CN115302065B - 一种高效的加热装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高效的加热装置及方法，包括挤压滚、高频线圈、红外测温相机、吊架、转角控制组件、固定螺栓和磁棒；转角控制组件设置在吊架底部；管坯同轴设置在转角控制组件输出端的前侧；磁棒分别通过固定螺栓与转角控制组件的输出端连接，磁棒轴向阵列分布在管坯内侧；红外测温相机设置在吊架的中部并位于管坯端部的正上方，红外测温相机与转角控制组件连接；高频线圈轴向均布在管坯圆周外侧；挤压滚对称设置在管坯末端的左右两侧。本发明依靠红外相机识别管坯温度差，以此来调整管坯包络中的阵列式分布的多个导磁体的空间分布，使导磁体引导感应线圈的磁通方向更多的穿过待焊接表面，同时避开管坯的居里区域，从而提高焊接效率和焊接质量。
Description
技术领域
本发明涉及管道加热技术领域，尤其涉及一种高效的加热装置及方法。
背景技术
高频感应焊接在管道生产中已经应用广泛，受到全世界工厂生产线的青睐，也普遍通过在线圈中安装导磁体的方法来提高生产效率。不仅国内大力发展的深海管道陵水项目，还是欧洲重点建设的北溪2号项目，都不难看出全世界在高质量大中口径的厚壁焊管的需求非常关键。
但高频加热过程中也存在诸多问题，例如：首先感应焊生产线生产不同管径焊管所用感应线圈尺寸参数各不相同，一旦变更焊管规格，感应线圈也需要随之更改；在生产中虽然不消耗焊剂也没有电极磨损，但是在生产中磁棒经常被烧坏，更换磁棒的成本动辄上万，占生产成本的一大部分，且损害时间不固定，更换不及时会导致生产质量下降；高频感应焊接过程很多时候都只用一种分布形式的导磁体，且这个环节基本依靠经验，没有系统的安装方法；导磁体不能根据环境来做出改变，现有技术中生产不会根据生产环境等外界干扰改变焊接机器结构；感应焊相比于传统焊接方式在减少能源消耗上已有较大进步，但与高频接触焊相比仍存在无效分流大、能耗高、热影响区沙漏状分布突出等问题，行业普遍寄希望与导磁体的革新。高频感应焊接曾经主要用于小直径焊管生产，面对大中口径的管道出现难以找到合适的导磁体安装方式，也在壁厚增加后难以减小管坯焊缝温差。
导磁体的分布影响也未被利用，在目前的管道焊接研究成果中磁棒接近焊缝V形角时，温度上升快，焊接速率、效率提升，但温差增加，磁棒距离远可以使得温差下降，提高焊接质量，但同时焊接效率也下降。
在制造业智能化发展的大背景下，管道生产中传统经验控制的方式弊端越来越突出，难以实现反馈调节，红外测温相机成本不断下降，精度不断提高，工业级红外测温能准确识别细胞级别的温度差异。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高效的加热装置及方法，通过调整阵列式导磁体分布半径间距等，来改善管道焊接时的温度分布，提高焊接质量，同时降低磁棒损耗
本发明采用的技术方案如下：
本发明所提出的一种高效的加热装置，包括挤压滚、高频线圈、红外测温相机、吊架、转角控制组件、固定螺栓和磁棒；所述转角控制组件设置在吊架底部；管坯同轴设置在转角控制组件输出端的前侧；所述磁棒分别通过固定螺栓与转角控制组件的输出端连接，且所述磁棒轴向均匀分布在管坯内侧；所述红外测温相机设置在吊架的中部并位于管坯端部的正上方，且红外测温相机与转角控制组件连接；所述高频线圈轴向均布在管坯的圆周外侧；所述挤压滚分别对称设置在管坯末端的左右两侧。
进一步的，所述转角控制组件包括控制器、步进电机、联轴器、主转轴、磁棒夹具、换向齿轮和副转轴；所述控制器和步进电机分别设置在吊架底部前侧，所述步进电机由控制器控制；所述红外测温相机与控制器连接；所述主转轴和副转轴间隔一定距离的转动连接在吊架的底部后侧，且主转轴和副转轴的轴线与步进电机输出轴的轴线重合；所述步进电机输出端通过联轴器与主转轴的一端连接；所述换向齿轮分别同轴设置在主转轴和副转轴的相对端，且主转轴和副转轴相对端上的换向齿轮同时与第三个水平设置在吊架底部后侧的换向齿轮啮合；所述磁棒夹具分别同轴连接在主转轴和副转轴上，且旋转方向对称；各磁棒的前端分别通过固定螺栓与磁棒夹具固连。
进一步的，所述磁棒夹具为与管坯同轴的扇形结构；所述磁棒夹具的端面上圆周均布有与管坯内侧对应的条形孔；各磁棒的前端分别通过固定螺栓对应固连在各条形孔内。
进一步的，所述磁棒夹具与主转轴和副转轴之间均为键连接。
进一步的，所述主转轴和副转轴与吊架之间均通过轴承连接。
进一步的，管道的加热温度与磁棒分布半径R正相关，与夹角W负相关；焊缝温差大小与磁棒分布半径R正相关，与夹角W负相关。
为了保证焊接温度均匀，利用此特性发明一种高效的加热方法，所述方法包括以下步骤：
S1、确定待生产的管道型号、尺寸、机器功率和生产要求；
S2、根据实际生产条件调整磁棒分布半径R，每次递增10mm，使温度上升速度满足生产速率；
S3、根据实际生产条件调整磁棒数量，当增加磁棒后不能明显提高温升后，此时磁棒数量最佳；
S4、根据实际生产条件调整转动夹角W，每次生产中，管坯所夹V形角增加时，对应的初始W也随之增加；
S5、测试后进行实际生产，生产过程依靠红外测温相机监控管坯V形角附近温度，设定温度范围C以及温差最大值△t；
S6、红外测温相机识别V形角的管坯壁厚中心和管坯表面的温度差，然后和先前确定的值比较，若温差过大则输入信号给控制器进行调整，若在设定范围内则直接跳到步骤S9；
S7、控制器根据温差变化控制步进电机正转，增加夹角W，当温差满足最大值后停止；
S8、红外测温相机识别V形角的管坯壁厚中心和管坯表面的温度，然后与先去设定的值比较，温度过高则进一步增加夹角W来降低温度，温度过低则减小夹角W来提高温度；
S9、判断是否同时满足温差范围△t和温度范围C；满足时持续生产，不满足时需要改变装置参数，并跳转至步骤S6。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明采用灵活布置的导磁体，使管坯包络的磁棒能有效分布，不再是单一分布在中心或者杂乱的布置在空间中，方便工厂针对性生产。同时本发明装置通过动态调整夹角，可以控制温升速率以及焊缝温差值。
2、通常管道焊接自动化设备没有信息反馈环节，本发明可在生产中结合红外摄像传感设备随时调控，保持温度恒定，焊接应力均匀。
3、不同材料居里温度不同，在管材达到居里温度后，附近的磁棒利用率下降，反而磁棒升温更快，此时容易烧坏磁棒，也容易使得管材过烧。本发明此时可以识别温度过高区域转动磁棒，引导磁通更多的穿过管坯，提高加热效率。
4、本发明装置不仅能提供较好的加热环境，且一次生产，可多次使用，面对不同材料，不同半径，不同开口角，本装置可以调整磁棒半径，分布半径，夹具夹角来一一应对。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构示意图；
图2为本发明去掉管坯后的局部结构示意图；
图3为本发明磁棒夹具的一种工况后端示意图；
图4为本发明磁棒夹具的第二种工况的示意图；
图5为本发明磁棒夹具的第三种工况的示意图；
图6为本发明方法的流程示意图；
图7为管坯与磁棒相对位置的横截面示意图。
其中，附图标记：1-挤压滚；2-高频线圈；3-管坯；4-红外测温相机；5-吊架；6-转角控制组件；61-控制器；62-步进电机；63-联轴器；64-轴承；65-主转轴；66-磁棒夹具；67-换向齿轮；68-副转轴；7-固定螺栓；8-磁棒；9-管坯壁厚中心；10-管坯表面。
具体实施方式
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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”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。
参见附图1至7，给出了本发明所提出的一种高效的加热装置及其方法的一个实施例。所述加热装置包括挤压滚1、高频线圈2、红外测温相机4、吊架5、转角控制组件6、固定螺栓7和磁棒8；所述吊架5由横板件和竖向固连在横板件上端面的吊杆组成；所述转角控制组件6设置在吊架5底部的横板件上；管坯3同轴设置在转角控制组件6的前侧；所述磁棒8分别通过固定螺栓7与转角控制组件6的输出端连接，且所述磁棒8分别沿轴向阵列式均匀分布在管坯3内侧；所述红外测温相机4设置在吊架5吊杆的中部并位于管坯3前端的正上方，且红外测温相机4与转角控制组件6连接；所述高频线圈2轴向环绕在管坯中部区域的圆周外侧；所述挤压滚1分别对称设置在管坯3末端的左右两侧。
其中，如图2所示，所述转角控制组件6包括控制器61、步进电机62、联轴器63、轴承64、主转轴65、磁棒夹具66、换向齿轮67和副转轴68；所述控制器61和步进电机62分别设置在吊架5横板件上端面的前侧，所述步进电机62由控制器61控制驱动；所述红外测温相机4与控制器61连接；所述主转轴65和副转轴68间隔一定距离的逆向转动连接在吊架5横板件上端面的后侧，所述吊架5横板件上端面的后侧分别设置有轴承座；所述主转轴65和副转轴68分别通过轴承64与轴承座连接，且主转轴65和副转轴68的轴线与步进电机62输出轴的轴线重合；所述步进电机62的输出端通过联轴器63与主转轴65的一端连接；所述换向齿轮67分别同轴固连在主转轴65和副转轴68的相对端，且主转轴65和副转轴68相对端上的换向齿轮67同时与另外一个竖向设置在吊架5横板件上端面后侧的换向齿轮67啮合；所述磁棒夹具66分别同轴键连接在主转轴65和副转轴68上，且主转轴65和副转轴68上的磁棒夹具66之间的夹角为W，旋转方向对称；各磁棒8的前端分别通过固定螺栓7与磁棒夹具66固连，后端也对应的采用相同尺寸的磁棒夹具66以及转轴、换向齿轮等部件连接。
本实施例中，所述磁棒夹具66为与管坯3同轴的扇形结构，其分别通过轴心与主转轴65和副转轴68键连接；所述磁棒夹具66的扇形端面上圆周均布有与管坯3内壁对应的径向条形孔；各磁棒8的前端分别通过固定螺栓7对应固连在各条形孔内。
一种高效的加热方法，所述方法包括以下步骤：
S1、确定待生产的管道型号、尺寸、机器功率和生产要求；
S2、根据实际生产条件调整磁棒分布半径R，每次递增10mm，使温度上升速度满足生产速率；
S3、根据实际生产条件调整磁棒数量，当增加磁棒后不能明显提高温升后，此时磁棒数量最佳；
S4、根据实际生产条件调整转动夹角W，每次生产中，管坯所夹V形角增加时，对应的初始W也随之增加；
S5、测试后进行实际生产，生产过程依靠红外测温相机监控管坯V形角附近温度，设定温度范围C以及温差最大值△t；
S6、红外测温相机识别V形角的管坯壁厚中心和管坯表面的温度差，然后和先前确定的值比较，若温差过大则输入信号给控制器进行调整，若在设定范围内则直接跳到步骤S9；
S7、控制器根据温差变化控制步进电机正转，增加夹角W，当温差满足最大值后停止；
S8、红外测温相机识别V形角的管坯壁厚中心和管坯表面的温度，然后与先去设定的值比较，温度过高则进一步增加夹角W来降低温度，温度过低则减小夹角W来提高温度；
S9、时刻判断是否同时满足温差范围△t和温度范围C；满足时持续生产，直至结束，不满足时调整装置(如跟换磁棒大小，减小电流，改变电源频率)，并跳转至步骤S6；
下面通过具体实例对本发明方法作进一步说明：
S1、确定生产管道的外径为406mm，焊接功率为100KW，管坯3壁厚为20mm，采用P110钢材，磁棒直径15mm；
S2、从200-350mm来调整磁棒分布直径2R，如图5到图4所示，红外测温相机4捕捉到直径每增加20mm，管坯壁厚中心9和管坯表面10处的温差对应增加约20℃；设置磁棒8的分布直径为300mm，此时温差为201℃；
S3、从上到下增加磁棒8数量，到温度增加不明显时停止，本次磁棒8左右各七个达到最佳值；
S4、本次管坯3形成的开口角V为5度，W角初值调整至7度，调整夹角的过程如图4到图3所示，测试环节结束；
S5、根据焊接材料以及焊接质量要求设定温度范围C为1300℃-1400℃，温差最大值△t为250℃；
S6、调整设备开始正式生产；红外测温相机4识别管坯V形开口角11处的管坯壁厚中心9和管坯表面10的温度差，然后和先前确定的250℃比较，此时遇到外部干扰，管坯9、10温差过大输入信号给控制器61；
S7、控制器61根据温差变化控制步进电机62正转，增加两磁棒夹具66的夹角W，如图3到图4所示，每增加5度，温差下降25℃，当温差小于最大值250℃后停止；
S8、红外测温相机4持续监测判断是否满足温度范围C，符合情况时持续生产，此时红外测温相机4监测到变化超出范围；温度大于1400度需要进一步增加夹角W；
S9、控制器61根据温差变化控制步进电机62正转，增加两磁棒夹具66的夹角W，如图3到图4所示，每增加5度，温度下降40℃，直到温度符合1300℃-1400℃。
S9、红外测温相机4持续判断是否同时满足△t和温度范围C，符合情况时持续生产，不符合情况时，更换不同准类的磁棒、或者采取不同功率的电源，并跳转至步骤S6。
下面通过第二个具体实例对本发明方法作进一步说明：
S1、确定生产管道的外径为406mm，焊接功率为100KW，管坯3壁厚为20mm，采用P110钢材，磁棒直径15mm；
S2、从200-350mm来调整磁棒分布直径2R，如图5到图4所示，红外测温相机4捕捉到直径每增加20mm，管坯壁厚中心9和管坯表面10处的温差对应增加约20℃；设置磁棒8的分布直径为300mm，此时温差为201℃；
S3、从上到下增加磁棒8数量，到温度增加不明显时停止，本次磁棒8左右各七个达到最佳值；
S4、本次管坯3形成的开口角V为5度，W角初值调整至7度，调整夹角的过程如图4到图3所示，测试环节结束；
S5、根据焊接材料以及焊接质量要求设定温度范围C为1300℃-1400℃，温差最大值△t为250℃；
S6、调整设备开始正式生产；红外测温相机4识别管坯V形开口角11处的管坯壁厚中心9和管坯表面10的温度差，然后和先前确定的250℃比较，此时温差值为100℃，直接跳到步骤S8。
S8、红外测温相机4持续监测判断是否满足温度范围C，符合情况时持续生产，此时红外测温相机4监测到变化超出范围；温度小于1300度需要减小夹角W；
S9、控制器61根据温差变化控制步进电机62反转，减小两磁棒夹具66的夹角W，如图4到图3所示，每减小5度，温度升高40℃，直到温度符合1300℃-1400℃。
S9、红外测温相机4持续判断是否同时满足△t和温度范围C，符合情况时持续生产，不符合情况时，更换不同准类的磁棒、或者采取不同功率的电源，并跳转至步骤S6。
本发明与现有技术的区别在于：
传统管道焊接生产中多数采用单一大直径磁棒，这与圆周方向阵列分布的细磁棒相比，不仅利用率不高增加成本，还容易被正上方的焊缝处低落的金属损伤，即便已经有工厂采用阵列式分布的磁棒，但分布导磁体没有规则性，磁棒汇聚磁通的效果很差。本装置通过磁棒分布半径R的改变以及W的随时变化，使得磁场被有规律的控制。
本装置间距虽然要经过实验获得，但一次设定磁棒分布半径R后即可持续生产到结束，同时此装置一种结构能同时应对不同的管道口径、管材变化，也能应对生产中生产速率改变的要求，以及焊接电源、环境温度、冷却水变化带来的焊接温度变化，维持焊接时温度均匀。装置整体的多次使用，多种生产布置模式，大大降低了管道生产成本。
磁棒距离焊接的越近，加热速度越快，但温差越大，本发明实现了一种动态维持的装置及方法，同时满足温度达到焊接范围且不会过烧，温差在控制范围，也不会温度过低无法焊接。
在实际生产中，不同型号管道生产，往往牵扯到设备全套更换，但本装置的磁棒分布半径R在范围内可以改变，可以根据管道粗细调整安装半径，也可以采用不同粗细的磁棒搭配生产，长期使用成本下降。
本发明未详尽事宜为公知技术。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种高效的加热装置，其特征在于：所述装置包括挤压滚、高频线圈、红外测温相机、吊架、转角控制组件、固定螺栓和磁棒；所述转角控制组件设置在吊架底部；管坯同轴设置在转角控制组件输出端的前侧；所述磁棒分别通过固定螺栓与转角控制组件的输出端连接，且所述磁棒轴向均匀分布在管坯内侧；所述红外测温相机设置在吊架的中部并位于管坯端部的正上方，且红外测温相机与转角控制组件连接；所述高频线圈轴向环绕在管坯的圆周外侧；所述挤压滚分别对称设置在管坯末端的左右两侧；
所述转角控制组件包括控制器、步进电机、联轴器、主转轴、磁棒夹具、换向齿轮和副转轴；所述控制器和步进电机分别设置在吊架底部前侧，所述步进电机由控制器控制；所述红外测温相机与控制器连接；所述主转轴和副转轴间隔一定距离的转动连接在吊架的底部后侧，且主转轴和副转轴的轴线与步进电机输出轴的轴线重合；所述步进电机输出端通过联轴器与主转轴的一端连接；所述换向齿轮分别同轴设置在主转轴和副转轴的相对端，且主转轴和副转轴相对端上的换向齿轮同时与第三个水平设置在吊架底部后侧的换向齿轮啮合；所述磁棒夹具分别同轴连接在主转轴和副转轴上，且旋转方向对称；各磁棒的前端分别通过固定螺栓与磁棒夹具固连。
2.根据权利要求1所述的一种高效的加热装置，其特征在于：所述磁棒夹具为与管坯同轴的扇形结构；所述磁棒夹具的端面上圆周均布有与管坯内侧对应的条形孔；各磁棒的前端分别通过固定螺栓对应固连在各条形孔内。
3.根据权利要求1所述的一种高效的加热装置，其特征在于：所述磁棒夹具与主转轴和副转轴之间均为键连接。
4.根据权利要求1所述的一种高效的加热装置，其特征在于：所述主转轴和副转轴与吊架之间均通过轴承连接。
5.一种利用权利要求2所述装置的加热方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
S1、确定待生产的管道型号、尺寸、机器功率和生产要求；
S2、根据实际生产条件调整磁棒分布半径R，每次递增10mm，使温度上升速度满足生产速率；
S3、根据实际生产条件调整磁棒数量，当增加磁棒后不能明显提高温升后，此时磁棒数量最佳；
S4、根据实际生产条件调整转动夹角W，每次生产中，管坯所夹V形角增加时，对应的初始W也随之增加；
S5、测试后进行实际生产，生产过程依靠红外测温相机监控管坯V形角附近温度，设定温度范围C以及温差最大值△t；
S6、红外测温相机识别V形角的管坯壁厚中心和管坯表面的温度差，然后和先前确定的值比较，若温差过大则输入信号给控制器进行调整，若在设定范围内则直接跳到步骤S9；
S7、控制器根据温差变化控制步进电机正转，增加夹角W，当温差满足最大值后停止；
S8、红外测温相机识别V形角的管坯壁厚中心和管坯表面的温度，然后与先去设定的值比较，温度过高则进一步增加夹角W来降低温度，温度过低则减小夹角W来提高温度；
S9、判断是否同时满足温差范围△t和温度范围C；满足时持续生产，不满足时需要改变装置参数，并跳转至步骤S6。
6.根据权利要求5所述的一种高效的加热方法，其特征在于：管道的加热温度与磁棒分布半径R正相关，与夹角W负相关；焊缝温差大小与磁棒分布半径R正相关，与夹角W负相关。
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