CN112355230A - 轴类锻件用高温合金棒坯加热装置及加热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明轴类锻件用高温合金棒坯加热装置及加热方法，属于材料成型及控制领域，目的是实现锻件局部组织单独控制，提高锻件整体组件均匀性。加热装置包括加热炉、控制器、温控仪、测温电偶和变频电源；控制器的输入端口与测温电偶相连接，输出端口与温控仪的输入端口相连接，温控仪的输出端口与变频电源相连接；变频电源为加热炉内的感应线圈供电。加热方法为控制芯表温差小于或者等于5℃、棒坯过渡区的温度由大端至小端逐步递减至常温，且芯部温度达到设定温度时出料。本发明，采用电磁感应加热，控制棒坯的局部变形，根据各处锻造变形量匹配合适的加热温度，精准控制加热范围，单独控制锻件局部组织性能，提高了锻件整体组织性能均匀性。

Description

轴类锻件用高温合金棒坯加热装置及加热方法
技术领域
本发明属于材料成型及控制领域，具体的是轴类锻件用高温合金棒坯加热装置及加热方法。
背景技术
在锻造领域经常会遇到这类锻造矛盾问题，即锻造成形需要多火次完成，然而，每火次仅能完成局部变形，多火次变形之间金属坯料的整体加热，造成坯料各部分不同程度的空烧，由于坯料各部分组织演变情况不一致，导致锻件整体组织不均匀，个别位置甚至出现局部晶粒粗大、力学性能不合格，导致锻件报废、造成经济损失。
例如，航空发动机轴类锻件通常由大头法兰和较长的杆部组成，其为高温合金材料，导热系数大，且轴类锻件的直径大或其法兰部的截面厚度尺寸大，传统的感应加热方法受到集肤效应的影响无法对其进行感应加热。故，该类轴类锻件现行通用工艺为采用采用大直径棒坯进行整体加热，利用胎膜工装进行头部镦粗，锻造出头部大直径法兰，再整体回炉加热到锻造温度，最后进行杆部拔长成形。此工艺在头部锻造时杆部被空烧，杆部变形时头部被空烧，最终导致锻件头部与杆部组织性能出现差异，锻件整体均匀性较差，降低锻件使用性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统高温合金棒坯整体加热存在锻件整体均匀性较差的问题，提供一种轴类锻件用高温合金棒坯加热装置及加热方法，实现锻件局部组织单独控制，提高锻件整体组件均匀性。
本发明采用的技术方案是：轴类锻件用高温合金棒坯加热装置，包括加热炉、控制器、温控仪、测温电偶和变频电源；所述加热炉包括感应线圈和耐火胶泥筑成的绝缘炉壁，所述感应线圈埋设于绝缘炉壁内，在绝缘炉壁的内表面铺设有保温衬砌；由保温衬砌包围形成两端贯通的筒状加热腔体；并在加热炉顶部设置有封堵加热腔体顶端开口的含锆纤维盖板；所述测温电偶与控制器的输入端口相连接，所述控制器的输出端口与温控仪的输入端口相连接，所述温控仪的输出端口与变频电源相连接；所述变频电源与感应线圈相连接。
进一步的，各匝感应线圈的内壁焊接有铜板。
进一步的，所述变频电源包括中频交变电源和两组调频电容，所述中频交变电源与两组调频电容相连接，且所述中频交变电源、控制器和温控仪集成于同一柜体上形成变频电源柜。
进一步的，所述变频电源的交变电流输出频率为300-2500HZ。
轴类锻件用高温合金棒坯加热方法：步骤一、准备上述的轴类锻件用高温合金棒坯加热装置；将棒坯放入加热炉中；所述棒坯分为大头区、过渡区和杆部区，过渡区与大头区相邻的一端为大端，与杆部区相邻的一端为小端；步骤二、启动感应加热，控制芯表温差小于或者等于5℃、棒坯过渡区的温度由大端至小端逐步递减至常温，且芯部温度达到设定温度时出料。
进一步的，步骤一中，各匝所述感应线圈的直径相等；准备待锻件：将棒坯进行加工成待锻件，所述待锻件沿棒坯轴向包括大头部、杆部和大头部与杆部之间的过渡部；所述大头部的直径大于杆部的直径，且过渡部由大端至小端呈逐步缩小的锥形，大端为过渡部相邻于大头部的一端，小端为过渡部相邻于杆部的一端。
进一步的，所述大头部的外表面与感应线圈内壁之间的间距为60-90mm；感应线圈的匝间缝隙为5-20mm；感应线圈的匝间系数大于或者等于0.92。
进一步的，步骤二的具体操作为：首先，初始阶段：调节感应加热频率为300-500HZ启动加热，直至测温电偶监测大头部的芯部温度T1达到热透设计温度T0；接着，补温阶段：调节感应加热频率为500-1000HZ，测温电偶监测大头部的表层温度T2达到锻件加热设定温度T以下50-200℃；最后，控温阶段：在T-(50-200℃)时进行保温，当T2-T1≤10℃后，调节感应加热频率为1000-2500HZ，直至T1达到锻件加热设定温度T，过渡部的与杆部相连接的一端的表面温度为常温，出料。
本发明的有益效果是：本发明，采用电磁感应加热方式实现高温合金材料的加热，通过匹配合适的输出频率来调节加热温度，与传统的电加热方式相比，综合效率提高50％以上，加热时间更短，且更节能更环保。
并且该感应加热通过对棒坯的局部加热，控制棒坯的局部变形，并根据各处锻造变形量匹配合适的加热温度，精准控制加热范围，实现锻件局部组织性能单独控制，从而提高了锻件整体组织性能均匀性。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图中，感应线圈1、绝缘炉壁2、保温衬砌3、盖板4、铜板5、待锻件6、大头部61、过渡部62、杆部63、变频电源柜7、中频交变电源71、调频电容72、控制器73、温控仪74、测温电偶75、承载平台8、变压器81。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明如下：
轴类锻件用高温合金棒坯加热装置，如图1所示，包括加热炉、控制器73、温控仪74、测温电偶75和变频电源；所述加热炉包括感应线圈1和耐火胶泥筑成的绝缘炉壁2，所述感应线圈1埋设于绝缘炉壁2内，在绝缘炉壁2的内表面铺设有保温衬砌3；由保温衬砌3包围形成两端贯通的筒状加热腔体；并在加热炉顶部设置有封堵加热腔体顶端开口的含锆纤维盖板4；所述测温电偶75与控制器73的输入端口相连接，所述控制器73的输出端口与温控仪74的输入端口相连接，所述温控仪74的输出端口与变频电源相连接；所述变频电源与感应线圈1相连接。
由于轴类锻件的形状决定棒坯外表面与感应线圈1之间的间距沿其轴向不等，轴类锻件大端处于加热腔体的上部，加热腔体下部位置感应线圈1与棒坯之间的间距大于加热腔体上部位置感应线圈1与棒坯之间的间距，从而导致加热后在棒坯上方形成负压区，影响棒坯温度控制的精确度。
本发明公开的轴类锻件用高温合金棒坯加热装置，通过耐火胶泥筑成的绝缘炉壁2、绝缘炉壁2内表面铺设的保温衬砌3以及含锆纤维盖板4封堵加热腔体顶端开口，能够有效阻止空气对流，提高棒坯温度控制的精确度。
其中控制器73通常采用PLC，测温电偶75用于测定棒坯对应位置的温度，并将温度值传输给控制器73，控制器73经分析运算输出控制信号至温控仪74，从而控制变频电源改变交变电流输出频率。
根据感应加热设备的集肤效应、圆环效应和临近效应可知，整个流经感应线圈1的电流中有95％从感应线圈1的内侧流过，其中所述感应线圈1的内侧是指感应线圈1包围棒坯的一侧，为了降低感应线圈1自身能量损耗，优选的，所述各匝感应线圈1的内壁焊接有铜板5。铜板5增大内侧电流截面,从而减小电阻,进而达到减小自身损耗的目的。
为了增大变频电源的变频范围，优选的，所述变频电源包括中频交变电源71和两组调频电容72，所述中频交变电源71与两组调频电容72相连接，且所述中频交变电源71、控制器73和温控仪74集成于同一柜体上形成变频电源柜7。本发明，其组成部分均采用模块化设计，如变频电源柜7作为一个模块，每组调频电容72为一个模块，方便移动和拆装。变压器81与感应线圈1安装在可升降、可移动的承载平台8上，从而使感应线圈1与加热棒坯的匹配度更强。
通过两组调频电容72所的设置，使所述变频电源的交变电流输出频率为300-2500HZ。通过切换相应的调频电容72，可达到调节输出频率的目的。从而使得可以根据棒坯的不同截面厚度在线调整输出频率，通过变频技术既可以加热变截面棒坯也可以使可加热棒坯截面厚度范围更宽。
轴类锻件用高温合金棒坯加热方法：步骤一、准备上述轴类锻件用高温合金棒坯加热装置；将棒坯放入加热炉中；所述棒坯分为大头区、过渡区和杆部区，过渡区与大头区相邻的一端为大端，与杆部区相邻的一端为小端；步骤二、启动感应加热，通过调节变频电源的感应加热频率控制芯表温差小于或者等于5℃、棒坯过渡区的温度由大端至小端逐步递减至常温，且芯部温度达到设定温度时出料。
本发明公开的轴类锻件用高温合金棒坯加热方法，首先，其采用电磁感应加热方式实现高温合金材料的加热，通过匹配合适的输出频率，与传统的电加热方式相比，综合效率提高50％以上，加热时间更短，且更节能更环保。
并且该感应加热通过对棒坯的局部加热，控制棒坯的局部变形，使加热温度与锻造变形量相适应，从而实现锻件局部组织性能单独控制，并实现锻件整体组织性能均匀性提高。
可以通过设置不同之间的感应线圈1来达到棒坯过度区温度的渐变要求目的，最优的，步骤一中，各匝所述感应线圈1的直径相等；准备待锻件：将棒坯进行加工成待锻件6，所述待锻件6沿棒坯轴向包括大头部61、杆部63和大头部61与杆部63之间的过渡部62；所述大头部61的直径大于杆部63的直径，且过渡部62由大端至小端呈逐步缩小的锥形，大端为过渡部62相邻于大头部61的一端，小端为过渡部62相邻于杆部63的一端。
该设置，通过对棒坯进行加工，使其形成与轴类锻件形状类似的待锻件6，首先，使得过渡部62与感应线圈1的间距由过渡部62大端至小端逐渐增大，从而实现控制过渡部62的温度由过渡部62大端至小端逐渐缩小的目的，从而实现上下晶粒组织均匀。其二，利于待锻件6加热后的锻造，还利于加热炉的制做。
由于高温合金材料导热系数大，对温度非常敏感，感应线圈1与坯料之间的间隙增大会引起功率下降，缩小两者之间的间隙会降低其热效率，为了进一步实现快速加热并利于提高温度均匀性，最优的，所述大头部61的外表面与感应线圈1内壁之间的间距为60-90mm；感应线圈1的匝间缝隙为5-20mm；感应线圈1的匝间系数大于或者等于0.92。大头部61的外表面与感应线圈1内壁之间的间距为60-90mm，是指间距可以为60mm、72mm、80mm或90mm等。匝间缝隙可以为5mm、8mm、13mm、17mm或20mm等。
优选的，步骤二的具体操作为：首先，初始阶段：调节感应加热频率为300-500HZ；启动加热，直至测温电偶75监测大头部61的芯部温度T1达到热透设计温度T0；
接着，补温阶段：调节感应加热频率为500-1000HZ，测温电偶75监测大头部61的表层温度T2达到锻件加热设定温度T以下50-200℃时，进行保温；
最后，控温阶段：当T2-T1≤10℃后，调节感应加热频率为1000-2500HZ，直至T1达到锻件加热设定温度T，出料。
本发明，通过低频率启动加热，提高热透深度，快速热透整个截面，起到预热准备作用，而感应加热频率为500HZ时，高温合金材料的热透深度与热透时间最佳。
随着待锻件6温度的不断升高，待锻件6内部电子活动加剧，热导率随着升高，将感应加热频率提高到500-1000HZ，对待锻件6的边角及表面补温，可提高升温速度，更快地使待锻件6均匀的达到设定温度。
而在T-(50-200℃)时进行保温，防止温度过冲，提高控温精准性，保温时间视坯料厚度控制在10-30分钟内，待芯表温度差控制在10℃以内后，将感应加热频率调节至1000-2500HZ进行最后阶段的升温，升温至加热设定温度时，芯表温度差可达到±5℃以内，坯料加热效果好。从启动加热到加热结束持续时间能控制在40-50分钟，加热效率高。通过调节感应加热频率、待锻件6的加工以及感应线圈1的设置，能有效控制温度场的位置，使得加热后待锻件6各部位的温度与锻造变形量相适应。
其中，调节感应加热频率为300-500HZ是指加热频率大于300HZ,且小于或者等于500HZ；调节感应加热频率为500-1000HZ是指加热频率大于500HZ,且小于或者等于1000HZ；调节感应加热频率为1000-2500HZ是指加热频率大于1000HZ,且小于或者等于2500HZ。
具体实施时，通过测温电偶75分别监控大头部61的芯部温度T1、大头部61的表层温度T2，提供温度信号，并传递给PLC，PLC将温度信号处理后输出信息至温控仪74，当温度达到工艺要求时，温控仪74准确及时指示变频电源实施变频或者管壁电源停止加热。
采用上述方法对图1中的空心长轴锻件进行局部感应加热试验，该空心长轴锻件的中心孔直径为63mm，大头部61长230mm，大头部61直径为256mm。试验结果表明该空心长轴锻件的芯表温度能控制在±5℃以内，坯料加热效果好。

Claims (8)

1.轴类锻件用高温合金棒坯加热装置，其特征在于：包括加热炉、控制器(73)、温控仪(74)、测温电偶(75)和变频电源；
所述加热炉包括感应线圈(1)和耐火胶泥筑成的绝缘炉壁(2)，所述感应线圈(1)埋设于绝缘炉壁(2)内，在绝缘炉壁(2)的内表面铺设有保温衬砌(3)；由保温衬砌(3)包围形成两端贯通的筒状加热腔体；并在加热炉顶部设置有封堵加热腔体顶端开口的含锆纤维盖板(4)；
所述测温电偶(75)与控制器(73)的输入端口相连接，所述控制器(73)的输出端口与温控仪(74)的输入端口相连接，所述温控仪(74)的输出端口与变频电源相连接；所述变频电源与感应线圈(1)相连接。
2.如权利要求1所述的轴类锻件用高温合金棒坯加热装置，其特征在于：各匝感应线圈(1)的内壁焊接有铜板(5)。
3.如权利要求1或2所述的轴类锻件用高温合金棒坯加热装置，其特征在于：所述变频电源包括中频交变电源(71)和两组调频电容(72)，所述中频交变电源(71)与两组调频电容(72)相连接，且所述中频交变电源(71)、控制器(73)和温控仪(74)集成于同一柜体上形成变频电源柜(7)。
4.如权利要求3所述的轴类锻件用高温合金棒坯加热装置，其特征在于：所述变频电源的交变电流输出频率为300-2500HZ。
5.轴类锻件用高温合金棒料加热方法，其特征在于：
步骤一、准备如权利要求4所述的轴类锻件用高温合金棒坯加热装置；将棒坯放入加热炉中；所述棒坯分为大头区、过渡区和杆部区，过渡区与大头区相邻的一端为大端，与杆部区相邻的一端为小端；
步骤二、启动感应加热，控制芯表温差小于或者等于5℃、棒坯过渡区的温度由大端至小端逐步递减至常温，且芯部温度达到设定温度时出料。
6.如权利要求5所述的轴类锻件用高温合金棒料加热方法，其特征在于：步骤一中，各匝所述感应线圈(1)的直径相等；
准备待锻件(6)：将棒坯进行加工成待锻件(6)，所述待锻件(6)沿棒坯轴向包括大头部(61)、杆部(63)和大头部(61)与杆部(63)之间的过渡部(62)；所述大头部(61)的直径大于杆部(63)的直径，且过渡部(62)由大端至小端呈逐步缩小的锥形，大端为过渡部(62)相邻于大头部(61)的一端，小端为过渡部(62)相邻于杆部(63)的一端。
7.如权利要求6所述的轴类锻件用高温合金棒料加热方法，其特征在于：所述大头部(61)的外表面与感应线圈(1)内壁之间的间距为60-90mm；感应线圈(1)的匝间缝隙为5-20mm；感应线圈(1)的匝间系数大于或等于0.92。
8.如权利要求6或7所述的轴类锻件用高温合金棒料加热方法，其特征在于：步骤二的具体操作为：首先，初始阶段：调节感应加热频率为300-500HZ启动加热，直至测温电偶(75)监测大头部(61)的芯部温度T1达到热透设计温度T0；
接着，补温阶段：调节感应加热频率为500-1000HZ，测温电偶(75)监测大头部(61)的表层温度T2达到锻件加热设定温度T以下50-200℃，
最后，控温阶段：在T-(50-200℃)时进行保温，当T2-T1≤10℃后，调节感应加热频率为1000-2500HZ，直至T1达到锻件加热设定温度T，过渡部(62)的与杆部(63)相连接的一端的表面温度为常温，出料。
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