感应加热：你想知道却不敢问的一切（2018年2月）
本月问题：我们计划在扩散 bonding 之前使用感应加热对复合金属材料进行加热。是否需要担心噪音过大？您是否发现某些频率的噪音比其他频率更大？如果是这样，您是否有控制噪音水平的解决方案？
答案：在绝大多数感应加热应用中，工业噪声并未达到显著水平。因此，尽管存在少数例外情况，但没有必要担心噪声过大。较低的频率通常会导致线圈电流增大，从而增加电磁力并引发线圈匝数振动。 因此，可以合理地推断，与3 kHz或30 kHz相比，采用工频（60 Hz）的系统产生的工业噪声幅度会更大。此外，功率（kW）更大的系统也极有可能产生更多的噪声。因此，在其他所有因素相同的情况下，500 kW产生的噪声会比100 kW更大。
在讨论可听噪声时，我们必须牢记两个主要因素，它们影响着工业噪声对人体的影响——声强和不适感/不适程度。例如，低频可听噪声（如 50–60 Hz）的声强可能更高，但与高频（如 1 kHz）且声强较低的噪声相比，它对人耳的刺激感可能并不那么强烈。
以下是感应加热过程中产生噪声的四个主要来源：
- 电源产生的噪声。市场上有多种电源可供选择。对于感应加热而言，采用单模块逆变器的功率与频率组合范围从电网频率到几百千赫不等，即使在800千赫左右的频率范围内，功率水平也能超过1000千瓦。基于半导体技术的现代电源的设计特点使其运行时几乎无声。因此，通常无需担心由电源引起的噪声。
- 由铜线圈匝振动产生的噪声。制造感应线圈的两种主要方法可分为开放式绕组和耐火材料包覆式 [参考文献 1]。开放式绕组方法在发生故障时更便于维修，但必须使用螺柱和适当的夹具固定线圈匝，以消除或最大限度地减少振动和噪声。 采用可浇注耐火材料（例如特殊等级的水泥）封装的线圈，不仅具有耐用性且使用寿命更长，还能消除或大幅减少线圈铜匝的振动。设计合理的感应线圈不会产生令人困扰的噪音水平。
- 由工件振动或共振声波（放大效应）产生的噪声。如果工件由若干松散部件组成，则这些部件可能会振动并产生噪声。要评估这种可能性，需要审查该工件的具体几何形状。 在某些扩散 bonding 应用中，可施加压力以最大限度地减少单个组件振动的可能性。在感应加热中空工件（例如，感应加热相对薄壁的管道或管材）时，某些频率结合足够高的功率密度可能会发出幅度显著的共振声波，其强度可能超过可听范围。在这种情况下，可听噪声也可能成为一个主要因素，对频率的选择产生重大影响。 每根管材都有其自身的结构共振频率（SRF），该频率取决于直径、壁厚、材料、长度及其他因素。当感应线圈的加热频率与管材自身的共振频率足够接近时，可能会产生高振幅振动和过度的可听噪声。 换言之，正如无线电接收机将电磁波转换为可听声音一样，在处理特定频率时，管件或管道也会因类似的机制而起到放大器的作用。是否可以通过选择不同的（更高或更低）频率来降低噪声，取决于特定管状工件的结构自谐振频率（SRF）与感应加热器所用频率的综合情况。 因此，在这种情况下，通过简单地用锤子敲击工件并使用能够检测所测信号频率和幅度的听音接收器来测量共振频率（SRF），将大有裨益。这样，在判断某一频率是否能比产生不可接受噪音的频率进一步降低噪音水平时，便能做出更明智的决策。 例如，如果某个工件的 SRF 为 300 Hz，那么所选频率与该值越远，产生的噪声就越低。 在此情况下，与1 kHz相比，6 kHz产生的噪声会明显更低。相反，如果SRF为5 kHz，那么与500 Hz相比，使用6 kHz会使噪声情况恶化。在加热金属材料时，通常会使用保护性或减噪性气氛。因此，如果您的感应系统位于气密腔室/外壳内，这将大幅降低噪声水平。
- 由电源线、母线和固定装置的振动产生的噪音。使用设计不合适的固定装置、电源线和母线的概率非常小。不过，如有任何疑虑，可咨询感应加热专家。
关于这些问题的更多讨论，可参见参考文献[1]。
瓦列里·鲁德涅夫博士，FASM
科技总监
Inductoheat Inc
www.inductoheat.com
参考文献
- V. Rudnev、D. Loveless 和 R. Cook，《感应加热手册》，第 2 版，CRC Press，2017 年。