纳米晶材料在逆变焊机上的应用.pdf

电焊机毕耀宗!钢铁研究总院 国家非晶微晶合金工程技术研究中心，北京#$%摘要：主要介绍非晶、纳米晶材料的特性及纳米铁心在逆变焊机上的应用计算和应注意的问题。关键词：非晶；纳米晶；逆变焊机中图分类号：&(；&()(文献标识码：*文章编号：#+,)#)!,#,%#+#$+#-收稿日期：,#,+#$+,.作者简介：毕耀宗!/()%，男，北京人，高级工程师，从事金属软磁材料的研究、开发和应用工作)#多年，对材料的开发和应用有丰富的经验，近年来，将纳米晶材料应用于逆变焊机上，推动了纳米材料的普及和发展。!#$%&$()(*)&)(%+,-&#$).()$)/.+0.#1.+01 23456478!&9:;3*?4A94BC 37D;374EFC=7:*4F G78=7:=78 H:C:3E9 I:7:，147 H:C:3E9 17C=B:，0:=J=78#$，I9=73%*KC3E：&9=C 3:=74DBE:C 9:E933E:=C=EC 4L 3?4A94BC 37D 7374EFC=7:?3CM 37D=E3=47 4L 374EFC=7:=47 E4:47=7N:D:3C O:3C 9:A4=7C L4 3:7=47PQ:F O4DC：3?4A94BC；7374EFC=7:；=7N:D:第),卷第#期,#,年#月R4P),;4P#SE:ED=78 U3E9=7:纳米晶材料在逆变焊机上的应用前言随着高频逆变技术的成熟，逆变焊机产量越来越大，由于频率的提高，逆变焊机体积小、质量轻、效率高、节能效果明显。作为逆变焊机心脏的主变压器，由于工作频率提高到,#VW6以上，传统的铁心材料硅钢由于损耗太大，已不能满足使用要求；铁氧体虽高频损耗较低，但因其饱和磁感应强度!C%较低，铁心的体积和质量仍较大，此外，铁氧体的居里温度较低，热稳定性差，温度稍高即导致!C值降低，易饱和，工作状态不稳定，不适合于高频大功率下使用。$#年代末期发展起来的铁基超微晶材料，具有优良的综合磁性能，集硅钢、坡莫合金、铁氧体的优点于一身，即高磁感、高磁导率、低损耗及优异的温度稳定性，使其迅速成为逆变电源变压器铁心的最佳选择，特别是在高频大功率主变压器上的应用已独占鳌头。2非晶、纳米晶材料简介非晶材料是采用了冷却速度大约为X#.Y!C的超急冷凝固技术，将熔融的钢水一次成型为厚度为)#!?的合金薄带。由于超急冷凝固，金属来不及结晶，合金中没有晶粒和晶界，因此被称为非晶合金。非晶合金具有优异的磁性能以及高强度、高硬度和耐磨性、良好的韧性、耐蚀性、高电阻率等。目前我国非晶材料主要作为磁性材料，已经产业化生产，,#年总产量大约$#。纳米晶材料!又称为微晶、超微晶%的主要成分是Z:、=、IB、=、，这种特定成分的合金，先利用急冷技术制造成为非晶态材料，再经过热处理使其产生晶粒尺寸为纳米级的结晶，这时材料具有优异的磁性能，特别是在,#-#VW6频率以下使用时，可以取代硅钢和铁氧体。纳米晶的电阻率为/#!E?!热处理后%，由于其纳米结构，使其同时具备了硅钢、坡莫合金、铁氧体的优点。由于纳米晶材料的磁导率很高，用于大功率逆变电源时，容易产生剩磁现象，为了克服剩磁的影响，通过研究和试验，经横向磁场热处理后，剩余磁感应强度!降低，磁滞回线呈现倾斜状态，磁导率也降低到,#)#，可以有效克服剩磁现象，同时损耗也比一般磁滞回线低，降低后的磁导率仍然比铁氧体高#倍，所以激磁功率仍然很小。因此，研究与设计$我们生产的用于大功率逆变电源的铁心，都是低!磁滞回线的。横向磁场处理后的损耗曲线如图所示，表是逆变电源用纳米晶铁心与铁氧体主要性能对比。图#$%&()(*(的铁损特性注：上述数据为非晶带材经过最佳热处理后的磁性能，但并不代表铁心的最终性能。图+图,是#$%&()(*(铁心的典型曲线。从表和图可以看出超微晶铁心的特点：!饱和磁感!-高，是铁氧体的*倍，同样体积的铁心要比铁氧体输出功率大倍，同时有更大的抗过载能力。#铁心损耗小，在(+,(./0的频率范围内是铁氧体损耗的!+!1。$磁导率高，是铁氧体的(倍以上，因此激磁功率小，也减少了铜损。%微晶材料的居里温度是,)(2，是铁氧体的*倍，具有良好的温度稳定性。&逆变电源主变压器采用纳米晶铁心的设计&铁心的工作状态*33单端正激式电路图1、图4为单端正激电路及变压器铁心磁化状态示意图。表逆变电源用纳米晶铁心与铁氧体主要性能对比主要磁性能纳米晶材料铁氧体饱和磁感应强度!-!531(3,6矫顽力7!89&344损耗:(./0，(31 5;#!.=*(不能使用损耗:(./0，(3,5;#!.(损耗:(./0，(3*5;#!.*(损耗:(./0，(3 5;#!.6磁导率1(电阻率!#79?(4(4居里温度$!2,)(1(图#$%&()(*(的磁滞回线图*#$%&()(*(的动态磁导率图,#$%&()(*(的动态矫顽力图1单端正激电路图图4变压器铁心磁化状态图毕耀宗：纳米晶材料在逆变焊机上的应用研究与设计第(期?电焊机当开关管!和!#导通时，电流从!经过变压器流过!#，变压器铁心的磁化如图#所示，磁感应由!$变化到!%。当开关管!和!#截止的瞬间电流由最大减小到零，电流方向不变。变压器铁心的磁感应由!%变化到!$。显然，单端正激变压器铁心工作在磁滞回线的第一象限。希望材料的!$越低越好，这样可以获得大的磁感应变化值&!%(!$)。*+#全桥式电路图,、图-为全桥电路及变压器铁心磁化状态示意图。图,全桥电路图-变压器铁心磁化状态图正半周时，当开关管!和!*导通时，电流从!经过变压器流过!*，变压器铁心的磁化如图-所示，磁感应变化到!%。当开关管!和!*截止的瞬间电流由最大减小到零，电流方向不变。变压器铁心的磁感应由!%变化到!$。负半周时，当开关管!#和!.导通时，电流从!.经过变压器流过!#，电流方向与正半周相反，变压器铁心的磁化如图-所示，磁感应变化由!%到(!%。当开关管!#和!.截止的瞬间电流由最大减小到零，电流方向不变。变压器铁心的磁感应由(!%变化到(!$。显然，全桥电路变压器铁心的工作在磁滞回线的第一、第三象限。铁心的磁感应变化为#/!%，!0!%(&(!%)1。因此要求铁心材料不一定是低!$的了。!#工作点的选择对于单端正激电路：!23+-&!4(!$)，根据经验!选3+563+7 8为宜，但是根据工作方式、温升要求、冷却方式等要求不同，这个值仅供参考。对于全桥电路：!#!%，根据微晶材料的特性，一般!%可选取3+5 8左右。!铁心性能的选择纳米晶材料通过不同的热处理工艺，可以得到高!$、中!$和低!$*种不同的磁滞回线。高!$材料具有很高的最大磁导率%，%高达5/3567/35，矩形比&!$!%)达到3+-5。磁滞回线很陡。中!$材料具有很高的初始磁导率3，3可达到./3.65/3.，矩形比&!$!%)只有3+563+7。低!$材料的磁导率最低，平均磁导率在#5333左右，矩形比&!$!%)小于3+.，!$值小于3+#5 8。由于逆变电路是多种多样的，不同的电路要求使用不同的磁滞回线，否则，适得其反，造成损失。一般单端正激电路，必须使用低!$的铁心，而且希望!$23+#8，这样的铁心可以获得比其他#种磁滞回线的铁心更大的!，以得到更大的输出。全桥电路、半桥电路，如果采用高!$的铁心，磁滞回线很陡，微分磁导率&9!9)很高，这相当于在正常电路中串很大的电感&这正是高矩形比的铁心可以作为尖峰抑制器的原因)，此电感产生很大的反电势，阻碍磁感应的变化，由于开关管的微小不对称，使得磁滞回线产生偏移。为了减少剩磁现象，采用低!$铁心，但!$值可以在3+#5 8左右。有些全桥电路，要求有一定的电感量，使用低!$铁心达不到要求时，就要使用中!$的铁心，这种铁心由于初始磁导率高，可获得较大的电感和较小的激磁功率，而微分磁导率&9!9)又小于高!$的铁心。!$铁心尺寸的确定铁心尺寸的计算方法不止一种，可以用一种方法计算，再用另一种方法验证。一般采用面积乘积法，即铁心窗口面积#:与铁心有效截面积#;的乘积#:#;值来确定铁心尺寸。下面推荐一种简便的估算方法：$3+5*%#:#;!&/3(#，&)式中$为变压器额定输出功率&单位：:)；%为工作频率&单位：%#)；#;为铁心有效截面积&乘填充系数后的面积，单位：%#)；!为磁感变化量&单端正激电路!%(!$，全桥电路!#!%，单位：8)；&为电流密度&单位：?!%#)3+5*为经验系数。!%匝数的确定逆变电路的波形属于方波，变压器匝数用以下公式计算：()/3(#!#*，&#)式中(为输入电压&单位：!)；)为脉冲宽度&单位：4)；#;为铁心有效截面积&单位：%#)；!为磁感变化量&单位：8)。研究与设计第*#卷3!#应用实例!#$单端正激变压器$主要参数输出功率!%&；输入电压!$!%(；输出电压!)$%(；输出电流$%*，最大$)%*；工作频率+%,-.，波形占空比%+/，换算成脉冲宽度0$!#12%+/0$!+%-.12%+/$)/!3。%设计考虑根据!)所述的经验，$取为%/4；电流密度取!*!55)；考虑到通风和绕线留出相应空间，窗口利用系数取$!。&确定铁心尺寸将以上数据代入式0$1%&%6&2$%)%/!2#2$2!%&2$%)%/!2+%-.2%/42!*!55)7+!85+，查产品目录数据0见表)1，可选#9%552/%552)/55的铁心为宜。铁心的有效截面积%6)#!85)，铁心护盒窗口直径(+55+85，窗口面积为$/)85)，取窗口利用系数$!，%&$/)85)!/%:85)；则有%&%6)#!85)2/%:85)$!85+，大于计算出的%&%6值，这个铁心是适用的。匝数确定将有关数据代入式0)1，算出一次绕组匝数)$!%(2$)/!3%/42)#!85)2$%;)!)/#匝，取)+匝，可反算出变压器的工作磁感$5为%/!/4。二次绕组匝数)$2!)!$)+2$%(!%(9匝。)$)!$。!#)全桥电路逆变焊机变压器$主要参数三相整流输入电压!$/!:(；输出电压!)#:(；输出功率&$)/,&；输出最大电流!$/*。全桥电路的工作频率为)%-.；波形占空比为%/。%设计考虑根据损耗曲线确定$5取%+4，$)$5%9 4，电流密度取!*!55)，考虑到通风和绕线留出相应空间，窗口利用系数取$!。&确定铁心尺寸将以上数据代入式0$1%&%6&2$%)%/!2#2$2$)/%&2$%)%/!2)%-.2%9 42!*!55)+7$!85+，查产品目录数据0见表)1，可选#$)%552:%552!%55的铁心。铁心的有效截面积%6/)/85)；铁心护盒窗口直径(#:55#:85；窗口面积为!/)/85)；取窗口利用系数$!，%&!)$:85)!$:/85)；则有%&%6/)/85)2$:/85)#$#7 85+，大于计算出的%&%6值，这个铁心是适用的。匝数确定将有关数据代入式0)1，算出一次绕组匝数)$!/:(2)/!32%$%9 42/)/85)!$7匝，取!)匝，可反算出变压器的工作磁感$5为%!77/4。二次绕组匝数)$2!)!$!)2#:(!/!:(!77匝，取+匝。)$)9适用焊机额定电流,!*适用功率&!,&?A;9%/%)/*$!55*)!55-!559%/%)/+)#!9%$)%，$#%+=9?A;$%#%)%$%#%)%/#)9%/%$#%，)%#=$%?A;$)%:%)/$)%:%)/#:+!97)%)%，)/%9=$)?A;$)%#%!%$)%#%!%/:#!%$)%!$/$%=$/?A;$)%:%!%$)%:%!%#:/)/$%!$/，+%$%=$/?A;$!%9%+%$!%9%+%:#:%$/%+%，/%$/=)%?A;$!%9%/%$!%9%/%:#9:/$7%/%，#!%)%=)/?A;$!%7%/%$!%7%/%9/:%$:+%#!%)%=)/表)逆变焊机用纳米晶铁心规格!#$%&毕耀宗：纳米晶材料在逆变焊机上的应用研究与设计第$%期$将第!号药芯焊丝组成代入训练过的网络进行验证，网络计算的结果和实验数据的比较见表#。从中可以看到网络误差平均小于$%，证明用人工神经网络预测铸钢件堆焊层元素的化学成分可以大大减少实验次数，节约大量的经费，是完全可行的。!结束语对铸钢工程机械部件表面进行堆焊是“再制造”工程发展的要求。提高其耐磨性是很有意义的课题。而堆焊层耐磨性与堆焊层的组织和成分密切相关。人工神经网络技术的发展对解决焊接过程中大量存在的非线性问题提供了强有力的工具。调整学习率和动量因子，可以改变铸钢件堆焊层神经网络成分预测中的收敛速度。对大型工程机械中的铸钢件堆焊层，探讨使用人工神经网络预测堆焊熔敷金属的化学成分，可以大大减少实验次数，节省大量的资金，具有重大的理论和实际意义。参考文献：&#单平(表面工程领域的最新进展和发展趋势&)(第十次全国焊接会议论文集&*(哈尔滨：黑龙江人民出版社，!+#(,#+-,#(&!./01234567,89:/;0(35?04A/1 H0I04J#KLK，#MNKO：M-$!(&P王莲芳，陈伯蠡，金希龙(堆焊金属耐磨性与硬度关系的研究&G(焊接，#KK#，NMO：M-K(&Q/6)0A;/0(Q1R S9T04A/1W&G(E41U56I G806/1J#KKMJP+N!OX!K-P!(&$Y5/U4156I B0 F4/1 594 E41U H0?4*6A01/6U:4640/A65A056I&)(E41U56I F44/0?;*(上海：复旦大学出版社，#KKP(&LV/A;5 J_/9C04?;A(ZV_)X)B877R 1I5?RA49 A?/1?81/A4/6U TA59574 T/0/94A40 B0/6 414?A0(郑州：黄河水利出版社，#KKK(图网络训练误差曲线对话框N横坐标是训练次数，纵坐标是训练精度O表实际检测#化学分析法$与网络输出化学成分的比较化学成分!N*O!N5O!N6O!NbO!NO!N*0O网络输出+(K$!+(MP+($L$+(aP+(M$L!(PP实际检测+(K!a+(M#$+($P+(ML+(MK!($#P%!%&正确使用纳米晶铁心P(L(#合理选择工作磁感!9从纳米晶铁心的损耗曲线可以看出，随着频率的提高，损耗加大，在同一频率下，!9值越高损耗越大。因此，在一定温升要求条件下，工作频率为!+c37时，!9可以选+($；工作频率为P+c37时，!9要降到+(；工作频率为$+c37时，!9只能选+(!。一般说来，一个规格的铁心是针对一定功率、一定的温升要求、一定的暂载率设计定型的。因而在应用时，可根据具体情况变通。例如，#!+99dL+99dP+99的铁心在!9值取+(时，可以用作P#$)焊机的变压器，当!9值取+($时，可以用作+)焊机的变压器，只不过温升略高，需要加强冷却。这已被实际应用所证实。P(L(!根据变压器的负载持续率选择纳米晶逆变电源铁心目前应用在逆变焊机上的数量最大，所以在产品目录上，各种规格铁心推荐的使用功率，都是按逆变焊机考虑的。使用要求暂载率高的或长期运行的变压器N如等离子切割电源、通信电源、电镀电源等O，选择铁心要加大余量。可以降低!9值，一般情况，铁心的功率选择在#+E!I或更低，即加大铁心的截面积，取损耗值在!$E!cI以下对应的!9值进行计算，长期使用温升可以满足要求。P(L(P铁心避免受应力任何软磁材料都是怕受外应力的，微晶铁心也不例外。当受到外力时，铁心的损耗增大，磁导率降低，铁心的保护盒就是为了不使铁心受力，在使用过程中不要打开保护盒，在运输、搬运过程中，更要轻拿轻放，不能随意乱丢。结束语高效、节能是每个厂家产品追求的目标，纳米晶材料为逆变焊机提供了理想的材料，为促进我国逆变焊机的发展，我们将提供优良的服务。!#$%李鹏云等：铸钢件耐磨堆焊层人工神经网络成分预测研究与设计第#+期!#