CN114317907A - 金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置及其方法，包括辅助电源、感应加热电源、感应加热线圈和焊接件，辅助电源为焊接件提供辅助脉冲电流，感应加热电源为感应加热线圈提供高频电流，在感应加热线圈中产生磁场，焊接接头位于所述感应加热线圈中，在磁场的作用下，焊接接头处产生感应电流，对焊接接头加热，焊接接头处局部升温，达到热处理的效果。通过改变辅助电源的充电电压，可以调节辅助脉冲电流的大小，对热处理起到更好的辅助效果。本发明在感应加热热处理的过程中加入辅助脉冲电流，提高了焊接接头热处理的生产效率，改善了焊接接头的性能。
Description
技术领域
本发明属于热处理技术领域，具体涉及一种金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置及其方法。
背景技术
在金属材料的加工过程中，热处理是一种非常重要的工艺。热处理通过对金属材料进行加热、保温以及冷却，以此改变金属材料表面或内部的组织结构，从而优化材料性能。
常用的热处理方式有火焰热处理、加热炉热处理和电阻加热热处理。火焰热处理利用乙炔燃烧在设备喷口喷出火焰对金属材料加热，但火焰热处理很难控制金属材料上的温度均匀性，并且乙炔燃烧产生的气体会造成环境污染；加热炉热处理均匀加热的异性结构工件具有较好的加热效果，但加热炉热处理只能对工件整体加热，无法做到局部热处理，加热炉的耗能很高、能量利用率低；电阻加热热处理直接对工件通电流，利用电阻发热使工件产生温升，该方法加热功率较小、局限性大。
感应加热利用电磁感应现象，加热线圈中通入交变的电流，会在加热线圈周围产生磁场，置于磁场中的工件产生涡流，感应涡流在工件内部产生热量，对工件加热。感应加热相比于传统热处理方式，具有加热速度快、效率高、能实现局部加热和易于自动化控制等优点。电脉冲辅助热处理是一种热处理过程中的辅助方式，在热处理过程中对工件施加电脉冲，能够改善金属的晶粒结构、减小金属内部残余应力，提高热处理效果。
目前，电脉冲辅助热处理技术采用的辅助脉冲电流大多采用方波电流，频率调节范围小，多在几十Hz，占空比较小，同时幅值难以达到工程大零件的要求；同时电流无法正负交变，无法对试样内部原子可以进行两个方向的冲击，降低了电流脉冲促进了材料组织均匀化的能力。
现有一种采用脉冲电流辅助的感应加热方法对钢轨去除残余应力，提高了钢轨热处理的质量要求和生产效率，同时避免了由于钢轨热处理造成的环境污染。但该装置无法调节辅助脉冲电流的调节范围小，占空比小，幅值难以达到工程大零件的要求，同时电流脉冲无法正负交变，脉冲电流对热处理的辅助作用有限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置及其方法，提高热处理的加热质量和效率。
本发明采用以下技术方案：
金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置，包括辅助电源，辅助电源与焊接件连接，为焊接件提供辅助脉冲电流；焊接件上设置有加热线圈，加热线圈与感应加热电源连接，加热线圈通过高频电流后产生强磁场，焊接件在强磁场的作用产生感应电流，感应电流在焊接件的焊接接头处产生热量用于感应加热。
具体的，辅助电源包括电容器，电容器的一端依次经开关、调波电感与焊接件连接后返回电容器的另一端组成闭合回路，电容器的另一端接地连接，电容器并联连接充电机。
具体的，加热线圈的匝数为4～6匝。
具体的，感应加热电源的频率为20～40kHz。
具体的，感应加热电源连接有红外线测温仪，红外线测温仪的输出信号电流为4～20mA。
具体的，焊接件由两部分焊接而成，焊接接头位于焊接件的中部。
本发明的另一个技术方案是，金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置的工作方法，启动感应加热电源，通过加热线圈将焊接件加热至530℃±2℃后进行保温处理；辅助电源工作产生衰减震荡波，对焊接件进行脉冲电流辅助处理；电脉冲辅助处理完毕后，对焊接件进行水淬处理；最后对焊接件进行时效处理，得到力学性能优异的焊接接头结构。
具体的，衰减震荡波的幅值为0～20kA。
具体的，水淬处理的温度为25～35℃，淬火转移时间小于15s。
具体的，时效处理为自然时效或人工时效，自然时效在室温下进行，时间大于等于128h；人工时效在160～180℃的电炉中，时间为8～12h。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置，通过电磁感应对焊接件进行热处理，电磁感应加热的加热速度快，能在几秒钟内将焊接件加热到热处理所需的温度；并根据焊接件的大小调整线圈的长度与大小，实现焊接件的局部加热。
进一步的，在热处理过程中，辅助电源为焊接接头提供辅助电流，起到细化焊接接头的晶粒，增强接头力学性能的作用。
进一步的，加热线圈匝数为4～6匝，通过高频电流后产生强磁场，焊接件在强磁场的作用产生感应电流，感应电流在焊接件的焊接接头处产生热量用于感应加热。
进一步的，感应加热电源频率为20～40kHz，使金属焊接接头处迅速加热，达到热处理所需温度。
进一步的，感应加热电源连接有红外线测温仪，红外线测温仪的输出信号电流为4～20mA，实时监测焊接接头处的温度变化。
进一步的，焊接件由两部分焊接而成，焊接接头位于焊接件的中部，在加热线圈内部进行热处理。
金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置的工作方法，通过对金属焊接接头热处理，并在热处理过程中施加电脉冲辅助，改善了焊接接头处的晶粒结构，提高了焊接接头的力学性能。金属在水淬和时效处理后，硬度和强度会得到增加，塑性韧性和内应力则会降低。因此在热处理过后，通过水淬、时效处理，进一步增加了焊接接头的性能。
进一步的，衰减震荡波的幅值为0～20kA，衰减震荡波能够有效改善焊接接头处的晶粒分布，使接头处残余应力减小。
进一步的，水淬处理的温度为25～35℃，淬火转移时间小于15s，经过水淬处理，焊接接头处的金属发生相变，硬度得到提高。
进一步的，经过自然时效或人工时效后，金属晶粒的排列方式更为合理，内应力减小。
综上所述，本发明采用电磁加热的方式对管件焊接接头进行热处理，同时伴有电脉冲辅助，辅助脉冲电流幅值大、能够正负交变。热处理速度快，辅助脉冲电流有助于改善热处理效果，进一步提高焊接接头性能。通过调整工件在加热线圈内的位置，能够实现对零件不同部位的热处理，达到焊接接头热处理和零件局部强化的目的。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明焊接件焊接接头热处理的示意图。
图2为本发明焊接件局部强化热处理的示意图。
图3为本发明带有焊接接头的焊接件的结构示意图。
其中：1.电容器；2.开关；3.调波电感；4.焊接件；5.加热线圈；6.焊接接头；7.接地部分；8.充电机；11.辅助电源；12.感应加热电源。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置，利用脉冲电流辅助热处理过程，脉冲电流辅助热处理有利于改善金属的晶粒结构、减小金属内部残余应力，使热处理后的焊接件焊接接头处的材料性能更好；不仅可对焊接件焊接接头进行热处理、还可以对焊接件局部强化。通过调节焊接件在加热线圈加热区域的部位，实现对焊接件不同部位的热处理；通过辅助电源中的电容器充放电实现辅助脉冲电流的加载，改变电容器的充电电压，调节辅助脉冲电流的大小，对热处理起到更好的辅助效果，进一步提高金属材料的性能。
请参阅图1，本发明一种金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置，包括辅助电源11、感应加热电源12、加热线圈5和焊接件4。
辅助电源11与焊接件4连接，为焊接件4提供辅助脉冲电流；焊接件4上设置有加热线圈5，加热线圈5与感应加热电源12连接，焊接件4位于感应加热线圈5中，在加热线圈5中进行热处理，加热线圈5通过高频电流后，在线圈中产生强磁场，焊接件4上的焊接接头6在磁场中由于电磁感应的作用产生感应电流，感应电流在焊接接头6处产生热量，起到感应加热的作用。
加热线圈5的匝数为4～6匝，感应加热电源12的频率为20～40kHz。感应加热电源12具有完整的温度闭环控制，红外线测温仪输出4～20mA的信号，然后输入至感应加热电源12。
辅助电源11通过电容器1充放电实现辅助脉冲电流的加载，产生的脉冲电流为衰减震荡波，脉冲电流频率通过调波电感3的大小进行灵活调节；同时改变电容器1的充电电压调节辅助脉冲电流的大小。由于衰减震荡波电流正负不断交变，因此对于试样内部原子进行两个方向的冲击，使原子的扩散更加均匀，促进了组织的均匀化。
辅助电源11包括电容器1、开关2、调波电感3、接地部分7和充电机8；电容器1依次经开关2、调波电感3与焊接件4连接后返回电容器1组成完整闭合回路，电容器1通过接地部分7与大地连接，电容器1并联连接充电机8用于充电，当电容器1充电完成后，闭合开关2，电脉冲流过焊接件4，对感应加热起到辅助作用。
感应加热电源12采用现有设备，与加热线圈5连接，为加热线圈5提供脉冲电流，加热线圈5通过高频电流后，在线圈中产生强磁场，焊接接头6在磁场中由于电磁感应的作用产生感应电流，感应电流会在焊接接头6处产生热量，起到感应加热的作用。
请参阅图2，焊接件4为两部分焊接而成，焊接件4的中部有焊接接头6，进行热处理时，需要热处理的部位位于感应加热线圈5内部，加热线圈5通电后，在加热线圈5内部会产生磁场，焊接件4位于磁场中的部位由于电磁感应的作用，产生一个环流，环流对焊接件4加热，达到热处理所需的温度。
加热线圈5对焊接接头6的加热为局部加热，焊接件4在加热线圈5内部的部分温度上升，焊接件6在加热线圈5外部的部分温度不会有明显上升，焊接材料的性能通过热处理可以得到改善。
请参阅图3，加热线圈5不仅可对焊接件焊接接头进行热处理，还可以对焊接件局部强化，通过调节焊接件4在加热线圈5加热区域的部位，能够实现对焊接件不同部位的热处理。
一种金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置的操作步骤如下：
启动感应加热电源12，使得加热线圈5为铝合金的焊接接头6进行加热，加热至530℃后，进行保温处理，温度误差在±2℃范围内；
随后充电机8开始工作，为电容器1充电至工作电压后，气体开关2闭合，辅助电源产生幅值0～20kA的衰减震荡波，对焊接件4进行脉冲电流辅助处理；
电脉冲辅助处理完毕后，对焊接件4进行水淬，水淬温度为25～35℃，淬火转移时间小于15s；
最后将焊接件4在室温下进行自然时效或人工时效，自然时效在室温下进行，时间大于等于128h，人工时效为160～180℃的电炉中，时间为8～12h，，得到性能更加优异的焊接接头结构。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
电脉冲辅助感应加热的具体实施方法，包括焊接件焊接接头热处理实施方法和焊接件局部强化热处理实施方法：
I.T6铝合金焊接件焊接接头热处理的实施具体过程是：
步骤1，连接装置电路
将焊接接头6置于感应加热线圈5中，使感应加热线圈5在放电时能够对焊接接头6进行感应加热，将电容器1、开关2、调波电感3与焊接件4连接，组成产生辅助电流的电路，该电路与大地可靠连接，将感应加热线圈5与感应加热电源12连接，在加热线圈5中产生用于产生磁场的高频电流。
步骤2，电容器充电
将电容器1与充电机8连接，为电容器充电。调节充电机8可改变电容器1的充电电压，从而改变辅助脉冲电流的大小。
步骤3，固溶处理
为感应加热线圈5通电，使得焊接件焊接接头处达到530℃，并进入保温程序；此时气体开关闭合产生辅助脉冲电流，对焊接接头进行电脉冲辅助热处理。
步骤4，水淬
电脉冲辅助处理完毕后，对焊接件进行水淬，水淬温度为25℃，淬火转移时间小于15s。
步骤5，时效处理。
将焊接件在室温下进行自然时效128h。
固溶处理零件加热到高温(530℃)恒温保持，以得到均匀的过饱和固溶体，增加时效处理的效果，同时消除由于冷热加工产生的应力，使合金发生再结晶。其次，固溶处理是为了获得适宜的晶粒度，以保证合金高温抗蠕变性能。水淬处理将加热后的零件以较大的冷却速度快速冷却(水淬温度为25℃)，使焊接接头处的金属发生相变，硬度得到提高。时效处理将零件在较高的温度或室温下放置保持(室温下进行自然时效128h以上)，零件性能随时间而变化，焊接接头处残余应力减小。
II.T6铝合金焊接件局部强化热处理的具体实施过程是：
步骤1，连接装置电路
将焊接件4置于感应加热线圈5中，使感应加热线圈5在放电时能够对零件本体5进行感应加热，将电容器1、开关2、调波电感3与焊接件4连接，组成产生辅助电流的电路，该电路与大地可靠连接，将感应加热线圈5与感应加热电源12连接，在加热线圈5中产生用于产生磁场的高频电流。
步骤2，为电容器充电
将电容器1与充电机8连接，为电容器充电。调节充电机8可改变电容器1的充电电压，从而改变辅助脉冲电流的大小。
步骤3，固溶处理
为感应加热线圈5通电，使得零件要强化的部位温度达到530℃，并进入保温程序；此时气体开关闭合产生辅助脉冲电流，对零件进行电脉冲辅助热处理。
步骤4，水淬
电脉冲辅助处理完毕后，对零件进行水淬，水淬温度为35℃，淬火转移时间小于15s；
步骤5，时效处理。
将零件在160～180℃的电炉中人工时效8～12h。
本实施例中，辅助脉冲电流由电容器放电产生，电流波形为衰减振荡波，改变电容器的充电电压，便可以调节辅助脉冲电流的大小，因此，辅助脉冲电流的幅值可以很大；并且产生的衰减震荡波电流正负不断交变，因此对于试样内部原子可以进行两个方向的冲击，使原子的扩散更加均匀，促进了组织的均匀化，对热处理起到更好的辅助效果。
综上所述，本发明一种金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置，通过调节所述焊接件在所述加热线圈加热区域的部位，能够实现对零件不同部位的热处理，达到焊接接头热处理和零件局部强化的目的。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置，其特征在于，包括辅助电源(11)，辅助电源(11)与焊接件(4)连接，为焊接件(4)提供辅助脉冲电流；焊接件(4)上设置有加热线圈(5)，加热线圈(5)与感应加热电源(12)连接，加热线圈(5)通过高频电流后产生强磁场，焊接件(4)在强磁场的作用产生感应电流，感应电流在焊接件(4)的焊接接头(6)处产生热量用于感应加热。
2.根据权利要求1所述的金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置，其特征在于，辅助电源(11)包括电容器(1)，电容器(1)的一端依次经开关(2)、调波电感(3)与焊接件(4)连接后返回电容器(1)的另一端组成闭合回路，电容器(1)的另一端接地连接，电容器(1)并联连接充电机(8)。
3.根据权利要求1所述的金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置，其特征在于，加热线圈(5)的匝数为4～6匝。
4.根据权利要求1所述的金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置，其特征在于，感应加热电源(12)的频率为20～40kHz。
5.根据权利要求1所述的金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置，其特征在于，感应加热电源(12)连接有红外线测温仪，红外线测温仪的输出信号电流为4～20mA。
6.根据权利要求1所述的金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置，其特征在于，焊接件(4)由两部分焊接而成，焊接接头(6)位于焊接件(4)的中部。
7.根据权利要求1所述金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置的工作方法，其特征在于，启动感应加热电源，通过加热线圈将焊接件加热至530℃±2℃后进行保温处理；辅助电源工作产生衰减震荡波，对焊接件进行脉冲电流辅助处理；电脉冲辅助处理完毕后，对焊接件进行水淬处理；最后对焊接件进行时效处理，得到力学性能优异的焊接接头结构。
8.根据权利要求7所述金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置的工作方法，其特征在于，衰减震荡波的幅值为0～20kA。
9.根据权利要求7所述金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置的工作方法，其特征在于，水淬处理的温度为25～35℃，淬火转移时间小于15s。
10.根据权利要求7所述金属焊接接头热处理用电脉冲辅助感应加热装置的工作方法，其特征在于，时效处理为自然时效或人工时效，自然时效在室温下进行，时间大于等于128h；人工时效在160～180℃的电炉中，时间为8～12h。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114941056A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-08-26 | 苏州热工研究院有限公司 | 一种在役部件现场电脉冲缓解装置及缓解方法 |
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|---|---|---|---|---|
| EP1927668A2 (en) * | 2006-11-28 | 2008-06-04 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Restoration method for deteriorated part and restoration apparatus for deteriorated part |
| CN104233126A (zh) * | 2013-06-17 | 2014-12-24 | 天津大学 | 一种改善高强铝合金焊接接头抗腐蚀性能的方法 |
| CN109234501A (zh) * | 2018-11-20 | 2019-01-18 | 燕山大学 | 一种脉冲电流辅助钢轨在线感应加热的装置及工艺 |
-
2022
- 2022-01-14 CN CN202210046687.7A patent/CN114317907A/zh active Pending
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