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1、高、中频感应加热淬火炉的工程设计方法田志明 张利元 王玉摘 要：本文主要论述了电磁感应加热在金属零件淬火热处理中的应用，叙述了零件感应淬火的工程规范，整个设备特别是高频电源的工程设计方法，对高频电源加热装置主要的元器件和负载进线了一定的论述。关键词：感应加热 淬火 高频电源 金属热处理1 引言高、中频感应加热电源装置多用于机器金属零部件的热处理，大量应用于汽车和其它机器制造业。实践表明，感应热处理是最经济、最节能的热处理方法。 金属热处理杂志1987 年就报导了我国某地区单项热处理工序能耗综合测定结果：在 13 项各种热处理工艺的耗能数值比较后，高中频感应淬火耗能数值低到 220 倍。在热处理
2、生产中能耗占可变成本的 80，因此感应热处理节能的经济效果是十分显著的。感应热处理加热速度快，能获得细化或超细化的奥氏体晶粒。感应加热的零件升温速度可以达到 200/s，甚至更高，因此其奥氏体晶粒更为细小。淬火后得到细致的马氏体组织，再经回火得到高度弥散的回火组织，由于晶界的强化作用，使零件的强度与韧性得到提高。感应加热表面淬火的零件，由于淬火层中马氏体比容增大，能形成相当大的残余压应力，其最大值可达 539784MPa，实践证明零件的疲劳强度与其表面压应力值有明显的对应关系，即压应力大，疲劳强度和疲劳寿命提高。感应加热金属零部件淬火处理目的是增加其表面硬度，原理是：把工频电能转化为高频交变电
3、流，并输入线圈中，在线圈内部及周围产生一个交变磁场，置于线圈内部的金属工件就被交变磁场的磁力线所切割，于是在铁磁材料的工件上产生感应电动势 E，并在电动势作用下零件内出现涡流，涡流强度表面最大，由理论计算得知，电流透入深度层内所发生的热量占涡流发热总量的 86.5。由表面向心部按指数曲线衰减，这就是表面层被淬火热处理的过程。图 1 感应淬火装置图 a) 轴承淬火 b) 齿轮淬火 c) 工件淬火图 2 工件淬火照片2 感应热处理工艺规范感应热处理工艺规范制定包括：频率选择，加热方法和加热功率的确定，加热时间或连续淬火移动速度的选择，冷却介质和冷却参数的选择等。这里主要说明频率和功率的选择方法。(
4、1) 电流频率的选择电流的频率决定加热透入深度，工件的加热方式、淬火质量和感应器设计。不同频率的电流在钢中的透入深度是不同的，频率越高电流透入深度越浅，频率越低透入深度越深。具体参考表 1表 1 各种频率的电流热透入深度（钢）频段 高频 超音频 中频频率（Hz）500800 300500 200300 100200 3040 8 4 2.5 1透热深度（mm）0.70.56 0.90.7 1.10.9 0.70.5 2.92.5 5.6 0.79 10 15.8表 2 各种硬化层深度所需的电流频率（钢）透热深度（mm）1 1.5 2 3 4 5 6 8最高频率（kHz）250 110 62.5
5、 27 15.6 10 7 3.9最低频率（kHz）15 6.7 3.75 1.7 0.94 0.6 0.42 0.23最佳频率（kHz）60 27 15 6.7 3.8 2.4 1.7 0.94为保证良好的感应加热表面淬火质量，一般是硬化层 Ds 小于电流透热深度 ，常80C选8012sCD圆柱形零件表面淬火时，硬化层 Ds 与频率 f 之间的关系可用下面的公式计算：最高频率 max25sf最低频率 ax210sfD最佳频率 max26sf式中 Ds硬化层深度(mm)。除此之外，零件直径、硬化层深度和电流频率也有关系。表 3 零件直径、硬化层深度和电流频率关系（钢）电流频率（kHz）硬化层深
6、度(mm)零件直径(mm) 1.0 3.0 10 20200 2000.41.3 625 好 好1116 中 好 好1625 中 好 好 好2551 好 中 中1.32.551 中 好 好 差 差1951 好 好 差 差50100 好 好 中2.65.1100 好 中 差(2) 功率密度与加热淬火的最大面积比功率亦称功率密度，是感应加热表面淬火的一个重要参数。它表示单位时间向零件单位加热面积上输送能量的大小，即，kW/cm 2。在同一频率条件下，功率密度的大小决定了感应加热速度的快慢。在合适的功率密度情况下，零件才能实现表层加热和快速加热。它对硬化层形成的影响，有时超过频率的影响。物理意义指
7、1cm2 的钢由 20缓慢加热到900950奥氏体转变温度所需要的热量为 5.667kJ。对应所需功率 05.67sDPt（kW/cm 2） 。实际加热时，零件功率密度有个效率问题，即， （kW/cm 2） ，0jpgLS式中 功率表指示值；jP淬火变压器效率，一般取 0.8；j淬火感应器效率，一般取 0.8。g上式可以得到变频电源设备额定功率和同时加热淬火和连续加热淬火的最大面积之间的关系为： 。max0inEpgPS变频电源的额定功率（kW） ；E功率密度的最小值（kW/cm 2） 。0minP(3) 时间与速度加热淬火时，加热时间一般为 26 秒就完成了相变过程，升温速度为 150500
8、/s，这时相变点肯定提高。加热时零件旋转有利于均匀加热。冷却介质根据淬火工艺要求确定。3 变频电源设计高频电源过去基本是由电子管作为主要逆变电路的开关器件，目前仍然在工厂使用，近些年，逐步被电力电子高频开关器件有逐步取代的趋势。取代慢的原因，目前的电路电子高频开关器件功率不够大。功率大的开关器件频率又不够高。超音频电源装机一般选IGBT ，高频电源装机选 SIT，MOSFET 等开关功率器件。（1） 变频电源框图图 3 感应淬火装置原理框图a) 串联逆变谐振主电路b) 并联逆变谐振主电路图 4 由 IGBT 组成的超音频变频电源 （2） IGBT 的英文全称是 Insulated Gate B
9、ipolar Transistor，即绝缘栅双极型晶体管。传统的双极型功率晶体管具有耐压高、导通压降低等特点，但是开关速度比较慢，不适合高频应用场合;而功率 MOSFET 虽然有很快的开关速度，但是其耐压和电流容量较小。 IGBT综合了双极型功率晶体管高耐压、导通压降低的特点和功率 MOSFET 的开关速度快特点，是一种适合于中、大功率应用的电力电子器件，目前已成为应用最广泛的电力电子器件之一，IGBT 在感应加热变频电源的应用，越来越普遍。主要占据着 10KHz60kHZ，几百到一千多 kW 的电源装机。图 4 是感应加热电源的两种主要线路。IGBT 的选择主要有三个方面需要考虑：额定电压、
10、额定电流和开关速度。选用 IGBT时，首先根据电路中开关器件的电压、电流应力，确定 IGBT 正常工作需要的电压、电流容量。IGBT 为电压型控制器件，其驱动和保护电路要完善。IGBT 集成驱动芯片较多，以富士公司生产的 EXB 系列 IGBT 集成驱动芯片为例，EXB 系列集成芯片分为标准系列与高速系列。标准系列芯片的 IGBT 开关频率上限为l0kHz，高速系列芯片的 IGBT 开关频率上限为 40kHz。标准系列有 EXB850 和 EXB851，高速系列有 EXB840 和 EXB841。单相逆变器功率一般适合于数百瓦到数千瓦范围的应用，而三相逆变器一般适合于数干瓦到数百千瓦，甚至数千
11、千瓦范围的应用。当 IGBT 模块用于开关大容量变频器等大电流时，有时将器件并联使用。器件并联使用时，重要的是在设计时要使并联连接的器件中通过等量的电流。一旦电流失去平衡，有可能由于电流集中流过单个器件而损坏器件。a) 功率 MOSFET 组成的高频电源主电路 b) SIT 器件组成的高频电源主电路图 5 感应加热高频电源（3）由功率场效应晶体管(简称，功率 MOSFET)，作为高频电源逆变开关管的主电路见图 5 中 a)。 功率 MOSFET 的问世，打开了功率半导体高频应用的大门。功率 MOSFET主耍应用在电压低于 600V、功率从数百毫瓦到数干瓦的场合。功率 MOSFET 至今仍是发展
12、最迅速的功率器件，减少其通态电阻仍是今后功率MOSFET 主要研究方向，长期以来没有太大的突破。MOSFET 没有二次击穿，可谓最易使用的功率开关器件，它在低电压中小功率电源、固体开关等中得到广泛的应用。功率 MOSFET 的电流容量通常不是很大，因此在需要流过大电流的场合，就得多个功率 MOSFET 并联起来使用。功率 MOSFET 正好具有优越的可并联特性，可以多个器件直接并联使用，在并联应用中，不会出现电流集中某一只器件而导致该器件损坏是其突出优点。这是因为功率 MOSFET 的通态电阻具有正的温度系数，当某一只 MOSFET 的漏极电流增加时，由于导通损耗增加会导致其结温上升，结温上升
13、导致通态电阻增大，漏极电流会自然减小。因此并联使用的功率 MOSFET 可以实现自然均流。功率 MOSFET 虽然比较适合于并联使用，在实际使用中，为达到满意的效果，通常采用一些保护措施：如， 防止过电压首先是栅-源间的过电压保护。 防止过电流负载。 防止过热温度太高。 防止静电击穿等。由于功率 MOSFET 具有一定的输入电容，很容易吸收静电荷，而且功率 MOSFET 输入阻抗很高，难以泄放电荷，因此容易引起静电击穿。功率 MOSFET 电源装机中，常用集成 PWM 控制芯片，如 UC3525 电压型 PWM 控制芯片；UC3842 电流型 PW M 控制芯片等。（4）静电感应晶体管（SIT
14、）组成逆变电路的高频电源见图 5 的 b） 。静电感应晶体管（SIT）及静电感应晶闸管（ SITH）是两种结构与原理有许多相似之处的高频大功率电力电子器件，是利用静电感应原理控制工作电流的功率开关器件。SIT 和 SITH 具有功耗低、开关速度高、输入阻抗高、可用栅压控制开关的优点，在感应加热的高频段作大功率逆变电源装置，有很大的优势。静电感应晶体管（Static Induction Transistor）简称 SIT，从 20 世纪 70 年代开始研制，发展到现在已成为系列化的电力电子器件。它是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率大，输入阻抗高，开关特性好，热稳定性好以及抗幅射能力强等优点
15、。 现已商品化的SIT 可工作在几百 kHz，电流达 300A，电压达 2000 V， 已广泛用于高频感应加热设备（如 200 kHz、 200 kW 的高频感应加热电源）中。静电感应晶闸管（Static Induction THyristor）简称 SITH。 它属于双极型开关器件，自1972 年开始研制并生产，发展至今已初步趋于成熟，有些已经商品化。与 GTO 相比，SITH 有许多优点，比如通态电阻小，通态压降低，开关速度快，损耗小， di/dt 及 du/dt耐量高等，现有产品容量已达 1000 A/2500 V、2200 A/450 V、400 A/4500 V，工作频率可达 100 kHz 以上。它在直流调速系统、高频加热电源和开关电源等领域也发挥着重要作用，但制造工艺复杂、成本高是阻碍其发展的重要因素。 4 高（中）频淬火变压器（1） 作用及种类高（中）频淬火变压器是连接变频电源与感应器-零件系统负载间，必不可少的关键电气元件之一。完成变频电源阻抗与感应器-零件系统负载阻抗相匹配，电源与加热负载相隔离，功率传输过程进行电压、电流变化等功能。高（中）频淬火变压器和一般变压器原理相同，但因运行频率较高，结构有其独特的地方，一般均要水冷。组成：铁氧体或铁芯，初级绕组，次级绕组，端部接线板，框架和水冷
