CN107401922A - 铝合金半固态触变成形中的坯料加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金半固态触变成形中的坯料加热装置，坩埚、坩埚底座、感应加热线圈、石英外套保温层均设置于感应加热炉炉体内，坩埚底座设置于感应加热炉炉体底部，用于支撑坩埚，坩埚侧壁设有热电偶检测孔，接触式热电偶可穿过热电偶检测孔接触坯料，透明石英玻璃炉盖设置于感应加热炉炉体顶部，控制器用于接受压力接触式热电偶探测到的温度并控制感应加热线圈和顶出装置的运行。本发明装置采用双级加热模式以及恰当的坩埚与线圈之间的参数设置，针对铝合金坯料能稳定地实现半固态状态，保证在加热过程中各处的温度均匀；而且操作简单，加热浆料效率高，可以多个依次并行，适宜于大规模化工业生产使用。
Description
技术领域
本发明涉及到一种加热装置，尤其是一种铝合金半固态触变成形中的坯料加热装置。
背景技术
铝合金的半固态加工成型是近年来备受关注的一种新型加工技术，它是将含有球状初生固相均匀分散在液相中的半固态浆料直接加工成型的方法，相比传统液态压铸或者挤压铸造，半固态成型充型平稳，能够避免卷气，所得到的铸件内部组织致密，可显著改善缺陷问题，凝固收缩小而能实现近终成形，而且半固态成型产品可进一步热处理强化。在工业中比较容易得到广泛应用的一条工艺路线是半固态触变成形，它是将坯料或预变形态合金加热达到半固态温度，然后进行成形。因此在触变成形中，二次加热是一个至关重要的环节，使具有非枝晶组织结构的合金重新处于液固相线温度区间，以便进行半固态加工成形。其目的主要是快速、精确地获得触变成形工艺所需的固相体积分数，非枝晶组织逐渐长大并球化，使坯料具有良好的触变和流变性能，以提供理想的触变成形坯料。对于铸造铝合金的电磁感应二次加热较易实现，但对于变形铝合金，其半固态温度区间较窄，因此对加热过程中的控温要求很严，一般要求加热时半固态坯料的内部温差小于或等于±1～3℃，以保证铝合金在感应加热达到半固态状态时的温度均匀性。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝合金半固态触变成形中的坯料加热装置。
本发明采用的技术方案为：一种铝合金半固态触变成形中的坯料加热装置，包括感应加热炉炉体、坩埚、坩埚底座、感应加热线圈、石英外套保温层、压力接触式热电偶、透明石英玻璃炉盖、顶出装置、控制器，其中坩埚、坩埚底座、感应加热线圈、石英外套保温层均设置于感应加热炉炉体内，所述坩埚为圆柱体形，垂直设置于感应加热炉炉体中心，坩埚内设有用于放置坯料的空间，坩埚外依次设有石英外套保温层和感应加热线圈，坩埚底座设置于感应加热炉炉体底部，用于支撑坩埚，坩埚侧壁设有热电偶检测孔，接触式热电偶可穿过热电偶检测孔接触坯料，透明石英玻璃炉盖设置于感应加热炉炉体顶部，所述顶出装置用于推动透明石英玻璃炉盖的启合、坩埚的升降以及接触式热电偶的移动，控制器用于接受压力接触式热电偶探测到的温度并控制感应加热线圈和顶出装置的运行。
优选的，所述控制器具备恒功率模式与PID调节模式，压力接触式热电偶探测温度在室温至500℃之间控制感应加热线圈采用恒功率模式加热，500℃以上切换至PID闭环控制加热。
优选的，所述顶出装置包括顶部气缸、小气缸和底部气缸，所述顶部气缸用于推动透明石英玻璃炉盖的启合，小气缸用于控制接触式热电偶的移动，底部气缸用于控制坩埚的升降。
优选的，还包括炉盖支架，所述炉盖支架与感应加热炉炉体成30度夹角，炉盖支架一端固定在感应加热炉炉体上，另一端为自由端，炉盖支架上设有滑槽轨道，所述透明石英玻璃炉盖设置于炉盖支架上靠近感应加热炉炉体的一端，可沿滑槽轨道移动，炉盖支架的自由端设置有顶部气缸，顶部气缸驱动透明石英玻璃炉盖在炉盖支架上移动。
优选的，还包括隔热层，所述隔热层设置于感应加热线圈与感应加热炉炉体之间。
优选的，所述坩埚侧壁与感应加热线圈之间的间距为8-20mm，被加热坯料直径比坩埚直径小4-6mm。
优选的，还包括定位杆，所述定位杆垂直立于坩埚底座上，所述坩埚上设有对应的通孔以容定位杆穿过。
优选的，所述压力接触式热电偶数量为3个，一侧通过热电偶检测孔接触坯料，另一侧由弹簧压紧，由小气缸控制移动。
优选的，所述感应加热线圈通电电流频率范围在：500-1500Hz。
优选的，所述坩埚采用无磁不锈钢制成，坩埚壁厚3-5mm。
本发明的有益效果为：
①加热容器为一端有底的圆柱体坩埚，竖直设于炉体中间进行加热，首先保证了感应加热磁场穿过坩埚后在坯料周围的均匀性，进而保证加热的均匀性；再者，能够保障即使坯料过热后部分融化，出现流动熔体也不会流出，防止污染炉体和烧损线圈。
②双级加热模式实现对坯料在半固态温度以下时快速升温，缩短加热时间，在半固态温度区间时，PID闭环控制逐步降低加热功率，慢速升温最后达到稳定值，这也相当于延长坯料内部传热时间，缩小表面与心部温差。同时，线圈通电电流频率范围控制在1500Hz以下，这也有助于减小电磁感应电流的集肤效应带来的坯料径向加热不均匀性。
③采用压力接触式热电偶，穿过坩埚检测孔分别对坯料上下近端部和心部三点测温，选取三点的最高温度作为PID控制的参考温度，同时实时监测坯料在刚进入保温状态时，其轴向温差必须在±1～3℃；此外，热电偶靠弹簧压紧，既能防止铝棒不平，也能保证即使坯料软化后热电偶也不会脱离，保持监测温度。
④坯料与加热线圈间距接近20mm时，坯料中心与表面的最大温差达到一个较小的值。同时，选择坩埚材质为316无磁不锈钢，壁厚3-5mm，坩埚厚度若小于3mm，在加热时坩埚容易发生变形；坩埚厚度若大于5mm，则会使坯料表面散热较快。
⑤炉体内设有隔热石英坩埚底座，炉盖处设有石英玻璃门，可以增加端部保温，减少坩埚四周散热，以解决磁力线分布和端部效应所带来的坯料轴向加热的不均匀性问题。
⑥炉体内同时设置两层保温层：隔热层和石英外套保温层，分别设置于加热线圈的内侧和外侧，隔热层可反射线圈向外扩散的热能，可进一步提高加热效率，减少热能损失，缩短快速升温时间，而内层的薄石英外套，可反射坩埚向炉膛扩散的热能，减缓坩埚壁散热速率，使坯料表面与心部升温速率一致，进一步缩小表面与心部温差。
⑦倾斜设置的炉盖支架，可防止顶部气缸贴近炉门处，防止过热损害气缸寿命，同时使炉门与炉体接触面很小，保证炉门的密封性，滑槽轨道保证炉门的使用准确性与安全性，加热过程中能透过石英玻璃观测坯料软化至半固态状态。
⑧加热完成后控制器控制中、上、底部气缸依次运动，自动将坩埚顶出，安全高效。
附图说明
图1为本发明的坯料加热装置的整体结构示意图。
图2为本发明的坯料加热装置的感应加热炉炉体内部的结构示意图。
图3为本发明的坯料加热装置的坩埚的结构示意图。
图4为采用本坯料加热设备所制备的6061铝合金半固态坯料的淬火金相照片。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本铝合金半固态触变成形中的坯料加热装置，包括感应加热炉炉体1、坩埚2、感应加热线圈13、三个压力接触式热电偶4、顶部气缸6、小气缸7、底部气缸8、控制器、石英玻璃炉门3、石英保温层14和坩埚底座16，所述坩埚2为圆柱体形，采用316无磁不锈钢制成，坩埚壁厚3-5mm，垂直设置于感应加热炉炉体1内，坩埚2内设有用于放置铝合金坯料15的空间，被加热坯料15直径比坩埚2直径小4-6mm，感应加热线圈13设置于石英保温层14外围，坩埚2侧壁与感应加热线圈13之间的间距为8-20mm，坩埚2侧壁设有热电偶检测孔10，压力接触式热电偶4穿过热电偶检测孔10接触坯料15，由弹簧5压紧，由小气缸7用于控制移动，所述感应加热炉内层为厚度为10-15mm的白色石英保温层14，感应加热线圈外围为隔热层12(可充填石棉等)，炉体底部设有石英的坩埚底座16用于支撑坩埚2，所述底部气缸8与石英坩埚底座16相接触，还包括定位杆9，所述定位杆9垂直立于坩埚底座16上，所述坩埚2上设有对应的通孔11以容定位杆穿过，所述感应加热炉炉体1顶部设有石英玻璃门3，所述顶部气缸6用于控制石英玻璃门3的启闭，所述控制器接受压力接触式热电偶4测量的温度并控制感应加热线圈13、顶部气缸6、底部气缸8和小气缸7的运行。
使用时，由机械手将装有铝合金坯料15的坩埚2穿过底座定位杆9置于底座18上，控制器控制底部气缸8收回，坩埚2进入炉膛后，控制器控制顶部气缸6推动炉门3关闭，中部小气缸7推动热电偶4压力接触上铝合金坯料15，开始三点实时测温，由室温至500℃采用恒功率模式加热，在500℃以上采用PID闭环控制加热，线圈通电电流频率范围为500-1500Hz，控温误差在±2℃。当坯料达到所需固相率的预设工艺后，顶部气缸6收再抓取新坩埚置于坩埚底座16上，启动进行下一轮加热。
本发明装置能够实现包括6061变形铝合金在内的大多数铝合金的触变成形坯料制备，加热效率快，工艺稳定，能够保证坯料在加热过程中各处的温度均匀。图4所示为采用本设备制得的6061铝合金半固态触变成形坯料的淬火显微组织，可以看到球化固相颗粒被液相良好地包围，达到理想的半固态成型前状态。
Claims (10)
1.一种铝合金半固态触变成形中的坯料加热装置，包括感应加热炉炉体、坩埚、坩埚底座、感应加热线圈、石英外套保温层、压力接触式热电偶、透明石英玻璃炉盖、顶出装置、控制器，其中坩埚、坩埚底座、感应加热线圈、石英外套保温层均设置于感应加热炉炉体内，所述坩埚为圆柱体形，垂直设置于感应加热炉炉体中心，坩埚内设有用于放置坯料的空间，坩埚外依次设有石英外套保温层和感应加热线圈，坩埚底座设置于感应加热炉炉体底部，用于支撑坩埚，坩埚侧壁设有热电偶检测孔，接触式热电偶可穿过热电偶检测孔接触坯料，透明石英玻璃炉盖设置于感应加热炉炉体顶部，所述顶出装置用于推动透明石英玻璃炉盖的启合、坩埚的升降以及接触式热电偶的移动，控制器用于接受压力接触式热电偶探测到的温度并控制感应加热线圈和顶出装置的运行。
2.根据权利要求1所述的坯料加热装置，其特征在于：所述控制器具备恒功率模式与PID调节模式，压力接触式热电偶探测温度在室温至500℃之间控制感应加热线圈采用恒功率模式加热，500℃以上切换至PID闭环控制加热。
3.根据权利要求2所述的坯料加热装置，其特征在于：所述顶出装置包括顶部气缸、小气缸和底部气缸，所述顶部气缸用于推动透明石英玻璃炉盖的启合，小气缸用于控制接触式热电偶的移动，底部气缸用于控制坩埚的升降。
4.根据权利要求3所述的坯料加热装置，其特征在于：还包括炉盖支架，所述炉盖支架与感应加热炉炉体成30度夹角，炉盖支架一端固定在感应加热炉炉体上，另一端为自由端，炉盖支架上设有滑槽轨道，所述透明石英玻璃炉盖设置于炉盖支架上靠近感应加热炉炉体的一端，可沿滑槽轨道移动，炉盖支架的自由端设置有顶部气缸，顶部气缸驱动透明石英玻璃炉盖在炉盖支架上移动。
5.根据权利要求1或2所述的坯料加热装置，其特征在于：还包括隔热层，所述隔热层设置于感应加热线圈与感应加热炉炉体之间。
6.根据权利要求1或2所述的坯料加热装置，其特征在于：所述坩埚侧壁与感应加热线圈之间的间距为8-20mm，被加热坯料直径比坩埚直径小4-6mm。
7.根据权利要求1或2所述的坯料加热装置，其特征在于：还包括定位杆，所述定位杆垂直立于坩埚底座上，所述坩埚上设有对应的通孔以容定位杆穿过。
8.根据权利要求1或2所述的坯料加热装置，其特征在于：所述压力接触式热电偶数量为3个，一侧通过热电偶检测孔接触坯料，另一侧由弹簧压紧，由小气缸控制移动。
9.根据权利要求1或2所述的坯料加热装置，其特征在于：所述感应加热线圈通电电流频率范围在：500-1500Hz。
10.根据权利要求1或2所述的坯料加热装置，其特征在于：所述坩埚采用无磁不锈钢制成，坩埚壁厚3-5mm。
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