CN109890097B - 一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法，包括以下步骤：通过红外测温传感器L₁、L₂来补偿工件内外表面温差，精确、高效地完成对厚壁工件中不同能量面区域进行变频加热；加热最后一层能量面时换成高频f₅加热是对外表面对流和辐射散失的热量进行温度补偿，利用余热热传导作用完成对最后一层能量面区域d₅的加热；本发明中真正加热有效部分是在低效居里温度线与高效能量传递线之间的区域，低效居里温度线以上区域材料失磁，高效能量传递线以下区域集肤深度未达到，每次变频加热只对固定的深度层进行加热，针对厚壁工件这样加热效率高、不易过烧且满足机械性能要求。

Description

一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法

技术领域

本发明涉及热处理领域，特别是涉及一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法。

背景技术

深海环境十分恶劣和复杂，作为运输载体的海底管线，长期在低温、高压、强腐蚀的海洋环境中服役，不仅承受着内外压力、轴向力、弯矩等静载荷和温度载荷的联合作用，而且还要承受交变外压、波浪、海流的动载作用，使管道承受着多种载荷的联合作用外并引发多种形式的破坏，因此深海油气输送管正在向厚壁和高强度方向发展。由于焊管焊缝区域存在较大残余应力，而焊缝上的残余应力主要是由于焊缝周向和径向上的温差太大，冷却不均匀造成的。为提高焊缝综合机械性能，普遍方法是采用中频甚至工频的感应加热处理，但对于壁厚大于68mm以上的大直径焊管不能完全透入壁厚,使管体沿直径方向截面性能差异较大,产品热处理后存在组织缺陷及较高的残余应力,使得天然气和石油在深海输送过程中存在极大的安全隐患。

公告号1973578B的中国专利公开了通过感应加热对工件进行多频加热处理，本发明专利提供了用于多频感应加热处理包括齿轮的工件的装置和方法，高频功率被施加到环绕工件的感应线圈，使得高频磁场与工件耦合从而感应加热工件。C芯电感器连到线圈，其具有施加给其的低频功率。工件被插入在C芯电感器磁路中的间隙内，使得当低频电流施加到与C芯电感器连接的线圈时，工件经受低频焦耳效应加热。另外，当工件具有开口时，工件可被插在C芯电感器周围。但该发明专利没有涉及针对厚壁(直缝焊管)工件透入式变频加热的能量面控制方法。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过对控制改变厚壁工件变频加热时的电流透入层的方法，极大提高了针对厚壁工件热处理的质量要求。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：

设置两个红外测温传感器L₁、L₂，L₁用于测量直缝焊管焊缝外表面P点温度，L₂用于测量直缝焊管焊缝内表面Q点温度，直缝焊管壁厚为d，将壁厚分为5份，分别为d₁、d₂、d₃、d₄、d₅，且d＝d₁+d₂+d₃+d₄+d₅,设定n为加热次序，n为正整数；

当n＝1时，对第一层能量面区域d₁进行加热：

当1＜n＜3时，对第二层能量面区域d₂进行加热；

当2＜n＜4时，对第三层能量面区域d₃进行加热；

当3＜n≤4时，对第四层能量面区域d₄进行加热；

当n＝5时，对第五层能量面区域d₅进行加热：

其中，第一层至第四层的加热步骤如下：

对于焊缝中电流透入深度为d_m的区域，采用工作频率为f_m加热，通过设置时间载荷步Δt_m循环，设定加热终止时间t_m+Δt_m来完成第m层能量面区域d_m的加热，其中t_m表示对第m层的加热时间，当加热结束后，通过红外测温传感器L_m测得焊缝外表面P点温度值T_Pm，红外测温传感器L_m测得焊缝内表面Q点温度值T_Qm，计算出直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT_m＝T_Pm-T_Qm，若温差值ΔT₁≤100℃，则进行第m+1层能量面区域d_M+1的加热，反之，若温度值ΔT_m＞100℃时，则通过再次设置时间载荷子步t_m′循环，即加热终止时间为t_m+Δt_m+t_m′，加热直到直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT_m≤100℃为止，完成第m层能量面区域d_m的加热工作，其中m取值为1、2、3、4并分别对应第一层、第二层、第三层、第四层；

而第五层的加热步骤如下：

对于焊缝中电流透入深度为d′的区域，采用工作频率为f₅加载，通过设置时间载荷步Δt₅循环，设定加热终止时间t_5终止＝t₅+Δt₅来完成最后一层能量面区域d₅的加热，当加热结束后，通过红外测温传感器L₅测得焊缝外表面P点温度值T_P5，红外测温传感器L₅测得焊缝内表面Q点温度值T_Q5，计算出直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT₅＝T_P5-T_Q5，若温差值ΔT₅＜25℃时，即可停止加热，反之，若温度值ΔT₅≥25℃时，则通过再次设置时间载荷子步t₅〞循环，即加热终止时间为t₅+Δt₅+t₅〞，加热直到直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT₅＜25℃为止，完成第五层能量面区域d₅的加热工作，而加热最后一层能量面时换成高频f₅加热是对外表面对流和辐射散失的热量进行温度补偿，利用余热热传导作用完成对d₅区域的加热，当最终补偿温度低于25℃时，满足材料机械性能的要求。

上述技术方案中，其包括以下步骤：

当第一层能量面区域加热时：工作频率为50kHz＜f₁＜100kHz时，电流透入层深度为d₁，高频电流加热条件下涡流的集肤效应明显集中于焊缝外表面区域，第一层能量面区域温度骤然升高且没有达到居里温度；

当第二层能量面区域加热时：工作频率为10kHz＜f₂＜50kHz时，电流透入深度为d₁+d₂，随着电流频率的减少，电流透入深度增加，此时高效能量传递线位于d₁+d₂处，而d₁区域由于第一次加热缘故温度已达到居里温度760℃，第一层能量面区域内材料失磁，加热效率明显下降，此时低效居里温度线位于d₁处；

当第三层能量面区域加热时：工作频率为1kHz＜f₃＜10kHz时，电流透入深度为d₁+d₂+d₃，随着电流频率继续的减少，电流透入深度进一步增加，此时高效能量传递线位于d₁+d₂+d₃处，而d₁+d₂区域由于前两次加热缘故温度已达到居里温度760℃，第一层能量面区域和第二层能量面区域内材料失磁，加热效率明显下降，此时低效居里温度线位于d₁+d₂处；

当第四层能量面区域加热时：工作频率为50Hz＜f₄＜1kHz时，电流透入深度为d₁+d₂+d₃+d₄，随着电流频率再次减少，电流透入深度明显增加，此时高效能量传递线位于d₁+d₂+d₃+d₄处，而d₁+d₂+d₃区域由于前三次加热缘故温度已达到居里温度760℃，第一层能量面区域、第二层能量面区域和第三层能量面区域内材料失磁，加热效率明显下降，此时低效居里温度线位于d₁+d₂+d₃处；

当第五层能量面区域加热时：工作频率变为30kHz＜f₅＜120kHz时，电流透入深度变为d′，电流频率明显增加，电流透入深度减小，能量源集中存在于d′区域，此时高效能量传递线位于d′处，而d₁+d₂+d₃+d₄区域由于前四次加热缘故温度已达到居里温度760℃，第一层能量面区域、第二层能量面区域、第三层能量面区域和第四层能量面区域材料失磁，加热效率明显下降，此时低效居里温度线位于d₁+d₂+d₃+d₄处，而加热最后一层能量面时换成高频f₅加热是对外表面对流和辐射散失的热量进行温度补偿，利用余热热传导作用完成对d₅区域的加热。

上述技术方案中，对厚壁工件中不同能量面区域进行变频加热的频率关系为f₄＜f₃＜f₂＜f₁，f₅为高频，真正加热有效部分是在低效居里温度线与高效能量传递线之间的区域，能量面指的是加热的区域，对应区域的金属是未失磁的，低效居里温度线以上区域材料失磁，高效能量传递线以下区域集肤深度未达到，每次加热对固定的深度层进行加热。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明中通过红外测温传感器L₁、L₂来补偿工件内外表面温差，精确、高效地完成对厚壁工件中不同能量面区域进行变频(f₄＜f₃＜f₂＜f₁，f₅为高频)加热，在遵循淬火温度要求下满足工件机械性能的要求。

(2)本发明中真正加热焊缝部分是在低效居里温度线与高效能量传递线之间的区域(最后一层加热除外)，低效居里温度线以上区域材料失磁，高效能量传递线以下区域集肤深度未达到，每次变频加热只对固定的深度层进行加热，这样加热效率高且工件不容易过烧。

(3)本发明中加热最后一层能量面时换成高频f₅加热是对外表面对流和辐射散失的热量进行温度补偿，利用余热热传导作用完成对最后一层能量面区域d₅的加热。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明中变频加热的能量面区域控制流程图；

图2是本发明中针对厚壁工件变频加热的示意图；

图3是本发明中控制内外表面温差补偿的原理示意图；

图4是本发明中不同工作频率加热下焊缝不同能量面区域分布示意图。

图中：1、U型导磁体；2、感应线圈；3、直缝焊管；4、焊缝区域；L1、L2为红外测温传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法，如图2所示的装置意图中，U型导磁体镶嵌在感应线圈中，直缝焊管置于感应线圈正下方，焊缝区域为感应线圈待加热部分。

如图3所示为图2装置例子的侧视图，另外设置两个红外测温传感器L₁、L₂，L₁用于测量直缝焊管焊缝外表面P点温度，L₂用于测量直缝焊管焊缝内表面Q点温度，直缝焊管壁厚为d，将壁厚分为5份，分别为d₁、d₂、d₃、d₄、d₅，且d＝d₁+d₂+d₃+d₄+d₅。

如图1所示，本发明实例中直缝焊管淬火温度要求为890～930℃，将感应线圈中加载不同的电流频率时，线圈周围变化的磁场导致直缝焊管焊缝区域产生涡流，电流透入层深度的不同随着加载电流频率的不同而改变。

设定n为加热次序，n为正整数，其包括以下步骤：

当n＝1时，对第一层能量面区域d₁进行加热：对于焊缝中电流透入深度为d₁的区域，采用工作频率为f₁加热，通过设置时间载荷步Δt₁循环，设定加热终止时间t₁+Δt₁来完成第一层能量面区域d₁的加热，当加热结束后，通过红外测温传感器L₁测得焊缝外表面P点温度值T_P1，红外测温传感器L₂测得焊缝内表面Q点温度值T_Q1，计算出直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT₁＝T_P1-T_Q1，若温差值ΔT₁≤100℃，则进行第二层能量面区域d₂的加热，反之，若温度值ΔT₁＞100℃时，则通过再次设置时间载荷子步t₁′循环，即加热终止时间为t₁+Δt₁+t₁′，加热直到直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT₁≤100℃为止，完成第一层能量面区域d₁的加热工作，只有当补偿温度低于100℃时，能够更为高效透入式加热厚壁工件；

当1＜n＜3时，对第二层能量面区域d₂进行加热，步骤同上；

当2＜n＜4时，对第三层能量面区域d₃进行加热，步骤同上；

当3＜n≤4时，对第四层能量面区域d₄进行加热，步骤同上；

当n＝5时，对第五层(最后一层)能量面区域d₅进行加热：对于焊缝中电流透入深度为d′的区域，采用工作频率为f₅加载，通过设置时间载荷步Δt₅循环，设定加热终止时间t_5终止＝t₅+Δt₅来完成最后一层能量面区域d₅的加热，当加热结束后，通过红外测温传感器L₅测得焊缝外表面P点温度值T_P5，红外测温传感器L₅测得焊缝内表面Q点温度值T_Q5，计算出直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT₅＝T_P5-T_Q5，若温差值ΔT₅＜25℃时，即可停止加热，反之，若温度值ΔT₅≥25℃时，则通过再次设置时间载荷子步t₅〞循环，即加热终止时间为t₅+Δt₅+t₅〞，加热直到直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT₅＜25℃为止，完成第五层(最后一层)能量面区域d₅的加热工作，而加热最后一层能量面时换成高频f₅加热是对外表面对流和辐射散失的热量进行温度补偿，利用余热热传导作用完成对d₅区域的加热，当最终补偿温度低于于25℃时，满足该材料机械性能的要求。

如图4所示为不同工作频率下加热厚壁工件(直缝焊管)时的不同能量面区域分布示意图，真正加热有效部分是在低效居里温度线与高效能量传递线之间的区域(最后一层加热除外)，能量面指的是加热的区域，对应区域的金属是未失磁的，低效居里温度线以上区域材料失磁，高效能量传递线以下区域集肤深度未达到，这样每次加热只对固定的深度层进行加热，这样加热效率高且不过烧。

电流的透入深度是指导体内的感应电流强度衰减至表面感应电流强度的l/e处的深度为电流的透入深度。计算公式为式：

式中δ——电流透入深度，m；ρ——导体的电阻率，Ω·m；f——电源的电流频率，Hz；μ_r——金属的相对磁导率，H/m；μ₀——空气的磁导率，H/m。

由式可以看出根据金属工件在加热温度下的电阻率、相对磁导率值以及所选电源的频率值，就可以得到在不同温度下的电流透入深度，即作为控制感应加热能量面的理论公式指导。

其包括以下步骤：

当第一层能量面区域加热时：工作频率为50kHz＜f₁＜100kHz时，电流透入层深度为d₁，高频电流加热条件下涡流的集肤效应明显集中于焊缝外表面区域，第一层能量面区域温度骤然升高且没有达到居里温度；

当第二层能量面区域加热时：工作频率为10kHz＜f₂＜50kHz时，电流透入深度为d₁+d₂，随着电流频率的减少，电流透入深度增加，此时高效能量传递线位于d₁+d₂处，而d₁区域由于第一次加热缘故温度已达到居里温度760℃，第一层能量面区域内材料失磁，加热效率明显下降，此时低效居里温度线位于d₁处；

当第三层能量面区域加热时：工作频率为1kHz＜f₃＜10kHz时，电流透入深度为d₁+d₂+d₃，随着电流频率继续的减少，电流透入深度进一步增加，此时高效能量传递线位于d₁+d₂+d₃处，而d₁+d₂区域由于前两次加热缘故温度已达到居里温度760℃，第一层能量面区域和第二层能量面区域内材料失磁，加热效率明显下降，此时低效居里温度线位于d₁+d₂处；

当第四层能量面区域加热时：工作频率为50Hz＜f₄＜1kHz时，电流透入深度为d₁+d₂+d₃+d₄，随着电流频率再次减少，电流透入深度明显增加，此时高效能量传递线位于d₁+d₂+d₃+d₄处，而d₁+d₂+d₃区域由于前三次加热缘故温度已达到居里温度760℃，第一层能量面区域、第二层能量面区域和第三层能量面区域内材料失磁，加热效率明显下降，此时低效居里温度线位于d₁+d₂+d₃处；

当第五层能量面区域加热时：工作频率变为30kHz＜f₅＜120kHz时，电流透入深度变为d′，电流频率明显增加，电流透入深度减小，能量源集中存在于d′区域，此时高效能量传递线位于d′处，而d₁+d₂+d₃+d₄区域由于前四次加热缘故温度已达到居里温度760℃，第一层能量面区域、第二层能量面区域、第三层能量面区域和第四层能量面区域材料失磁，加热效率明显下降，此时低效居里温度线位于d₁+d₂+d₃+d₄处，而加热最后一层能量面时换成高频f₅加热是对外表面对流和辐射散失的热量进行温度补偿，利用余热热传导作用完成对d₅区域的加热。

本发明对厚壁工件中不同能量面区域进行变频加热的频率关系为f₄＜f₃＜f₂＜f₁，f₅为高频，真正加热有效部分是在低效居里温度线与高效能量传递线之间的区域，能量面指的是加热的区域，对应区域的金属是未失磁的，低效居里温度线以上区域材料失磁，高效能量传递线以下区域集肤深度未达到，每次加热对固定的深度层进行加热。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置两个红外测温传感器L₁、L₂，L₁用于测量直缝焊管焊缝外表面P点温度，L₂用于测量直缝焊管焊缝内表面Q点温度，直缝焊管壁厚为d，将壁厚分为5份，从外表面到内表面依次分别为d₁、d₂、d₃、d₄、d₅，且d＝d₁+d₂+d₃+d₄+d₅,设定n为加热次序，n为正整数；

当n＝1时，对第一层能量面区域d₁进行加热：

当1＜n＜3时，对第二层能量面区域d₂进行加热；

当2＜n＜4时，对第三层能量面区域d₃进行加热；

当3＜n≤4时，对第四层能量面区域d₄进行加热；

当n＝5时，对第五层能量面区域d₅进行加热：

其中，第一层至第四层的加热步骤如下：

对于焊缝中电流透入深度为d_m的区域，采用工作频率为f_m加热，通过设置时间载荷步Δt_m循环，设定加热终止时间t_m+Δt_m来完成第m层能量面区域d_m的加热，其中t_m表示对第m层的加热时间，当加热结束后，通过红外测温传感器L_m测得焊缝外表面P点温度值T_Pm，红外测温传感器L_m测得焊缝内表面Q点温度值T_Qm，计算出直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT_m＝T_Pm-T_Qm，若温差值ΔT₁≤100℃，则进行第m+1层能量面区域d_M+1的加热，反之，若温度值ΔT_m＞100℃时，则通过再次设置时间载荷子步t_m′循环，即加热终止时间为t_m+Δt_m+t_m′，加热直到直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT_m≤100℃为止，完成第m层能量面区域d_m的加热工作，其中m取值为1、2、3、4并分别对应第一层、第二层、第三层、第四层；

而第五层的加热步骤如下：

对于焊缝中电流透入深度为d′的区域，采用工作频率为f₅加载，通过设置时间载荷步Δt₅循环，设定加热终止时间t_5终止＝t₅+Δt₅来完成最后一层能量面区域d₅的加热，当加热结束后，通过红外测温传感器L₅测得焊缝外表面P点温度值T_P5，红外测温传感器L₅测得焊缝内表面Q点温度值T_Q5，计算出直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT₅＝T_P5-T_Q5，若温差值ΔT₅＜25℃时，即可停止加热，反之，若温度值ΔT₅≥25℃时，则通过再次设置时间载荷子步t₅〞循环，即加热终止时间为t₅+Δt₅+t₅〞，加热直到直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT₅＜25℃为止，完成第五层能量面区域d₅的加热工作，而加热最后一层能量面时换成高频f₅加热是对外表面对流和辐射散失的热量进行温度补偿，利用余热热传导作用完成对d₅区域的加热，当最终补偿温度低于25℃时，满足材料机械性能的要求。

2.根据权利要求1所述一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

当第一层能量面区域加热时：工作频率为50kHz＜f₁＜100kHz时，电流透入层深度为d₁，高频电流加热条件下涡流的集肤效应明显集中于焊缝外表面区域，第一层能量面区域温度骤然升高且没有达到居里温度；

当第二层能量面区域加热时：工作频率为10kHz＜f₂＜50kHz时，电流透入深度为d₁+d₂，随着电流频率的减少，电流透入深度增加，此时高效能量传递线位于d₁+d₂处，而d₁区域由于第一次加热缘故温度已达到居里温度760℃，第一层能量面区域内材料失磁，加热效率明显下降，此时低效居里温度线位于d₁处；

当第三层能量面区域加热时：工作频率为1kHz＜f₃＜10kHz时，电流透入深度为d₁+d₂+d₃，随着电流频率继续的减少，电流透入深度进一步增加，此时高效能量传递线位于d₁+d₂+d₃处，而d₁+d₂区域由于前两次加热缘故温度已达到居里温度760℃，第一层能量面区域和第二层能量面区域内材料失磁，加热效率明显下降，此时低效居里温度线位于d₁+d₂处；

当第四层能量面区域加热时：工作频率为50Hz＜f₄＜1kHz时，电流透入深度为d₁+d₂+d₃+d₄，随着电流频率再次减少，电流透入深度明显增加，此时高效能量传递线位于d₁+d₂+d₃+d₄处，而d₁+d₂+d₃区域由于前三次加热缘故温度已达到居里温度760℃，第一层能量面区域、第二层能量面区域和第三层能量面区域内材料失磁，加热效率明显下降，此时低效居里温度线位于d₁+d₂+d₃处；

当第五层能量面区域加热时：工作频率变为30kHz＜f₅＜120kHz时，电流透入深度变为d′，电流频率明显增加，电流透入深度减小，能量源集中存在于d′区域，此时高效能量传递线位于d′处，而d₁+d₂+d₃+d₄区域由于前四次加热缘故温度已达到居里温度760℃，第一层能量面区域、第二层能量面区域、第三层能量面区域和第四层能量面区域材料失磁，加热效率明显下降，此时低效居里温度线位于d₁+d₂+d₃+d₄处，而加热最后一层能量面时换成高频f₅加热是对外表面对流和辐射散失的热量进行温度补偿，利用余热热传导作用完成对d₅区域的加热。

3.根据权利要求2所述一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法，其特征在于：对厚壁工件中不同能量面区域进行变频加热的频率关系为f₄＜f₃＜f₂＜f₁，f₅为高频，真正加热有效部分是在低效居里温度线与高效能量传递线之间的区域，能量面指的是加热的区域，对应区域的金属是未失磁的，低效居里温度线以上区域材料失磁，高效能量传递线以下区域集肤深度未达到，每次加热对固定的深度层进行加热。

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