華夏天信金屬高頻焊H型鋼 

（華夏天信金屬）高頻感應焊接 唐天經理 15222225611

摘要：闡述了（華夏天信金屬）高頻感應加熱焊接的發展、原理和特點，，分析了（華夏天信金屬）高頻感應焊接設備中的主要結構參數，應用感應加熱的基礎理論提出了根據零件加熱要求的特點選擇合適的（華夏天信金屬）高頻電源和設計優良的感應器的技術措施。同時介紹了（華夏天信金屬）高頻感應加熱在焊接加熱中的應用：感應釬焊和感應熔覆焊。

關鍵詞：（華夏天信金屬）高頻感應 加熱 焊接 感應圈 感應釬焊 熔覆焊

1 （華夏天信金屬）高頻感應焊的發展

  （華夏天信金屬）高頻加熱已經廣泛應用于金屬的熱處理、熔煉、焊接等方面。感應焊是利用交變磁場一電場感應場中工件上的渦流效應加熱工件，使工件熔化，從而實現焊接的一種方法。焊接設備由交流電源和感應加熱圈組成。交流電源按其頻率不同分為（華夏天信金屬）高頻和中頻，（華夏天信金屬）高頻電源由于頻率高，加熱迅速，應用廣泛。感應圈是感應加熱設備的重要元件，交流電源的能量是通過它傳遞給焊件而實現加熱的，通常用紫銅管制作，工作時管內通水冷卻。感應圈可以根據不

同的需要設計成合理的結構，對于保證焊接質量和提高生產效率有重大的影響，常見的結構形式有單式、多螺管式、扁平式、外熱式、內熱式等。感應加熱電源早在20世紀50年代就已經出現，當時主要有：工頻感應爐、中頻發電機組、電子管振蕩器式（華夏天信金屬）高頻電源。20世紀50年代末硅晶閘管的出現引發了感應加熱電源技術的一場革命，感應加熱電源及其應用得到了飛速的發展。到20世紀80年代，IGBT開關器件的發明使感應電源的頻率可高達100kHz，功率達MW級。

2 （華夏天信金屬）高頻感應加熱原理和特點

 2.1（華夏天信金屬）高頻感應加熱原理

   將工件放入感應器（線圈通常使用紫銅管制作而成）內，當感應器通入一定頻率的交變電流，周圍即產生交變磁場。交變磁場的電磁感應產生即性瞬間變化的強磁束，將金屬等被加熱物體放置在感應圈內，磁束就會貫穿整個被加熱物質，在被加熱物質內部與加熱的電流相反的方向產生很大的渦電流，由于被加熱物質內的電阻產生焦耳熱，使物質本身的溫度迅速上升，這就是感應加熱的原理。

 

感應加熱原理圖

（華夏天信金屬）高頻感應加熱是利用（華夏天信金屬）高頻感應設備產生的（華夏天信金屬）高頻磁場在磁導材料表面的法拉第電磁效應和焦耳效應在材料表面產生渦流，利用渦流產生的熱能加熱材料。在線圈的交變磁場中導體內所產生的感應電流(單位：A)為

式中B為磁感應強度(單位：T)；S為工件受磁場作用的橫截面積(單位：cm2)；ƒ為交流電頻率(單位：Hz)；N為感應線圈的匝數；Z為工件的阻抗(單位：Q)。

2.2（華夏天信金屬）高頻感應加熱特點

   表面效應（集膚效應）：由于焦耳效應，渦流在金屬材料中產生的熱與金屬的電阻、感應電流的關系式為Q=I2RT 由此可知，產生的熱量Q與頻率門的平方成正比，所以（華夏天信金屬）高頻感應的頻率越高，加熱的速度越快。當直流電通過導體時， 電流在導體截面上的分布是均勻的，但是當交流電通過圓柱導體時，電流分布是中心密度小，越接近表面密度越大，當電流頻率相當高時，導體的中心可以沒有電流，而全部集中在導體的表面，這種現象稱為（華夏天信金屬）高頻電流的表面效應。渦流是由進入工件的交變磁場引起的，而磁場從工件的表面到心部也是按指數曲線衰減的，因此，渦流的最大值集中在工件的表面，這也是表面效應。渦流的理論透入深度δ為：式中：ρ材料電阻率，μ 為導磁率， ƒ為電流頻率。

鄰近效應：兩鄰近的導體，例如兩匯流排或感應線圈與被感應應加熱的零件，在有電流通過的情況下，由于電流磁場的相互作用，在導體上的電流將重新分布，這種現象被稱之為鄰近效應。

圓環效應：圓環形導體通入（華夏天信金屬）高頻電流（或中頻）交流時所產生的磁場在環內集中，環外分散，環內的磁通不僅穿過環外空間，同時也穿過環形導體本身，這樣就使環形導體外側交鏈的磁通多于內側，于是環形導體外側產生較大的感應電動勢，迫使電流在環形導體內側的電流透入深度中流過，這種現象稱為（華夏天信金屬）高頻電的環形效應。

在感應加熱裝置中，感應線圈和工件通常是同心安置，由于導體和工件上的電流方向在任一瞬間都是相反的，所以電流都集中在感應線圈的內表面和工件的外表面上，工件外表面最先受熱升溫

2.3感應加熱的頻率

  用于感應加熱的電源頻率范圍很大， 可從50 赫茲到幾兆赫茲，選擇頻率的重要依據是加熱頻率和溫度分布，其次是考慮各種加工工藝（如淬火，焊接）對電流頻率的一些特殊要求。熔煉透熱加工工藝要求加熱溫度均勻；而淬火要求滿足淬應層深度，在此基礎上，要求淬應層深度內加熱溫度均勻。對于熔煉還要考慮功率和攪拌力。再者頻率高的電源較頻率低的電源價格高，功率大的電源價格高，為此選擇電源頻率及功率成為一項技術經濟指標。

 2.4（華夏天信金屬）高頻感應加熱焊接的特點

(1)加熱速度快、生產效率高。

（華夏天信金屬）高頻感應加熱單位功率高達500—1 000/ kW2，所以加熱速度極快，大面積焊接所需時間只要幾秒，可大大縮短焊接時間，提高生產率，降低生產成本。

(2)熱影響區小、對基體損傷小。

（華夏天信金屬）高頻感應加熱的集膚效應使得待焊工件的加熱深度很淺，甚至可以達到零點幾毫米，僅僅依靠工件傳熱向芯部導熱，工件任一點在進入感應器內時，被急劇加熱到融化溫度，離開感應器就進入急劇冷卻狀態，幾乎沒有保溫時間，加熱時間極短，所以熱影響區很小，基本不會損傷基體。另外，氧化皮生成極少，即使在空氣中加熱，坯料表面的氧化、脫

碳也非常少。

(3)避免或減少界面脆性化合物的形成，焊接接頭力學性能優異。

由于感應加熱速度快、能量集中、冷卻時間短，獲得的奧氏體晶粒細，所以感應加熱的工件具有非常好的金相組織。用于異種金屬焊接則因加熱時間極短可以減少界面脆性化合物的形成，能夠有效地提高焊接接頭的力學性能。

(4)實現復雜界面的焊接。

感應器加熱頭可以根據不同工件的加熱需要設計成相應的形狀，而極短的加熱時間能夠實現局部加熱，加熱區溫度迅速建立，溫度過渡區較窄，這樣感應器能夠沿著復雜界面移動從而實現復雜界面的焊接。

另外，（華夏天信金屬）高頻感應加熱焊接還具有節能、可重現性、易于自動化生產等優點。不足之處是加熱溫度不易準確控制，且產生的電磁場對人體危害較大。

3 （華夏天信金屬）高頻感應加熱設備

（華夏天信金屬）高頻電源和感應加熱器組成。要獲得理想的接頭，首先就要選擇優良的電源和感應器。

 3.1（華夏天信金屬）高頻感應電源

目前（華夏天信金屬）高頻感應電源主要為IGBT、MOSFET等類型電源，感應設備向微型化、模塊化、集成化方向發展。國內外生產感應電源公司很多，其中，美國AMERITHERM公司,RF 電源很有特色。

 3.2感應圈設計

感應加熱是利用感應器進行的，感應器的形狀及其與工件之間的相互位置，強烈地影響著工件的加熱質量和效率。因此，要求感應熱處理工作者對感應器的形狀和尺寸作出精心的設計和選擇。在選擇感應其形狀結構與尺寸時，必須注意考慮以下因素：

①工件被加熱部分的形狀、尺寸和位置，確定感應器的類型、有效導體的形狀和尺寸以及附屬夾具的形狀等。

②感應加熱電流的頻率， 確定感應器載流導體的厚度。

③感應加熱電源的功率容量和電壓等級等，確定感應器的最大電流密度和阻抗大小，進而確定感應器的結構形式和冷卻方法（冷卻水和淬火介質）。

   3.3感應器形狀參數的選擇

    感應器的形狀參數如圖1所示。

①間隙α

間隙是指有效圈內表面至零件側表面之間的距離，常用α來表示。間隙是感應器設計中的一個重要參數。由感應加熱原理可知，α越小，感應器效率越高。有資料介紹，當α增加1 倍時，輸送給零件的功率下降58.3%；α增加2倍時，功率下降75%。

間隙增大從而降低感應器效率的重要原因是漏磁通增加， 感應加熱的能量就是靠磁通傳遞的。間隙也不能太小，其原因有三個：第一，間隙太小，將增加零件對感應器的磨損；第二，間隙太小，將造成零件與感應器之間打火放電，將零件和感應器打壞或燒熔； 第三， 間隙太小，在零件淬火時易產生點狀裂紋，增大間隙，裂紋情況則明顯好轉。間隙α的具體數值應根據工件的具體形狀及加熱要求確定。

②有效圈厚度b

有效圈厚度的選擇要考慮以下幾種因素：電流在有效圈中的透入深度；有效圈要有足夠的強度，保證在電磁力及零件和附屬重力作用夾具下不變性，不損壞；加熱過程中的冷卻情況等。根據上述因素可用以下兩個經驗公式：

③有效圈高度Hi：

軸類零件中間有淬火長度Lz時，有效圈的高度要大于淬火區Lz，這是因為淬火加熱時淬火區兩端的冷金屬要吸收熱量，影響淬火區長度。一般，中頻感應器用式子：

Hi=（1.1~1.3）Lz

感應加熱是利用感應器進行的，感應器的形狀及其與工件之間的相互位置，強烈地影響著工件的加熱質量和效率。因此，要求感應熱處理工作者對感應器的形狀和尺寸作出精心的設計和選擇。在選擇感應其形狀結構與尺寸時，必須注意考慮以下因素：

(1)工件被加熱部分的形狀、尺寸和位置，確定感應器的類型、有效導體的形狀和尺寸以及附屬夾具的形狀等；

(2)感應加熱電流的頻率，確定感應器載流導體的厚度；

(3)感應加熱電源的功率容量和電壓等級等，確定感應器的最大電流密度和阻抗大小，進而確定感應器的結構形式和冷卻方法(冷卻水和淬火介質)。

4 異種金屬焊接的特點和方法

金屬材料的品種眾多，優缺點各不相同。為了充分發揮不同材料的優勢，現代工業中常常要求異種金屬連接使用，這對于提高材料使用性能、有效利用金屬資源具有重要意義。

鋁及其合金的密度低、比強度高，加之耐腐蝕性、導電性、導熱性優良，以及良好的可加工性和可回收性、儲量豐富、價格便宜等特點，已成為一種重要的輕金屬結構材料。對于要求結構輕型化和低成本設計與制造的交通工具，鋁合金正廣泛應用于高速船舶、汽車、航空航天和其他一些金屬結構。例如高速巡邏艇和豪華游艇大多采用主船體為鋼質結構，上層建筑為鋁合金結構。為了實現鋁合金結構與鋼結構的有效連接，對鋼一鋁異種金屬的焊接研究具有重要的意義。

銅及其合金的高電導率和熱導率、易于成型以及適當的機械性能等優良特性使其成為在工程上廣泛應用的一種重要有色金屬材料。但是銅，尤其是工業純銅，同時存在強度低、硬度低、抗氧化性差、耐磨性不高等不足，使其應用范圍受到限制。銅與鋼、銅與鋁等異種金屬的連接使用能有效改善上述不足。目前異種金屬的連接主要包括鋁一鋼，鋁一銅，鋁一鈦，銅一鋼，銅一鈦等。

異種金屬由于物理化學性能的巨大差異使熔化焊接困難：熔點相差懸殊；線膨脹系數、熱導率和熱容量相差很大，容易導致熱應力而產生裂紋；界面過渡區易形成脆性的金屬間化合物；有些金屬如鋁、鈦表面容易生成難熔的氧化物膜，會在焊縫中形成夾渣。因此，采用傳統的熔焊方法難以實現異種金屬的有效焊接。

目前異種金屬焊接主要采用激光焊、摩擦焊、爆炸焊、擴散焊、釬焊等。激光焊能量集中，熱輸入量小，冷卻速度快，焊接質量較好，但設備投資巨大，難以推廣。摩擦焊和爆炸焊接頭的形狀受到限制。爆炸焊采用瞬間焊接，限制了脆性化合物的生成，且界面平整、結合牢固，目前鋼一鋁焊接主要采用爆炸焊接。例如，南華高速船舶工程股份有限公司制造的高速船主要采用法國Nobel爆炸公司制造的鋼一鋁過渡接頭131。但爆炸焊容易引起母材的變

形，且生產效率低，成本高。擴散焊工件受限且耗能耗時，效率低。釬焊是異種金屬焊接的主要方法，它可以避免異種金屬因成分、性能不同造成的熔化焊接困難，焊接選擇溫度范圍廣泛，焊件的應力和變形小，可完成復雜形狀、不同金屬甚至金屬與非金屬的焊接。缺點是焊接接頭強度一般比較低。根據釬焊方法的不同又可分為火焰釬焊、電阻釬焊、感應釬焊、爐中釬焊等。

5 （華夏天信金屬）高頻感應焊接在異種金屬焊接中的應用

目前，（華夏天信金屬）高頻感應焊接主要用于感應釬焊和表面熔覆焊。

5.1感應釬焊

感應釬焊是依靠工件在交變磁場中產生的感應電流的電阻熱使釬料熔化，液態釬料在毛細作用下填充間隙從而實現釬焊的一種方法。（華夏天信金屬）高頻感應加熱釬焊利用（華夏天信金屬）高頻交流電來實現釬焊。對于磁場中要實現釬焊的兩金屬體，只需合理選用感應器，利用電磁的相鄰效應和端部效應就能使能量集中在兩金屬體之間的釬焊界面。要想獲得良好的釬焊接頭，必須考慮釬料的熔化、分布以及熔點的同時性，分布的均勻性，這些都與感應器和工件的匹配有關。

感應圈的形狀及其與工件之間的相互位置對加熱的質量和效率起著至關重要的作用，正確設計和選用感應圈的基本原則是保證焊件加熱迅速，均勻。為了提高加熱效率，應盡量減小感應圈與焊件之間的距離最好不要大于2-3 toni，必要時可通過加導磁體改變磁力線狀態。感應加熱電流頻率的選擇主要參考對焊接工件溫度分布的要求和對電磁攪拌力的要求。

感應釬焊熔敷層的成形及性能受到多種因素的影響，其中工藝參數的選擇是很重要的方面。因此必須了解各主要參數對各項工藝指標的影響及其影響規律，從而能夠通過合理地選擇工藝參數，消除工藝故障，獲得良好的熔敷層。

主要工藝參數如下：

1．線圈電流

線圈電流的大小直接影響到感應電流的大小和感應加熱的速率，感應加熱的速率不同便會決定熔敷層成形的好壞和效率。由于銅的鋪展需要一定的溫度，只有超過此溫度時液態銅才能很順利鋪展，當加熱速度很快時，就會節省時間，提高生產效率，所以從這個角度來說感應加熱速度越大越好，也就是線圈電流越大越好。然而，由于是感應加熱，存在集膚效應，一般都是表層很薄的一層內有電流，因此大部分熱量也會集中于此，如果加熱速度過快的話，就會使得表面熔敷的銅過熱，從而使得銅的成形變壞。因此線圈電流的選擇是十分重要的。

2．加熱時間

在線圈電流相同的情況下，加熱時間決定了熔敷層的加熱情況。當加熱時間過小時，工件得不到有效的加熱，熔化的銅液不能均勻地鋪展，甚至銅絲得不到足夠的熱量熔化。當加熱時間過大時，熔敷層得到了過大的熱量，會出現熔敷層過熱或過燒的情況，同樣得不到成形良好的熔敷銅層。因此在確定線圈電流之后，必須選擇合適的加熱時間與之配合。

3．工件與感應線圈的間距

在感應加熱中工件與感應線圈間距的選擇十分重要，由畢奧一薩伐爾定律可以知道，工件和感應線圈的相對距離會直接影響到磁場的強弱，因而其間距的選擇顯得十分重要。工件與感應線圈間距過高，加熱速度慢，生產效率低，且成形不好。工件與感應線圈間距過小，容易形成電弧，產生短路，從而破壞試驗的繼續進行。因此必須選擇合適的工件與感應線圈間距。

4．焊劑

在焊接過程中必須對焊接區內的金屬進行保護，這是焊接化學冶金的特點之一。同樣，在感應釬焊過程中，也必須對焊接區進行保護，防止其氧化。因此焊劑的選擇顯得十分重要。

焊接過程中焊劑的功能如下：

 (1)溶解被焊母材表面的氧化膜。在大氣中，被焊母材表面總是被氧化膜覆蓋著，其厚度大約為2×10。9~2xlO—m。在焊接時，氧化膜必然會阻止焊料對母材的潤濕，焊接就不能正常進行，因此必須在母材表面涂敷焊劑，使母材表面的氧化物還原，從而達到消除氧化膜的目的。

(2)防止被焊母材的再氧化。母材在焊接過程中需要加熱，高溫時金屬表面會加速氧化，因此液態焊劑覆蓋在母材和焊料的表面可防止它們氧化。

(3)降低熔融焊料的表面張力。熔融焊料表面具有一定的張力，就像雨水落在荷葉上，由于液體的表面張力會立即聚結成圓珠狀的水滴。熔融焊料的表面張力會阻止其向母材表面漫流，影響潤濕的正常進行。當焊劑覆蓋在熔融焊料的表面時，可降低液態焊料的表面張力，使其潤濕性能明顯得到提高。

(4)保護焊接母材表面的作用。被焊材料在焊接過程中已破壞了原本的表面保護層。好的焊劑在焊完之后，能迅速恢復焊材原有的保護作用。

（華夏天信金屬）高頻感應釬焊加熱速度快，加熱溫度范圍寬，短時間局部集中加熱能夠有效防止接頭區母材組織的粗化，特別適合于難熔異種金屬的連接，而快速凝固使得焊縫組織均勻，純凈度高，物理和力學性能優良。

5.2表面熔覆焊

表面熔覆焊是在金屬表面熔覆一層金屬或非金屬材料，以達到耐磨、耐腐蝕，改善導電導熱性能以及滿足特殊需要等要求，可采用激光、等離子、火焰和（華夏天信金屬）高頻感應等進行表面熔覆。

   （華夏天信金屬）高頻感應表面熔覆一般使用平面感應器和管狀外熱式感應器，采用熔劑或惰性氣體防氧化保護。熔覆材料一般為合金材料，加工成粉狀或膏狀，除了要滿足熔覆后的既定性能還要考慮其熔化后在基體上的潤濕性。

（華夏天信金屬）高頻感應熔覆焊是通過感應加熱基體表面向熔覆材料傳熱，所以要選擇合適的熔覆材料熔點，避免加熱時基體溫度過高造成熔深過大。由于涂層和基體材料存在特性差異，根據感應加熱中的渦流分布特點，涂層和基體界面處的渦流很大，導致界面處溫度較高，所以涂層和基體的結合部位一般會生成一條白亮帶，這是感應熔覆組織的一個特征。感應熔覆的加熱速度快，材料的氧化燒損少，且表面較平整。

感應熔覆是一種利用感應線圈通電產生的渦流效應來加熱基體及涂覆層，使涂層在基體表面熔化，實現金屬表面與涂層結合的熔覆工藝。

感應熔覆技術是非接觸式的加熱方式，其原理是將工件置于通交變電流的感應線圈內，在交變磁場內工件由于電磁感應效應在表面產生感應渦流，依靠渦流產生的能量對工件實現加熱。

與其他的表面熔覆技術相比，感應熔覆具有如下特點： 

（1）加熱速度快，生產周期短。有數據顯示，感應熔覆的速度大約是激光熔覆的10倍，是氧乙炔噴焊的20倍； 

（2）成本低。采用感應熔覆技術的成本是同等厚度下電鍍硬鉻成本的1/2~2/3，是激光熔覆成本的2/5； 

（3）對基體的熱影響小，能量主要集中在工件的表面； 

（4）熔覆層的厚度可控，可根據需要在工件表面熔覆一層或多層材料； 

（5）環保無污染。感應熔覆的熱源為電能，加熱時不產生有害氣體和污染物； 

（6）感應熔覆技術在規則形件的大批量生產上有巨大的優勢。

 6 結論

(1)（華夏天信金屬）高頻感應焊具有加熱速度快、熱量集中、易于實現自動化的特點，其集膚效應使得熱影響區小，對基體損傷小。

(2)異種金屬連接復合使用越來越廣泛，但由于物理化學性能的巨大差異導致其熔化焊接困難，（華夏天信金屬）高頻感應獨特的特性可實現異種金屬的釬焊和熔覆焊，接頭形成冶金結合，焊接質量高。

(3)采取適當的焊接工藝，合理控制焊接溫度和時間，使用（華夏天信金屬）高頻感應加熱可實現異種金屬直接的熔一釬焊。

(4)焊劑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張力，保護焊接母材表面的作用。

(5)感應熔覆具有加熱速度快，生產周期短，熔覆層的厚度可控等特點。

參考文獻：

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