不同金属材料的感应加热特性差异

不同金属的电、磁特性差异极大，这直接决定了感应加热工艺的设备选型、线圈设计、加热效率和工艺控制策略。

简单来说：

核心物理特性对比

感应加热的两个主要热源是：

以下是四种金属关键特性的对比表：

钢 (Steel)

特性： 低电导率、高磁导率（低于居里点）。
加热行为：
- 低于 770°C (居里点)： 钢是铁磁性的。高磁导率 ($\mu_r$) 极大地增强了磁场耦合，同时产生强大的涡流和显著的磁滞损耗。这是“双重加热”模式，加热速度极快，效率非常高。
- 高于 770°C (居里点)： 钢失去磁性，$\mu_r$ 骤降至 $\approx 1$。磁滞损耗消失，涡流效率也大幅降低。加热速率会突然减慢。
对工艺设计的影响：
- 频率选择： 由于磁导率高，可以使用较低的频率（如中频 0.5 – 10 kHz）就能实现有效的加热深度。
- 电源匹配： 这是最关键的。感应器（负载）的阻抗在通过居里点时会发生剧烈变化。电源必须能够自动跟踪频率和/或调整输出，以适应这种负载突变，否则会导致加热停止或电源跳闸。
- 功率控制： 在升温到 770°C 的过程中，可能需要（或自动发生）功率下降，而在超过该点后，则需要提升功率才能维持相同的升温速率。

铜 (Copper)

特性： 电导率极高、非磁性。
加热行为： 极高的电导率意味着其电阻 ( R ) 非常低。
- I^2R 损耗很低，发热效率差。
- 高电导率导致“集肤效应”（Skin Effect）极强，感应电流和磁场几乎无法渗透到材料内部，大部分被“反射”回去了。
对工艺设计的影响：
- 频率选择： 必须使用非常高的频率（通常是高频 100 kHz – 1 MHz 甚至更高），以强制产生足够的涡流并获得一个（尽管很浅的）加热层。
- 功率需求： 需要极高的功率密度。线圈需要非常接近工件（耦合间隙小）以传递能量。
- 线圈设计： 通常需要使用“磁集中器”（Flux Concentrators）来将松散的磁场强行聚集到铜表面，以提高效率。
- 应用： 工业上很少对大块铜进行感应加热，多用于铜管的钎焊（焊接）等，此时加热的是焊缝和旁边的助焊剂。

铝 (Aluminum)

特性： 电导率高（但低于铜）、非磁性。
加热行为： 特性介于铜和（无磁性的）钢之间，但更接近于铜。它同样难以加热，需要高能量。
对工艺设计的影响：
- 频率选择： 需要高频（通常 50 kHz – 400 kHz）。频率选择取决于工件尺寸和所需加热深度。
- 功率需求： 同样需要高功率密度，但比同尺寸的铜要容易一些。
- 工艺控制： 铝的熔点低（约 660°C）且导热性好。这导致感应加热时很容易过热和熔化，特别是边缘。因此，必须配备精确的温度控制系统（如红外测温）和快速响应的电源，以防止在达到目标温度（如锻造或挤压温度）时发生局部熔化。

钛 (Titanium)

特性： 电导率非常低、非磁性。
加热行为： 低电导率意味着其电阻率非常高。根据 P∝I^2R，高 R 值使其成为感应加热的理想材料（仅考虑涡流加热时）。它的加热特性非常稳定，就像一块“永远不会有磁性”的钢。
对工艺设计的影响：
- 频率选择： 频率选择范围很广。中高频（10 kHz – 100 kHz）通常效果很好。
- 加热效率： 由于其高电阻率，加热效率高，升温快，所需的功率密度远低于铝和铜。
- 工艺控制（关键）： 钛在高温下（通常 > 400°C）极易与空气中的氧、氮发生反应，导致表面硬化（alpha-case 层），使材料变脆。因此，钛的感应加热几乎总是在真空或惰性气体（如氩气）保护下进行。工艺设计的重点不是加热本身，而是防止污染。