CN111172382B - 一种棒材感应热加工的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种棒材感应热加工的工艺方法，该方法是在棒材中心温度达到要求后提出的一种平衡加热速度和加热质量的方法，通过研究加热速度和加热残余应力的关系，选择出在满足焊接质量的同时，能够达到的最大加热速度，以满足工厂对热加工质量和加热速度的要求，提高加热质量和热加工效率，并且能提高工厂的生产效益。

Description

一种棒材感应热加工的工艺方法
技术领域
本发明属于棒材生产领域，具体涉及一种棒材感应热加工的工艺方法。
背景技术
感应加热的原理是在线圈内通入交频电流，在线圈内交频电流的作用下棒材内部产生感生电流，感生电流生热以实现对棒材的加热过程。该加热过程清洁、高效、便捷、节约，所以在棒材热加工领域被广泛采用。
在感应加热时，由于集肤效应的作用，感生电流主要集中在棒材外表面。外表面的温度会在很短的时间内急速上升，而棒材内部几乎不存在感生电流。棒材内部升温热源主要来源于棒材外表面对内部的热传导。而该热传导的程度取决于加热过程棒材运行速度，即加热速度。但是在实际加工过程中，加热区域环境复杂，棒材内部的温度很难直接测量，也就很难直接观测热加工状态，而加热状态直接影响着热加工最后的质量。
在棒材温度达到要求的前提下，当加热速度过快时，棒材内部热传递不足，且棒材中心轴温度和外表面最高温度的温度差过大，会导致最后残余应力过大，严重影响热加工质量；当加热速度过慢时，内部温度过高，会造成生产成本增大，并且由于加热速度的降低会严重影响生产效率，进而会严重降低工厂的生产效益。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种棒材感应热加工的工艺方法，通过研究加热速度和加热残余应力的关系，选择出在满足焊接质量的同时，能够达到的最大加热速度，以满足工厂对热加工质量和加热速度的要求。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种棒材感应热加工的工艺方法，包括以下步骤：
①、根据棒材感应热加工参数设定初始加热速度V0；设定速度增量ΔV，加热速度公式如下：
V＝V0+n×ΔV (1)
其中n依次取值为1，2，3，4····n；
②、设定目标残余应力σ0，棒材感应加热过程达到动态稳定状态后，棒材外表面最高温度和棒材中心轴温度的差值越大，加工后的残余应力会越大，进而会影响棒材热加工质量，所以根据需要的加工质量来设定目标残余应力σ0；
③、感应热加工棒材的温度场的计算；
根据步骤①中的棒材的感应热加工参数和设定的初始速度V0求解感应热加工棒材的温度场，其中温度场计算公式如下：
Figure BDA0002369948490000021
公式(2)为麦克斯韦方程组，其中，H为磁场强度，J为电流密度，D为电位移，E为电场强度，B为磁通密度；
A、计算电流密度J：
根据结构方程：
Figure BDA0002369948490000022
其中，ε为介电常数，μ为磁导率，σ为电导率；
由上述方程(2)和(3)即可求解出感应电流密度J；
B、用感应电流产生的焦耳热作为热源，计算温度场热源：
qv＝ρ|J|2 (4)
其中，qv为内热源密度，ρ为电阻率；
C、建立初始温度边界条件：
Figure BDA0002369948490000031
其中，T为温度，t为时间；
D、设定热流输入以及换热边界条件：
Figure BDA0002369948490000032
其中，n为边界面的法线方向，qn为矢量方向上的热流密度，Tw为固体表面温度，Tf为空气温度，F12为辐射角系数，T1、T2为物体1、2的表面温度；
E、导热微分方程如下：
Figure BDA0002369948490000033
其中，k为各项同性材料的导热系数，c为比热；
结合公式(4)、(5)、(6)和(7)，求出感应热加工稳定状态后棒材的温度场；
④、根据棒材冷却方式计算冷却后棒材的残余应力σ，计算公式如下：
Δε＝αΔT (8)
Figure BDA0002369948490000034
其中Δε为热应变，α为热膨胀系数，E是杨氏模量，v是泊松比，[D]e表示弹性矩阵，dεe表示弹性应变，[D]p表示塑形矩阵，dεp是塑形应变，由公式(8)和公式(9)可求解出残余应力σ；
⑤、判断残余应力σ和目标残余应力σ0的大小：
若σ≥σ0，则说明此时棒材的加工质量已经低于需要的目标质量，速度已经超过最优值，结束调整过程；
若σ<σ0，在其他条件和参数不改变的情况下，公式(1)中V＝V0+n×ΔV，n依次取值1，2，3，4····n，重复步骤③及后续步骤直至σ≥σ0，取调整过程中倒数第二次的速度值为热加工速度最优解Vm，完成速度的调整过程，结束调整过程。
本发明技术方案的进一步改进在于：棒材感应热加工参数包括棒材直径、棒材长度、材料属性、电流频率、电流大小、线圈壁厚、线圈长度、线圈内表面到棒材距离。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤①中的V0为经验值。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤④中棒材冷却方式为空冷、水冷或油冷。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：本发明提供的一种棒材感应热加工的工艺方法是在棒材中心温度达到要求后，提出的一种平衡加热速度和加热质量的方法，通过研究加热速度和加热残余应力的关系，选择出在满足焊接质量的同时，能够达到的最大加热速度，以满足工厂对热加工质量和加热速度的要求，提高加热质量和热加工效率，并且能提高工厂的生产效益。
附图说明
图1是本发明的工艺方法流程框图；
图2是本发明的棒材感应加热示意图；
图3是本发明加热速度为90mm/s时棒材轴向截面的温度云图；
图4是本发明加热速度为90mm/s时棒材冷却至室温后的残余应力云图；
图5是本发明加热速度为100mm/s时棒材轴向截面的温度云图；
图6是本发明加热速度为100mm/s时棒材冷却至室温后的残余应力云图；
图7是本发明加热速度为110mm/s时棒材轴向截面的温度云图；
图8是本发明加热速度为110mm/s时棒材冷却至室温后的残余应力云图；
图9是本发明加热速度为120mm/s时棒材轴向截面的温度云图；
图10是本发明加热速度为120mm/s时棒材冷却至室温后的残余应力云图；
图11是本发明加热速度为130mm/s时棒材轴向截面的温度云图；
图12是本发明加热速度为130mm/s时棒材冷却至室温后的残余应力云图；
图13是本发明的加热速度和残余应力的关系曲线图。
其中，1、棒材，2、感应线圈，3、棒材运动方向，4、加热区，5、热传导区，6、加热稳定区。
具体实施方式
以42CrMo棒材感应回火为例，按照如图1所示的工艺流程框图进行实施，要求棒材1的加热温度分布为550℃～650℃，感应加热过程如图2所示，感应线圈2内部通入交频电流，在棒材1内部产生感生电流，感生电流按图2中所示的运动方向3运动，感应线圈2固定不动。由于集肤效应的作用，感生电流集中在棒材1外部，所以棒材1外表面的温度上升最快，通过热传导的方式再对棒材1芯部进行加热。为了达到高温回火的温度要求，只要保证外表面不出现过烧的前提下，棒材1芯部达到要求温度即可。
步骤①、确定棒材直径、棒材长度、材料属性、电流频率、电流大小、线圈壁厚、线圈长度、线圈内表面到棒材距离等热加工工艺参数表1所示：
表142crMo棒材加热工艺参数
Figure BDA0002369948490000051
根据经验值，该参数下的加热速度范围为90mm/s～150mm/s，在该范围内，棒材加热速度满足要求，所以设定初始速度V0为90mm/s。由于速度调节器的影响以及调节过程的方便操作，设定速度增量ΔV为10mm/s。加热速度公式如下：
V＝V0+n*ΔV (1)
其中n依次取值为1，2，3，4····n；
步骤②、设定目标残余应力σ0，感应加热过程达到稳定状态后，棒材1外表面最高温度和棒材1中心轴温度的差值越大，加工后的残余应力会越大，进而会影响棒材1热加工质量。残余应力通常不会使棒材1立即表现为缺陷，但是工作应力和残余应力的叠加超过强度极限时，便会出现裂纹和断裂，所以在一定程度上残余应力反映棒材1质量的好坏，所以可以根据棒材1需要的质量要求来设定目标残余应力σ0。根据对工作状况应力的模拟，以及42CrMo棒材的强度极限，设定目标残余应力σ0为165MPa。
步骤③、感应热加工棒材的温度场的计算；
依据步骤①中的棒材1的感应热加工参数和设定的初始速度V0求解感应热加工棒材的温度场，其中温度场计算公式如下：
Figure BDA0002369948490000061
公式(2)为麦克斯韦方程组，其中，H为磁场强度，J为电流密度，D为电位移，E为电场强度，B为磁通密度；
A、计算电流密度J：
根据结构方程：
Figure BDA0002369948490000062
其中，ε为介电常数，μ为磁导率，σ为电导率；
由上述方程(2)和(3)即可求解出感应电流密度J；
B、用感应电流产生的焦耳热作为热源，计算温度场热源：
qv＝ρ|J|2 (4)
其中，qv为内热源密度，ρ为电阻率；
C、建立初始温度边界条件：
Figure BDA0002369948490000071
其中，T为温度，t为时间；
D、设定热流输入以及换热边界条件：
Figure BDA0002369948490000072
其中，n为边界面的法线方向，qn为矢量方向上的热流密度，Tw为固体表面温度，Tf为空气温度，F12为辐射角系数，T1、T2为物体1、2的表面温度；
E、导热微分方程如下：
Figure BDA0002369948490000073
其中，k为各项同性材料的导热系数，c为比热；
结合公式(4)、(5)、(6)和(7)，求出感应热加工稳定状态后棒材的温度场,经计算，加热1s后，加热速度为90mm/s时轴向截面的温度云图如图3所示。加热区4是感应线圈2对棒材1进行加热，由加热区4的温度云图可以明显看出，温度主要集中在棒材1的外表面。当棒材进入热传导区5时，棒材1的温升方式主要为热传导，经过热传导区5的温升过程，棒材1到达加热稳定区6，此时棒材1中心轴上的温度不再增加，已经达到稳定状态，此时加热稳定区6中心轴上的温度为645℃，满足高温回火的温度要求。
步骤④、确定冷却方式为水冷至室温，设定换热参数，计算冷却后棒材1的残余应力σ，计算公式如下：
Δε＝αΔT (8)
Figure BDA0002369948490000081
其中Δε为热应变，α为热膨胀系数，E是杨氏模量，v是泊松比，[D]e表示弹性矩阵，dεe表示弹性应变，[D]p表示塑形矩阵，dεp是塑形应变，由公式(8)和公式(9)可求解出残余应力σ。经求解，步骤④状态下，空冷至室温后，残余应力云图如图4所示，残余应力最大值分布在加热区4和未加热部分交界处棒材1的外表面，因为此处的温差明显，残余应力最大。但是主要参考加热稳定区6的残余应力值，对加热稳定区6轴向的中间位置，沿径向在棒材1截面上均匀取8个点，点的位置如图4所示，分别为点a、b、c、d、e、f、g和点h。当加热速度为90mm/s时各点的残余应力值如图13中速度为90mm/s的曲线所示。
步骤⑤、判断残余应力σ和目标残余应力σ0的大小：
由90mm/s的残余应力曲线可知应力最大点在h点，残余应力σ为140MPa,小于目标残余应力σ0＝165MPa，所以加热速度值还有上升的空间，在其他条件和参数不改变的情况下，根据公式(1)中V＝V0+n×ΔV，n依次取值1，2，3，4····n，设定速度增量ΔV为10mm/s，所以调节加热速度V0为100mm/s，重复步骤③及后续步骤，依次重复后，当加热速度达到130mm/s时，残余应力σ为168MPa大于目标残余应力σ0＝165MPa，则停止对加热速度的调节。加热速度为100mm/s、110mm/s、120mm/s以及130mm/s加热达到稳态后轴向截面的温度云图分别如图5、图7、图9和图11所示，水冷冷却至室温后的残余应力云图分别如图6、图8、图10和图12所示。由温度云图可知，在加热达到稳定状态后，随着速度的增加，棒材1中心轴及其附近的温度逐渐降低。对加热速度为100mm/s、110mm/s、120mm/s以及130mm/s的残余应力云图取加热速度为90mm/s时相同的八个点，在不同加热速度下不同点位置的残余应力值如表2所示。
表2不同速度下不同点的残余应力值(单位：Mpa)
Figure BDA0002369948490000091
将表中的数据做成曲线图，如图13所示。由图13中可以看出，随着加热速度的增加，残余应力值逐渐变大，加热质量会降低。所以当棒材1的温度值达到要求后，如果一味追求加热速率，提高生产效率，会降低加热质量；相反一味追求加热质量会影响生产效率，增加生产成本。所以平衡加热效率和加热质量显得尤为重要。当加热速度为130mm/s时，如表2的中残余应力值所示，残余应力值168MPa已经大于目标残余应力值165MPa，结束加热速度的调整过程。
最后一次的加热速度值130mm/s，所以取倒数第二次的加热速度120mm/s为加热速度的最优解Vm。即当Vm为120mm/s时，对棒材1的感应热加工，在满足质量要求的前提下能实现最高的生产效率。

Claims (4)

1.一种棒材感应热加工的工艺方法，其特征在于：包括以下步骤：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、根据棒材感应热加工参数设定初始加热速度V0；设定速度增量ΔV，加热速度公式如下：
V= V0 +n×ΔV （1）
其中n依次取值为1，2，3，4····n；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
、设定目标残余应力σ0，棒材感应加热过程达到动态稳定状态后，棒材外表面最高温度和棒材中心轴温度的差值越大，加工后的残余应力会越大，进而会影响棒材热加工质量，所以根据需要的加工质量来设定目标残余应力σ0；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、感应热加工棒材的温度场的计算；
根据步骤
Figure 989102DEST_PATH_IMAGE002
中的棒材的感应热加工参数和设定的初始速度V0求解感应热加工棒材的温度场，其中温度场计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（2）
公式（2）为麦克斯韦方程组，其中，H为磁场强度，J为电流密度，D为电位移，E为电场强度，B为磁通密度；
A、计算电流密度J：
根据结构方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
（3）
其中，ε为介电常数，μ为磁导率，σ为电导率；
由上述方程（2）和(3)即可求解出感应电流密度J；
B、用感应电流产生的焦耳热作为热源，计算温度场热源：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
（4）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为内热源密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为电阻率；
C、建立初始温度边界条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
（5）
其中，T为温度，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为时间；
D、设定热流输入以及换热边界条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
（6）
其中，n为边界面的法线方向，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为矢量方向上的热流密度，T w 为固体表面温度，T f为空气温度，F 12为辐射角系数，T 1 、T 2为物体1、2的表面温度；
E、导热微分方程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
（7）
其中，k为各项同性材料的导热系数，c为比热；
结合公式（4）、（5）、（6）和（7），求出感应热加工稳定状态后棒材的温度场；
Figure DEST_PATH_IMAGE028
、根据棒材冷却方式计算冷却后棒材的残余应力σ，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
（8）
Figure DEST_PATH_IMAGE032
（9）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为热应变，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为热膨胀系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
是杨氏模量，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
是泊松比，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
表示弹性矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
表示弹性应变，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
表示塑形矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
是塑形应变，由公式（8）和公式（9）可求解出残余应力σ；
Figure DEST_PATH_IMAGE050
、判断残余应力σ和目标残余应力σ0的大小：
若σ≥σ0，则说明此时棒材的加工质量已经低于需要的目标质量，速度已经超过最优值，结束调整过程；
若σ<σ0，在其他条件和参数不改变的情况下，公式（1）中V= V0 +n×ΔV，n依次取值1，2，3，4····n，重复步骤
Figure 792060DEST_PATH_IMAGE006
及后续步骤直至σ≥σ0，取调整过程中倒数第二次的速度值为热加工速度最优解Vm，完成速度的调整过程，结束调整过程。
2.根据权利要求1所述的一种棒材感应热加工的工艺方法，其特征在于：棒材感应热加工参数包括棒材直径、棒材长度、材料属性、电流频率、电流大小、线圈壁厚、线圈长度、线圈内表面到棒材距离。
3.根据权利要求1所述的一种棒材感应热加工的工艺方法，其特征在于：所述步骤
Figure 368535DEST_PATH_IMAGE002
中的V0为经验值。
4.根据权利要求1所述的一种棒材感应热加工的工艺方法，其特征在于：所述步骤
Figure 701428DEST_PATH_IMAGE028
中棒材冷却方式为空冷、水冷或油冷。
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