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。