電磁感應(yīng)加熱技術(shù)工藝在汽車制造中的應(yīng)用
1. 電磁感應(yīng)現(xiàn)象
電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指放在變化磁通量中的導(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢。此電動(dòng)勢稱為感應(yīng)電動(dòng)勢或感生電動(dòng)勢，若將此導(dǎo)體閉合成一回路，則該電動(dòng)勢會(huì)驅(qū)使電子流動(dòng)，形成感應(yīng)電流（見圖1）。
電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，乃是電磁學(xué)領(lǐng)域中偉大的成就之一。它不僅揭示了電與磁之間的內(nèi)在聯(lián)系，而且為電與磁之間的相互轉(zhuǎn)化奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，為人類獲取巨大而廉價(jià)的電能開辟了道路，在實(shí)用上有重大意義。電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著一場重大的工業(yè)和技術(shù)革命的到來。事實(shí)證明，電磁感應(yīng)是發(fā)電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、變壓器和大部分其他電力設(shè)備操作的基礎(chǔ)，在電工、電子技術(shù)、電氣化、自動(dòng)化和工業(yè)加熱方面的廣泛應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起到了重要的作用。
2. 感應(yīng)加熱原理
感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用的就是變壓器的工作原理，在感應(yīng)器（變壓器的初級(jí)線圈）中通入交變電流后，在其周圍會(huì)產(chǎn)生交變磁場，放置在其附近的金屬工件（變壓器的短路次級(jí)線圈）在交變磁場的作用下，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，在該電動(dòng)勢的驅(qū)使下使工件中的電子流動(dòng)形成感應(yīng)電流（渦流見圖2）。在工件中電阻的作用下將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使工件本身加熱?/span>
3. 感應(yīng)加熱的優(yōu)點(diǎn)
如上所述，感應(yīng)加熱是利用在金屬中產(chǎn)生的感應(yīng)電流直接實(shí)現(xiàn)工件的加熱。該加熱方式是一種非接觸式加熱，其電熱轉(zhuǎn)換效率主要取決于金屬材料的磁導(dǎo)率和感應(yīng)器（變壓器的初級(jí)線圈）與工件（變壓器的次級(jí)線圈）的耦合程度，即金屬的磁導(dǎo)率越高，熱轉(zhuǎn)換效率越高，感應(yīng)器與工件的耦合越緊，熱轉(zhuǎn)換效率越高。而普通的爐中加熱均需要有加熱源，通過加熱源的輻射、熱量在加熱介質(zhì)中的對(duì)流，以及被加熱體的熱傳導(dǎo)三個(gè)過程實(shí)現(xiàn)金屬工件的加熱，其加熱效率是加熱源的能量轉(zhuǎn)換效率、熱量的對(duì)流效率和熱量在被加熱體中的傳導(dǎo)效率的綜合效率。相比之下，感應(yīng)加熱具有如下優(yōu)點(diǎn)：
（1） 沒有對(duì)流和傳導(dǎo)的加熱過程，在工件的內(nèi)部直接加熱，加熱速度快。
（2）減少了工件在加熱過程中的氧化和脫碳。
（3） 節(jié)約能源，不需要爐中加熱時(shí)所需的加熱爐的預(yù)熱和升溫，可隨時(shí)開始和停止加熱，在非工作周期不需要保持加熱爐的溫度。
（4）加熱時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，有效地減少了工藝成本。
（5）可實(shí)現(xiàn)零件的局部加熱。
（6）設(shè)備的機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，占地面積少，可實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)化生產(chǎn)線的共線生產(chǎn)。
（7）工作環(huán)境清潔、安全、噪聲小，屬于環(huán)境友好型生產(chǎn)方式。
（8）設(shè)備的故障率低，維護(hù)、維修、保養(yǎng)成本低。
由于感應(yīng)加熱技術(shù)具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代汽車制造中廣泛用于鑄造加工中的黑色金屬及各種有色金屬的熔煉，壓力加工中的毛坯透熱，零件熱處理中的淬火、回火、正火及退火，焊接加工中的焊前預(yù)熱、焊后的焊縫去應(yīng)力退火、有色金屬的釬焊，部件裝配過程中過盈配合零件的熱裝配、金屬制件與塑料件的熱合成，粘接涂膠過程中的感應(yīng)加熱烘干及固化，以及表面防護(hù)中的非金屬粉末熱涂覆等。
1. 隧道式感應(yīng)加熱爐的應(yīng)用
在汽車零部件鑄件的生產(chǎn)過程中，由美國Aj a xTOCCO、Inductotherm Group、德國INDUGA等世界著名感應(yīng)加熱設(shè)備制造商所提供技術(shù)先進(jìn)的隧道式感應(yīng)加熱爐已得到大量應(yīng)用。隧道式感應(yīng)加熱爐（見圖3）是用于金屬熔煉效率高的電爐之一，在世界先進(jìn)的有色及黑色金屬鑄造廠都可以見到。與螺線管形式感應(yīng)器的無芯感應(yīng)加熱爐相比，它采用了一種隧道形式的帶有鐵芯的感應(yīng)器，其工作原理就如同一個(gè)變壓器，該隧道式感應(yīng)器就是變壓器的初級(jí)線圈，坩堝內(nèi)的熔融金屬就是變壓器的次級(jí)線圈。由于感應(yīng)器與熔融金屬的耦合較緊，加熱過程中功率因數(shù)很高，電能的利用率也非常高，可實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目標(biāo)；另外，由于電磁攪拌的作用效果非常好，熔融金屬的成分均勻性也非常好，得到了用戶的高度認(rèn)可。除用于普通的鑄造生產(chǎn)還可用于壓力鑄造的在線生產(chǎn)。
2. 金屬半固態(tài)成形中感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用
隨著全球性能源危機(jī)，汽車輕量化顯得尤為重要，在汽車制造中鋁合金及一些輕合金的應(yīng)用越來越多。為了提高這些輕金屬的強(qiáng)度，對(duì)鋁制零件的內(nèi)在質(zhì)量要求也越來越高，一種能夠改善金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的半固態(tài)成形技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。美國的INDUCTOHEAT、AMERITHERM、ELECTROHEAT、BONE FRONTIER等公司介紹了感應(yīng)加熱半固態(tài)成形技術(shù)（見圖4）。半固態(tài)成形的概念就是首先將制備好的坯料加熱到較低熔點(diǎn)的溫度，此時(shí)的組織狀態(tài)是細(xì)小球狀顆粒和液態(tài)的混合相，然后這種半固態(tài)的液體注入到成型的模腔中成形，在結(jié)晶過程中每個(gè)細(xì)小的球狀顆粒都可以作為一個(gè)晶核長大完成結(jié)晶過程，其終的組織結(jié)構(gòu)是細(xì)密均勻的球狀組織，與傳統(tǒng)鑄造的樹枝狀結(jié)晶組織有很大區(qū)別。之所以能夠得到球狀組織，在加熱過程中需要利用攪拌的手段，使半熔融金屬中的固態(tài)顆粒進(jìn)行球化，且在液態(tài)中分布均勻。而用感應(yīng)加熱方式即將金屬加熱到所需的溫度，另外在交變磁場的作用下，還可以得到電磁攪拌的效果，因此該技術(shù)廣泛用于電磁連鑄生產(chǎn)過程。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：
（1）高效節(jié)能，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，生產(chǎn)過程穩(wěn)定，質(zhì)量一致性好。
（2）生產(chǎn)效率高，可以與壓鑄生產(chǎn)保持同步。
（3）可以減少進(jìn)入模腔的氣體，鑄件的縮孔、疏松等質(zhì)量缺陷少。
（4）鑄件的組織細(xì)密、均勻，強(qiáng)度有很大提高。
（5）混合液體的溫度較低，降低了對(duì)模具的熱沖擊，從而有效地提高了模具壽命。
3. 汽車齒輪仿形雙頻感應(yīng)淬火技術(shù)的應(yīng)用
齒輪輪齒在載荷的作用下，輪齒根部的彎曲應(yīng)力大，同時(shí)在齒根部與輪緣的過度部分由于形狀和尺寸的急劇變化產(chǎn)生應(yīng)力集中。另外，由于在齒輪的嚙合過程中輪齒的接觸面積很小（理論上是線接觸），在載荷的作用下，在齒面將產(chǎn)生很大的脈動(dòng)變化的接觸壓應(yīng)力，所以齒圈的失效形式主要是輪齒折斷、齒面損壞和塑性變形。為了提高汽車齒輪的耐磨性和彎曲強(qiáng)度，要求齒輪的齒部表面和齒根表面具有較高的硬度和表面壓應(yīng)力；而為了避免產(chǎn)生脆性斷裂，提高輪齒的韌性，心部硬度不易過高。目前廣泛用于汽車齒輪的熱處理方法有滲碳淬火和氮化處理。滲碳處理可以滿足上述性能要求，但存在生產(chǎn)周期長、效率低、熱處理變形控制困難，以及生產(chǎn)成本高等不足。氮化處理也存在生產(chǎn)周期長、效率低、生產(chǎn)成本高等不足，由于硬化層較薄，對(duì)提高耐磨性的作用較大，但對(duì)提高強(qiáng)度的作用則很小。
鑒于上述情況，美國的INDUCTOHEAT等公司介紹了齒輪單圈感應(yīng)器雙頻感應(yīng)淬火（single coil dualfrequency gear hardening）技術(shù)，該技術(shù)使用一個(gè)感應(yīng)器，兩套感應(yīng)加熱電源，其中一套頻率為10～25kHz ，功率根據(jù)齒輪的尺寸和模數(shù)大小確定，用于齒根部分的加熱，另外一套電源的頻率為150～350kHz ，功率根據(jù)齒輪的尺寸和模數(shù)大小確定，但該功率是較低頻率電源的2～3倍。采用分時(shí)段加熱的方式，首先使用較低頻率電源，比功率為2～4kW/cm2，將工件加熱至低于奧氏體化溫度50～100℃時(shí)立即停止加熱，改用另外一個(gè)頻率較高的電源給感應(yīng)器供電，比功率為6～10kW/cm2用于加熱齒頂部分，瞬間使加熱溫度達(dá)到高于奧氏體化溫度80～100℃，停止加熱（見圖5），并立即噴水冷卻，完成淬火過程，得到有效硬化層仿形分布的效果。
德國ELDEC等公司介紹了s imu l t a n e o u s d u a lfrequency gear hardening技術(shù)。該技術(shù)使用一個(gè)感應(yīng)器，一套頻率分別為10～25kHz和150～350kHz的雙頻感應(yīng)加熱電源，功率根據(jù)齒輪的尺寸和模數(shù)大小確定，采用同時(shí)加熱的方式，即在同一個(gè)感應(yīng)器內(nèi)通有上述兩種頻率的交變電流，比功率一般在15～20kW/cm2，根據(jù)零件的尺寸和模數(shù)通過試驗(yàn)確定，在極短的時(shí)間內(nèi)（0.2～1.5s）完成齒根、齒面和齒根的加熱過程，并立即噴水進(jìn)行冷卻，完成淬火過程，同樣得到有效硬化層仿形分布淬火的效果（見圖6）。汽車齒輪仿形雙頻感應(yīng)淬火技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是，加熱時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，零件的淬火變形小，設(shè)備的占地面積少，生產(chǎn)環(huán)境清潔無污染，機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，可與其他加工設(shè)備共線生產(chǎn)。
4. 感應(yīng)加熱技術(shù)在非金屬粉末涂敷中的應(yīng)用
為了減小汽車傳動(dòng)軸花鍵軸叉和花鍵套管間的摩擦系數(shù)，降低噪聲，提高整車的可靠性和耐久性，借鑒國外樣車的成功經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)對(duì)標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)，在花鍵套管與花鍵軸叉的配合位置做了局部尼龍涂敷，采用的是熱涂敷工藝。用爐中加熱方式存在以下不足：
（1） 需要將零件整體加熱，工藝周期長，為滿足生產(chǎn)節(jié)拍，設(shè)備占地面積大。
（2）只需要局部涂敷，其余部分要進(jìn)行防護(hù)，導(dǎo)致工序復(fù)雜。
（3）為了滿足工藝節(jié)拍的要求，保證零件到達(dá)涂敷工位的工藝溫度，需要工件有較高的過熱度，導(dǎo)致工件的表面氧化，降低涂敷材料和零件間的附著力， 影響涂敷質(zhì)量。
為此，一汽集團(tuán)公司應(yīng)用感應(yīng)加熱技術(shù)，利用感應(yīng)加熱可以實(shí)現(xiàn)零件局部加熱的特點(diǎn)，采用合理的工藝方法和工藝參數(shù)，嚴(yán)格控制加熱區(qū)域和加熱溫度，減少了零件在涂敷前的氧化，不需涂敷的部分大大低于工藝溫度，不用采取任何防護(hù)措施。設(shè)備的占地面積小，自動(dòng)化程度高，可根據(jù)涂敷工序的時(shí)間合理安排感應(yīng)加熱的節(jié)拍，并實(shí)現(xiàn)了在線生產(chǎn)，涂敷后實(shí)物見圖7。該工藝提高了生產(chǎn)效率，降低了能耗和工藝成本，改善了生產(chǎn)環(huán)境，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。
5. 感應(yīng)加熱技術(shù)在高強(qiáng)鋼板成形及熱處理中的應(yīng)用
為了提高汽車車身的安全性及實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)，歐美及日本等汽車制造技術(shù)比較先進(jìn)的各汽車廠家，爭相采用減薄高強(qiáng)鋼板，通過熱處理強(qiáng)化的方式，提高車身結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度。通常的做法是，使用為滿足車身板熱處理需求而開發(fā)的專用鋼板。該材料應(yīng)具有淬硬性能好、在高溫晶粒長大速度慢、組織細(xì)密等性能，在進(jìn)行沖壓成形前使其在加熱爐中加熱到奧氏體化溫度以上50～80℃，然后快速送到模具內(nèi)成形，利用帶有冷卻水道的模具使其迅速冷卻到馬氏體相變點(diǎn)以下溫度，進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)淬火過程。目前的加熱方式一般采用帶有快速送料機(jī)構(gòu)的縫隙式加熱爐進(jìn)行加熱，為了減少加熱過程中的氧化，爐內(nèi)還要用惰性氣體或保護(hù)氣氛加以保護(hù)。經(jīng)這樣處理后的車身結(jié)構(gòu)件（如A、B、C柱及副車架等，見圖8）的抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到1300～1500MPa，提高近2～3倍，因而在實(shí)現(xiàn)了輕量化的情況下，大大提高了汽車的安全性。
據(jù)資料介紹，日本的高周波熱煉等公司利用感應(yīng)加熱速度快的特點(diǎn)，成功開發(fā)了用感應(yīng)加熱代替廣泛使用的爐中加熱新技術(shù)。該技術(shù)具有加熱速度快，電熱轉(zhuǎn)換效率高，設(shè)備占地面積少，機(jī)械化和自動(dòng)化程度高，以及能夠與生產(chǎn)線共線生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，并在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。
隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和對(duì)環(huán)境保護(hù)的高度重視，在全球性能源緊張的背景下，節(jié)能、環(huán)保是汽車制造業(yè)要面對(duì)的兩個(gè)非常重要的現(xiàn)實(shí)問題。作為一種高效、污染小的加熱方式，感應(yīng)加熱技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域?qū)?huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。