Индукционная наплавка

Физические основы нагрева токам и высокой частоты. К отличительным особенностям индукционного нагре­ва относится бесконтактный способ передачи энергии в нагреваемое из­делие посредством электромагнитно­го поля. В любом электропроводном материале, помещенном в перемен­ное электромагнитное поле, индукти­руются вихревые токи. В сравнении с кондуктивным индукционный (бес­контактный) подвод энергии упроща­ет и расширяет возможности нагрева геометрически сложных поверхно­стей деталей.

Устройством, передающим энер­гию Высокой частоты в наплавляе­мый металл, является индуктор. Он представляет собой виток или спи­раль из нескольких витков медной трубки, при работе охлаждаемых во­дой, по которым протекает ток высо­кой частоты. При этом вокруг витков создается переменное магнитное по­ле. Подготовленные к наплавке дета­ли располагают 'В зоне действия ин­дуктора, где они пронизываются пе­ременным магнитным полем. Пере­менное электромагнитное поле ин­дуктирует электродвижущую (э. д. с.) силу, под действием которой в метал­ле возникают токи, нагревающие на­плавляемую поверхность до задан­ной температуры. Плотность индук­тируемых в каждом элементарном объеме металла токов может изме­няться по различным законам в зави­симости от формы, геометрических размеров нагреваемой детали, удель­ного сопротивления и магнитной про­ницаемости материала и пр.

Мгновенное значение индуктиро­ванной электродвижущей силы в вольтах определяют на основании из­вестного закона электромагнитной индукции, согласно которому э. д. с. равна скорости убывания магнитно­го потока, т. е.

e= -dФ/dτ

где Ф— магнитный поток, Гц; τ — время изменения магнитного потока.

Для случая изменения магнитного потока, пронизывающего витки потокосцепленного контура, близкого к синусоиде, действующее значение

E= 4.44 f nФ

где f — частота индуктированного тока, Гц; τ — число витков контура.

Выходящая из непроводящей сре­ды, например воздуха, электромаг­нитная волна внутри металла рас­пространяется перпендикулярно его поверхности и затухает по мере уда­ления от нее.

Поверхностный эффект. Вихревые токи по сечению проводника распре­деляются неравномерно, их плот­ность уменьшается по мере удаления от поверхности к центру. Это связано с затуханием электромагнитной вол­ны, распространяемой внутри метал­ла. Такое явление получило название поверхностного эффекта.

Для количественной оценки повер­хностного эффекта в теории индукци­онного нагрева используют Д — глу­бину проникновения тока в материал. При прочих равных условиях поверх­ностный эффект будет тем сильнее, чем больше размеры проводника и выше частота тока. Глубина проник­новения тока представляет собой расстояние, на котором амплитуды напряженностей электрического и магнитных полей плоских электро­магнитных волн уменьшаются в 2,718 раз, а фаза волны изменяется на 1 радиан, т. е. на 57°.

Глубина проникновения тока

Δ=5030

где ρ — удельное электрическое сопротивле­ние проводника; μ — относительная магнит­ная проницаемость; f — частота тока.

В практических расчетах часто ис­пользуют эмпирическую формулу для определения глубины проникно­вения тока в материал нагреваемого изделия при определенной темпера­туре:

Δ=k/ f

где  k — эмпирический коэффициент (табл. 8.2).

В зависимости от размеров детали и частоты тока при индуктивном нагреве различают "массивные" и "про­зрачные" тела для электромагнитно­го поля. Если диаметр проводника, в котором индуктированы вихревые то­ки, в восемь и более раз больше Д, то такая частота считается высокой или тело "массивным". Если глубина про­никновения тока Д больше, чем диа­метр проводника, то такое тело назы­вают "прозрачным" для электромаг­нитного поля данной частоты. В "мас­сивном" теле в пределах слоя метал­ла толщиной Л выделяется почти вся мощность (86,5 % энергии, подводи­мой в тело).

Влияние нагрева на электрические свойства материала. К основным электрофизическим свойствам мате­риалов относится магнитная прони­цаемость (μ) и удельное электриче­ское сопротивление (ρ). Данные па­раметры оказывают основное влия­ние на глубину проникновения тока и передаваемую в изделие мощность.

В зависимости от относительной магнитной проницаемости нагревае­мые материалы разделяют на пара­магнетики, диамагнетики и ферро­магнетики. У первых двух близка к единице, а у ферромагнетиков она значительно превышает единицу. К ферромагнетикам относятся железо­углеродистые сплавы, никель, ко­бальт. Магнитная проницаемость у ферромагнетиков зависит от напря­женности магнитного поля, температуры и ряда других факторов. Влия­ние температуры нагрева на измене­ние магнитной проницаемости в об­ласти достаточно сильных магнитных полей представлено на рис. 8.4. Скач­кообразное уменьшение магнитной проницаемости при температуре 1053 К связано с потерей магнитных свойств стали. Температура, при ко­торой магнитная проницаемость па­дает до единицы, называется точкой Кюри. Для различных материалов температура магнитных превраще­ний различна. Например, для углеро­дистых сталей точка Кюри лежит в интервале температур 1033—1056 К, кобальта — 1413 К и никеля.— 633 К.

При нагреве помимо изменения магнитной проницаемости происхо­дит увеличение электрического со­противления металлов. Известно, что удельное сопротивление.сталей воз­растает монотонно во.всем, интервале температур до точки Кюри, а затем его увеличение замедляется. При температурах нагрева свыше 1237 К удельное сопротивление различных сталей практически одинаково и рав­но 1,2 — 1,3 Ом-мм²/м.

В процессе индукционного нагрева в связи с изменением магнитной про­ницаемости и удельного сопротивле­ния при достижении точки Кюри про­исходит изменение глубины проник­новения тока пропорционально Различают глубину проникно­вения тока Δ_x, в холодный и Δ_г горячий металл. Глубина проникновения тока Δ_г, в нагретую выше точки Кюри сталь увеличивается в 8 — 10 раз. Глубина проникновения тока в горячий ме­талл

Значения глубин проникновения тока в холодную сталь (Δ_x) и нагретую выше точки Кюри (Δ_г), а также для других металлов приведены в табл. 8.3.

Эффект близости. Природа эффек­та близости и поверхностного эффек­та одна и та же. Только в данном слу­чае концентрация тока в определен­ных местах поверхности проводника рассматривается как результат сум­марного взаимодействия собственно­го поля и электромагнитных полей всех проводников с током в системе. Картина распределения тока и маг­нитного поля в проводниках прямо­угольного сечения для случая одина­ково и встречно направленных токов показана на рис. 8.5. Из рис. 8.5 видно, что наибольшая плотность тока при одинаковом его направлении наблю­дается на наружных поверхностях проводников, а при встречном направлении тока — на внутренних по­верхностях. Исходя из названия эф­фект близости проявляется только в том случае, если проводники с током сближаются на малые расстояния. Перераспределение плотности тока будет выражено тем сильнее, чем меньше расстояния между проводни­ками и чем выше частота.

Эффект близости позволяет разра­ботать такой индуктор, который мо­жет обеспечить требуемую локаль­ность нагрева заданной поверхности изделия.

Кольцевой эффект. Другой разно­видностью поверхностного эффекта является кольцевой эффект, который заключается в том, что у свернутого в кольцо или спираль проводника наи­большая плотность тока наблюдает­ся на его внутренней поверхности. Кольцевой эффект проявляется тем сильнее, чем больше высота провод­ника по отношению к диаметру коль­ца. Наблюдается ярко выраженная симметрия магнитного поля индукто­ра. Внутри индуктора (рис. 8.6) маг­нитное поле значительно больше, чем снаружи. Кольцевой эффект являет­ся полезным при нагреве у деталей наружной цилиндрической поверхно­сти. Вместе с тем он затрудняет или делает вообще невозможным нагрев до заданной температуры внутрен­них цилиндрических поверхностей. Это связано с резким снижением на­пряженности электромагнитного по­ля у нагреваемой поверхности.

Энергоемкость процесса наплавки. Энергоемкость характеризуется за­тратами энергии на единицу массы наплавленного металла. Эти затраты складываются из количества энергии,

Таблица 8.3. Глубина проникновения тока в холодный и нагретый/материал

которое необходимо на осущест­вление процессов наплавки W_н, из тепловых потерь и потерь энергии на преобразование и передачу энер­гии W_э: W = W_н + W_т + W_э.

Затраты энергии на наплавку W_н, не зависящие ни от вида электроносителей, ни от продолжительности про­цесса, составляют суммарные «утра­ты энергии на нагрев основного металла W₀, наплавляемого сплава W_c и флюсов W_ф до температуры плавле­ния, на расплавление присадочного сплава W_ПС и флюса W_пф на сопутст­вующие реакции и фазовые превра­щения W_рф; W_н = W₀ +. W_с + W_ф +W_пф+W_пс+W_рф

Средняя энергоемкость (кВт- ч/кг) некоторых видов производственных процессов представлена ниже:

Газопламенная, ацетиленокислородная

наплавка сплавов типа

сормайт................................................... 12—15

Ручная электродуговая наплавка

при токе:

постоянном......................................... 1,0

переменном однофазном.................... 4,0

переменном трехфазном.................... 2,8

Индукционный нагрев стали до

температуры:

800°С................................................. 0,4

1100°С............................................... 0,5

Индукционный нагрев под наплавку

 твердыми сплавами до темпера-

туры 1300°С.............................. 0,6—0,7

Высокочастотные установки. Усло­вия для индукционного нагрева со­стоят обычно из одинаковых элементов, которые связаны между собой общей электрической схемой. В нее входят:

генератор высокой частоты (ма­шинный, ламповый, ионный, тиристорный);

индуктор тока высокой частоты (ТВЧ) одновитковый или многовитковый;

конденсаторная батарея, компен­сирующая низкий коэффициент мощ­ности индуктора;

закалочный трансформатор;

контактор для подключения и от­ключения тока нагрузки;

линии передач тока высокой часто­ты от источника питания до индукто­ра;

система водяного охлаждения: высокочастотные измерительные приборы (амперметр, вольтметр, ватт­метр, фазометр); измерительные трансформаторы напряжения и тока.

В зависимости от функционально­го назначения установки дополни­тельно укомплектовывают плавиль­ной печью, станком для закалки, куз­нечным нагревателем, аппаратурой для поддержания и контроля режима нагрева. В ряде случаев для нагрева используют промышленную частоту, и тогда генератор отсутствует. При питании однофазной нагрузкой вме­сто генератора устанавливают уст­ройство, преобразующее трехфазную систему в.однофазную, которое обеспечивает симметричную нагрузку се­ти. Нагреваемая деталь помещается внутри индикатора или около него. Переменное магнитное поле индукто­ра вызывает появление индуктиро­ванного тока в детали, в результате чего происходит ее нагрев.

Все схемы установок подчинены условиям согласования (настройки) параметров нагрузки с параметрами источника тока высокой частоты (ге­нераторы) с тем, чтобы обеспечить передачу индикатором необходимой мощности в нагреваемую деталь в пределах допустимых превышений номинальных данных генератора в процессе всего цикла нагрева.

У нас в стране наиболее широкое распространение получили машинные преобразователи, статические преобразователи частоты и лампо­вые генераторы.

Высокочастотный машинный пре­образователь. Преобразователь со­стоит из генератора средней частоты и трехфазного приводного двигателя. Машинные преобразователи явля­ются главным источником питания электротермических установок. Об­щая мощность установок с машинны­ми генераторами исчисляется не­сколькими миллионами кВт. Основ­ные достоинства машинных преобра­зователей:

простота конструкции, высокая на­дежность, легкость обслуживания;

возможность включения несколь­ких преобразователей на параллель­ную работу;

сравнительно низкая стоимость.

К недостаткам машинных преоб­разователей относится снижение их к. п. д. при неполной загрузке. Кроме того, такие преобразователи создают повышенный шум, имеют достаточно сложную систему водоохлаждения и смазки.

Статические преобразователи час­тоты. Преобразователи используют в качестве источников питания элект­ротермических установок токами по­вышенной частоты в диапазоне 200 — 1000 Гц. Преобразование частоты в таких устройствах осуществляется в результате коммутации постоянного тока управляемыми вентилями. Схемы преобразования частоты могут быть осуществлены как на полностью управляемых вентилях, так и на вен­тилях, имеющих полууправляемую характеристику (тиратроны, экситроны, тиристоры и т. п.). Полная схе­ма преобразователя частоты включа­ет источник постоянного тока (выпря­митель), звено преобразования (ин­вертор), цепи контроля и управления.

Положительными характеристи­ками статистических преобразовате­лей (табл. 8.4) частоты являются, в сравнении с электромашинными, вы­сокий электрический к. п. д., обуслов­ленный незначительным падением напряжения на вентилях, отсутствие больших вращающихся масс и малые статистические весовые нагрузки.

Ламповые генераторы. Генерато­ры наиболее часто используют в каче­стве источника нагрева при индукци­онной наплавке. Такие генераторы преобразуют ток частотой 50 Гц в вы­сокочастотный (до сотен мегагерц). Преобразование осуществляется дважды: вначале ток промышленной частоты выпрямляется, а затем по­стоянный ток преобразуется в пере­менный высокой частоты. В простей­ших случаях генераторы состоят из трех основных частей — выпрямите­ля с анодным трансформатором, ге­нераторной лампы и колебательного контура.

Ламповые генераторы мощностью более 10 кВт (табл. 8.5) выполнены по двухконтурной схеме, что позволяет лучше стабилизировать частоту и осуществлять настройку оптималь­ного режима при изменяющихся па­раметрах нагрузки в процессе нагре­ва. Однако это приводит к увеличе­нию габаритных размеров генерато­ров и дополнительных потерь энергии в контурах.

Таблица 8.4. Технические характеристики статических преобразователей частоты

Все двери блоков генераторов, в ко­торых напряжение свыше 1000 В, имеют электромеханическую блоки­ровку. При правильной очередности открывания дверей прежде всего сни­мается питающее напряжение. Узлы установки экранизированы алюми­ниевыми листами. Этим достигается снижение радиопомех и защита об­служивающего персонала от излуче­ния.

Индукторы для нагрева. Передача энергии от источника питания токов высокой частоты в нагреваемое изде­лие при наплавке осуществляется при помощи многовитковой или одновитковой катушки, называемой ин­дуктором. Форма и размеры индукто­ра зависят от способа нагрева, разме­ров и конструкции нагреваемой поверхности, подводимой мощности, ча­стоты тока, объемов производства, степени механизации и т. д. Индуктор является основным элементом любой высокочастотной нагревательной ус­тановки. В большинстве случаев до­стоинства и недостатки технологиче­ских устройств, в которых использу­ется индукционный нагрев, могут быть поставлены в прямую связь с особенностями конструкции индук­тора. Индукционную наплавку наи­более эффективно используют в усло­виях крупносерийного и массового производства. Современное поточное массовое производство, как правило, высокоавтоматизированное. Поэто­му при разработке конструкции не­обходимо анализировать также схе­мы автоматизации загрузки детали в индуктор и возможности передачи ее на последующие операции механиче­ской обработки.