Среди основных технологических процессов, используемых при производстве разнообразных деталей из металлов и их сплавов, особое место занимает термообработка. Благодаря ей, изменяется внутренняя структура материала и, как следствие, изделия приобретают необходимые физические и механические свойства. В последнее время для этих целей все чаще стали применять ТВЧ установки индукционного нагрева, которые позволяют быстро и контролируемо нагревать заготовку до требуемой температуры бесконтактным способом, без участия каких-либо внешних источников конвективной или лучистой энергии.
В этой статье будут рассмотрены некоторые технические аспекты установок индукционного нагрева, их конструкция и принципы работы, которые делают такое оборудование незаменимым в современном производстве. Здесь нужно подчеркнуть, что для достижения высоких результатов каждый шаг имеет значение – от понимания тонкостей процесса термообработки до грамотного выбора оборудования.
В основе работы установок индукционного нагрева лежит закон электромагнитной индукции, открытый в 1831 году Майклом Фарадеем. Согласно ему, если металлическую заготовку поместить в индукционную катушку или разместить ее в непосредственной близости, то после подачи переменного электрического тока, в катушке (индукторе) возникает переменное магнитное поле, которое, воздействуя на заготовку, возбуждает в ней большое количество вихревых токов (токов Фуко). Здесь вступает в силу еще один закон, сформулированный в 1842 году, практически одновременно, английским ученым Джеймсом Джоулем и российским физиком Эмилем Ленцем. Согласно ему, величина нагрева проводника пропорциональна его сопротивлению и силе протекающего тока (в нашем случае – вихревых токов). Таким образом, после помещения металлической детали в индуктор, она нагревается до температуры, прямо зависящей от энергии магнитного поля и его частоты. При этом теряет часть энергии нагрева теряется на конвективный и лучистый теплообмен.
Существует еще один фактор, способствующий быстрому индукционному нагреву металлического объекта до определенной температуры (точка Кюри ≈ 760°C) – эффект перемагничивания объемных ферромагнитных областей (доменов) металла, помещенного в магнитное поле. По достижении точки Кюри влияние ферромагнитной составляющей нагрева скачком снижается до минимума и дальнейший нагрев осуществляется исключительно за счет вихревых токов. А магнитная проницаемость уже нагретой области металла становится равна магнитной проницаемости вакуума. таким образом, нагрев начинает проникать все глубже в толщину металла. К таким материалам относится железо, никель, кобальт, некоторые сплавы марганца и хрома, а также отдельные редкоземельные металлы.
Что касается того, как распределяется тепло внутри металлического образца при индукционном нагреве, то здесь следует ближе рассмотреть вихревые токи, возбуждаемые переменным магнитным полем посредством индуктора. Дело в том, что вихревые токи изменяются с той же частотой, что и переменный ток в индукционной катушке. Одновременно с этим, сами вихревые токи также генерируют свое магнитное поле, которое вытесняет их ближе к поверхности заготовки. В результате, в зависимости от частоты генерации, токи Фуко перемещаются в поверхностный слой металла толщиной 0,1-10 мм, а нижерасположенные слои материала разогреваются только благодаря своей теплопроводности. При этом, чем выше частота переменного тока в индукторе, тем меньше глубина горячего проникновения генерируемого индукционного поля.
В первую очередь необходимо отметить, что любая индукционная установка для нагрева и обработки металла имеет несколько основных функциональных узлов: преобразователь частоты (генератор), индуктор (катушка индуктивности) и система охлаждения.
Основное назначение преобразователя частоты или генератора – преобразование тока промышленной частоты в высокочастотный переменный ток, который затем подается на индукционную катушку (индуктор) для возбуждения магнитного поля с необходимыми параметрами. Как правило, такое устройство должно обладать способностью регулировать частоту выходного переменного тока, подстраивая ее в резонанс с колебательным контуром, что необходимо для эффективной работы установки.
Виды генераторов:
Индукционные катушки или индукторы служат для возбуждения переменного магнитного поля, позволяющего индуцировать множественные вихревые токи в обрабатываемой металлической заготовке, что приводит к ее интенсивному нагреву. Эти устройства используются при проведении разнообразных технологических процессов – плавки, пайки, контролируемой деформации, отпуска и закалки.
Существует большое количество различных индукторов и каждый из них предназначен для конкретных целей. Можно с уверенностью сказать, что установок индукционного нагрева существуют десяток разновидностей. А вот индукционных катушек к ним приходится изготавливать тысячи разновидностей. И с этой задачей уже много десятилетий с успехом справляются инженеры компании "МОСИНДУКТОР"!
Ниже приведены некоторые конструкции индукционных катушек:
Системы охлаждения в установках индукционного нагрева играют важную роль в поддержании работоспособности электронного оборудования и безопасности его эксплуатации. К основным видам системы охлаждения относятся:
Нужно сразу сказать, что поверхностная закалка является одним из техпроцессов термической обработки металлов, в которых непосредственно задействуется индукционный нагрев. Она производится для придания поверхностному слою изделия высокой прочности и необходимой твердости с сохранением пластичной сердцевины, посредством специального оборудования, например, установки индукционного нагрева IHM.
Грамотно подбирая марку стали, рабочую частоту генерации, температуру и длительность нагрева, а так же интенсивность охлаждения, можно изготовить детали со свойствами, полностью соответствующими техническому заданию. В частности, температура, обеспечивающая наибольшую твердость, зависит от скорости нагрева и химического состава конкретной марки стали. При скоростях индукционного нагрева (50-500° С/с) для углеродистых и среднелегированных марок стали эта температура составляет в среднем 900°C. Кроме того, значение частоты переменного тока в индукторе выбирают, исходя из требуемой глубины закаленного слоя. Например, для глубины в 5 мм необходимо установить частоту 10 кГц, а для глубины 2 мм следует поднять частоту до 80 кГц.
|
Частота генерации, кГц |
Глубина холодного проникновения, мм |
Глубина горячего проникновения, мм |
|
1 |
1,1 |
17 |
|
2,5 |
0,67 |
11 |
|
4 |
0,56 |
8,4 |
|
8 |
0,39 |
5,9 |
|
10 |
0,34 |
5,3 |
|
50 |
0,2 |
3,1 |
|
100 |
0,11 |
1,7 |
|
1000 |
0,034 |
0,5 |
Глубина холодного и горячего проникновения индукционного нагрева в Сталь 45
Ключевой элемент закалочной установки – индуктор, он во многом определяет качество закалки и энергоемкость процесса. Форма и конструкция этого устройства зависит от вида обрабатываемой поверхности, которая может быть: внешней цилиндрической; плоской; внутренней цилиндрической или сложносоставной.
Для закалки внешней поверхности цилиндрических заготовок используются наружные катушки, отличающиеся высоким КПД. При этом, для большей равномерности прогрева, обрабатываемый объект: ось или шестерня вращают со скоростью 30-100 об/мин.
Некоторую сложность вызывает закалка заготовки с плоской поверхностью, так как, по причине замкнутости линий магнитного поля, всегда есть участки, где плотность вихревых токов равна нулю. Обычно непрерывный слой закаливания можно получить посредством безостановочного либо возвратно-поступательного движения петлевого индуктора или путем слияния прогретых зон за счет внутренней теплопроводности.
Оптимальным для закалки плоских поверхностей является использование концентратора магнитного поля "Ферроксон". Он позволяет эффективно концентрировать магнитное поле на необходимой стороне индуктора.
Подробности использования Ферроксона
Такие индукционные установки называются КУЗНЕЧНЫЕ НАГРЕВАТЕЛИ. Они используются для длительного прогрева металлических заготовок под пластическую деформацию, например, прессование; объемную штамповку; волочение; прокатку; ковку и гибку. Кузнечные нагреватели служат для получения требуемой температуры металла с заданной допустимой неравномерностью по всему объему заготовки. Для большинства марок сталей эта температура находится в пределах 1100-1250°C.
В установках сквозного нагрева наиболее часто применяются овальные, щелевые или цилиндрические индукторы. Заготовки прямоугольной формы нагревают в овальных и редко в щелевых индукторах, а для цилиндрических деталей могут использоваться все три типа, при этом, в овальных катушках тела цилиндрической формы могут размещаться как вдоль, так и поперек оси индуктора. Нужно отметить, что конструкция и технические характеристики установки во много зависят от типа индуктора.
Подробнее о конструкции индукционных кузнечных нагревателях можно прочитать по ссылке
К таким индукционным установкам предъявляются жесткие требования в отношении безотказности и надежности – выход из строя любого узла установки неминуемо приведет к полной остановке высокоскоростного сварочного стана, т.е. к большим финансовым потерям. Высокая надежность и стабильность работы обеспечивается использованием высококачественных компонентов, блочным исполнением, эффективной системой охлаждения и быстродействующей защитой.
Говоря о возможностях такого оборудования, можно привести в качестве примера индукционную установку ППЧ-1-12, с помощью которой можно осуществлять одно или двухшовную сварку металлических труб, имеющих диаметр 20-530 мм и толщину стенки 3-10 мм. Кроме того, высокочастотная сварка эффективно применяется для стальных или алюминиевых оболочек кабелей телеметрии и связи. Она позволяет значительно снизить себестоимость кабельной продукции и отказаться от свинцовых оболочек. Еще одно применение высокочастотных сварочных установок – шовная сварка биметаллических полос и проволоки, незамкнутых профилей и т.п.
Подробнее о мощных СВЧ установках на MOSFET транзисторах для сварки труб читайте здесь
Использование индукционной установки, как правило, экономически выгодно, если пайка производится среднеплавкими припоями с содержанием серебра, меди, латуни или специальными сплавами с температурой плавления в пределах 400-1200°C. Индукционная пайка за счет колебания припоя и флюса с частотой генерации, дает самое прочное соединение паяемых деталей. Главной задачей при выполнении индукционного нагрева при пайке является получение требуемой температуры соединяемых деталей и припоя непосредственно в зоне пайки. При этом, припой обычно нагревается от соединяемых частей, чтобы он хорошо растекался и заполнял собой шовное пространство, к нему в процессе разогрева добавляется флюс. В качестве индукционных установок для пайки малых форм выбирают маломощные генераторы с рабочей частотой 500-800 кГц, мощностью 3,5-5 кВт, а для более крупных деталей, с частотой 5-30 кГц и мощностью 50-100 кВт.
Подробнее про СВЧ установки
В данной статье были рассмотрены физические принципы, лежащие в основе функционирования установок индукционного нагрева, их ключевые узлы и широкий спектр применений. Некоторые разделы были написаны по совету экспертов. При этом они настоятельно рекомендуют: перед тем, как купить какую-либо установку индукционного нагрева, необходимо ознакомиться со спецификой процессов, при проведении которых она будет использоваться, в противном случае такое приобретение станет лишней тратой денег и сил.
И конечно же обязательно проконсультироваться со специалистами, имеющими громадный опыт в использовании и ремонте индукционных установок. За десятки лет работы компания "МОСИДУКТОР" поставила и отремонтировала клиентам много тысяч индукционных установок для многих стран СНГ. Мы так же занимаемся разработкой технологии индукционного нагрева и передаем свои наработки клиентам бесплатно.
Подробнее читайте о работе нашей сервисной службы здесь
Автор статьи директор компании «Мосиндуктор»
© 2025 Кучеров Вячеслав Васильевич
Авторские права защищены.
Гарантируется судебное преследование
за размещение статьи или ее части
на любом сайте кроме mosinductor.ru
Примечание: Допускается использование студентами для дипломных и курсовых работ.
