هل تساءلت يومًا عن السبب الذي يجعل بعض الأجزاء المعدنية متينة ومرنة بشكل استثنائي؟ تتعمق هذه المقالة في عملية التصلب التحريضي الرائعة وتأثيراتها الرائعة. سوف تكتشف كيف تعزز هذه التقنية صلابة السطح وتحسن مقاومة التآكل وتزيد من قوة التعب. وفي النهاية، ستفهم الدور الحيوي الذي تلعبه عملية التقسية بالتحريض في إطالة عمر المكونات المهمة، مما يضمن أداءها بشكل موثوق في أصعب الظروف.
يُعرف تأثير الجلد أيضاً بالتأثير السطحي.
عندما يتدفق تيار مستمر عبر موصل، تكون كثافة التيار عند جميع النقاط على المقطع العرضي للموصل متساوية.
ومع ذلك، عندما يتدفق تيار متردد عبر موصل، تكون كثافة التيار على المقطع العرضي للموصل أصغر في الوسط وأكبر على السطح.
عندما يكون تردد التيار عالياً بما فيه الكفاية، قد لا يكون هناك تيار في مركز الموصل، ويتركز كل التيار في الطبقة السطحية للموصل.
وتُعرف هذه الظاهرة بالتأثير السطحي للتيار عالي التردد، ويوضح الشكل 1 التأثير السطحي للتيار عالي التردد على موصل أسطواني.
الشكل 1 تأثير الجلد للتيار العالي التردد
ويرجع سبب تأثير الجلد إلى أنه عندما يتدفق تيار متردد عبر موصل، فإنه ينتج في الوقت نفسه مجالًا مغناطيسيًا يحيط بالموصل.
ويولِّد هذا المجال المغناطيسي قوة دافعة كهربية ذاتية على الموصل، وهي قوة معاكسة في الاتجاه للقوة الدافعة الكهربية الأصلية.
تكون القوة الدافعة الكهربية الذاتية أقوى ما تكون في مركز الموصل الأسطواني وأضعف ما تكون على السطح.
وينتج عن إلغاء القوة الدافعة الكهربائية الأصلية بواسطة القوة الدافعة الكهربائية المستحثة ذاتيًا أقصى كثافة للتيار السطحي وأقل كثافة للتيار المركزي للتيار عالي التردد، مما يؤدي إلى حدوث تأثير الجلد.
وبسبب تأثير الجلد، تتناقص كثافة التيار على المقطع العرضي للموصل أسيًا من السطح إلى المركز.
كثافة التيار Ix عند مسافة x من السطح تُعطى بالمعادلة 1.
أين,
في الهندسة، العمق من سطح الموصل إلى النقطة التي تكون فيها سعة Ix ينخفض إلى 1/e من I0 (حيث e=2.718، لذا فإن 1/e ≈ 36.79%) يسمى عمق اختراق التيار، ويُشار إليه بـ δ. ويمكن حسابه باستخدام المعادلة 2.
كما هو موضح في المعادلة أعلاه، يرتبط عمق اختراق التيار δ بـ ρ وμ و f. عندما يزداد ρ وينخفض μ و، ستزداد δ. تُظهر الحسابات النظرية أنه داخل طبقة عمق اختراق التيار δ، تمثل الحرارة المتولدة عن التيار 86.5% من إجمالي الحرارة المتولدة عن التيار.
توضّح المعادلة 2 أيضًا أنه عندما يظل تردد التيار f ثابتًا، يمكن تحقيق أعماق اختراق مختلفة للتيار طالما أن ρ وμ يتغيران. تحتوي المواد على ρ وμ مختلفتين عند درجات حرارة مختلفة، مما يؤدي إلى أعماق اختراق مختلفة للتيار عند درجات حرارة مختلفة.
الشكل 2 العلاقة بين النفاذية المغناطيسية والمقاومة الكهربائية للصلب ودرجة حرارة التسخين.
يوضح الشكل 2 العلاقة بين النفاذية المغناطيسية μ والمقاومة الكهربية ρ للصلب ودرجة حرارة التسخين.
يمكن ملاحظة أن المقاومة الكهربائية للصلب تزداد مع زيادة درجة حرارة التسخين. عند درجة حرارة 800-900 درجة مئوية، تزداد المقاومة الكهربائية لمختلف أنواع الفولاذ متساوية بشكل أساسي، عند حوالي 10-4 Ω-سم. وتبقى النفاذية المغناطيسية μ بشكل أساسي دون تغيير تحت نقطة التحوُّل المغناطيسي A2 أو الفريت-الأوستينيت نقطة التحول، ولكنها تنخفض بشكل حاد عندما تتجاوز A2 أو تتحول إلى أوستينيت.
من خلال التعويض بقيم ρ وμ عند درجة حرارة الغرفة أو 800-900 درجة مئوية في المعادلة 2، يمكن الحصول على التعبير المبسط التالي:
عند درجة حرارة 20 درجة مئوية
عند 800 ℃,
يُشار عادةً إلى عمق اختراق التيار عند درجة حرارة 20 درجة مئوية باسم "عمق اختراق التيار في الحالة الباردة"، بينما يُشار إلى عمق اختراق التيار عند درجة حرارة 800 درجة مئوية، ويُشار إليه بالرمز δ800، باسم "عمق اختراق التيار في الحالة الساخنة".
يتأثر توزيع التيار المتردد داخل موصل ما بالتيار المتردد في الموصلات القريبة، وهي ظاهرة تعرف باسم تأثير القرب.
في التطبيقات العملية، يظهر تأثير القرب بشكل أساسي في حالتين.
(1) عندما يحمل موصلان متوازيان تيارين متناوبين متساويين في اتجاهين متعاكسين، يتركز التيار على الطبقة السطحية الداخلية للموصلين، ويتقوى المجال المغناطيسي بين الموصلين، بينما يضعف المجال المغناطيسي على الجانب الخارجي للموصلين. يوضح الشكل 3أ حالة التيارين المتعاكسين.
الشكل 3 مظهر من مظاهر تأثير القرب على قضيب وصل مستطيل.
أ - التيارات المتعارضة
ب - التيارات في نفس الاتجاه
(2) عندما يحمل موصلان متوازيان تيارين متناوبين متساويين في نفس الاتجاه، يتركز التيار على الطبقة السطحية الخارجية للموصلين، ويكون المجال المغناطيسي بين الموصلين أضعف، بينما يقوى المجال المغناطيسي على الجانب الخارجي للموصلين بسبب التراكب المتبادل. ويوضح الشكل 3ب حالة التيارات ذات الاتجاه الواحد.
الشكل 4 أداء تأثير القرب في التسخين بالحث الحثي
يظهر تأثير القرب أيضًا بين ملف الحث وقطعة العمل التي يتم تسخينها، كما هو موضح في الشكل 4 لتأثير القرب أثناء التسخين بالحث.
يوضِّح الشكل 4أ التيار الدوامي على شكل قوس على صفيحة مسطحة مسخَّنة بسلك أنبوبي دائري أحادي القطب، وهو ما يقابل توزيع التيار على السلك الأنبوبي الدائري;
يوضح الشكل 4ب طبقة التيار الدوامي المستقيمة على الصفيحة المسطحة المسخنة بواسطة سلك أنبوبي مربع أحادي القطب;
يوضح الشكل 4ج طبقات التيار المتساوي وطبقات التيار الدوامي على قطعة عمل أسطوانية صلبة يتم تسخينها بواسطة ملف دائري، مع وجود فجوات متساوية بين الملف وقطعة العمل في جميع المواقع;
يوضح الشكل 4د طبقات التيار غير المتساوية وطبقات التيار الدوامي بسبب الفجوات غير المتساوية بين قطعة العمل الأسطوانية والملف الدائري، مع وجود طبقات تيار وتيار دوائي أكثر سمكًا في المواقع ذات الفجوات الأصغر وطبقات أرق في المواقع ذات الفجوات الأكبر.
عندما يتدفق تيار عالي التردد عبر موصل دائري على شكل حلقة، تتوزع كثافة التيار القصوى على الجانب الداخلي للموصل الحلقي، وهي ظاهرة تعرف باسم تأثير الجلد. وتأثير الجلد هو في الأساس تأثير القرب لمحرِّض حلقي دائري الشكل.
يوضح الشكل 5 مخططًا تخطيطيًا لتأثير الجلد في حلقة دائرية.
الشكل 5 مخطط تخطيطي للتأثير الحلقي
من خلال استخدام مبدأ تأثير الجلد، يمكننا تفسير الاختلاف الكبير في كفاءة التسخين عند استخدام نفس المحرِّض الدائري لتسخين السطح الخارجي لقطعة عمل أسطوانية والسطح الداخلي لقطعة عمل أسطوانية ذات ثقب نافذ، كما هو موضح في الشكل 6.
يوضح الشكل 6 استخدام محرِّض دائري لتسخين قطعة عمل أسطوانية وقطعة عمل أسطوانية بفتحة عرضية بشكل منفصل. تختلف كفاءة تسخين قطعتي الشغل اختلافًا كبيرًا بسبب تأثير الجلد.
الشكل 6 تسخين الأجزاء الأسطوانية والأجزاء ذات الفتحات الدائرية ذات المحاثات الحلقية
b1 - عرض التسخين للسطح الأسطواني
ب2 - عرض التسخين لسطح الفتحة الداخلية
أ - الخلوص؛ φ- التدفق المغناطيسي
عند تسخين السطح الخارجي لقطعة عمل أسطوانية، يكون التسخين مكثفًا، وترتفع درجة الحرارة بسرعة، مما ينتج عنه مساحة تسخين أوسع من b1. من ناحية أخرى، عند تسخين السطح الداخلي لقطعة عمل أسطوانية ذات ثقب نافذ، يكون التسخين خفيفًا، وترتفع درجة الحرارة ببطء، مما يؤدي إلى مساحة تسخين أضيق من b2. من الشكل، يمكن ملاحظة أن b1 ≥ b2، على الرغم من أن الفجوات في كلتا الحالتين تساوي a.
نظرًا لتأثير الجلد، يتركز التيار عالي التردد على الجانب الداخلي من المحرِّض. عند تسخين السطح الداخلي لقطعة الشغل الأسطوانية، تكون الفجوة الحقيقية بين قطعة الشغل والمحرِّض أكبر بكثير من أ، مما يؤدي إلى انخفاض كثافة التيار الدوامي بشكل كبير على السطح الداخلي للفتحة النافذة مقارنةً بالسطح الخارجي لقطعة الشغل الأسطوانية. وهذا يؤدي إلى تسخين ألطف للسطح الداخلي للفتحة النافذة.
عندما يوضع موصل نحاسي مستطيل في فتحة قلب مغناطيسي، يتدفق تيار عالي التردد فقط عبر الطبقة السطحية للموصل عند فتحة القلب المغناطيسي. تُعرف هذه الظاهرة باسم تأثير فتحة القلب المغناطيسي، كما هو موضح في الشكل 7.
الشكل 7 تأثير الشق للموصل المغناطيسي
ح - شدة المجال المغناطيسي؛ ط - تيار عالي التردد
يتميز القلب المغناطيسي بنفاذية مغناطيسية عالية ومقاومة مغناطيسية منخفضة. يتركز التدفق المغناطيسي الذي يولده الموصل الحامل للتيار من خلال القلب المغناطيسي في أسفل الفتحة.
على الرغم من أن الموصل الموجود في أسفل الفتحة يحتوي على أكبر قدر من روابط التدفق المغناطيسي، إلا أنه يولد أيضًا قدرًا كبيرًا من القوة الدافعة الكهربائية الذاتية.
وبالمثل، يولِّد الموصل عند فتحة الفتحة أصغر قوة دافعة كهربية ذاتية. ونتيجة لذلك، يضطر التيار العالي التردد إلى التدفق عبر هذه المنطقة.
الشكل 8 الملف الفعال والمغناطيس الموصِّل وتوزيع التيار في المحرِّض
1-مغناطيس موصل
2-ملف الحث الفعال 2 - ملف الحث
3-الحالية
من خلال الاستفادة من تأثير الفتحة للقلب المغناطيسي، يمكننا دفع التيار عالي التردد إلى السطح الخارجي للمحث الدائري، وبالتالي تحسين كفاءة تسخين السطح الداخلي للفتحة النافذة. يوضح الشكل 8 المنعطفات الفعالة للمحث والقلب المغناطيسي وتوزيع التيار.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO