高频感应焊接

高频感应焊接
021100849 翁丽玉
摘要：阐述了高频感应加热焊接的发展、原理和特点，，分析了高频感应焊接设备中的主要结构参数，应用感应加热的基础理论提出了根据零件加热要求的特点选择合适的高频电源和设计优良的感应器的技术措施。

同时介绍了高频感应加热在焊接加热中的应用：感应钎焊和感应熔覆焊。

关键词：高频感应加热焊接感应圈感应钎焊熔覆焊
1 高频感应焊的发展
高频加热已经广泛应用于金属的热处理、熔炼、焊接等方面。

感应焊是利用交变磁场一电场感应场中工件上的涡流效应加热工件，使工件熔化，从而实现焊接的一种方法。

焊接设备由交流电源和感应加热圈组成。

交流电源按其频率不同分为高频和中频，高频电源由于频率高，加热迅速，应用广泛。

感应圈是感应加热设备的重要元件，交流电源的能量是通过它传递给焊件而实现加热的，通常用紫铜管制作，工作时管内通水冷却。

感应圈可以根据不同的需要设计成合理的结构，对于保证焊接质量和提高生产效率有重大的影响，常见的结构形式有单式、多螺管式、扁平式、外热式、内热式等。

感应加热电源早在20世纪50年代就已经出现，当时主要有：工频感应炉、中频发电机组、电子管振荡器式高频电源。

20世纪50年代末硅晶闸管的出现引发了感应加热电源技术的一场革命，感应加热电源及其应用得到了飞速的发展。

到20世纪80年代，IGBT开关器件的发明使感应电源的频率可高达100kHz，功率达MW级。

2 高频感应加热原理和特点
2.1高频感应加热原理
将工件放入感应器（线圈通常使用紫铜管制作而成）内，当感应器通入一定频率的交变电流，周围即产生交变磁场。

交变磁场的电磁感应产生即性瞬间变化的强磁束，将金属等被加热物体放置在感应圈内，磁束就会贯穿整个被加热物质，在被加热物质内部与加热的电流相反的方向产生很大的涡电流，由于被加热物质内的电阻产生焦耳热，使物质本身的温度迅速上升，这就是感应加热的原理。

感应加热原理图
高频感应加热是利用高频感应设备产生的高频磁场在磁导材料表面的法拉第电磁效应和焦耳效应在材料表面产生涡流，利用涡流产生的热能加热材料。

在线圈的交变磁场中导体内
所产生的感应电流(单位：A)为
式中B为磁感应强度(单位：T)；S为工件受磁场作用的横截面积(单位：cm2)；ƒ为交流电频率(单位：Hz)；N为感应线圈的匝数；Z为工件的阻抗(单位：Q)。

2.2高频感应加热特点
表面效应（集肤效应）：由于焦耳效应，涡流在金属材料中产生的热与金属的电阻、感应电流的关系式为Q=I²RT由此可知，产生的热量Q与频率门的平方成正比，所以高频感应
的频率越高，加热的速度越快。

当直流电通过导体时，电流在导体截面上的分布是均匀的，但是当交流电通过圆柱导体时，电流分布是中心密度小，越接近表面密度越大，当电流频率相当高时，导体的中心可以没有电流，而全部集中在导体的表面，这种现象称为高频电流的表面效应。

涡流是由进入工件的交变磁场引起的，而磁场从工件的表面到心部也是按指数曲线衰减的，因此，涡流的最大值集中在工件的表面，这也是表面效应。

涡流的理论透入深度
δ为：式中：ρ材料电阻率，μ为导磁率，ƒ为电流频率。

邻近效应：两邻近的导体，例如两汇流排或感应线圈与被感应应加热的零件，在有电流通过的情况下，由于电流磁场的相互作用，在导体上的电流将重新分布，这种现象被称之为邻近效应。

圆环效应：圆环形导体通入高频电流（或中频）交流时所产生的磁场在环内集中，环外分散，环内的磁通不仅穿过环外空间，同时也穿过环形导体本身，这样就使环形导体外侧交链的磁通多于内侧，于是环形导体外侧产生较大的感应电动势，迫使电流在环形导体内侧的电流透入深度中流过，这种现象称为高频电的环形效应。

在感应加热装置中，感应线圈和工件通常是同心安置，由于导体和工件上的电流方向在任一瞬间都是相反的，所以电流都集中在感应线圈的内表面和工件的外表面上，工件外表面最先受热升温
2.3感应加热的频率
用于感应加热的电源频率范围很大，可从50 赫兹到几兆赫兹，选择频率的重要依据是加热频率和温度分布，其次是考虑各种加工工艺（如淬火，焊接）对电流频率的一些特殊要求。

熔炼透热加工工艺要求加热温度均匀；而淬火要求满足淬应层深度，在此基础上，要求淬应层深度内加热温度均匀。

对于熔炼还要考虑功率和搅拌力。

再者频率高的电源较频率低的电源价格高，功率大的电源价格高，为此选择电源频率及功率成为一项技术经济指标。

2.4高频感应加热焊接的特点
(1)加热速度快、生产效率高。

高频感应加热单位功率高达500—1 000/ kW²，所以加热速度极快，大面积焊接所需时间只要几秒，可大大缩短焊接时间，提高生产率，降低生产成本。

(2)热影响区小、对基体损伤小。

高频感应加热的集肤效应使得待焊工件的加热深度很浅，甚至可以达到零点几毫米，仅仅依靠工件传热向芯部导热，工件任一点在进入感应器内时，被急剧加热到融化温度，离开感应器就进入急剧冷却状态，几乎没有保温时间，加热时间极短，所以热影响区很小，基本不会损伤基体。

另外，氧化皮生成极少，即使在空气中加热，坯料表面的氧化、脱
碳也非常少。

(3)避免或减少界面脆性化合物的形成，焊接接头力学性能优异。

由于感应加热速度快、能量集中、冷却时间短，获得的奥氏体晶粒细，所以感应加热的工件具有非常好的金相组织。

用于异种金属焊接则因加热时间极短可以减少界面脆性化合物的形成，能够有效地提高焊接接头的力学性能。

(4)实现复杂界面的焊接。

感应器加热头可以根据不同工件的加热需要设计成相应的形状，而极短的加热时间能够实现局部加热，加热区温度迅速建立，温度过渡区较窄，这样感应器能够沿着复杂界面移动从而实现复杂界面的焊接。

另外，高频感应加热焊接还具有节能、可重现性、易于自动化生产等优点。

不足之处是加热温度不易准确控制，且产生的电磁场对人体危害较大。

3 高频感应加热设备
高频电源和感应加热器组成。

要获得理想的接头，首先就要选择优良的电源和感应器。

3.1高频感应电源
目前高频感应电源主要为IGBT、MOSFET等类型电源，感应设备向微型化、模块化、集成化方向发展。

国内外生产感应电源公司很多，其中，美国AMERITHERM公司,RF 电源很有特色。

3.2感应圈设计
感应加热是利用感应器进行的，感应器的形状及其与工件之间的相互位置，强烈地影响着工件的加热质量和效率。

因此，要求感应热处理工作者对感应器的形状和尺寸作出精心的设计和选择。

在选择感应其形状结构与尺寸时，必须注意考虑以下因素：
①工件被加热部分的形状、尺寸和位置，确定感应器的类型、有效导体的形状和尺寸以及附属夹具的形状等。

②感应加热电流的频率，确定感应器载流导体的厚度。

③感应加热电源的功率容量和电压等级等，确定感应器的最大电流密度和阻抗大小，进而确定感应器的结构形式和冷却方法（冷却水和淬火介质）。

3.3感应器形状参数的选择
感应器的形状参数如图1所示。

①间隙α
间隙是指有效圈内表面至零件侧表面之间的距离，常用α来表示。

间隙是感应器设计中的一个重要参数。

由感应加热原理可知，α越小，感应器效率越高。

有资料介绍，当α增加1 倍时，输送给零件的功率下降58.3%；α增加2倍时，功率下降75%。

间隙增大从而降低感应器效率的重要原因是漏磁通增加，感应加热的能量就是靠磁通传递的。

间隙也不能太小，其原因有三个：第一，间隙太小，将增加零件对感应器的磨损；第
二，间隙太小，将造成零件与感应器之间打火放电，将零件和感应器打坏或烧熔；第三，间隙太小，在零件淬火时易产生点状裂纹，增大间隙，裂纹情况则明显好转。

间隙α的具体数值应根据工件的具体形状及加热要求确定。

②有效圈厚度b
有效圈厚度的选择要考虑以下几种因素：电流在有效圈中的透入深度；有效圈要有足够的强度，保证在电磁力及零件和附属重力作用夹具下不变性，不损坏；加热过程中的冷却情况
等。

根据上述因素可用以下两个经验公式：
③有效圈高度H i：
轴类零件中间有淬火长度L z时，有效圈的高度要大于淬火区L z，这是因为淬火加热时淬火区两端的冷金属要吸收热量，影响淬火区长度。

一般，中频感应器用式子：
H i=（1.1~1.3）L z
感应加热是利用感应器进行的，感应器的形状及其与工件之间的相互位置，强烈地影响着工件的加热质量和效率。

因此，要求感应热处理工作者对感应器的形状和尺寸作出精心的设计和选择。

在选择感应其形状结构与尺寸时，必须注意考虑以下因素：
(1)工件被加热部分的形状、尺寸和位置，确定感应器的类型、有效导体的形状和尺寸以及附属夹具的形状等；
(2)感应加热电流的频率，确定感应器载流导体的厚度；
(3)感应加热电源的功率容量和电压等级等，确定感应器的最大电流密度和阻抗大小，进而确定感应器的结构形式和冷却方法(冷却水和淬火介质)。

4 异种金属焊接的特点和方法
金属材料的品种众多，优缺点各不相同。

为了充分发挥不同材料的优势，现代工业中常常要求异种金属连接使用，这对于提高材料使用性能、有效利用金属资源具有重要意义。

铝及其合金的密度低、比强度高，加之耐腐蚀性、导电性、导热性优良，以及良好的可加工性和可回收性、储量丰富、价格便宜等特点，已成为一种重要的轻金属结构材料。

对于要求结构轻型化和低成本设计与制造的交通工具，铝合金正广泛应用于高速船舶、汽车、航空航天和其他一些金属结构。

例如高速巡逻艇和豪华游艇大多采用主船体为钢质结构，上层建筑为铝合金结构。

为了实现铝合金结构与钢结构的有效连接，对钢一铝异种金属的焊接研究具有重要的意义。

铜及其合金的高电导率和热导率、易于成型以及适当的机械性能等优良特性使其成为在工程上广泛应用的一种重要有色金属材料。

但是铜，尤其是工业纯铜，同时存在强度低、硬度低、抗氧化性差、耐磨性不高等不足，使其应用范围受到限制。

铜与钢、铜与铝等异种金属的连接使用能有效改善上述不足。

目前异种金属的连接主要包括铝一钢，铝一铜，铝一钛，铜一钢，铜一钛等。

异种金属由于物理化学性能的巨大差异使熔化焊接困难：熔点相差悬殊；线膨胀系数、热导率和热容量相差很大，容易导致热应力而产生裂纹；界面过渡区易形成脆性的金属间化合物；有些金属如铝、钛表面容易生成难熔的氧化物膜，会在焊缝中形成夹渣。

因此，采用传统的熔焊方法难以实现异种金属的有效焊接。

目前异种金属焊接主要采用激光焊、摩擦焊、爆炸焊、扩散焊、钎焊等。

激光焊能量集中，热输入量小，冷却速度快，焊接质量较好，但设备投资巨大，难以推广。

摩擦焊和爆炸焊接头的形状受到限制。

爆炸焊采用瞬间焊接，限制了脆性化合物的生成，且界面平整、结合牢固，目前钢一铝焊接主要采用爆炸焊接。

例如，南华高速船舶工程股份有限公司制造的高速船主要采用法国Nobel爆炸公司制造的钢一铝过渡接头131。

但爆炸焊容易引起母材的变形，且生产效率低，成本高。

扩散焊工件受限且耗能耗时，效率低。

钎焊是异种金属焊接的主要方法，它可以避免异种金属因成分、性能不同造成的熔化焊接困难，焊接选择温度范围广泛，焊件的应力和变形小，可完成复杂形状、不同金属甚至金属与非金属的焊接。

缺点是焊接接头强度一般比较低。

根据钎焊方法的不同又可分为火焰钎焊、电阻钎焊、感应钎焊、炉中钎焊等。

5 高频感应焊接在异种金属焊接中的应用
目前，高频感应焊接主要用于感应钎焊和表面熔覆焊。

5.1感应钎焊
感应钎焊是依靠工件在交变磁场中产生的感应电流的电阻热使钎料熔化，液态钎料在毛细作用下填充间隙从而实现钎焊的一种方法。

高频感应加热钎焊利用高频交流电来实现钎焊。

对于磁场中要实现钎焊的两金属体，只需合理选用感应器，利用电磁的相邻效应和端部效应就能使能量集中在两金属体之间的钎焊界面。

要想获得良好的钎焊接头，必须考虑钎料的熔化、分布以及熔点的同时性，分布的均匀性，这些都与感应器和工件的匹配有关。

感应圈的形状及其与工件之间的相互位置对加热的质量和效率起着至关重要的作用，正确设计和选用感应圈的基本原则是保证焊件加热迅速，均匀。

为了提高加热效率，应尽量减小感应圈与焊件之间的距离最好不要大于2-3 toni，必要时可通过加导磁体改变磁力线状态。

感应加热电流频率的选择主要参考对焊接工件温度分布的要求和对电磁搅拌力的要求。

感应钎焊熔敷层的成形及性能受到多种因素的影响，其中工艺参数的选择是很重要的方面。

因此必须了解各主要参数对各项工艺指标的影响及其影响规律，从而能够通过合理地选择工艺参数，消除工艺故障，获得良好的熔敷层。

主要工艺参数如下：
1．线圈电流
线圈电流的大小直接影响到感应电流的大小和感应加热的速率，感应加热的速率不同便会决定熔敷层成形的好坏和效率。

由于铜的铺展需要一定的温度，只有超过此温度时液态铜才能很顺利铺展，当加热速度很快时，就会节省时间，提高生产效率，所以从这个角度来说感应加热速度越大越好，也就是线圈电流越大越好。

然而，由于是感应加热，存在集肤效应，一般都是表层很薄的一层内有电流，因此大部分热量也会集中于此，如果加热速度过快的话，就会使得表面熔敷的铜过热，从而使得铜的成形变坏。

因此线圈电流的选择是十分重要的。

2．加热时间
在线圈电流相同的情况下，加热时间决定了熔敷层的加热情况。

当加热时间过小时，工件得不到有效的加热，熔化的铜液不能均匀地铺展，甚至铜丝得不到足够的热量熔化。

当加热时间过大时，熔敷层得到了过大的热量，会出现熔敷层过热或过烧的情况，同样得不到成形良好的熔敷铜层。

因此在确定线圈电流之后，必须选择合适的加热时间与之配合。

3．工件与感应线圈的间距
在感应加热中工件与感应线圈间距的选择十分重要，由毕奥一萨伐尔定律可以知道，工件和感应线圈的相对距离会直接影响到磁场的强弱，因而其间距的选择显得十分重要。

工件与感应线圈间距过高，加热速度慢，生产效率低，且成形不好。

工件与感应线圈间距过小，容易形成电弧，产生短路，从而破坏试验的继续进行。

因此必须选择合适的工件与感应线圈间
距。

4．焊剂
在焊接过程中必须对焊接区内的金属进行保护，这是焊接化学冶金的特点之一。

同样，在感应钎焊过程中，也必须对焊接区进行保护，防止其氧化。

因此焊剂的选择显得十分重要。

焊接过程中焊剂的功能如下：
(1)溶解被焊母材表面的氧化膜。

在大气中，被焊母材表面总是被氧化膜覆盖着，其厚度大约为2×10。

9~2xlO—m。

在焊接时，氧化膜必然会阻止焊料对母材的润湿，焊接就不能正常进行，因此必须在母材表面涂敷焊剂，使母材表面的氧化物还原，从而达到消除氧化膜的目的。

(2)防止被焊母材的再氧化。

母材在焊接过程中需要加热，高温时金属表面会加速氧化，因此液态焊剂覆盖在母材和焊料的表面可防止它们氧化。

(3)降低熔融焊料的表面张力。

熔融焊料表面具有一定的张力，就像雨水落在荷叶上，由于液体的表面张力会立即聚结成圆珠状的水滴。

熔融焊料的表面张力会阻止其向母材表面漫流，影响润湿的正常进行。

当焊剂覆盖在熔融焊料的表面时，可降低液态焊料的表面张力，使其润湿性能明显得到提高。

(4)保护焊接母材表面的作用。

被焊材料在焊接过程中已破坏了原本的表面保护层。

好的焊剂在焊完之后，能迅速恢复焊材原有的保护作用。

高频感应钎焊加热速度快，加热温度范围宽，短时间局部集中加热能够有效防止接头区母材组织的粗化，特别适合于难熔异种金属的连接，而快速凝固使得焊缝组织均匀，纯净度高，物理和力学性能优良。

5.2表面熔覆焊
表面熔覆焊是在金属表面熔覆一层金属或非金属材料，以达到耐磨、耐腐蚀，改善导电导热性能以及满足特殊需要等要求，可采用激光、等离子、火焰和高频感应等进行表面熔覆。

高频感应表面熔覆一般使用平面感应器和管状外热式感应器，采用熔剂或惰性气体防氧化保护。

熔覆材料一般为合金材料，加工成粉状或膏状，除了要满足熔覆后的既定性能还要考虑其熔化后在基体上的润湿性。

高频感应熔覆焊是通过感应加热基体表面向熔覆材料传热，所以要选择合适的熔覆材料熔点，避免加热时基体温度过高造成熔深过大。

由于涂层和基体材料存在特性差异，根据感应加热中的涡流分布特点，涂层和基体界面处的涡流很大，导致界面处温度较高，所以涂层和基体的结合部位一般会生成一条白亮带，这是感应熔覆组织的一个特征。

感应熔覆的加热速度快，材料的氧化烧损少，且表面较平整。

感应熔覆是一种利用感应线圈通电产生的涡流效应来加热基体及涂覆层，使涂层在基体表面熔化，实现金属表面与涂层结合的熔覆工艺。

感应熔覆技术是非接触式的加热方式，其原理是将工件置于通交变电流的感应线圈内，在交变磁场内工件由于电磁感应效应在表面产生感应涡流，依靠涡流产生的能量对工件实现加热。

与其他的表面熔覆技术相比，感应熔覆具有如下特点：
（1）加热速度快，生产周期短。

有数据显示，感应熔覆的速度大约是激光熔覆的10倍，是氧乙炔喷焊的20倍；
（2）成本低。

采用感应熔覆技术的成本是同等厚度下电镀硬铬成本的1/2~2/3，是激光熔覆成本的2/5；
（3）对基体的热影响小，能量主要集中在工件的表面；
（4）熔覆层的厚度可控，可根据需要在工件表面熔覆一层或多层材料；
（5）环保无污染。

感应熔覆的热源为电能，加热时不产生有害气体和污染物；
（6）感应熔覆技术在规则形件的大批量生产上有巨大的优势。

6 结论
(1)高频感应焊具有加热速度快、热量集中、易于实现自动化的特点，其集肤效应使得热影响区小，对基体损伤小。

(2)异种金属连接复合使用越来越广泛，但由于物理化学性能的巨大差异导致其熔化焊接困难，高频感应独特的特性可实现异种金属的钎焊和熔覆焊，接头形成冶金结合，焊接质量高。

(3)采取适当的焊接工艺，合理控制焊接温度和时间，使用高频感应加热可实现异种金属直接的熔一钎焊。

(4)焊剂具有溶解被焊母材表面的氧化膜，防止被焊母材的再氧化，降低熔融焊料的表面张力，保护焊接母材表面的作用。

(5)感应熔覆具有加热速度快，生产周期短，熔覆层的厚度可控等特点。

参考文献：
【l】俞勇祥，陈辉明．感应加热电源的发展．金属热处理，2000(8)：22-24．
【2】邹僖，魏月贞．焊接方法及设备．机械工业出版社。

1981：56—57．
【3】赵永传高频焊管感应加热装置的技术改造【J】机电工程技术2001，(7):85-87．【4】杨再胜异种金属焊接的应用和存在的问题[期刊论文]-中国化工贸易2011,03(7)【5】李连杰，戴乐.高频感应焊接的特点及其在异种金属焊中的应用．电焊机2011,41(6)【6】万举惠.王引真程国东等.高频感应熔覆NiCrBSi涂层界面行为研究[会议论文]-2009【7】王奇娟，曲文卿．铝合金和不锈钢导管高频感应钎焊研究【J】．宇航材料工艺，2008(2)：33-35．
【8】李亚江，王娟，刘鹏．异种难焊材料的焊接及应用【M】．北京：化学工业出版社，2004．【9】逮允龙, 谷丰. 感应熔涂工艺的研究[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2003, 8 (1): 19-20. 【9】王克鸿, 徐越兰, 余进. 钢表面感应熔覆纯铜研究[C]. 第十次全国焊接会议论文集, 2001, (1): 193-196.。