[科普中国]-感应加热表面热处理

感应加热表面热处理是利用电磁感应的方法使被加热的材料的内部产生电流，依靠这些涡流的能量达到加热目的。感应加热系统的基本组成包括感应线圈，交流电源和工件。根据加热对象不同，可以把线圈制作成不同的形状。线圈和电源相连，电源为线圈提供交变电流，流过线圈的交变电流产生一个通过工件的交变磁场，该磁场使工件产生涡流来加热1。

概述感应加热是一种相当新的工艺，它之所以获得应用，主要是由于它独特的性能。当迅速变化的电流流过金属工件时，便产生集肤效应，它使电流集中于工件表层，在金属表层上产生一个选择性很高的热源。法拉弟发现了集肤效应的这个优点，发现了电磁感应这个值得注意的现象。他也是感应加热的奠基者。感应加热不要求外部热源，而是利用受热工件自身作为热源，这个方法也不要求工件与能源即感应线圈接触。其他的性能，包括可以根据频率选择不同的加热深度，根据线圈耦合设计而得到精确的局部加热，以及很高的功率密集度，或者说很高的功率密度。

原理感应加热表面淬火是利用电磁感应原理，在工件表面层产生密度很高的感应电流，迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却得到马氏体组织的淬火方法，。当感应圈中通过一定频率的交流电时，在其内外将产生与电流变化频率相同的交变磁场。金属工件放入感应圈内，在磁场作用下，工件内就会产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流。由于感应电流沿工件表面形成封闭回路，通常称为涡流。此涡流将电能变成热能，将工件的表面迅速加热。涡流主要分布于工件表面，工件内部几乎没有电流通过，这种现象称为表面效应或集肤效应。感应加热就是利用集肤效应，依靠电流热效应把工件表面迅速加热到淬火温度的。感应圈用紫铜管制做，内通冷却水。当工件表面在感应圈内加热到一定温度时，立即喷水冷却，使表面层获得马氏体组织2。

应用感应加热表面淬火具有表面质量好，脆性小，淬火表面不易氧化脱碳，变形小等优点，所以感应加热设备在金属表面热处理中得到了广泛应用。

感应加热设备感应加热设备是产生特定频率感应电流，进行感应加热及表面淬火处理的设备。

表面淬火将工件放在用空心铜管绕成的感应器内，通入中频或高频交流电后，在工件表面形成同频率的的感应电流，将零件表面迅速加热（几秒钟内即可升温800～1000度，心部仍接近室温）后立即喷水冷却（或浸油淬火)，使工件表面层淬硬。

与普通加热淬火比较感应加热表面淬火具有以下优点：

1、加热速度极快，可扩大A体转变温度范围，缩短转变时间。

2、淬火后工件表层可得到极细的隐晶马氏体，硬度稍高（2～3HRC）。脆性较低及较高疲劳强度。

3、经该工艺处理的工件不易氧化脱碳，甚至有些工件处理后可直接装配使用。

4、淬硬层深，易于控制操作，易于实现机械化，自动化1。

加工设备适于感应加热的热处理过程应充分利用这些特性，并按下列步骤设计出完整的设备。

首先，工艺要求必须与感应加热的基本特性相符。本章将叙述工件中的电磁效应、合成电流的分布和吸收的功率。根据感应电流产生的加热效应和温度效应，以及在不同的频率，不同的金属和工件形状下，温度的分布状况等这些知识，使用者和设计者，即可根据技术条件的要求决定其弃取。

第二，感应加热的具体形式，必须按是否符合技术条件的要求而确定，还应广泛掌握应用和发展情况，感应加热主要的应用趋势。

第三，感应加热的适宜性和最好的使用方法确定之后，便可设计出感应器和供电系统。

感应加热中的许多问题，与工程上的一些基本感性知识很相似，一般都是来源于实践经验。也可以这样说，如果没有对于感应器形状、电源频率和受热金属热工性能的正确理解，就不可能设计出感应加热器或系统。

感应加热的作用，在不可见的磁场影响下，与火焰淬火是一样的。例如，由高频发生器产生的较高频率（200000赫以上），一般能产生剧烈、快速和局部性的热源，相当于小而集中的高温气体火焰的作用。反之，中频（1000赫及10000赫）的加热效果，比较分散和缓慢，热量穿透较深，与比较大的和开阔的气体火焰相似1。

技术发展现代感应加热电源正朝着大功率，高频化方向发展。这对现代电力电子器件来说是一个相当大的挑战。传统的方法是采用器件串并联的方式，但这存在器件之间均流均压闲难的问题，特别是当器件串并联很多时，则需要保证精确的同步信号，以避免器件之间的环流损坏电力电子器件。但在很多情况下这很难精确保证。特别是当串并联器件较多功率等级很大时，它的优良特性可有效地减少逆变桥并联之间的环流，通过参数设计可以均衡各桥的功率分配，降低器件的损耗，从而有效地解决了逆变桥并联中出现的一些问题，有利于感应加热电源多桥并联，提高输出功率和可靠性。

LLC谐振负载最大的优点是有利于感应加热中的多机并联，它不需要在逆变器之间附加任何元件，即使各桥的信号延时角度很大也能保证系统止常工作，抑制各桥之间的环流，调节各逆变器的输出功率。

随着感应热处理生产线自动化控制程度及电源高可靠性要求的提高，必须加强加热工艺成套装置的开发。同时感应加热系统正向智能化控制方向发展，具有计算机智能接口、远程控制和故障自动诊断，小型化，适合野外作业，高效节能等控制性能的感应加热电源系统正成为未来的发展目标2。

本词条内容贡献者为:

邱学农 - 副教授 - 济南大学