提高感應(yīng)器使用壽命的方法探討

謝文

十堰天舒感應(yīng)設(shè)備有限公司 湖北十堰 442002

1 序言

我們經(jīng)常聽到有客戶或同行談起：有些供應(yīng)商制造的感應(yīng)器使用壽命短，而有些供應(yīng)商制造的感應(yīng)器使用壽命很長，肯定是制作有問題，或是焊接水平有問題，或是銅材有問題。其實這都有點兒“盲人摸象”的感覺，都只是片面地說出了其中的某一個點，不全面。

本文結(jié)合相關(guān)資料和多年積累的工作經(jīng)驗，以及客戶的相關(guān)建議，對提高感應(yīng)器使用壽命的途徑，分別從多個方面進(jìn)行分析、改進(jìn)，以便大家進(jìn)行探討。

2 感應(yīng)器的設(shè)計及材料選擇

2.1 間隙的選擇

工件與感應(yīng)器間隙如圖1所示。

圖1 工件與感應(yīng)器間隙示意

感應(yīng)器與工件的間隙a一般選擇1～3mm。有些特殊零件，間隙最小可達(dá)0.5mm，最大可達(dá)8mm甚至20mm，這需要根據(jù)技術(shù)要求和零件的加工狀況選擇，不可一概而論。

1）間隙太大時，感應(yīng)器效率太低，需要的功率很大，感應(yīng)器如果冷卻不及時，就會降低感應(yīng)器的使用壽命，甚至燒毀。

2）間隙太小時，感應(yīng)器與工件之間容易拉弧、打火，也會降低感應(yīng)器的使用壽命。

2.2 銅管材質(zhì)的選擇

（1）銅管壁厚的選擇 在機械空間允許的情況下，盡量選用通徑較大、壁厚符合頻率要求的銅管，這樣能保證感應(yīng)器冷卻水的流量，提高感應(yīng)器壽命[1]。

電流透入深度計算公式為

式中Δ——電流透入深度（mm）；

ρ1——材料的平均電阻率（Ω·m）；

μr——材料的相對磁導(dǎo)率；

f——頻率（Hz）。

銅管壁厚：C≥1.35Δ，其中C為壁厚，Δ為常溫下的電流透入深度，不僅是感應(yīng)器的銅管選擇依據(jù)，也是變壓器銅管的選擇依據(jù)。根據(jù)工作頻率選擇銅管壁厚見表1。

表1 電流穿透層厚度與頻率和銅管最佳壁厚的關(guān)系

（2）銅管材質(zhì)的選擇 一般有T2、T1、TU2、TU1，含氧量T1＜T2，TU1＜TU2，銅管含氧量越低，焊接性越好，焊縫性能越好，感應(yīng)器使用壽命越高。

根據(jù)相關(guān)資料，氧是影響純銅釬焊性能極其有害的元素，這種影響的原因是因為以氧化亞銅存在的氧占據(jù)焊縫大量表面積，因表面張力過大，造成焊條熔液在純銅表面上不能很好地濕潤純銅，而出現(xiàn)焊條熔液與純銅表面難于焊合的現(xiàn)象。

2.3 感應(yīng)器冷卻方式的選擇

感應(yīng)器盡量采用冷卻水冷卻，不采用淬火水冷卻。

掃描淬火感應(yīng)器的冷卻方式如2所示（感應(yīng)器冷卻水與淬火水分開）。

圖2 掃描淬火感應(yīng)器

內(nèi)孔、外圓噴水掃描淬火方式可詳見參考文獻(xiàn)[2]，這里不再贅述。

2.4 有效圈的設(shè)計及強度

（1）有效圈設(shè)計 圖3所示為外圓感應(yīng)器，有效圈設(shè)計一般會采用加熱環(huán)1、加熱環(huán)2車加工后，與豎直加熱管1、豎直加熱管2焊接組合而成。

圖3 外圓感應(yīng)器示意

而某些知名德國和日本企業(yè)，則對加熱環(huán)與豎直加熱管采用整體銅塊加工而成，減少了焊縫，從而達(dá)到提高感應(yīng)器壽命的效果。

這種整體式感應(yīng)器，由于是機加工而成，因此尺寸一致性很好，但成本也相當(dāng)昂貴，不是一般企業(yè)所愿意承受的。

（2）有效圈強度設(shè)計 感應(yīng)器在加熱過程中，線圈與工件之間存在很大的磁場力，如果線圈強度不夠，很容易變形，使得線圈的尺寸偏離調(diào)試合格的尺寸，從而導(dǎo)致產(chǎn)品不合格，或者感應(yīng)器與工件接地打火，使得感應(yīng)器壽命降低，甚至損壞。因此，可對有效圈進(jìn)行加強設(shè)計，如圖4所示。

圖4 感應(yīng)器加強示意

2.5 感應(yīng)器水路設(shè)計

（1）外圓感應(yīng)器 圖5所示為外圓感應(yīng)器冷卻水路設(shè)計。很明顯，兩側(cè)進(jìn)水、中間出水，感應(yīng)器的流量最大，對感應(yīng)器的使用壽命提高是有利的[3，4]。當(dāng)然，并不是所有的感應(yīng)器都需要采用“二進(jìn)一出”“二進(jìn)二出”的形式，在銅管通徑足夠、冷卻充分的情況下，常規(guī)“一進(jìn)一出”的冷卻方式也是可以的。感應(yīng)器冷卻不同進(jìn)水、出水方式（感應(yīng)器冷卻水流量）見表2。

表2 不同進(jìn)出水方式（感應(yīng)器流量）

圖5 外圓感應(yīng)器冷卻水路

（2）內(nèi)孔感應(yīng)器 對于內(nèi)孔特別是小內(nèi)孔感應(yīng)器（見圖6），其中導(dǎo)電管之一就是從線圈中心引出來的，此導(dǎo)電管除了本身通過大電流之外，還受到多匝線圈內(nèi)磁場的加熱，因此發(fā)熱最大，使用過程中此導(dǎo)電管必須接到冷卻水的進(jìn)水端，使冷卻水先通過這一段，可以提高感應(yīng)器的使用壽命。

圖6 內(nèi)孔感應(yīng)器冷卻水示意

3 感應(yīng)器的制作、絕緣裝配

3.1 感應(yīng)器的焊接

（1）焊接方式 我公司給客戶的感應(yīng)器，有些經(jīng)驗不足的員工按圖7a所示方式焊接，感應(yīng)器到達(dá)客戶現(xiàn)場，出現(xiàn)感應(yīng)器壽命不足的情況，后來根據(jù)情況分析，改為圖7b所示的焊接方式，感應(yīng)器使用壽命得到大幅提高。

圖7 兩種不同的焊接方式

（2）釬焊材料 感應(yīng)器上有些承載電流較大關(guān)鍵位置的焊縫，盡量采用純銅焊接，盡量少用黃銅或磷銅焊條（熔點：純銅＞黃銅＞磷銅），甚至不用，以提高焊縫的耐熱溫度，從而提高感應(yīng)器的使用壽命。

3.2 后期處理

（1）酸洗 采用濃度為5%硫酸，酸洗時間1～2h，如果酸洗時間過長，對銅材本身也有一定的腐蝕作用。

（2）噴砂 噴砂所用砂子顆粒較大或噴砂壓力太大時，都會在銅管的表面形成凹坑，使感應(yīng)器加熱過程中，在銅管表面凹坑處出現(xiàn)尖角效應(yīng)，形成早期的微觀燒熔。

3.3 絕緣

1）絕緣板采用聚四氟乙烯。

2）為了防止導(dǎo)電板從兩側(cè)跳弧，絕緣板高出導(dǎo)電板3～5mm，如圖8所示。

圖8 絕緣板與導(dǎo)電板的關(guān)系

3.4 定位精度

產(chǎn)品本身的定位基準(zhǔn)面精度或機械定位精度不準(zhǔn)或不精確，會造成感應(yīng)器與工件的間隙不準(zhǔn)，使感應(yīng)器與工件發(fā)生碰撞或剮蹭，降低感應(yīng)器的使用壽命。

3.5 產(chǎn)品的清潔度

絕大部分國企或大型企業(yè)，對到達(dá)淬火工序的工件，都會進(jìn)行清洗、烘干。

但是，目前很多中小企業(yè)都不重視，加工完成的產(chǎn)品，不經(jīng)過任何的清洗工序，直接進(jìn)入淬火工序。雖然經(jīng)常有客戶向我公司投訴感應(yīng)器使用壽命短，但是經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，客戶現(xiàn)場的產(chǎn)品加工完成之后，不經(jīng)過任何的清洗工序，到達(dá)淬火工序時，零件表面存在很多油污、鐵屑。在淬火加熱過程中，油污燃燒，煙霧在感應(yīng)器表面形成很厚的油膩，鐵屑會被磁力吸附在感應(yīng)器內(nèi)壁結(jié)殼，使得感應(yīng)器的加熱效果變差，而為了滿足工藝要求，就要不斷地增加功率或降低掃描速度，但感應(yīng)器的冷卻又跟不上，同時結(jié)殼會在感應(yīng)器和工件之間形成導(dǎo)體，加熱通電時，產(chǎn)生微小電火花，使軸徑表面和線圈表面同時燒傷。

因此，油污、雜物，不僅會導(dǎo)致感應(yīng)器失效，還會導(dǎo)致PAG水基淬火冷卻介質(zhì)被污染，降低淬火冷卻介質(zhì)的使用壽命，如果檢測不及時、充分，則會間接造成零件開裂等質(zhì)量事故。

4 設(shè)備的水路壓力與冷卻水的選擇

（1）感應(yīng)器冷卻水路壓力 有很多客戶購買十堰天舒的感應(yīng)器，配置到其他品牌的淬火機床上，使用中客戶經(jīng)常抱怨感應(yīng)器壽命短，希望提高使用壽命。經(jīng)過實地考察、分析，建議在水路上增設(shè)高壓泵（見圖9），感應(yīng)器壽命大幅提高。同樣的感應(yīng)器，水路增設(shè)高壓泵后，感應(yīng)器冷卻水流量比沒有高壓泵增大了30%（實際感應(yīng)器由于銅管通徑大小差別，可能大于或小于30%）。

圖9 感應(yīng)器冷卻水路增設(shè)高壓泵

（2）冷卻水的選擇 冷卻水的硬度偏高，感應(yīng)器在使用過程中，就會在銅管內(nèi)壁形成水垢，導(dǎo)致銅管與水不能直接接觸，使導(dǎo)熱變慢，感應(yīng)器壽命降低。水垢嚴(yán)重時，會使銅管通徑變小，水流量減少，導(dǎo)致感應(yīng)器壽命下降，一般設(shè)備感應(yīng)器都有流量和水溫保護(hù)，但是在使用過程中，操作人員或管理者為了保證生產(chǎn)，將流量保護(hù)值改低或?qū)⒈Ｗo(hù)水溫升高，經(jīng)常出現(xiàn)客戶投訴感應(yīng)器壽命不達(dá)標(biāo)，而設(shè)備廠家還找不到原因，到現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)冷卻水質(zhì)或保護(hù)值都被不合理地修改了。某知名德國企業(yè)設(shè)備對于冷卻水的要求見表3。

表3 某知名德國企業(yè)設(shè)備對于冷卻水的要求

案例1：東風(fēng)某專業(yè)廠，冷卻水采用自來水，且混入了防銹劑，冷卻水水箱內(nèi)形成藍(lán)色結(jié)晶（見圖10），藍(lán)色結(jié)晶隨著循環(huán)進(jìn)入感應(yīng)器內(nèi)，導(dǎo)致感應(yīng)器燒毀。改為蒸餾水之后，問題得到解決。

圖10 冷卻水藍(lán)色結(jié)晶

案例2：東風(fēng)某專業(yè)廠，反饋感應(yīng)器經(jīng)常燒毀，找不到原因，經(jīng)過仔細(xì)排查，發(fā)現(xiàn)管道中有O形圈進(jìn)入管道（見圖11）。另外，在其他客戶售后現(xiàn)場，也發(fā)現(xiàn)生料帶等異物進(jìn)入管道，造成流量異常。清理雜物后，冷卻水流量達(dá)標(biāo)。

圖11 水管中有異物

5 感應(yīng)器調(diào)試的參數(shù)匹配問題

（1）頻率的影響 一般情況下，參考表1來選擇銅管壁厚和頻率的關(guān)系。

（2）電壓、電流的影響 在感應(yīng)器調(diào)試過程中，參數(shù)的匹配問題對感應(yīng)器的使用壽命也有非常大的影響。

例如，在500V/320A、400V/400A、320V/500A匹配下，得到的功率均是160kW。

根據(jù)焦耳定律，Q=I2Rt，在感應(yīng)器和加熱時間一定的情況下，電流越大，感應(yīng)器的發(fā)熱量也就越大，相應(yīng)地感應(yīng)器使用壽命自然會降低。由此可見，當(dāng)感應(yīng)器壽命較低時，第一時間就歸于感應(yīng)器制作不良，顯然有失偏頗，而是應(yīng)全面分析，不能忽視調(diào)試參數(shù)對感應(yīng)器使用壽命的影響。

6 感應(yīng)器的定期檢查、維護(hù)與保養(yǎng)

6.1 感應(yīng)器的定期檢查

感應(yīng)器安裝后有間隙，或感應(yīng)器壓緊不牢，會導(dǎo)致感應(yīng)器壓板燒熔，如圖12所示。因此，要排查或定期檢查感應(yīng)器的壓接是否可靠，即使感應(yīng)器沒有拆裝，也要定期檢查，因為感應(yīng)器長期在強磁場下工作發(fā)生振動，會導(dǎo)致壓緊螺釘松動或接觸面不牢靠。

圖12 感應(yīng)器的安裝

6.2 感應(yīng)器的維護(hù)與保養(yǎng)

（1）感應(yīng)器定期校正 即使線圈有效圈加強（見圖3），但感應(yīng)器在加熱過程中，線圈與工件之間仍存在很大的磁場力，線圈依然會變形，從而導(dǎo)致產(chǎn)品不合格或損壞感應(yīng)器，為了避免這種風(fēng)險，需要定期用標(biāo)準(zhǔn)的模具對有效圈進(jìn)行校正。

（2）定期清理有效圈氧化皮和油污 由于感應(yīng)器長期使用后，氧化皮、油污黏結(jié)在感應(yīng)器表面，會降低感應(yīng)器的效率，增加感應(yīng)器與工件放電打火的風(fēng)險，因此必須定期清理。

（3）定期對感應(yīng)器安裝座進(jìn)行清潔處理 感應(yīng)器工作環(huán)境惡劣，周圍溫度較高，濕度較大，不可避免地有油污、異物黏結(jié)在感應(yīng)器底座上，會造成感應(yīng)器接觸不可靠，感應(yīng)器與接觸導(dǎo)電板之間放電，損壞感應(yīng)器。因此，要定期清理感應(yīng)器底座的異物，確保導(dǎo)電可靠。

（4）定期更換導(dǎo)磁體 感應(yīng)器上鑲嵌的導(dǎo)磁體，一般有硅鋼疊片、鐵氧體導(dǎo)磁體、可加工導(dǎo)磁體，提高其使用壽命的途徑就是不超過其使用溫度。

控制導(dǎo)磁體的發(fā)熱，除選擇合適的使用頻率外，還與冷卻方式有直接關(guān)系。首先導(dǎo)磁體的冷卻主要依靠其與銅管接觸傳熱，其次是輔助噴水或滴水冷卻。

鐵氧體超過居里點就會失效（一般不超過180℃，特殊的能達(dá)到500℃），可加工導(dǎo)磁體為250～300℃，硅鋼片居里點最高。硅鋼片鑲嵌在銅管上，受到磁力的作用會發(fā)熱，稱為鐵損。其值與電流頻率、磁場強度與硅鋼片的厚度有直接關(guān)系。硅鋼片的老化（磁特性的衰變）是由矯頑力與磁滯損耗的升高而引起的。除老化外，還會發(fā)生銹蝕、松動，因此使用一定時間后，需要對導(dǎo)磁體進(jìn)行加固或更換[5]。

（5）定期檢查磨損程度 對于曲軸感應(yīng)器，需要定期檢查定位塊的磨損程度。例如，德國某知名設(shè)備廠家規(guī)定，間隔定位塊的磨損尺寸不能超過0.3D（見圖13，D為有效圈內(nèi)徑與間隔定位塊的間隙；B為定位塊包容直徑；C為有效圈內(nèi)徑）。

圖13 定位塊磨損相關(guān)尺寸

定位塊磨損超過極限后，線圈與工件的間隙減小，工件對零件的吸力增大，造成感應(yīng)器與工件打火，燒傷零件，損壞感應(yīng)器。

7 結(jié)語

感應(yīng)器的使用壽命，除了選材、設(shè)計、焊接和裝配之外，與設(shè)備水路設(shè)計也有很大關(guān)系，使用者的良好操作和保養(yǎng)習(xí)慣也是提高感應(yīng)器使用壽命的關(guān)鍵。

關(guān)于提高感應(yīng)器使用壽命的方法，筆者的論述可能存在偏頗和不到位的地方，大家可以相互探討、學(xué)習(xí)。