[发明专利]带可弯曲线圈的感应加热系统

说明书

本发明涉及感应加热技术，特别涉及，使用可弯曲的感应加热头的感应加热。

感应加热是在一个接受感应的金属物件上的局部区域产生热的众所周知的方法。感应加热涉及到向一个加热环或线圈加交流(AC)电信号，加热环或线圈被置于加热金属物件的特定部位附近或其周围。在环中的交变电流在加热的金属内产生交变的磁通。由磁通在金属内感生电流，使其加热。感应加热能够在各种用途中使用，包括固化粘结剂，金属淬火，铜焊，锡焊和其他的需要或要求加热的制造过程。

现有技术充满了设计用于感应加热系统的电力或电子电源，其中很多具有转换器电源。这些转换器电源一般发生用到工作线圈的高频信号，大致为千赫到兆赫。因为一般相对于要加热的工件存在一个最有效的加热频率，一些现有技术转换器电源是工作在优化加热的选定的频率上。加热强度也取决于产生的磁通，因此一些现有技术感应加热器控制向加热线圈提供的电流，从而试图控制产生的热。在美国专利No.5,343,023和5,504,309(本文参引)中说明的现有技术感应加热器，提供频率控制，和控制向工件施加的热或功率的方法。

典型的现有技术感应加热头是用一个刚性的铜管形成。所述管的形状服从于加热工件的轮廓，或工件待加热区域的轮廓。管的刚度妨碍使用者将加热模式(由管的形状确定的)进行最小程度的修改。因此，要求感应加热的用户为每个加热应用购买一个唯一的线圈(昂贵)。

而且，铜管能够在高频率时发生耗损。大约90％的电流在导体的外表面的两层集肤深度内输送(在50赫时铜的集肤深度约为0.0116英寸，频率增加集肤深度降低)。一般薄壁铜管具有约0.046英寸厚。这大约是在50,000赫时的四个集肤厚度。铜管的约二分之一没有输送任何可察觉的电能。这迫使，外套在这样的导体中输送比预望多的电流。因此，I²R损耗会比要求的高。使用通过管中部的冷却剂冷却铜管。

在美国专利5,412,184中说明的一种现有技术感应加热头是用在具有爪形结构的感应加热工具中，在这爪形结构上安装感应线圈。爪形结构开放接受一个爪内的套。然后爪在套上关闭，套被安装在爪上的感应线圈加热。感应线圈包括一个内加热线圈，它由可弯曲的铜带构成，所述铜带由铁杆围绕，帮助将磁通引向加热部分。在铁的外面(相对于工件)上由绞合线构成的线圈减少工具的电磁辐射，但是不加热该部分。这种工具具有几个缺点。第一，工具的可应用性限于爪能够打开的距离。第二，线圈虽然是有限可弯曲的，但在工件装到工具上时仅能被成形为封闭的圆(封闭在爪中)，或部分打开的圆。可弯曲也限制在单一的方向，因为铜带形成线圈。而且，工具小，仅用于加热小工件。

为了感应加热大工件，至少存在两种现有技术的设置。一个是提供一种感应线圈，它的形状基本与加热的工件一致，这类感应加热头的缺点是它必须专门用于单一的用途。其他的设置是具有数个感应加热头，每个处理工件的一个选定的部分。这类感应加热头的缺点是它不适用于弯曲的工件，并需要多个感应头。在美国专利4,950,348中说明了这两种设置。

感应加热的一种新型的应用是用感应加热系统在焊接前预热厚工件，如管。管常是由扁形钢经辊压形成。然后沿辊压的钢的端部形成纵焊缝，这样形成管的断面。通过将管的相邻部分环绕焊接到一起，可以形成管线。焊接较厚的钢(或其它材料)的其他应用方面包括造船，铁路场，油罐卡车或其他较高强度合金焊接。

特别在高合金钢焊接时，焊道加热可使得焊料更好地结合到工件上，并且这样也减轻不希望的快速冷却，因此，通过预热来提高工件沿焊道的温度。不进行预热，存在着焊料与工件结合不好形成裂纹的较大可能性。加热厚度在1/2″以上的钢，或在环境温度很低时，常进行预热。(本文中“预热”一词的意思是沿焊道加热工件到焊前温度，或足以减小沿焊道形成裂纹的可能性)。一般，焊接前钢预热到约300°F。因此，钢预热时，温度会高得足以损坏附近组件。使用感应加进行焊接的预热在本文引述的1998年3月31日提交的题为“焊接方法和装置(Methodand Apparatus for Welding)”的美国专利申请No.09/052,541(归本受让人所有)中说明。在感应加热前，使用缓慢加热的燃烧气体的“rosebud”加热器。

相似的预热应用是预热重型机械上用的叶片。叶片先在炉中预热，然后移到施加了硬镀层的焊接部位。对这个应用感应加热起了很好的作用。其他能够使用感应加热的加热应用包括固化/粘结涂层或红外加热。