热时，根据工艺要求，必须对加热装置的输出功率和工作频率加以控制，以便在一定时间内达到要求的加热温度和透入深度。

因此一个实用的加热装置应该能在较大的功率范围内进行连续调节[1]。

感应加热是非接触式加热，它具有加热温度高，加热效率高，加热速度快，温度容易控制，可以局部加热，容易实现自动控制，作业环境好，几乎没有热、噪声和灰尘，作业占地少，生产效率高，能加热形状复杂的工件，适用广，工件容易加热均匀等优点[2,3]。

主题1感应加热热处理的现状及发展趋势我国感应加热在工业上的应用，起步于20世纪50年代，在机床制造、纺织机制造、汽车、拖拉机工业等部门应用最早，当时的感应加热技术，绝大部分来自前苏联，少部分来自捷克、比利时等国家。

50年代末，我国已自制出电子管式高频电源与机械式中频发电机，感应熔炼、感应透热、淬火、介质加热等各种设备与工艺相继在工业上得到应用。

60年代后，各个部门、企业在自力更生精神鼓舞下，研制出晶闸管中频电源，改进了电子管式高频电源，并设计、制造了各种型式的淬火机床，其典型结构已汇编入原机械部第六设计院的淬火机床图集共计55种。

对外开放以来，通过出国考察、进口设备、引进技术等多种渠道，工业发达国家的现代感应加热技术逐渐进入了我国工业的各个部门，使感应加热这一节能、高效、自动化、高重现性、环保的技术更有效地得到利用。

去年正好是前苏联感应加热在工业应用的70周年，在俄罗斯圣彼得堡召开的“感应加热实际问题学术研讨会”讨论了感应加热技术发展中的许多学术问题包括 感应熔炼 钢锭、坯料、杆、带和线材的感应加热、金属热处理、高频焊接和钎焊、磁流体动力学过程在冶金及其他方面应用、感应加热装置的电源和其现代化控制系统等。

目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管，超音频频段主要采用IGBT，而在高频频段，由于SIT存在高导通损耗等缺热电源通常飞功热风率较大对功率器件、无源器件、电缆、布线、接地和屏蔽等均有许多特殊要求。

因此，实现感应加热电源高频地方加热电源的发展。

从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术分为两大类:一类是器件的串、并联；另一类是多桥或多台电源的串、并联。

在器件的串、并联方式中，必须认真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串、并联数目，且串、并联数越多，装置的可靠性越差。

多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步再容量化的有效手段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串、并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元。

感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器，串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源，当两电压源并联时，相互间的幅值、相位和频率不同或波动时将导致很大的环流，以至逆变器件的电流产生严重不均，因此，串联逆变器存在并机扩容困难，而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可充当各并联逆变器之间的电流缓冲环节，使得输入端的AG/DG或DG/DG环节有足够的时间来纠正直流电流的偏差，达到多机并联扩容，晶体管化超音频、高频电流多采用并联逆变器结构，并联逆变器易于模块化、大容量化是其中的一个主要原因。

感应加热电源的负载对象各式各样，而电源逆变器与负载是一有机的整体，一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，同时,从电路拓扑上可以用三无源元件代替二无源元件，以取消变压器,实现高效、低成本匹配。

感应热处理要注意以下要点：1、电源电源是感应加热的关键设备之一，随着感应加热技术的发展，经历了机械式中频发电机组和真空管式高频电源、晶闸管中频电源及全晶体管电源三个发展阶段。

在20世纪80年代后期，在工业发达国家，晶闸管中频电源已完全取代了中频发电机组，我国自90年代中期也已逐步取代。

同机械式中频发电机组相比晶闸管(SCR)中频电源具有以下优点：体积小、重量轻、材料消耗少；电效率高，逆变停止时几乎不消耗电能，逆变效率可达90%以上；无机械运动、噪音小、运行可靠、负载匹配容易，可以根据负载情况确定电源的频率；启动停止方便，频率能自动跟踪以保持最佳运行状态；产品设计简单、制造周期短;安装容易，不需要特殊的基础；维修方便等。

我国的晶闸管中频电源的共同特点是全集成化控制线路数字化程度高于90%、启动成功率几乎达到100%、除具有常规的水压不足、快熔熔断、过流、过压等保护功能外，还具有限流、限压等保护功能、功能较齐全的晶闸管电源还配置逆变失败、水温监视等可选功能，其频率最高可以作到8kHz，额定功率可以作到1000kW左右，如果在装配工艺上再进一步改进的话，可以接近世界先进水平。

随着技术的进步，跟踪80年代国际感应加热技术水平，我国于90年代中期开发出第一台电效率较高的50kW/50kHzIGBT电流型超音频感应加热电源。

目前可做到频率0.4~50kHz、最大功率可达到800kW频率达到100kHz时功率达到100kW。

IGBT应用同期，我国还成功研制出20kW/300kHzMOSFET高频电源，缩小了同国际先进水平的差距，随着大功率MOSFET器件的问世，大功率的晶体管高频电源有望年内在感应淬火中应用。

2、淬火工艺随着汽车工业的迅速发展，我国采用感应淬火的零件的种类和品种不断增加。

目前我国汽车零件感应淬火用材料包括：45#、40Cr、55MnVS、40MnB、42CrMo、35#、ZG45、球铁、合金铸铁等。

感应加热淬火介质包括：水、聚乙烯醇、聚迷水溶性淬火介质、UCON、豪富顿251等。

所采用的加热方式及应用主要包括：横向磁场静止一次加热淬火(销轴类零件、凸轮轴);横向磁场连续加热淬火(减振器杆、变速叉轴、扭杆等)；横向磁场多段连续加热淬火(起动机轴、空压机轴等)；纵向磁场整体一次加热淬火(半轴等)；仿形感应器零件旋转加热淬火(球头销)；感应接触加热淬火(转向齿条)；内孔的一次及连续加热淬火(输出法兰、钟型壳内腔)；阶梯轴类零件的旋转加热淬火(小红旗后轮毂轴、转向节)；平面类零件的一次及连续加热淬火(钢板弹簧横向限位板)；薄壁类复杂零件一次及连续加热淬火(前轮毂、滑动轴叉)；复杂形状零件的一次加热淬火(钟型壳变截面轴)；槽口一次淬火(变速叉)；复杂回线工件旋转一次加热淬火(曲轴)等。

3、淬火机床为了适应多品种的批量生产，在汽车生产应用中，我国引进的感应淬火机床种类由传统的专用设备逐步向柔性化程度较高的通用设备和专用淬火自动生产线发展。

通用淬火机床方面，一汽技术中心开发的卧式数控淬火机床主驱动采用交流伺服电机拖动，移动速度稳定均匀、定位准确、重复精度高;零件旋转采用变频调速，能适应多方面工艺要求;采用能量和数控技术对不同性能要求的不同零件感应加热淬火，甚至在同一零件上实现多段变功变速，编程容易可操作性强。

专用淬火机床方面，二汽和天舒机电科技有限公司经过多年努力，攻克一个个难关，采用功率脉冲分配技术、尾座自由顶尖技术、薄型淬火变压器技术、独立悬挂技术、悬挂平衡技术等分别研制成功曲轴全自动淬火机床与电源、水冷系统组成成套淬火设备可对车用内燃机曲轴进行各轴径的圆角+轴径淬火、轴径淬火自回火，采用计算机控制，通过显示屏对设备的加热、淬火工艺参数诸如电压、电流、频率、时间、压力、流量温度等进行监控和显示，目前国内多家采用。

这些机床在传动系统方面主要采用机械传动 代表现代机械传动技术的滚珠丝杠和直线导轨等先进技术被广泛采用；主驱动采用伺服数控、变频调速，移动速度稳定均匀；拖架定位准确，重复精度高；工件旋转采用变频调速取代固定转速，能适应多方面工艺要求;上下料系统采用较先进的步进链传动、托盘送进料、人工送取料。

另外，在一条生产线中，大功率电源用于淬火，然后用较低功率回火，两个工序在一条生产线上自动完成，减少了重复上下工件的工序，降低了劳动强度，提高了生产效率。

4其他器件及冷却系统在气动式和接触器式功率切换器、电热电容器、淬火变压器、动作顺序控制及显示、变压器三维移动快换接头等方面，我国也取得了很多技术进步，使淬火技术和工艺水平不断提高。

对于冷却和淬火水循环装置，在消化理解国际感应加热成套设备用水冷系统最新技术基础上，我国自行研制成功适合我国国情的新型、高效、价廉的软水冷却机和水-水冷却机，换热效率高，大大提高了加热设备的可靠性，延长了设备的使用寿命。

认清差距，开拓进取虽然近年来我国感应淬火技术得到了迅速发展，但与工业发达国家相比还有相当大的差距。

MOSFET高频电源是工业发达国家的首选产品，而我国在高频段仍以晶闸管交流调压、高压硅堆整流、节能型电子管振荡器式电源为主；IGBT超音频电源有部分取代晶闸管中频电源的趋势，而我国在这方面的应用还不够普及；近些年来虽然晶闸管中频电源应用较为普遍，但由于老企业改造步伐的限制，还有部分中频停留在发电机组。

必须指出，虽然我国能够生产MOSFET、IGBT和SIT感应加热淬火用电源但品种和规格没有国外那么多、那么细，由于关键主要电力电子器件国内还不能生产，必须进口，所以从性能和技术水平方面和国外相比仍有相当大的差距。

总体来说，和工业发达国家相比，我国的数控及全自动淬火机床开发属起步阶段。

在自动化水平上，国内设备大部分是人工上下料，自动化程度较低；能量监控虽有应用但技术还不够成熟；FUNAC、SIMENS伺服系统有所应用，但多为点位直线运动，属简易型，多轴连动类型的数控系统尚未得到应用。

另外，计算机控制技术在感应加热淬火中应用远不如国外那样成熟，例如自动识别进机零件、不合格零件自动剔除；工艺参数跟踪及偏离给定值修正等。

在感应器制造技术、感应器快换、导磁体材料与利用、冷却水循环系统、淬火介质研究与应用等方面也有相当大的差距。

感应加热技术近年来的进展无论是设备制造还是工艺革新均有长足的进步。

国内感应加热技术的发展，起步于上世纪电源设备的制造，接着感应淬火工艺装备也紧随其后。

现在国内感应淬火工艺装备制造业也日益扩大，产品品种多原来需要进口的装，逐步被国产品所取代，在为国家节省外汇的同时，也发展了国内的相关企业。

目前感应加热制造业的服务对象主要是汽车制造业，今后现代冶金工业将对感应加热有较大需求，应予注意。

从高起点出发，国内进口一些先进的感应加热装备是必要的。

据不完全统计，对外开放以来，我国已进口各种感应加热电源与淬火机床达100套以上，这些分别来自德、美、英、法、日、意、西班牙、比利时、俄罗斯的装备，各有所长。