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现代高频技术的三种发展模式

时间:2016-04-02 13:02作者:万领高频点击:
                                                                    ——无锡电炉厂有限责任公司  (张就坤 )
   高频技术是使金属物体自身发热,瞬间达到所需温度的方法。即在规定时间内,物体的温升对于设备来说,就是单位时间内它给工件的能量被吸收了多少;对于电源参数来说,就是功率、电流、电压改变了多少,如何改变。这种改变必须根据工艺要求,设定为程序化,并且这个过程是可控制的,这就是高频电源技术。这几个因素的排列与组合就是高频加热技术。它可以整体加热,更主要的是可以实现局部加热,这是一种加热方式额革命,更是一种节约电能的加热技术。
  1. 金属性能的改变需要不同的高频技术
    1. 表面硬度由加热温度决定,而加热温度由设备功率决定,设备功率由电压、电流所决定,因此功率大小会直接影响金属表面硬度。故选择什么样的电源功率比会直接影响表面硬度,当然金属表面硬度也与化学成分、冷却速度、冷却介质有关。
    2. 淬火层深度基本上由电源工作频率决定,大致包含多深、多宽及什么样的形状,当然也与感应器的结构形状有关。
    3. 影响金相组织的因素最主要取决于何种类型的高频电源,如电子管高频电源(瓦特型高频电源)、并联式IGBT固态电源(安培型高频电源)、串联式IGBT固态电源(伏特型高频电源)。实践告诉我们,不同的加热速度决定了不同的金相组织。
  2. 高频技术的优势
    1. 表面淬火  可以替代渗碳、调质和氮化等工艺。
    2. 局部淬火  能够实现仅对工件的局部进行热处理。
    3. 节能热处理  相比渗碳、调质和氮化具有很大的优势,特别当淬火部位与整体质量之差越大时,优势越明显。
    4. 快速热处理  单位加热最短时间为0。5S,并实现在线加工。
    5. 清洁热处理   所用淬火冷却介质一般为水或含添加剂的水溶液,工作环境好。
    6. 便于机械化及自动化  大批量生产时可配备上下料机构、温度监控、能量控制和机械手操作等。
  3. 高频技术的发展前景
现代感应加热技术正得到广泛应用。从传统的高频热处理(金属的局部或整体淬火、退火、回火、正火),高频焊接(各种金属制品钎焊、刀具/刀片/锯片/锯齿的焊接、钢管/铜管焊接,以及同种异种金属焊接)与高频介质的加热(瓶口热封、牙膏皮热封、粉末涂装、医疗器械和五金工具包装等)三大领域,拓展为热成型(整体锻打、局部锻打、热镦、热轧等透热工艺),以及金属盒稀有金属熔炼(黄金、锗提纯)等其他应用(蒸发镀膜、热配合、金属植入塑料、单晶硅生长等)。
  1. 高频技术三种发展模式的联系与区别
感应加热电源是实现感应加热技术的关键设备之一。按功率器件与振荡方式来分,可分为电子管高频电源(瓦特型)和晶体管(IGBT)感应加热电源,其中IGBT感应加热电源可分为并联型和串联型两种。
  1. 瓦特型高频电源  工作原理如图1所示,又称电子管高频电源,是功率调节型电源。首先经三相晶闸管调压供电给阳极变压器,再经过硅(堆)整流输出电流高压给真空管高频振荡器,产生高频电流,使高频负载在很短的时间内被加热到很高的温度,从而完成热处理。
      高频机
                图1 瓦特型电源工作原理示意
优势:在高频率,甚至超高频率、大功率方面有较宽广的适应性。在可靠性、稳定性与便捷性方面具有一定的优势;加上“调压-整流-振荡-负载”的一机化设计与新型元器件的采用,使其被广泛使用。

劣势:由于出现年代较早,其能耗大,体积大,属于高压设备,且效率偏低(最多只能达到70%)所以在某些领域已被IGBT固态电源替代,使用户可根据客观条件与需求进行选用。

  1. 安培型高频电源  工作原理如图2所示。又称并联式IGBT晶体管式高频电源,是电压调节型电源。它采用并联逆变器,L、R和C并联。首先经过三相全控整流得到整流直流电压,经过平波电抗器供给连续的不间断的电流,进入逆变桥,逆变桥由四组IGBT模板组成,完成单桥逆变,由逆变桥向负载部分提供能量。
       高频炉
           优势:采用谐振开关控制,大大降低了IGBT的开关损耗,且能实现自动跟踪谐振频率、大批量的工件处理一致性好,容易操作。
     劣势:调节输出功率的公式比较单一。当待处理工件外形变化较大时,为达到最佳阻抗匹配的效果,需要调整输出变压器的匝比。

  1. 伏特型高频电源  工作原理如图3所示,又称串联式IGBT固态高频电源,是频率调节型电源。它采用串联式逆变器,L、R和C串联。首先经过三相不控整流得到整流直流电压,经过平波电抗器供给连续的不间断的电流,进入逆变器,其由四组IGBT模块组成,完成单桥逆变,并由逆变桥向负载部分供给能量。
热处理设备
 

         图3 伏特型电源工作原理示图
优势:因工作模式的关系,设备的功率因数高,对电网干扰小,相对更节电、节水。电源损耗小,起动容易,适用于频繁起动工作的感应加热装置中。

劣势:由于工作原理的固有缺陷,在某些情况下会造成少见的电源保护困难。

  1. 高频技术三种发展模式的选择与应用
    1. 瓦特性高频电源的工作频率为30-500KHZ,主要用于比较精密的工作,如高速轴承、非标工件、空心法兰轴等细小工件,以及薄壁工件的表面淬火、内孔淬火等。
    2. 安培型高频电源的工作频率8-100KHz,主要用于齿轮高频感应淬火,以及不锈钢管在线光亮退火等。
    3. 伏特型高频电源的工作频率1-50KHZ,适用于多种金属件的金锻造,扎制前的端部或全部透热,贵重金属熔炼,以及标准件热镦等。
      6、不同高频技术的试验结果
试件名称:混凝土骨架管;试件长度:3.5m;管内径:125mm;材料:45Mn2;数量:20根;供应电源:瓦特型高频电源(GGC150-1,频率为100KHz)和伏特型高频电源(GGQC150-0.2.频率为20KHz);加热时间:13min;淬火移动速度:3mm/s;耗电:卡特型27kw.h/件,伏特型9KW.H/件;硬度:瓦特型58.3HRC,伏特型1.8mm;金相组织:如图4 、图五所示。
     送检样品经抛光腐蚀后显微镜下400倍观察,瓦特型试件组织为隐针马氏体及碳化物颗粒‘伏特型试件内壁组织为索氏体,外壁侧为网状铁素体+珠光体。

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