دستگاه سخت کاری القایی فرایند ایجاد سختی در سطح فلزات رسانا را با قرار دادن آنها در یک میدان مغناطیسی بزرگ انجام می دهد. میدان مغناطیسی، جریان الکتریکی موقتی ایجاد می‌کند که منجر به گرم شدن فلز می‌شود. از فرایند حرارت القایی در بیشتر صنایع به منظور بالابردن خواص فیزیکی و عملکرد بهتر فلزات استفاده می‌شود. کوره القایی که برای این منظور به کار گرفته می‌شود، اقدام به اعمال دمای کنترل شده به عمق فلز نموده تا در ساختار کریستالی آن تغییر اعمال نماید.
باتوجه‌به پیشرفت‌های گسترده در صنایع طی سال‌های اخیر، استفاده از عملیات حرارتی القایی بسیار متداول شده است. چرا که با کمترین آلودگی، سرعت بالا، گرمایش موضعی، کنترل عمق نفوذ و راه‌اندازی سریع نسبت به سایر روش‌ها در این زمینه اقدام به سخت‌کاری فلزات مختلف می‌نماید. با خرید دستگاه سخت‌کاری القایی میتوانید در صنعت خود اقدام به بالابردن خواص فلزات نمایید.
سخت کاری القایی
در سخت کاری القایی با اتصال جریان الکتریکی فرکانس بالا به یک کویل پیچیده شده به دور قطعه کار وگرم شدن قطعه تا دمای آستنیته، و سپس خنک کاری سریع آن با یک مایع خنک کننده، یک لایه سخت ( به عمق دلخواه که با تغییر فرکانس قابل کنترل است) در سطح قطعه ایجاد می شود.
در بسیاری از قطعات مثل شفتها و لوله های بلند، به منظور بهبود دقت وتکرار پذیری مناسب و به حداقل رساندن اعوجاج و تابیدگی، این فرآیند، اتوماسیون شده و با چرخش قطعه بین دو مرغک و پاشش اتوماتیک مایع خنک کننده ( که بلا فاصله پس از گرمایش انجام می شود) همراه می شود. در این متد عملیات حرارتی، اصلی ترین بخش کار، سیستم حرارت دهی بوده و کارشناس عملیات حرارتی می بایست با مکانیزم گرمایش القایی آشنایی کامل داشته باشد.
گرمایش به روش القایی
حرارت دهی القایی روشی برای گرم کردن مواد هادی الکتریسیته با استفاده از اعمال یک میدان مغناطیسی متغیر است که خطوط نیروی آن به قطعه کار نفوذ می‌کند. در این فرایند، میدان مغناطیسی متغیر یک پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) القا می‌کند که می‌تواند جریان الکتریکی ایجاد کند، بسته به شکل و ویژگی‌های الکتریکی قطعه کار.
این جریان‌های گردابی، انرژی را هدر داده و با جریان یافتن در برابر مقاومت یک هادی ناقص، حرارت تولید می‌کنند. از آنجا که تمام فلزات، هادی‌های الکتریکی مناسبی هستند، حرارت دهی القایی برای بسیاری از فرایندهای متالورژیکی مانند ذوب کردن، جوشکاری، لحیم‌کاری، عملیات حرارتی، القای تنش، تصفیه ناحیه‌ای و گرم کردن قبل از کار گرم قابل استفاده است.
این تکنیک همچنین به انواعی از کاربردهای غیرفلزی مانند پیوند چسب، گرافیت‌سازی کربن، خشک کردن، پخت و عملیات حرارتی شیشه نیز می‌پردازد. از میان این کاربردها، عملیات حرارتی از نظر تعداد و وسعت کاربردهای صنعتی، غالب است و سخت کاری سطحی فولاد و چدن، رایج‌ترین استفاده از آن است.
در مقایسه با تکنیک‌های کوره‌ای، حرارت دهی القایی معمولاً می‌تواند صرفه‌جویی در انرژی و نرخ‌های گرمایش بسیار بالاتری نسبت به روشهای همرفتی، تابشی، هدایتی یا حتی فرایندهای شعله‌ای ارائه دهد. سایر مزایای عملیات حرارتی القایی، علاوه بر این که روش مذکور بدون تماس و تولید گرما در داخل قطعه کار است، شامل موارد زیر می‌باشد:
- سهولت در اتوماسیون و کنترل
- کاهش نیاز به فضای کف
- شرایط کار آرام و پاک
- مناسب برای ادغام در یک خط تولید یا فضای کار عمومی به دلیل حذف
- گرمایش ثانویه یا تابشی
- قابلیت خودپایش
اصول سخت کاری القایی
اجزای اصلی یک سیستم حرارت دهی القایی شامل یک کویل القایی، یک منبع تغذیه جریان متناوب (AC) و خود قطعه کار است. کویل که ممکن است بسته به الگوی گرمایش مورد نیاز و شکل قطعه، اشکال مختلفی داشته باشد، به منبع تغذیه متصل است به‌گونه‌ای که میدان مغناطیسی از جریان الکتریکی تولید شود (شکل 1a). شدت میدان به قدرت جریان و تعداد دورهای کویل بستگی دارد.
ویژگی‌های جریان‌های گردابی
در هر لحظه، جهت جریان القایی در قطعه کار تقریباً مخالف با جریان در کویل القایی است و به‌طورکلی الگوی جریان آن، نوعی “تصویر سایه‌ای” از هادی‌های کویل را توصیف می‌کند. جریان‌های القایی همچنین میدان‌های مغناطیسی خود را تولید می‌کنند که در تضاد با میدانی است که توسط کویل تولید می‌شود و بدین ترتیب از نفوذ میدان به مرکز جسم جلوگیری می‌کند شکل 1 .( بنابراین، جریان‌های گردابی بیشتر در سطح متمرکز شده و به سمت مرکز جسم کاهش می‌یابند شکل 2a. این پدیده که جریان‌های گردابی به سمت سطح یک هادی نزدیک‌تر می‌شوند، به “اثر پوسته‌ای” (Skin Effect) معروف است.
تولید حرارت
مکانیزم اصلی تولید حرارت، از شار جریان‌های گردابی در قطعه کار ناشی می‌شود. مکانیزم دوم تولید حرارت در مواد فرومغناطیسی رخ می‌دهد یعنی زمانی که انرژی در هنگام تغییر جهت حوزه‌های مغناطیسی تلف می‌شود. این اثر در مواد فرومغناطیسی معمولاً در محاسبات گرمایش القایی نادیده گرفته می‌شود، زیرا این اثر برای شدت‌های معمول میدان‌های مغناطیسی در گرمایش القایی بسیار کوچک است؛ بنابراین، نرخ گرمایش به واحد توان (وات) عمدتاً تابعی ازR ، یا گرمایش ژولی، است.
نرخ گرمایش تحت تأثیر چندین متغیر قرار می‌گیرد، از جمله:
- شدت میدان (که با واحد آمپر – دور سیم‌پیچ کاری بیان می‌شود)
- نزدیکی قطعه کار به رساناهای سیم‌پیچ
- خواص الکتریکی و مغناطیسی ماده مانند مقاومت الکتریکی (ρ) و نفوذپذیری مغناطیسی (μ)
نرخ‌های گرمایش معمولاً توسط ولتاژ سیم‌پیچ کنترل می‌شوند، زیرا شدت میدان (یا جریان سیم‌پیچ) تقریباً متناسب با ولتاژ سیم‌پیچ است. نرخ مورد نظر گرمایش بسته به کاربرد متفاوت است و تحلیل ریاضی فرایندهای گرمایش القایی می‌تواند برای همه جز ساده‌ترین هندسه‌های قطعه کار بسیار پیچیده باشد. این پیچیدگی ناشی از تأثیرات تولید غیر یکنواخت حرارت در سراسر قطعه کار، انتقال حرارت و این واقعیت است که خواص الکتریکی، حرارتی و متالورژیکی اکثر مواد وابستگی شدیدی به دما دارند.
به همین دلیل، راه‌حل‌های کمی در بیشتر موارد فقط برای گرم کردن میله‌ها یا لوله‌های گرد و صفحات و ورق‌های مستطیلی موجود است. با این حال، چنین تحلیل‌هایی، اگر به‌درستی اعمال شوند، می‌توانند بینش‌های مفیدی درباره تأثیرات طراحی سیم‌پیچ و ویژگی‌های تجهیزات بر الگوهای گرمایش در قطعات با اشکال نامنظم ارائه دهند. این اطلاعات، همراه با دانش به‌دست‌آمده از سال‌ها آزمایش در محیط‌های آزمایشگاهی و تولید، پایه‌گذار طراحی عملی فرایندهای گرمایش القایی است.
منابع تغذیه
علاوه بر سیم‌پیچ القایی و قطعه کار، منبع تغذیه احتمالاً مهم‌ترین جزء یک سیستم گرمایش القایی به‌حساب می‌آید. وظیفه منبع تغذیه این است که انرژی را از یک خط با فرکانس ۶۰ هرتز (یا ۵۰ هرتز یا فرکانس‌های دیگر در مناطق مختلف جهان) دریافت کرده و انرژی الکتریکی AC را از طریق مدار تطبیق بار به مدار سیم‌پیچ القایی در ولتاژ و فرکانس مناسب تحویل دهد. در طول سال‌ها، سه دامنه فرکانسی اصلی برای طبقه‌بندی سیستم‌های گرمایش القایی AC به وجود آمده است:
- سیستم‌های فرکانس پایین (سیستم‌های با فرکانس خط ۵۰ یا ۶۰ هرتز)
- سیستم‌های فرکانس متوسط (تریپلرها یا مبدل‌های ۱۵۰ یا ۱۸۰ هرتز تا حدود ۱۰ کیلوهرتز)
- سیستم‌های فرکانس بالا (۱۰ کیلوهرتز و بالاتر)
عملیات حرارتی سخت کاری القایی
گرمایش کنترل شده:
سخت کاری القایی امکان کنترل دقیق فرآیند گرمایش را فراهم می‌کند. با تنظیم فرکانس و توان جریان متناوب می‌توان نواحی خاصی از فلز را تا دمای مورد نظر گرم کرد. این گرمایش موضعی خطر گرمای بیش از حد یا آسیب حرارتی به نواحی اطراف را به حداقل می‌رساند که یک نگرانی رایج در سایر روشهای سخت کاری است.
خنک کردن سریع:
فلز پس از رسیدن به دمای مورد نظر به سرعت خنک می‌شود تا به سختی مورد نظر برسد. سرعت سرد شدن برای تشکیل مارتنزیت که فازی با سختی بالا بوده ضروری است. ماهیت کنترل شده سخت کاری القایی تضمین می‌کند فقط نواحی ضروری به سرعت سرد می‌شوند و اعوجاج را به حداقل رسانده و راندمان کلی را بهبود می‌بخشد.
نحوه سخت کاری فلزات
سخت کاری القایی فلزات در فرآیندی سیستماتیک برای دستیابی به سختی مطلوب و در عین حال به حداقل رساندن اعوجاج انجام می‌شود:
- انتخاب مواد: با توجه به ترکیب و سختی پذیری آن، یک آلیاژ فلزی مناسب برای سخت شدن القایی انتخاب کنید.
- طراحی قطعه: قطعه را با ملاحظات هندسی طراحی کنید و اطمینان حاصل کنید سیم پیچ القایی می‌تواند به مناطق مورد نظر برسد.
- آماده سازی سطح: سطح فلز را برای حذف آلاینده‌ها تمیز کنید و از انتقال حرارت بهینه در طول فرآیند سخت کاری اطمینان حاصل کنید.
- گرمایش القایی: قطعه را درون سیم پیچ القایی قرار دهید و فرآیند گرمایش را آغاز کنید. توان و فرکانس را کنترل کنید تا به دمای مورد نظر برای سخت شدن دست یابید.
- کوئنچ: پس از رسیدن به دمای بحرانی، قطعه را با استفاده از یک محیطکوئنچ به سرعت خنک کنید. این تبدیل فاز منجر به افزایش سختی می‌شود.
خرید دستگاه سخت‌کاری القایی
دستگاه‌های سخت کاری القایی نشان‌دهنده اوج مهندسی متالوژی هستند که از القای الکترومغناطیسی برای گرمایش دقیق و کنترل‌شده استفاده می‌کنند. قلب این دستگاه‌ها سیم پیچ القایی است که یک جریان متناوب با فرکانس بالا تولید می‌کند و میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. این میدان جریان‌های گردابی را در قطعه کار القا می‌کند که باعث گرمایش مقاومتی و منجر به سخت شدن هدفمند می‌شود.
دستگاه سخت کاری القایی مدرن به ویژگی‌های پیشرفته برای اطمینان از عملکرد مطلوب مجهز است. این دستگاه‌ها فرکانس‌های توان قابل تنظیم را ارائه می‌دهند و امکان سفارشی‌سازی برای مواد و هندسه اجزای مختلف را فراهم می‌کنند. سیستم‌های خنک کننده پیچیده از گرمای بیش از حد جلوگیری کرده و سختی یکنواخت را در سراسر سطح تحت پرداخت تضمین می‌کند. مکانیسم‌های نظارت و بازخورد سریع به دقت و تکرارپذیری فرآیند سخت کاری کمک می‌کند.
کوره القایی برای سخت کاری
کوره القایی هم افزایی گرمایش القایی و فرآیندهای سخت کاری سنتی مبتنی بر کوره است. این رویکرد ترکیبی مزایای هر دو روش را ترکیب می‌کند و گرمایش کنترل شده را در یک محیط کوره فراهم می‌کند. سیم پیچ القایی نقش مهمی در ارائه گرمای موضعی ایفا می‌کند و کوره یکنواختی و سازگاری را تضمین می‌کند. این روش در سناریوهایی کاربرد دارد که ترکیبی از دقت و سخت شدن حجیم مورد نیاز است.
آبکاری القایی در سخت کاری فلز
آبکاری القایی یک کاربرد تخصصی سخت کاری القایی است که شامل رسوب یک لایه سخت شده روی سطح یک جزء فلزی است. این فرآیند سختی سطح، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی را در صنایعی مانند خودرو و هوافضا برای بهبود عملکرد و طول عمر اجزای حیاتی افزایش می‌دهد.
آبکاری القایی در خودروسازی برای سخت کاری قطعاتی مانند چرخ دنده، شفت و یاتاقان استفاده می‌شود و دوام آنها را افزایش داده و اصطکاک را کاهش می‌دهد. در صنعت هوافضا قطعات حیاتی مانند پره‌های توربین تحت آبکاری القایی قرار می‌گیرند تا در شرایط شدید مقاومت کرده و عملکرد قابل اعتماد را تضمین کنند. دقت و کنترل ارائه شده توسط آبکاری القایی، آن را به گزینه‌ای ارجح برای کاربردهایی تبدیل می‌کند که سختی سطح در آنها اهمیت دارد.
قیمت خرید دستگاه سخت‌کاری القایی
قیمت خرید دستگاه سخت‌کاری القایی تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار می‌گیرد که هر کدام روی سرمایه گذاری کلی مورد نیاز موثر هستند. فاکتورهای کلیدی عبارتند از قدرت دستگاه، پیچیدگی سیستم‌های کنترل و اندازه و ظرفیت سیم پیچ القایی. ماشین‌های پرقدرت با ویژگی‌های پیشرفته قیمت بالاتری دارند که نشان‌دهنده توانایی آنها برای انجام طیف گسترده‌ای از کاربردها با دقت بالا است.
قیمت خرید دستگاه سخت‌کاری القایی یک ملاحظه بسیار مهم است اما باید با مزایا و عملکرد بلندمدت دستگاه سخت کاری القایی متعادل شود. سرمایه‌گذاری روی یک ماشین با کیفیت در ابتدا ممکن است گران‌تر به نظر برسد اما می‌تواند منجر به کاهش هزینه‌های عملیاتی، افزایش کارایی و بهبود کیفیت محصول شود.
ارزیابی الزامات برنامه خاص و انتخاب ماشینی که هم با محدودیت‌های بودجه و هم با انتظارات عملکردی همسو باشد ضروری است. بطور خلاصه سخت کاری القایی کنترل فوق العاده ای بر فرآیند سخت شدن به کاربران ارائه می دهد. این روش گرمایش ایمن در کاربردهای متعددی از جمله ساخت شفت و محورهای فولادی به کار می رود و می تواند در طیف وسیعی از صنایع با خرید دستگاه سخت‌کاری القایی مورد استفاده قرار گیرد.
