用於消除應力加熱器的焊接前感應預熱
為什麼要在焊接前使用感應預熱？
感應預熱可減緩焊接後的冷卻速度。有利於逸出焊接金屬中擴散的氫氣，避免氫氣引起的裂紋。同時，它也降低了焊接密封和熱影響區的硬化程度，提高了焊接點的抗裂性。
感應預熱可降低焊接應力。通過均勻的局部或整體感應預熱，可以減小焊接區域內焊縫之間的溫差（也稱溫度梯度）。這樣，一方面降低了焊接應力，另一方面降低了焊接應變率，有利於避免焊接裂紋的產生。
感應預熱可降低焊接結構的拘束度，對於降低角接頭的拘束度尤為明顯。隨著感應預熱溫度的增加，裂縫發生率降低。
感應預熱溫度與層間溫度（註：在焊件上進行多層多道焊接時，後焊道焊接時，前焊道的最低溫度稱為層間溫度。對於需要感應預熱焊接的材料，當需要多層焊接時，層間溫度應等於或略高於感應預熱溫度。如果層間溫度低於感應預熱溫度，則應再次進行感應預熱。
此外，感應預熱溫度在鋼板厚度方向和焊接區域的均勻性對降低焊接應力有重要影響。局部感應預熱的寬度應根據焊工的約束確定，一般為焊縫區周圍壁厚的三倍，且不小于 150-200mm。如果感應預熱不均勻，不但不會降低焊接應力，反而會增加焊接應力。
如何找到合適的感應預熱解決方案？
選擇合適的感應預熱設備時，主要考慮以下幾個方面：
被加熱工件的形狀和尺寸：大型工件、棒狀材料、實心材料，應選用相對功率大、頻率低的感應加熱設備；若工件較小，管材、板材、齒輪等，應選用相對功率小、頻率高的感應預熱設備。
加熱深度和加熱面積：加熱深度深、面積大、整體加熱時，應選用大功率、低頻率的感應加熱設備；加熱深度淺、面積小、局部加熱時，選用相對較小功率、高頻率的感應預熱設備。
所需的加熱速度：如果加熱速度快，則應選擇功率相對較大、頻率相對較高的感應加熱設備。
設備連續工作時間：連續工作時間長，相對選擇功率稍大的感應預熱設備。
感應加熱頭與感應機的距離：長連接，即使使用水冷電纜連接，也應採用功率相對較大的感應預熱機。
感應加熱：如何運作？
感應加熱系統 使用非接觸式加熱。它們以電磁方式引發熱量，而不是像電阻加熱那樣，使用與部件接觸的加熱元件來傳導熱量。感應加熱的方式更像微波爐 - 食物從內部烹調時，設備會保持冷卻。
在一個工業範例中 感應加熱將工件置於高頻磁場中，可在工件中產生熱量。磁場在零件內部產生渦流，激發零件的分子並產生熱量。由於加熱發生在金屬表面稍下方，因此不會浪費熱能。
感應加熱與電阻加熱的相似之處在於需要透過傳導來加熱截面或零件。唯一的差別在於熱源和工具的溫度。感應製程在零件內部加熱，而電阻製程則在零件表面加熱。加熱深度取決於頻率。高頻 (例如 50 kHz) 會在接近表面的地方加熱，而低頻 (例如 60 Hz) 則會深入工件內部，將加熱源放置在 3 mm 深的地方，這樣就可以加熱較厚的工件。感應線圈不會發熱，因為對於所傳輸的電流而言，導體是很大的。換句話說，線圈不需要加熱就可以加熱工件。
感應加熱系統組件
感應加熱系統可以是氣冷式或液冷式，視應用需求而定。這兩種系統的共同關鍵元件是用於在零件內部產生熱量的感應線圈。
氣冷式系統。典型的空氣冷卻系統由電源、感應毯和相關電纜組成。感應毯由一個感應線圈組成，感應線圈周圍有絕緣層，並縫在一個可更換的高溫 Kevlar 套管中。
這種類型的感應系統可包括一個控制器，用於監測和自動控制溫度。沒有配備控制器的系統需要使用溫度指示器。該系統還可包括一個遙控開關。風冷式系統可以用於高達 400 華氏度的應用，指定為僅預熱系統。
液冷系統。由於液體冷卻效率比空氣高，因此這種感應加熱系統適用於需要較高溫度的應用，例如高溫預熱和應力消除。與空氣冷卻系統的主要差異在於增加了一個水冷卻器，並使用柔軟的液冷軟管來安裝感應線圈。液冷系統通常還會使用溫度控制器和內建溫度記錄器，這些元件在應力消除應用中尤為重要。
典型的應力釋放程序需要先將溫度降至 600 至 800 華氏度，再以斜坡或控制溫度上升至約 1,250 華氏度的浸泡溫度。經過一段保持時間後，工件會被控制冷卻到 600 到 800 度之間。溫度記錄器根據熱電偶輸入收集零件實際溫度曲線的資料，這是應力消除應用的品質保證要求。工作類型和適用的規範決定了實際的程序。
感應加熱的優點
感應加熱具有許多優點，包括良好的加熱均勻性和品質、縮短週期時間以及耗材壽命長。感應加熱還具有安全、可靠、易用、省電和用途廣泛等優點。
均一性和品質。感應加熱對線圈位置或間距並非特別敏感。一般而言，線圈間距應均勻且居於焊點中央。在配備有此設備的系統上，溫度控制器可以類比方式建立功率需求，提供足夠的功率以維持溫度曲線。電源可在整個製程中提供電力。
週期時間.預熱和消除應力的感應方法提供相對快速的升溫時間。在較厚的應用上，例如高壓蒸氣管線，感應加熱可以縮短兩個小時的週期時間。可以縮短從控制溫度到浸泡溫度的週期時間。
消耗品。 感應加熱所使用的絕緣材料很容易附著在工件上，可以多次重複使用。此外，感應線圈非常堅固，不需要易碎的線材或陶瓷材料。同時，由於感應線圈和接頭不在高溫下工作，因此不會發生老化。
易於使用。 感應預熱和應力消除的一大優點是簡單。絕緣和電纜的安裝都很簡單，通常不超過 15 分鐘。在某些情況下，一天內就可以教會如何使用感應設備。
電源效率。 變頻電源的效率高達 92%，在能源成本飆升的時代，這是一項重要的優勢。此外，感應加熱製程的效率超過 80%。在電源輸入方面，感應製程只需要一條 40 安培的電源線，即可提供 25 kW 的功率。
安全。 通過感應方法進行預熱和消除應力，對工人非常友好。感應加熱不需要熱加熱元件和連接器。絕緣毯會附帶極少的空氣微粒，絕緣層本身也不會暴露在高於 1,800 度的溫度下，因為這種溫度會導致絕緣層分解成粉塵，工人可能會吸入這些粉塵。
可靠性。 影響應力消除生產率的最重要因素之一是不中斷的循環。在大多數情況下，循環中斷意味著熱處理需要重新運行，這對於需要一天才能完成的熱循環來說是非常重要的。感應加熱系統組件使循環中斷的可能性變得很小。感應加熱的佈線簡單，因此不易發生故障。此外，不使用接觸器來控制零件的熱量輸入。
多功能性。 除了使用 感應加熱系統 用於預熱和消除應力的管材，用戶已將此製程應用於焊口、彎頭、閥門和其他零件。感應加熱對複雜形狀有吸引力的其中一個方面，是能夠在加熱過程中調整線圈，以適應獨特的零件和散熱片。操作人員可以啟動製程，即時判斷加熱製程的效果，並修改線圈位置以改變結果。感應線圈可以移動，而無需等待循環結束時的空氣冷卻。
焊接應用前的感應加熱
這項技術已在多項專案中證明其優勢，包括油氣管道、重型設備建造，以及採礦設備的保養與維修。
石油管道。 北美的一個石油管道維護作業需要先加熱管道，然後再將包圍維修套管或配件焊接到管道的 48 英寸周長上。雖然工人可以在無需停止油流或排出管道中的油的情況下進行多次維修，但原油本身的存在會影響焊接效率，因為流動的原油會吸收熱量。丙烷焊槍需要不斷中斷焊接以保持熱量，而電阻加熱器雖然可以持續加熱，但往往無法達到所需的焊接溫度。
工人們使用兩套 25 千瓦的系統，搭配平行的毯子，以獲得 125 度的預熱溫度來進行環繞套管修補。因此，他們將週期時間從每條環縫焊接 8 到 12 小時縮短到 4 小時。
由於 STOPPLE 接頭（帶閥的 T 型接頭）的壁厚較大，因此預熱該接頭的維修工作更具挑戰性。但是，該公司使用感應加熱，使用了四套 25 kW 系統，並配備了並聯的毯子裝置。他們在 T 的兩側各使用了兩個系統。一個系統用於主線預熱油，另一個用於預熱圓周焊接處的 T。預熱溫度為 125 度。這將焊接時間從 12 到 18 小時縮短為每條環縫焊接 7 小時。
天然瓦斯管道。 一項天然瓦斯管道建設專案需要建造一條直徑 36 英寸、厚度 0.633 英寸、從加拿大艾伯塔省通往芝加哥的管道。在其中一段管道上，焊接承包商使用了兩個 25 kW 的電源，電源安裝在拖拉機上，感應毯安裝在吊臂上，既快速又方便。電源預熱管道接頭的兩側。此製程的關鍵在於速度和可靠的溫度控制。隨著材料中合金含量的增加，為了減輕重量、縮短焊接時間以及增加零件壽命，控制預熱溫度變得更加重要。這種感應加熱應用只需要不到三分鐘就可獲得 250 度的預熱溫度。
重型設備。 一家重型設備製造商經常將轉接齒焊接到其裝載機鏟斗的邊緣上。粘性焊接的組件被來回移動到一個大型熔爐中，焊接操作員需要在零件重複重新加熱時等待。該製造商選擇嘗試感應加熱來預熱組件，以防止產品移動。
材料厚度為 4 英寸，由於含有合金，預熱溫度要求很高。為了滿足應用要求，我們開發了定制的感應毯。隔熱層和線圈的設計提供了額外的好處，使操作員不會受到零件輻射熱的影響。整體而言，操作效率大幅提升，縮短了焊接時間，並在整個焊接過程中保持溫度。
採礦設備。 某礦場在維修採礦設備的作業中，使用丙烷加熱器時曾遇到冷裂問題，且預熱效率低。焊接操作人員不得不經常從厚工件上取下傳統的絕緣毯，以便進行加熱並保持工件處於正確的溫度。
感應預熱毯可在安裝鏟齒時保持鏟斗邊緣的溫度。
礦山選擇嘗試在焊接前使用平面風冷氈進行感應加熱，以預熱零件。感應加熱過程可快速對零件進行加熱。它還可以在焊接過程中持續使用。焊接維修時間縮短了 50%。此外，電源還配備了溫度控制器，可將零件保持在目標溫度。這幾乎消除了因冷裂造成的返工。
發電廠。 一家發電廠建造商正在加州建造一座天然瓦斯發電設施。由於鍋爐工和管道工對發電廠的蒸汽管線採用預熱和應力消除方法，導致施工延誤。為了提高效率，該公司引入了感應加熱技術，尤其是在中型至大型蒸汽管線上，因為這些管線在施工現場所需的熱處理時間最長。
將感應毯簡單地包覆在複雜的形狀上，例如這個天然瓦斯發電廠，可以縮短熱處理時間。
在壁厚為 2 英寸的典型 16 英寸焊道上，感應加熱可將升溫時間（600 度）縮短兩小時，並在達到應力消除的浸泡溫度（600 至 1,350 度）時再縮短一小時。
