感应热处理工艺的优化调整

选择合适的电源和工艺设备，是实施感应热处理工艺的前提条件。而制订合理的工艺，是充分发挥设备的能力，最终生产出合格产品的必要条件。

感应热处理工艺调整的内容包括电规范调整和热规范调整两大方面。下面重点对电规范调整做详细的介绍。电规范调整的目的是，调整出工件感应加热所需的合理功率及其他电参数，使电源在不过载情况下处于良好的工作状态。

1.高频电源的电规范调整

高频电源的电规范调整应达到如下要求：

1）电规范参数，即阳极电压、阳极电流、栅极电流、槽路电压等应在设备的额定值范围内，不应使设备处于过载情况下工作。

2）使振荡器处在临界或轻微过压状态（即谐振状态）工作，此时，振荡器的效率最高。

3）在设备谐振状态下，调出工件所需要的电参数。

调整前，必须知道设备的额定值。如GP60-CR13型高频设备的阳极电压不超过13500V，阳极电流不超过3.5A，栅极电流不超过0.75A，槽路电压不超过9kV。阳极电流、栅极电流的额定值还可以从不同型号振荡管的参数中选取，见表2-7。

表2-7 振荡管阳极电流和栅极电流的额定值

振荡器处在谐振状态下工作时的工作效率最高，主要是通过调整耦合和反馈，使阳极电流和栅极电流的比例处在振荡器最佳工作状态。不同的振荡管的比例是不同的，采用FU433S、FU23S时，比值为4～7；采用FD911S时，比值常为7～10。

调节耦合的目的主要是改变阳极负载电阻。当耦合手轮调大，阳极负载减小，阳极电流增大，栅极电流减小，槽路电压也随之增大，此时，振荡部分的输入和输出均增加；当继续调大耦合手轮时，阳极电流继续增大，但槽路电压不再增加，这说明振荡部分输入继续增加而输出不再增加，调节已过了头。在欠压状态下，调大反馈手轮时，栅极电流上升，与此同时阳极电流也随之上升。当接近谐振临界点（谐振阻抗等于振荡管内阻）时，继续增大反馈，栅极电流继续增大，阳极电流上升，并达到最大值。当超过临界点时，阳极电流急剧下降，这个谐振临界点就是阳极电流和栅极电流的最佳比值。

当调整到稍过压状态时，振荡功率、效率仍比较高。当调整到欠压状态时，振荡功率、效率急剧下降。因此，在调整高频电源电规范时，必须调整到谐振状态或稍过压状态。

调试完高频电源设备电参数后，进而调整工件生产的实际电参数。由于高频设备的电参数不能直接显示加热功率，工件加热获得的比功率无法计算，所以在调试工件实际生产中的电参数时，必须在调好的电参数下，预先选定一个加热时间进行加热试验，然后对试验工件进行金相检查，从金相检查结果确定调试方案。如果硬度、金相组织合格，淬硬层深度深（或浅），则减少（或增加）加热时间；如果金相组织粗大（或珠光体、铁素体尚未完全转变），则必须调大（或减小）阳极电压，以减小（增大）比功率，同时进一步调整加热时间。如此反复调整直至完全符合工件的技术要求，这时的电参数就是需要的电参数值。必须指出的是：①整个调整过程必须严格按高频设备的操作规范进行；②调整中严格控制阳极电流和栅极电流的最佳比值；③工件调试过程中，同时记录冷电参数规范和热电参数规范。

2.IGBT晶体管变频电源电参数的调整

新型静止变频电源主要有晶闸管、IGBT晶体管、MOSFET晶体管电源等类型。这几种类型电源没有振动，体积小，质量轻，安装、使用都非常方便，广泛应用于热处理加热、锻造加热、熔炼等领域。

（1）IGBT晶体管变频电源的特点 目前，IGBT晶体管变频电源的工作频率可覆盖1～200kHz，功率可达数百甚至上千千瓦，应用最为广泛。其主要特点如下：

1）体积小。电源采用模块化、集成化结构电源，体积是相同功率的电子管式电源的1/4，更节省面积与空间。

2）寿命高。电源采用晶体管器件，无寿命限制。

3）高效节能。电源整机能量转换效率高于98%，比电子管式电源的效率提高1倍以上，节能效果明显。

4）安全环保。电源无高电压危险，使用与维护更安全。

5）适应范围广。电源频率可覆盖从中频到超音频范围，电源对负载的适应能力强，比其他电源更能适应多品种生产的要求。

6）使用简便。电源采用频率自动扫描工作原理，对负载匹配无特殊要求，在任意负载状态下电源能够起振工作；负载的匹配方式为调整电容C与电感L（变压器匝比），匹配状态以满足零件加热的频率范围要求为目标；电源的运行参数可根据需要设定，参数采用数字仪表显示。

7）维修方便。电源运行的时序逻辑采用PLD（可编程逻辑器件）控制，电源的水、电连接均采用标准插接件连接，整流与逆变采用全模块化结构。因此，电源的故障查询、检测、维修更换方便快捷。

8）功率调节范围宽，其调节范围为额定功率的10%～100%。

9）频率自适应，即工作频率与功率调节无关，而只与负荷振荡电路的谐振频率相同。从额定频率的50%～125%较大的频带宽度允许加热期间，感应负载有较大的波动而不需要再调节补偿电容。

（2）电源组成 SSTP系列晶体管逆变电源的组成包括：①主空气开关及交流接触器；②直流整流器；③平波电抗器；④电源控制电路；⑤IGBT逆变器；⑥操作及测量系统；⑦冷却系统；⑧柜体。

三相进线380V/50Hz电流经过三相全控整流系统整流，得到脉动的直流电流，该直流电流经过平波电抗器得到平滑的直流电流，直流电流进入逆变桥完成逆变，向电源负载系统（L-C并联谐振回路）提供中频电流。逆变桥由每组四个IGBT模块组成，最多可接四组。

电源的控制电子电路安装在一个标准机箱中，各控制板采用标准插件板安装。每块插件板都配有前面板，前面板装有发光二极管和数码显示管，由此可观察整个设备的工作情况，在设备出现故障情况下，可快速确定故障位置，便于及时处理。

（3）电源使用要求 电源使用要求包括电源使用环境的要求、供电电网的要求和冷却水的要求。

1）电源使用环境的要求：①周围环境温度为5～40℃；②最大相对湿度不大于85%；③周围没有导电、易燃易爆的尘埃和爆炸性气体，以及能严重损害金属工件和绝缘装置的腐蚀性气体及蒸气；④没有明显的振动和颠簸；⑤安装在通风良好的室内，垂直安装。

2）供电电网的要求：①电压波形为正弦波（只要实际电压的瞬时值a对基波电压的瞬时值b的最大偏差不大于基波峰值电压c的5%，即|a-b|＞=0.05c，则认为电压波形为正弦波）；②电压幅值波动不超过±5%时，保持可靠工作，附属设备及控制电路电压波动的范围不超过±10%；③各相电压的对称度要求是，网络系统的负序分量不超过正序分量的5%；④频率变化不超过±2%。

3）冷却水的要求：①冷却水在入口处的温度为5～35℃；②开放式回水时，冷却水入口处压力为0.20～0.25MPa；③封闭式回水时，冷却水入口处压力为0.25～0.40MPa；④冷却水温升≤15℃。

（4）电源原理 经三相全控桥整流后的直流电压，通过电抗器平波、隔离，供给逆变器，直流电通过交替开通和关断IGBT1、IGBT3和IGBT2、IGBT4使电流极性交替变换，并供给作为并联振荡电路的负载。整个系统以自低向高的扫频方式启动。在启动的初期，逆变器以最低开关频率和最小回路电流投入工作。随着开关频率的升高，逆变器的工作电压和工作电流的相位逐渐接近。当两者相位差到一定值时，逆变器的工作频率被锁定，并随着加热情况的化而变化。这样IGBT总是在中频电压过零点时被关断，从而减小了开关损耗。

在一般设备中共有十块插件式电路板，各插件式电路板完成不同的功能。插件式电路板从左到右其排列顺序为A4、A5……A13，如图2-11所示。

图2-11 插件式电路板的排列顺序

1）A2板GRS——整流脉冲功放板。三相同步信号输入后，生成三相双窄脉冲，并进行脉冲放大，驱动三相全控整流桥的晶闸管。脉冲的移相角度由A4板的移相电平决定，移相电平越高，移相角度越大，对应输出的直流电压越高。整流脉冲波形，如图2-12所示。调试时，顺序如下：开控制电源，用示波器检查+A/+B/+C/-A/-B/-C有双尖脉冲。整流驱动板六个红灯亮；通主回路，通主接触器，直流电压表上显示有负压在100V左右为正常。

2）A4板REG——电流电压调节电路板（见图2-13）。对采集的电压、电流信号进行双闭环调节。最终输出移相电平到整流脉冲功率放大板。

图2-12 整流脉冲波形

图2-13 电流电压调节电路板

启动时由启动电流R1提供一定的移相电压，其与电流反馈综合后决定启动后的直流电压，顺时针提高；限流值由R25设定，顺时针放大；输出电压低限由R50控制，与启动电流综合；输出电压高限由R47控制，逆时针降低输出电压。

3）A5板EOK1——信号输入电路板。为防止外部干扰，提高电源的稳定性和可靠性，系统中所有的外部开关量输入均采用光耦隔离。对于所有的输入通道，当有效信号输入时，其对应的发光二极管会亮，以便更好地监视各信号的状态。

4）A6板SKI——总控电路板。该电路板是整个系统的控制核心，主要电路由一片EPLD及外围芯片组成。根据A5板来的输入信号，完成对整个系统的时序逻辑控制。由于EPLD的处理速度快，对系统的保护更为及时。

5）A7板AOK1——信号输出电路板。对控制输出信号，也采用光耦隔离。对于所有的输出通道，当信号有效时，其对应的发光二极管会亮，以便更好地监视各信号的状态。

6）A8-SEA2/A9-SEA1板——故障处理指示电路板。A8/A9板组成一个完善的故障报警系统。外部的各种故障信号通过A5板隔离后输入，通过A9板的选通，再由A8板存储、译码，最后显示在A8板的两位数码管上，方便使用者进行故障检测与设备维护。

7）A10板GSQ——电源电路板。交流电经该电路板稳压后，输出稳定的±15V给其他电路板供电。该电路板工作正常时，电路板上的两个发光二极管会亮。(www.xing528.com)

8）A11板UIP——过电压、过电流保护电路板（见图2-14）。该电路板提供以下两种保护：

图2-14 过电压、过电流保护电路板

①过电压保护。在中频电压过高时，保护晶体管。过电压设定值由R28和R31调节，R28逆时针，R31顺时针，过电压值放大。取样信号来自中频电压互感器，经过信号变换板UIE取样后输入，在电路板中经过整形并与设定值比较，一旦超过设定值，设备将立即停止工作，主接触器断开，整流桥和逆变器也停止工作，形成对设备的及时保护。

②过电流保护。工频的取样信号来自进线的电流互感器。经过信号变换板UIE整形取样后，在电路板中经过整形并与设定值比较，一旦超过设定值，设备将立即停止工作，主接触器断开，整流桥和逆变器也停止工作，形成对设备的及时保护。设定值由R11调节，顺时针过电流值放大。

注意进线电流信号中若有一相接反，略升电压，就会出现过电流。此时，中频波形和直流波形都正常。

9）A12板WRS——频率调节电路板1。该电路板是整个逆变系统的核心部分，根据中频电压互感器的反馈信号，完成对负载变化频率的跟踪。CD4046及其相关外围电路构成完善的锁相电路，形成对频率的跟踪。最后形成逆变驱动脉冲，通过光纤隔离后发送到IGBT驱动板，完成系统的逆变。

如图2-15所示，调节位置及调节方法如下：

W2：启动频率即最低振荡频率调节，顺时针降低。

W3：关断时间调节，顺时针加大。

W4：重叠时间调节，顺时针加大。

图2-15 频率调节电路板

10）A13板WRS——频率调节电路板2。针对某些特定场合，为更好地适应工作环境，电源配备两块频率调节电路板：A12板与A13板，两块频率调节电路板基本参数一致，不同的是其启动频率和工作频率不一样，针对不同的负载类型，可以通过两块板子的切换来选择合适的工作参数，频率调节电路板的切换通过电源面板上的旋钮来实现。调节方法与A12板一致。正常情况下，A12板为高频调节电路板，A13板为低频调节电路板，当被选中时，频率调节电路板自身对应的指示灯会亮。

（5）IGBT电源的操作 IGBT电源的操作如下：

1）上电步骤：①合“控制电源总开关”，各电路板上电，确定无故障指示后进行下一步操作；②合“主空开合”；③合“主接触器合”，注意主接触器在系统有故障时会断开或合不上，只有确定系统无故障后才能合主接触器。

此时电源面板上“主空开合”和“主接触器合”指示灯应该全亮，而且直流电压表应显示有负压。至此，电源即可进行正常加热。加热/加热停旋钮应置于“加热停”的位置，内操/外操旋钮应置于“内操”的位置。

2）断电步骤：①断主接触器；②断主空气开关；③断控制电源总开关。

3）故障指示。控制面板上有故障指示，各代码意义如下：

01表示过流；04表示过压；05表示超频；06表示相位错误1；07表示不振；108表示相位错误；209表示不振；210表示电压过低1；11表示电压过低；213表示漏电保护；14表示电路保护断开；15表示整流桥熔断器断开；16表示水温水压保护。

在设备使用过程中，常见错误为代码16，即水温水压保护。出现此错误时请检查：①变压器、电源水压是否正常，确定实际水压黑色指针超过绿色限位指针；②确定水温正常，温度表工作正常，且实际水温不超过设定值。

检查完毕后按故障复位按键，故障指示消除后再合主接触器，设备可继续工作。

（6）IGBT电源的检查 IGBT电源的检查如下：

1）操作步骤的检查。在确定感应器已连接好，工件已经正确地放入感应器内，电源和感应器的冷却水压水温达到要求，且机床能满足加热的条件时，给电源送上控制电源，检查电路板的正负15V电源，电路板及继电器的指示灯状态是否正常，按复位后各点状态是否正常，故障指示能否清除，否则检查水压流量温度保护。再合主回路空气开关，合主接触器，将功率旋钮调至最小，按启动，观察电路板指示灯的状态，可以看到电路板A12上B2、C2灯亮，直流电压和电流建立，可以听到电流流过电抗器的声音。

2）整流桥的检查。在电抗器声音出现异常时，必须检查整流部分：主电路器件接触良好，空气开关触点接触良好，快熔电阻为0Ω，整流脉冲正常，晶闸管正常，电抗器水通畅。

合上控制电源后，整流脉冲变压器板的6个红色脉冲指示灯亮。用万用表的直流档测量，红表笔接门极，黑表笔接阴极，电压一般为0.2～0.6V，且六路脉冲幅值基本一致；过高可能门极开路或门极电阻太大；过低可能为单脉冲或门极电阻太小。在有整流脉冲时，合上主空气开关和主接触器，直流有负电压，一般为-200V左右。正电压为不正常，后果是可能损坏逆变桥的IGBT模块。

整流脉冲的常见故障：脉冲变压器板的损坏，整流板的集成块损坏。

整流桥的不常见故障：整流晶闸管的损坏，主电路缺相。

电源的相序非常重要，在设备改接电源时，相序不能弄错。

具体检查方法是：上电前先断开输入至电抗器的传输电缆，合上控制电路电源，合主空气开关和主接触器，此时直流电压表应显示有-100V以上的负压，或者使用数字万用表直流电压档测试整流器上直流电压，红表笔对整流模块正输出，黑表笔对负输出，测出的电压为负电压且在-100V以上，即为正常。若为正电压或者没有显示都不正常，有双踪示波器时请使用示波器检测电源相序。

3）逆变桥的检查。每一只IGBT配一块驱动电源，驱动电源输出+15V，驱动板指示灯指示有电源。

逆变IGBT无烧损，无变色，无发热。断电时，用万用表二极管档检测GE极间反向-0.276左右，正向不通。IGBT安装时底面抹上导热硅脂，均衡压紧，台面均匀受力，与铜板连接面自然平滑。快恢复二极管检测同普通二极管。吸收电路无异常。

控制电源合上后，短接机箱背后的125-126引角，用示波器观察IGBT驱动波形为方波，上升沿下降沿的间距不大于1μs，正向幅值15V，负向幅值-15V。对角驱动波形一致。

4）负载的检查。负载包括从逆变桥出来的中频电缆、中频变压器、补偿电容、连接排和感应器。输出电缆一般采用双绞线，以减少线路电感。功率越大，频率越高，要求越严格。

注意检查电缆和接头、感应器和过渡排接触面，感应器必须保持冷却水畅通。另外，可检查中频电压互感器各原二次侧的阻值。

（7）故障的检查和调试 故障的检查和调试如下：

1）过电流-01。A8板上01指示过电流故障。由于IGBT的过载能力很差，即使是毫秒级的过载也可以引起烧毁或特性变差，故电源设置了过电流故障。过电流信号由三相进线的电流互感器接入，整形取样后进入电路板实时检测，过电流值由A11板的R11设定，一旦超过设定值，设备将立即停止工作，主接触器断开，整流桥和逆变器也停止工作。

确定没有对过电流设定值以及功率调节后，引起过电流故障的原因有：①负载突然变化；②主回路短路；③整流桥晶闸管烧毁；④母排打火；⑤电流电压反馈回路故障；⑥负载对地，或感应器打火；⑦逆变桥IGBT及其他元件故障；⑧直流过电压引起的；⑨保护晶闸管引起；⑩放电管损坏。

在过电流故障时，请注意观察发生的异常。

2）过电压-04。A8板上04指示过电压故障。过电压信号由中频电压互感器的X51/X52经UIE板调节后进入A11板实时检测，过电压值由A11板的R28/R31设定，一旦超过设定值，设备将立即停止工作，主接触器断开，整流桥和逆变器也停止工作。

引起过电压故障的原因有：①整流桥故障；②负载连接松动或开路；③逆变IGBT故障；④控制板故障；⑤逆变脉冲电路故障；⑥设备误动作或外界因素干扰；⑦电流电压反馈回路故障。

3）直流过电压。直流过电压是指整流桥输出直流电压过高。引起直流过电压的原因有：①负载变化太大，或开路；②逆变驱动脉冲不对；③母排对地，不能建立电压；④整流脉冲或移相电平有误；⑤接地不可靠。

（8）电源维护 电源的日常维护工作如下：

1）防尘防潮检查。机箱中的电路板、所有高低压电气元件必须注意防潮防尘。电路板或高低压电气元件上若灰尘过多或过于潮湿，极有可能导致信号线间误导通，产生无法预料的后果，所以在日常工作中必须注意检查。

2）连接线检查。所有的接线端和连接螺钉一年检查一次其紧固情况，若处于振动的环境中一年至少检查四次。

3）密封性检查。在有灰尘和潮湿危害的环境中，一年至少检查一次所有门的密封条，必要时重新更换。对已经侵入的灰尘和潮气必须清除干净。

4）冷却水检查。一个月至少检查一次冷却水循环设备的性能和密封。必要时冲洗或用气吹通堵塞的管道，重新拧紧松动泄漏的软管。对于封闭管道中的水推荐一年更换一次。此外，应用干净的饮用水或非矿化水，最好采用蒸馏水。管道水循环回路每年至少清洗一次。