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何謂感應?

Inductotherm 集團將電磁感應應用於各產業之熔解、加熱與焊接。但究竟何謂感應?及其與其他加熱方式之差異為何?

著眼線圈內金屬於僅幾秒鐘瞬變成櫻紅色,對不熟悉感應加熱人們是件多麼驚人的事。

對一般工程師而言,感應為絕妙的加熱技術。著眼線圈內金屬於僅幾秒鐘瞬變成櫻紅色,對不熟悉感應加熱人們是件多麼驚人的事。感應加熱設備必備觀念含物理學、電磁學、電力電子學及程序控制,但感應加熱背後基礎原理淺顯易懂。

基本原理

Michael Faraday發明原理為感應開始於導電材線圈(例如,銅)。當電流通過線圈,線圈內及周圍會產生磁場。磁場強度取決於線圈設計以及流經線圈的電流量。

此磁場表示電流通過環繞線圈

磁場方向取決於電流流向,因此流經線圈的交流電會使磁場換向速率等同交流電頻率。60Hz AC電流會造成磁場一秒鐘換向60次。400kHz AC電流會導致磁場換向400,000次/秒。

當導電材、工件置放在變換磁場(例如,AC產生的磁場),工件會感應電壓(電磁感應定律)。感應電壓形成電子移動:電流! 電流流經工件之流向相反於線圈電流方向。因此我們可藉由控制線圈電流頻率來控制工件電流頻率。

電流流經介質,電子移動會有部分電阻。這些電阻即熱能(焦耳熱效應)。當電流流經時,材質對電子移動產生愈多電阻則釋放出愈多熱能,使用感應電流確實可大量加熱導電材(例如,銅)。此現象乃感應加熱之必要。

感應加熱需要哪些要素?

由前言可知感應加熱發生的兩個基本要件:

  1. 一個變換磁場
  2. 一個導電材置放磁場

感應加熱相較其他加熱方式差異?

Other heating

有些不經感應的加熱方法。常見工業實務包括煤氣爐、電爈及鹽浴爐。這些方式皆以從熱源(燃燒器、發熱體、液態鹽)經由對流與輻射熱傳導到工件。一旦工件表面加熱,熱能以熱傳導傳送工件。

感應加熱工件不藉著對流與輻射輸送熱能到工件表面。而是以電流移動在工件表面產生熱能。工件表面熱能再以熱傳導傳送工件。感應電流產生的熱能深度即電氣參考深度

Induction Heating

電氣參考深度取決於流經工件的交流電頻率。愈高頻率電流會形成較淺電氣參考深度,愈低頻率電流會形成較深電氣參考深度。此深度亦受工件電氣及磁性影響。

Inductotherm 集團運用物理與電氣現象對於特殊工件及應用客製化加熱方式。Inductotherm 集團以控制功率、頻率及線圈幾何設計出的設備應用具高度程序控制及可靠性。

電氣參考深度之高與低頻率
Inductotherm HSS01

感應熔解

對大多數加工處理而言,熔解為產品生產的首要步驟;感應熔解快速有效。藉由變化感應線圈幾何,感應熔解爈可承載電荷範圍大小從咖啡杯容積到幾百噸的熔態金屬。再者,調整頻率及功率,Inductotherm 集團幾乎可加工所有金屬及材料包括但不侷限於:鐵、鋼、不鏽鋼合金、銅、銅合金、鋁與矽。每個應用的感應設備為客製化設計以確保其近乎效能。

感應真空熔解

感應加熱為運用一個磁場,工件(或負載)可以耐火材或其他非導電介質隔離感應線圈。磁場通過此物質感應其中的負載電壓。此表示負載或工件可在真空下或控制爐氣加熱。因此可加工活性金屬(Ti,AI)、特殊合金、矽、石墨以及其他導電敏感物質。

感應加熱

不同於某些燃燒方式,感應加熱可精確控制批次尺寸。變換通過線圈的電流、電壓及頻率產生微調設計加熱,適合精準應用諸如表面淬火、淬火及回火、退火及其他熱處理形式。高精密度應用諸如汽車、航太、光纖、彈藥焊接、電線淬火及彈簧線回火。感應加熱適用特殊金屬應用包括鈦、貴金屬及先進複合物。感應可用精確加熱控制為不匹配。再則,使用相同加熱要素如真空坩堝加熱應用,感應加熱可在大氣下持續運用。例如不銹鋼管的退火。

高頻感應焊接

Welding

當感應傳輸使用高頻(HF)電流,亦可應用於焊接。運用方式為HF電流可形成極淺電氣參考深度。金屬片持續成形,並通過一組精工製作的滾軋,其功能為強化金屬片邊緣成形產生焊接。在金屬片至滾軋前,其通過感應線圈。此時電流向下流動延著金屬片邊緣產生的V形幾何,而非在成形通道外圍流動。當電流延著金屬片邊緣,會加熱至合適焊接溫度(低於材料熔點)。當金屬片邊緣擠壓一塊,所有碎屑、氧化物及其他雜質會排出產生固態鍛造焊接。

未來

隨著高設計材料、替代能源及發展中國家需求時代來臨,特殊感應技能提供工程師與設計師未來一個快速、有效率及精確加熱方法。