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作者：沈庆通
感应钎焊单位：河南洛阳升华感应加热有限公司
淬⽕感应器失效导致⽣产中断，换备件或重新调整将对⽤户⽣产造成损失，并且增加维修成本。如何通过失效案例分析，改进设计、制造及使⽤环节中的失误，并且针对不同寿命要求的感应器，设计不同的结构，将有重⼤经济意义。 淬⽕感应器的设计、制造，从试验、经验设计、⼿⼯弯、焊成形逐步发展，到今天已⾛向计算机模拟，计算机辅助设计（CAD）及计算机辅助制造（CAM）的现状。感应器的实体也从⼀个简单形状的铜管环发展成⽤整体铜料经精密加⼯的复杂结构，它既有加热的有效圈，⼜有淬⽕的喷液部分，甚⾄有增加效率的导磁体与保证定位精度的定位块等如图1所⽰。 图1 具有辅助喷液的机加⼯组合型感应器
淬⽕感应器的失效案例
淬⽕感应器⼯作时因处在强磁场、强电流、短时通、断电及温度剧变、热辐射、机械振动、淬⽕液侵蚀等恶劣环境下，其使⽤寿命⽐⼀般机床⼯具为低。
在感应淬⽕时，不同淬⽕⼯件，因加热周期长短、不同电流频率、载流密度、有效圈冷却⽅式等导致感应器服役时间有长有短。例如中频⼀次加热⼤量⽣产⽤的CVJ钟形壳和⼩轴感应器，其服役次数可长达数⼗万次，⽽⼯频加热扫描淬⽕的轧辊感应器，其使⽤寿命只有百次多，通过失效案例分析，可采取相应措施，改进设计结构、制造⼯艺及维护⽅法，以提⾼其服役期。
是最常见的⼀种失效形式，图2是接触板烧伤实物，这种接触板是与变压器⼆次绕组接触板相贴合的，安装要求紧密贴合，则导电时接触电阻⼩，发热并氧化少，但长期使⽤中会因夹紧螺栓松动，导致接触压⼒下降，接触⾯电阻增⼤，发热氧化并进⼀步增⼤接触电阻，发热更厉害的恶性循环，最终是接触⾯烧熔、螺栓烧断。
图2 接触板烧伤实物
分析：夹紧螺栓原来是拧紧的，当⼤电流通过接触⾯时，该局部发热导致螺栓伸长，断电时温度剧降，螺栓收缩，百千次的反复会使螺纹松扣的，笔者早年在曲轴开合型感应器⽣产中，验证了此变化，
历经100多次⼤电流反复，m12夹紧螺栓会松1/12扣（30°），因此，操作者应定时拧紧夹紧螺栓（或螺母），定期清洁接触⾯。接触⾯镀银，有利于防⽌表⾯氧化，接触板设计成图3那种结构，会增⼤导电接触⾯的单位接触压⼒。
（a）全表⾯接触压强⼩（b）导电⾯压强增⼤的设计
图3 增⼤接触⾯单位接触压⼒的结构设计
2.有效圈烧熔
感应器有效圈烧熔是常见案例，其原因是冷却不⾜或突然中断，有多种案例：
（1）冷却不⾜
典型的是⼩内孔多匝感应圈，其烧坏部位常在中⼼的导管，由于这种多匝感应器的⼀根导管必须通达线圈中⼼，如图4
典型的是⼩内孔多匝感应圈，其烧坏部位常在中⼼的导管，由于这种多匝感应器的⼀根导管必须通达线圈中⼼，如图4所⽰，这根导管既有⾃⾝电阻产⽣的热，⼜有受线圈磁场产⽣的热，发热最厉害，在⽔量较少或临界状态时，此部位⾸先烧熔，这种感应圈除采⽤⾼压⽔（1MPa）增加⽔流量外，应将中⼼导管接到冷却⽔进⽔端，可减少烧断的事故。
图4 ⼩内孔多匝感应圈
多匝感应圈因缺⽔烧熔的规律是烧熔位置常靠近出⽔端，⽽且烧熔前有冒⽔汽及发滋滋声，容易鉴别。
（2）有效圈过载
有效圈载流⼤⼩与管⼦截⾯⼤⼩、⽔压直接相关，曾有⼀个半轴扫描淬⽕感应器烧断，原本使⽤功率在60kW，⼯作良好，后来⽤户为提⾼产量加⼤功率到100kW以上，结果有效圈烧熔，载电流量提⾼了，冷却⽔量却没有跟上，是烧熔的原因，如图5所⽰。
图5 有效圈缺⽔烧熔
（3）冷却⽔管头接错
有⼀种感应器为提⾼冷却效果，采⽤两进⼀出的设计，如图6所⽰，A、C是进⽔⼝，⽽B是出⽔⼝，但操作者却接成A、B为进⽔⼝，C为出⽔⼝，总出⽔量减少，导致线圈烧熔，为求证出相关数据，试测出⼝流量变化见表1。
图6 两进⼀出的感应圈冷却⽔路
表1 冷却⽔连接次序与不同的出⽔量（梁朋涛⼯程师数据）
管接头号A B C压⼒/MPa流量/L·min-1
进或出⽔进出进0.528
进或出⽔出进出0.525
进或出⽔进进出0.523
进或出⽔进封闭出0.518.5
3.感应器匝间短路
有⼀种回转⽀撑滚道扫描淬⽕感应器，前后两匝间镶嵌了可加⼯导磁体，如图7a所⽰，因扫描⼯作周期较长，达数⼗分钟，导磁体易发热超温，导磁体内设计有冷却⽔通道，但两匝间发⽣匝间短路，烧毁了导磁体，后来将两匝间的导磁体切割成两半，中间垫以绝缘板（PTFE材料，见图7b，此感应器不再烧毁导磁体了，寿命⼤⼤延长。
（a）原设计的感应器烧毁导磁体（b）改进后的结构
图7 滚道扫描淬⽕感应器
4.叠⽚间飞弧
多匝感应圈当采⽤硅钢⽚作导磁体时，在导磁体的末端因位于3维场，末端导磁体易过热烧红，这些硅钢⽚会在匝与匝间产⽣飞弧，形成短路桥，如图8所⽰。
间产⽣飞弧，形成短路桥，如图8所⽰。
解决末端导磁体过热问题，是加厚硅钢⽚旁的铜挡⽚，使硅钢⽚的热由铜挡⽚导出到铜管⽔流中，另⼀种解决办法是将叠⽚改换成可加⼯导磁体。
图8 感应圈叠⽚匝间飞弧
5.有效圈铜管表⾯⿎泡
常见于曲轴感应器，如图9所⽰，这个⿎泡⼀般位于镶嵌导磁体的中点位置，因为该中点表⾯电流密度最⼤，铜表⾯温升最⾼，实践中发现将导磁体在中点左右空缺⼀段，⽽填以铜或具他绝缘材料，此⿎泡现象，⼤为减少。降低中间⼀段温升，被认为是有效措施。图9中，展开图表⽰全部镶嵌导磁体时，中间⿎泡位置，左图表⽰⽤胶⽊块镶嵌，形成导磁体空缺（B段），可使该区电流密度降低，解决⿎泡损伤。
图9 铜管⿎泡位置及导磁体空缺⽰意
6.感应器的机械损伤
感应器的机械损伤如常见的因⼯件定位不可靠，运转过程中碰撞感应器或导磁体使感应器受损，如曲柄碰撞有效圈、开合感应器开合时碰撞平衡块等，解决措施是加导向件、间隔定位块、定位套等。
7.感应器的振动
是降低服役期的⼀个重要因素，必须予以说明。振动来⾃感应器的电动⼒，噪⾳与振动同时产⽣，电流频率越低，振动与噪⾳越厉害，图10⽰出了感应器上的电动⼒，线圈铜表⾯总是从⼯件上受到排斥⼒，导磁体极则吸引⼯件，施加⼒的结果既可以为相吸的也可以为相斥的。
图10 感应器上的电动⼒⽰意（⼯件是磁性钢）
为减少振动对感应造成的损害，如与⼯件相碰⽽打⽕，焊缝疲劳开裂等，感应器应在其柔弱部分进⾏加固，常见的措施是通过拉紧螺柱固定到绝缘的⽀板上，或将有效圈⽤树脂封固，如图11所⽰。
（a）感应器有效圈⽤拉紧螺柱固定
（b）感应圈⽤树脂封固
图 11
8.有效圈⿐尖端熔化、该处导磁体开裂
这种感应器在使⽤⼀段时间后会产⽣铜⿐尖熔化增厚，该处的导磁体开裂，有些有效圈该部有焊缝则焊缝⾸先漏⽔，其原因是该处铜温过⾼，超过铜的熔点1089℃。
美国⼀公司对此失效采取的措施是改进有效圈的设计，⼀是将尖⿐⼦改为⼩圆弧，⼆是将尖⾓⽔腔道改成由⼤、⼩圆弧组成的⽔腔道，这样使⿐尖部铜温下降，流通⽔更有利于⿐尖冷却，如图12所⽰。这项端头设计改进，使感应器的寿命从25000次增加到100000次，热型并未变化。
载流密度⼤的有效圈，设计时务必注意载流⾯上不要有焊缝，否则即使空载试验时不漏⽔，当负载调试⼤电流通过时焊缝会因开裂、熔化⽽漏⽔，甚⾄返修也困难。
（a）原设计⽔腔尖⿐⼦、尖⽔腔
（b）改进后⼩圆弧⿐⼦、⼤、⼩弧⽔腔
图 12
淬⽕感应器的经济结构与使⽤寿命
前已述及淬⽕感应器的使⽤次数因不同⼯件，不同加热周期，其服役期从上百次到⼏⼗万次，不同感应器的制造质量与精度，也有很⼤区别，制造成本差别更⼤。
感应器的使⽤寿命⼤致可分为长期型（⼤量⽣产⽤）、中期型（⼤量及批量⽣产⽤）与短期型（研制⼩量⽣产⽤）三种。
1.第⼀种
要求⾼强度、⾼寿命、⾼精度，随之也带来⾼成本，这种感应器的现代制造法常是⽤整体⽆氧铜通过数控机床加⼯⽽成，其导电层绝对⽆焊缝，由于是整块铜加⼯⽽成，刚性好，除耐⽤外，制造要求具有良好的⼀致性，即随机换上备件，不需调正⼯艺参数即可⽣产合格产品。对⽔腔盖板等也⽤银钎焊，但该部位不是电流通径，这种感应器钎焊⼯艺也是特别的，多个钎焊点常是⼀次完成。这种感应器的使⽤寿命最长，国内资料⼀企业曾报道与焊接感应器相⽐，其寿命是1⽐5的数字。图13是⼀种整体铜加⼯成的曲轴颈开合感应器。
图13 整体铜加⼯成的曲轴颈开合感应器
2.第⼆种
有效圈精加⼯焊制，感应器如图14所⽰，这种感应器适应⼤批量及批量⽣产要求，有效圈精度⾼，整
套感应器通过模具焊装、检验夹具检测，保证制造精度与出⽔流量等，是当前最常⽤的制造⽅法。
图14 精加⼯焊制感应器
由于钎焊技术等原因，其使⽤寿命低于第⼀种，感应器的⼀致性.也略低于第⼀种，感应器钎焊从堆焊型发展到⽑细管渗⼊型，结构从平接发展到隼头接⼝，对感应器的强度有极⼤影响，避开导电通路的焊⼝，则更应推荐，它从根上解决了焊⼝产⽣的弊病。如图15所⽰。
（a）堆焊型焊⼝（b）⽑细管渗⼊型焊⼝
（c）隼头型焊⼝
图15
3.第三种
模制式，有效圈⽤铜管、在⼼轴上绕制⽽成，导电通路中有焊⼝，接触板与导电管、板均⽤钎焊连接，有效圈基准⾯与接触板垂直度、中⼼线允差均⼤于⼀定值，这种感应器安装上淬⽕机床后，要调整其基准⾯与机床中⼼线相垂直，并与淬⽕机床顶尖中⼼相⼀致。这种感应器制造⽅便，价格低，适于⼩量⽣产及研制⽤，如图16所⽰，其⼀致性很低，使⽤寿命也低，但也有⼴⼤的⽤户需求。
图16 ⼩批量⽣产⽤的模制式结构
结语
（1）感应器失效有多种形式，过热、烧熔、电击穿、焊缝开裂是其主要形式。
（2）失效分析是改进感应器设计的主要源泉。
（3）感应器的设计要求要根据实际需要选订，要考虑经济性，⼯件⽣产量⼤⼩应是感应器寿命、制造精度的依据。⼯
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