管狀材料端部的電感應加熱處理的製作方法
2023-10-04 07:29:29 1
專利名稱：管狀材料端部的電感應加熱處理的製作方法
技術領域：
本發明涉及管狀材料的端部區域的電感應加熱處理。
背景技術：
電感應加熱可用於加熱處理管狀材料如金屬管。通常，如圖1中 所示，管狀材料被保持在螺線管感應線圈內的適當位置。管90放在 螺線管線圈30內。當向所述線圈施加適當的交流功率時，所述管通 過與交流電流流過線圈所建立的縱向通量場的磁耦合而被感應加熱。 熱處理例如可以是管狀材料端部的退火、正火、應力消除、塗覆、幹 燥、硬化或回火。在其它應用中，管狀產品的感應端部加熱可用於在 金屬成形操作之前加熱端部。 一些應用需要均勻加熱管狀材料的特定 長度的端部部分。
如圖1中所示，當希望均勻端部加熱處理時，管狀材料被置於線 圈中，使得所述線圈"外伸"到所述材料的端部之外。通常，所述線 圈和管狀材料的縱軸X重合，螺線管線圈成形為與管狀材料的形狀一
致。外伸距離X。h控制在線圈的遠離管狀材料端部的軸端處建立的通
量場的形狀，使得所述通量場強度建立在所述材料的端部內以將其均 勻加熱到所需長度。適當的外伸距離受多個參數影響，包括管狀材料 的外徑、所述材料的厚度、物理及冶金特性、及施加於線圈的交流功 率的頻率。因此，因此，對於不同大小的管狀材料或為了將同一管狀 材料加熱處理到不同的端部長度，需要不同的線圈。例如，比較圖 2a、圖2b和圖2c，其中同樣的感應線圈30和外伸距離)u用於分別感應加熱具有下述特性的端部(1)外徑(0D)等於0D,及厚度為
t,的管狀材料90a; (2)外徑為0D2及厚度為t,的管狀材料90b， 小於0D1; (3)外徑為等於0D2及厚度為t2的管狀材料90c， &大於 t1;如圖2d所示，對於圖2a中的管狀材料，所需端部加熱長度92、 熱過渡區94和冷區96均不同。術語"所需端部加熱長度"通常指在 所需端部加熱長度上的均勻加熱溫度分布。由於在材料的突然過渡到 "無熱"(或冷)的端部區域的端部長度中不能感應熱量，因而有具 有熱過渡區94的端部長度，其中由於"均熱"效應所述熱量朝向冷 區96逐漸降低，從而在所需端部加熱長度中感應的熱量從所需端部 加熱長度92向冷區96傳導。在一些熱處理過程中，控制所需端部加 熱長度和熱過渡區的長度非常重要。對於圖2b和2c中的管狀材料 90b和90c，由於在線圈端部存在電磁端部效應，所述材料沿所需端 部加熱長度92'和92"的全部長度未被足夠加熱。在管的端部有欠加 熱區91。當必須使用設計用於較大0D的線圈加熱具有較小0D的管 狀材料時，管的端部將由於因電磁端部效應引起的熱源減少而欠加熱 (區域91)。如果管狀材料屬於相同形狀但由具有不同物理或冶金 特性的材料製成，例如具有更高電阻率的金屬，則管的端部也將由於 因電磁端部效應引起的熱源減少而欠加熱。
或者，沿線圈長度具有多個交流功率連接抽頭的單一線圈對不同 尺寸或冶金組分的管狀材料的均勻管狀端部加熱也提供一些另外的 靈活性。通過使用適當的交流功率連接抽頭，線圈的加電長度可改變 以調節外伸距離。然而在使用線圈外伸實現均勻端部加熱時有限制。 當在低於居裡溫度加熱磁性金屬時該限制尤其明顯。在達到某些值 後，線圈外伸的進一步增加將不能補償因電磁端部效應引起的熱源缺 乏。此外，大的線圈外伸導致線圈效率和線圈功率因數的降低。由於 更高的能量損耗及必須使用特殊的線圈功率因數校正裝置，這兩個因 素均負面影響感應系統的成本效率和靈活性。
本發明的目的之一是在電感應加熱處理過程中提高不同類型的 管狀材料的端部溫度加熱均勻性，其中管狀材料的至少一端部區域插入螺線管感應線圈內。本發明的另一 目的在於提高感應加熱系統的靈 活性以使能使用同一感應加熱器對不同幾何結構和材料的管狀產品 進行所需(如均勻)加熱。
發明內容
一方面，本發明是電感應加熱管狀材料的端部區域的裝置和方 法。管狀材料的至少一端部區域插入感應線圈內，所述感應線圈被施 加交流功率以建立與管狀材料耦合從而感應加熱管狀材料的交流磁 場。在本發明的一些例子中，管通量集中器的端部包括基座、在所述 基座的朝向管側的外圍區域周圍延伸的多個外圍磁極、及從所述基座 的朝向管側的中心區域延伸的至少一中央磁極。通量集中器的縱軸通 過並垂直於所述基座的朝向管的那一側。所述至少一中央磁極至少部 分伸入感應線圈的與所述管的端部相鄰的外伸區域，及所述多個外圍 磁極至少部分延伸在感應線圈端部的外部周圍。在本發明的一些例子 中，所述通量集中器可移動以有選擇地控制通量集中器伸入感應線 圈或感應線圈中的管的端部的伸出距離；所述多個外圍磁極在感應線 圈端部的外部周圍延伸的距離；和/或所述基座距感應線圈端部的距 離。在本發明的其它例子中，所述至少一中央磁極可相對於所述基座 和所述多個外圍磁極在所述通量集中器的縱軸方向移動。在本發明的 其它例子中，.所述通量集中器可包括鄰近所述多個外圍磁極中的至少 一個的伸出端部定位的支柱。可選地，所述支柱可在平行於所述多個 外圍磁極中的至少一個的長度方向移動。在本發明的其它例子中，所 述基座不伸入感應線圈的端部內；作為選擇，位於所述基座的朝向管
的表面和所述管狀材料的端部之間的基座偏移元件可伸入感應線圈
內；在這些備選結構的任一結構中，所述管的端部可分別靠所述基座 或所述基座偏移元件的表面置放，或者與相應的表面間隔開置放。在 本發明的其它例子中，通量集中器可以是環形結構或可調虹彩光圈， 其可有選擇地與感應線圈中的管狀材料端部的縱軸對準。另一方面，本發明是電感應加熱管狀材料的端部區域的裝置和方 法。管狀材料的至少一端部區域插入感應線圈內，所述感應線圈被施 加交流功率以建立與管狀材料耦合從而感應加熱管狀材料的交流磁 場。在本發明的一些例子中，管通量集中器的端部包括基座、中央磁 極和多個外圍磁極。所述基座由關於所述通量集中器的縱軸徑向分布 的多個基座支柱形成。所述中央磁極包括多個楔元件，每一楔元件從 所述多個基座支柱的每一支柱的會聚端的朝向管的那一側垂直延伸。 所述多個外圍磁極中的某一個從所述多個基座支柱元件的每一個的 會聚端的朝向管的那一側垂直延伸到伸出端。通量集中器的縱軸通過 並垂直於由多個基座支柱確立的平面。在本發明的一些例子中，所述 中央磁極至少伸入感應線圈的與所述管的端部相鄰的外伸區域，及所 述多個外圍磁極至少部分延伸在感應線圈端部的外部周圍。在本發明 的一些例子中，所述通量集中器可移動以有選擇地控制通量集屮器 伸入感應線圈或感應線圈中的管的端部的伸出距離；所述多個外圍磁
極在感應線圈端部的外部周圍延伸的距離；禾n/或所述基座距感應線
圈端部的距離。在本發明的其它例子中，所述基座和中央磁極的組合 可相對於所述外圍磁極在所述通量集中器的縱軸方向移動。在本發明 的其它例子中，所述通量集中器可包括鄰近所述多個外圍磁極中的至 少一個的伸出端部定位的支柱。可選地，所述支柱可在平行於所述通 量集中器的縱軸方向移動。在本發明的其它例子中，包括多個基座支 柱的所述基座及包括多個楔元件的所述中央磁極可相對於所述通量 集中器的縱軸徑向調節。
本發明的上述及其它方面將在本說明書及所附權利要求中進一 步提出。
如下面簡要概括地，附圖用於示例性地理解本發明而非限制本說 明書及所附權利要求進一步提出的發明
圖1為用於電感應加熱管狀材料的現有技術裝置的截面圖。圖2a、 2b和2c為用於電感應加熱具有不同尺寸的管狀材料的現
有技術裝置的截面圖。
圖2d以圖示方式比較圖2a、 2b和2c中所示管狀材料的感應端 部加熱。
圖3為本發明的電感應加熱處理管狀材料端部的一個例子的截 面圖。
圖4a和4b為本發明的電感應加熱處理管狀材料端部的另一例子 的截面圖。
圖5a和5b為本發明的電感應加熱處理管狀材料端部的另一例子 的截面圖。
圖6a和6b為本發明的電感應加熱處理管狀材料端部的另一例子 的截面圖。
圖7a、 7b和8c為圖3中所示磁通量集中器的具有不同數量的外 圍磁極的備選例子的端視圖。
圖8a為圖7a所示的磁通量集中器的立體圖。
圖8b為本發明的具有錐形中央部分的磁通量集中器的立體圖， 其用於電感應加熱處理管狀材料端部。
圖9a和9b為本發明的電感應加熱處理管狀材料端部的另'例子 的截面圖。
圖10a、 10b和l.Oc為本發明的電感應加熱處理管狀材料端部的 另一例子的截面圖。
圖lla為本發明的電感應加熱處理管狀材料端部的另一例子的 截面圖。
圖lib為與本發明的電感應加熱處理管狀材料端部的一些例子 一起使用的、可調虹彩光圈的一個例子的端視圖。
圖12為本發明的用於電感應加熱處理管狀材料端部的另一磁通 量集中器的立體圖。
圖13a和13b為本發明的電感應加熱處理管狀材料端部的另一例 子的截面圖。圖14a和14b為本發明的電感應加熱處理管狀材料端部的另一例 子的截面圖。
圖15a和15b為本發明的電感應加熱處理管狀材料端部的另一例 子的截面圖。
圖16a、 16b和16c為圖12所示的磁通量集中器的具有不同數量 的外圍磁極的備選例子的端視圖。
圖17a、 17b和17c示出了本發明的電感應加熱處理管狀材料端 部的另一例子，其中磁通量集中器沿管狀材料的中心軸具有徑向可調 的元件。
圖18a、 18b和18c示出了圖17a、 17b禾口 17c所示磁通量集中器 的可調元件的重新定位。
圖19示出了本發明的電感應加熱處理管狀材料端部的-- 個例 子，其中使用了具有可變匝比的感應線圈。
具體實施例方式
本發明的用於管狀材料的端部加熱的電感應加熱處理裝置的一 個非限制性例子在圖3中示出。管磁通集中器10的端部包括基座]0a， 所述基座具有從其表面沿管狀材料95的軸向延伸的多個外圍磁極 10b和中央磁極10c，其插入感應線圈30內以在向所述線圈施加交流 功率時進行感應加熱處理。所述中央磁極位於所述管狀材料的內徑內 部。所述外圍磁極位於所述基座的外圍區域周圍並在所述管狀材料和 感應線圈的外表面的外部，如圖3中所示。集中器10可在+X或-X方 向移動以適應不同尺寸的管狀材料或影響加熱處理的端部長度。改變 集中器10相對於線圈30和管狀材料95的固定位置的位置使得可在 同一線圈內對不同大小、長度或冶金特性的管狀材料進行受控端部加 熱。
例如，圖4a和圖4b示出了使用同一磁通集中器10加熱具有不 同內徑和壁厚的兩個管狀材料，即圖4a中的管狀材料95a具有比圖 4b中的管狀元件95b更小的內徑及更大的厚度。在圖4a中，集中器10的中央磁極10c的端部沿X軸置於管狀元件95a的內開口中大致 x,距離以獲得所需端部加熱長度92;而在圖4b中，集中器10的中央 磁極10c沿X軸置於管狀元件95b的內開口內大致x2距離以獲得所需 端部加熱長度92。根據應用的特定需要，距離&可以為負(如圖4b 中所示，確立x^O的管狀材料端部的X位置)；S卩，所述中央磁極 10c的端部10c^可位於線圈外伸區域中的管的一定距離之外。
圖5a和5b示出了本發明的另一非限制性例子。在本發明的這些 例子中，集中器11包括基座元件lla、多個外圍磁極lib和中央磁 極llc。另外，所述基座和外圍磁極連同螺線管線圈30和管狀材料 95c或95d固定在適當位置。所述基座和外圍磁極至少包圍線圈30 的縱向長度的一部分。可選地，對一個或多個外圍磁極可提供支柱元 件lld。在該例子中，支柱元件lld位於每一外圍磁極的伸出端並朝 向所述管狀材料的外部。中央磁極llc可沿X軸在+X和-X方向移動。 如圖5a中所示，中央磁極llc的端部沿X軸置於管狀元件95c的內 開口中大致x:,距離以獲得所需端部加熱長度92;而在圖5b中，集中 器11的中央磁極llc沿X軸置於管狀元件95d的內開口內大致^距 離以獲得所需端部加熱長度92。根據應用的特定需要，距離)c,可以 為負；即，所述中央磁極llc的端部11c^可位於線圈外伸區域屮的 管的一定距離之外。
圖6a和圖6b示出了本發明的另一非限制性例子。這些例子與圖 5a和5b所示的例子類似，但支柱元件lld可在平行於相鄰外圍磁極 元件的長度的方向移動。本發明的該例子在控制熱過渡長度94時特 別有用。如圖6a中所示，支柱元件lld沿外圍磁極元件位於距所述 外圍磁極元件的伸出端x' 5距離處以獲得所需端部加熱長度92;而在 圖6b中，支柱元件lld位於x'。處，其定義為外圍磁極元件的端部。 在本發明的其它例子中，如上所述，可使用支柱元件lld和中央磁極 llc的組合移動。
在本發明的其它非限制性例子中，任何通量集中器均可以是包括 一對外圍磁極的"E"形集中器，如圖7a和圖8a或8b所示。在本發明的其它例子中，例如，外圍磁極的數量可增加到4或6個，分別如
圖7b和7c所示，或者為任何其它數量。儘管外圍磁極在圖8a和8b 中被圖示為彎曲的矩形元件，但它們可以為不同的形狀，只要它們在 感應線圈內的管狀材料端部周圍建立磁場即可。作為限制，磁極數量 可增加到在集中器的基座元件周圍形成緊密圓柱形外圍磁極結構的 數量。儘管上述通量集中器的基座元件在圖7a-7c、圖8a和8b中被 圖示為圓盤，但根據將要感應加熱處理的特定管狀材料，它們也可以 是其它形狀。儘管在本發明的上述部分例子中所述中央磁極被圖示為 單一圓柱形元件，但中央磁極也可以是不同的形狀，例如圖8b中所 示的錐形，並可由在管狀材料端部周圍建立合成磁場的多個中央磁極 元件組成。
圖9a和9b示出了本發明的特別適於與低電阻率管狀材料(例如， 銅、黃銅或鋁成分) 一起使用的例子。在圖9a的例子中，未使用中 央磁極。集中器13包括基座元件13a和多個外圍磁極13b，毎-外 圍磁極具有鄰近其伸出端定位的可選支柱元件13d。在本發明的該非 限制性例子中，基座元件13a為環形結構。或者，基座元件13a可以 是具有可調開口或孔徑的可調虹彩光圈，如圖llb中所示。基座、外 圍磁極和支柱連同螺線管線圈30和管狀材料95g固定在適當位置。 基座、外圍磁極和支柱至少包圍線圈30的縱向長度的一部分。管狀 材料95g的端部與基座元件13a的端面表面齊平，因而沒有外伸距離。 儘管圖9a和9b分別示出管狀材料95g和95h的端部分別與通量集中 器的基座元件13a和13a'齊平，但在本發明的其它例子中，所述管 的端部可偏離所述基座的表面，及所述環狀孔的直徑ch可小於感應線 圈內的管狀材料的內徑。圖9b中的結構與圖9a中的類似，但集中器 13'的基座元件13a'是實心圓柱形盤。
圖10a、 10b和10c示出了本發明的特別適於與高電阻率管狀材 料(例如，石墨或導電陶瓷成分) 一起使用的例子。在圖10a的例子 中，未使用中央磁極元件。集中器14包括基座元件14a和多個外圍 磁極14b，每一外圍磁極具有鄰近其伸出端定位的可選支柱元件14d。在本發明的該非限制性例子中，基座元件14a為環形結構並具有在基 座元件的朝向管的那一側上的開口周圍延伸以將基座元件延伸到外
伸區域內的環形偏移元件14e。在加熱過程期間集中器14的所有元 件均連同螺線管線圈30和管狀材料95j —起固定在適當位置。管狀 材料95j的端部與環形偏移元件14e的端面表面齊平。圖10b中所示 的結構與圖10a中的類似，但集中器14'的基座元件14a'是實心圓柱 形盤。圖10c中所示的結構與圖10b中所示的類似，但集中器14〃的 偏移元件14e"是實心圓柱形盤。
圖lla和llb示出了本發明的特別適於與低電阻率管狀材料一起 使用的例子。在這些例子中，管通量集中器的端部包括如圖lla中所 示的固定的環形結構15或如圖lib中所示的可調虹彩光圈15'，所 述可調虹彩光圈可有效地用作具有可變開口的環形結構以適應具有 不同特性和物理特徵的管狀材料的感應加熱。圖lib示出了典型的但 非限制性的可調虹彩光圈，其中葉片15' a旋轉連接到安裝結構15' b， 使得所述葉片的旋轉導致開口 15'c的大小的增加或減小。環形結構 15和光圈15'的中心軸均可與感應線圈或感應線圈內的管的屮心軸 對準。如圖11a中所示，當使用環形結構或光圈時，可提供外伸距離， 或者所述管的端部可與環形結構或光圈的表面接觸。環形結構15的 固定半徑或光圈15'的可變半徑均可在從小於管狀材料內逕到感應線 圈的內尺寸(如直徑)之間。
當在本發明的其它例子中使用中央磁極元件時，中央磁極元件可 包括多個結構，其共同形成中央磁極元件以在管狀材料的中心軸周圍 建立特定通量路徑。例如，在圖12中，磁通集中器20包括基座20a、 外圍磁極20b和中央磁極20c，其中中央磁極20c包括對稱安放在中 心軸周圍的四個楔元件20c'。每一楔元件20c'具有從所述楔元件的 一端(稱為會聚端)垂直延伸的基座支柱元件20a'以共同形成基座 20a。如圖12和圖16a中所示，外圍磁極20b從每一楔元件的另一端 (稱為分叉端)延伸。在本發明的其它例子中，外圍磁極的數量可增 加到4個或6個，分別如圖16b和16c所示，或者任何其它磁極數量。圖13a和13b示出了集中器的例子20，其中使用兩個外圍磁極 20b。其布置和結構分別與圖4a和4b中所示的類似，但在圖4a和 4b中使用的是圓柱形基座lOa和中央磁極10c。在圖13a中，中央磁 極20c (包括兩個楔元件20c')的端部關於X軸置於管狀元件95p的 內開口中約x,距離以獲得所需端部加熱長度92;而在圖13b中，集 中器20的中央磁極20c沿X軸置於管狀元件95q的內開口中約&距 離以獲得所需端部加熱長度92。根據應用的特定要求，距離xr可以 為負，即中央磁極20c的端部20c^可位於線圈外伸區域中的管之外 的一定距離處。
圖14a和14b示出了集中器的例子21，其中外圍磁極21b和可 選的支柱元件21d固定，而基座元件21a (包括兩個基座支柱元件 21a')和中央磁極21c (包括兩個楔元件21c')可在+X和-X方向移 動。其布置和結構分別與圖5a和5b中所示的類似，但在圖5a和5b 中使用的是圓柱形基座lla和中央磁極llc且只有中央磁極可移動。 如圖14a中所示，中央磁極21c的端部沿X軸置於管狀元件95r的內 開口內X3距離以獲得所需端部加熱長度92;而在圖1.4b中，集中器 21的中央磁極21c沿X軸置於管狀元件95s的內開口內^距離以獲 得所需端部加熱長度92。
圖15a禾n 15b示出了集中器的例子25，其中外圍磁極25b固定 而支柱元件25d可在平行於其相鄰外圍磁極的長度的方向移動。例子 25的布置和結構分別與圖6a和6b中所示的類似，但在圖6a和6b 中使用的是圓柱形基座lla和中央磁極llc。如圖15a中所示，支柱 元件25d沿外圍磁極元件25b置於距所述外圍磁極元件的伸出端x';-, 距離處以獲得所需端部加熱長度92;而在圖15b中，支柱元件25d 置於x'(,處，其定義為外圍磁極元件的伸出端的位置。在本發明的其 它例子中，如上所述，可使用支柱元件25d、基座元件25a(包括兩 個基座支柱元件25a')及中央磁極25c (包括兩個楔元件25c')的 組合移動。在本發明的其它例子中，可完成磁通集中器的所選組件關於管狀 材料的中心軸的徑向移動，所述集中器的一個或多個組件可以也可不 沿X軸移動。適當的機械元件可用於提供所述徑向移動。作為例子而
非限制，圖17a、 17b和17c示出了本發明的一個例子，其中磁通集
中器的所選組件關於管狀材料的中心(縱)軸徑向移動。這樣的移動 可用於適應不同直徑的管狀材料，如下進一步所述。參考這些附圖，
示例性的磁通集中器22與圖13a和13b中所示的集中器20類似，但 具有下述變化有6個外圍磁極22b位於感應線圈30周圍，連同可 選的支柱元件22d。每一基座支柱元件22a'和楔元件22c'可關於管 狀材料的中心軸A-A'徑向移動。所述6個基座支柱元件經穿過凸輪 從動件40和凸輪盤42中的槽(分別為47和45)的凸輪銷46連接 到結構支撐件44。凸輪盤42可在結構支撐件44和凸輪從動件40之 間任意旋轉，其中凸輪銷46使每一基座支柱元件22a'和楔元件22c' 或滑向中心軸或遠離中心軸。圖18a、 18b和18c示出了通過致動臂 48逆時針方向旋轉凸輪軸42的效果，即從圖18a到圖18c的過程。 由於從圖18a中的管95x到圖18c中的管95z所述管狀材料的直徑減 小，楔元件22c'和基座支柱元件22a'朝向中心軸徑向移動，使得楔 元件仍然能以最小徑向間隙(因為管狀材料的內徑減小)插入在管狀 材料的內部內。
本發明的任何通量集中器均可與可變繞組感應線圈結合，其中所 述感應線圈在熱過渡區94附近具有比端部加熱長度92內更密的匝比 (每單位長度L的匝數)，如圖19中所示。
在本發明的幾個分開的例子中說明的本發明的磁通集中器的特 徵可在本發明的其它例子中進行組合。在本發明的所有例子中，所述
磁通集中器可由任何適當的磁導(高磁導率)及具有相當高電阻率(低 功耗)的材料製成。在形式上，磁通集中器可以是磁性材料、鐵氧休、 含鐵及含鐵氧體的粉末材料的層疊堆，或者可以是鑄造件或多個部分 的組裝件。在本發明的所有例子中，術語"管狀材料"包括管，但也包括具 有縱(中心)軸和內開口的任何材料。例如，管狀材料截面可以為矩 形並具有相應的矩形內開口；在本發明的該例子中，中央磁極形狀可 以為矩形以插入管狀材料的矩形開口內。
在本發明的所有例子中，磁通集中器的移動可通過任何方法完 成，包括但不限於由操作員人工移動或由線性驅動裝置如電力或液壓 驅動進行移動。在本發明的一些例子中，進一步的移動可人工或自動 完成。例如，傳感器可檢測當前將要加熱處理的管狀材料的尺寸並向 處理器輸出信號，所述處理器運行適當移動集中器的位置的程序。傳 感器可以是近程傳感器，例如檢測將要加熱處理的管狀材料的外部和 /或內部的位置。在本發明的其它例子中，操作員可經適當的輸入設 備如鍵盤向處理器輸入數據以確定將要加熱處理的管狀材料"通量集 中器將根據所保存的位置值進行移動。在本發明的其它例子中，例如 傳感器可用於通過高溫計、紅外傳感器或其它熱成像傳感器實時檢測 端部加熱溫度以實時檢測端部加熱從而自適應地調整集中器的徑向 和軸向位置。該備選方案應考慮特定大小的管狀材料中的冶金反常並 相應調整集中器的位置。
在本發明的上述例子中示出了單層多匝線圈。然而，本發明不限 於特定類型的線圈設計。例如，單匝線圈、多層線圈或連接到多個電 源的多個線圈均可與本發明的裝置一起使用。
根據應用和過程要求，可採用不同設計的磁通集中器。例如，層 疊堆可以是連續圓形元件，或者可以由多個堆製成。根據應用和過程 要求的具體情況，"C"形(基座元件和兩個外圍磁極，沒有中央磁 極)、雙"C"形(基座元件和四個外圍磁極，沒有中央磁極)、"T"
形(基座元件和中央磁極，沒有外圍磁極)、或"F"形疊層或粉末 形成的磁通集中器或上述形狀的任何結合均可用於替代"E"形集中
器°
在本發明的上述例子描述螺線管線圈的位置保持不變的同時，在 本發明的其它例子中，螺線管線圈和本發明上面任一例子中描述的端部磁通集中器的組合移動均可使用，而不背離本發明的範圍。在本發 明的其它例子中，本發明上面例子中的任何集中器和/或管狀材料在 感應加熱處理過程期間均可旋轉。
如在本發明中使用的，術語"螺線管線圈"應當按其最寬含義理 解為一個或多個感應線圈的任何組合，當交流電流流過所述一個或多 個感應線圈時在其中產生磁場，所述磁場與插入一個或多個感應線圈 內的管狀材料的端部耦合。本發明不限於特定幾何結構的感應線圈。
在本發明的所有例子中，通過將管狀材料的整個長度插入螺線管 感應線圈內，管狀材料的兩端可被同時感應加熱，從而在管狀材料的 兩端建立外伸距離。
為了說明的目的提供的以上本發明實施例絕不應視為限制本發 明。在參考不同實施例描述本發明的同時，在此使用的詞句是描述和 說明性的詞句，而不是限制性的詞句。雖然已經結合具體裝置、材料 和實施例描述了本發明，但本發明不受在此公開的具體細節的限制， 本發明延伸到權利要求範圍內的所有功能等效的結構、方法和用途。 受益於本說明書和所附權利要求的教示的本領域技術人員可以實現 對本發明的多種修改，這些變化不脫離本發明的精神和實質。本發明 不限於上面所描述的內容，而是包括如所附權利要求詳述的發明。
權利要求
1、電感應加熱處理管狀材料的至少一端部區域的方法，該方法包括將管狀材料的所述至少一端部區域插入感應線圈直到距離所述感應線圈的端部為外伸距離為止並向所述感應線圈施加交流功率的步驟，其特徵在於使通量集中器位於感應線圈中的管狀材料的所述至少一端部區域附近，使得所述通量集中器的至少一中央磁極從所述通量集中器的基座表面的中央區域至少部分伸入所述外伸距離，及徑向分布在所述基座周邊周圍的多個外圍磁極在所述感應線圈的端部的外部周圍延伸，所述外圍磁極的延伸距離至少等於所述外伸距離的一部分，多個外圍磁極中的每一個均在伸出端終止。
2、 根據權利要求1的方法，還包括步驟沿所述通量集中器的 縱軸移動所述通量集中器以相對於所述管狀材料的至少一端部區域 和所述感應線圈的位置調整所述通量集中器的位置。
3、 根據權利要求2的方法，還包括步驟保持所述基座及所述 多個外圍磁極的位置不變並沿所述通量集中器的縱軸移動所述至少 一中央磁極以相對於所述基座和所述多個外圍磁極的位置調整所述 至少一中央磁極的位置。
4、 根據權利要求1的方法，還包括步驟鄰近於所述多個外圍 磁極中的至少一個的伸出端定位通量集中器並使通量集中器支柱朝 向所述管狀材料的外部。
5、 根據權利要求4的方法，還包括歩驟平行於所述多個外圍 磁極中的至少一個的長度方向移動所述通量集中器支柱。
6、 根據權利要求1的方法，其中所述基座包括徑向分布在所述 通量集中器的縱軸周圍的多個基座支柱，所述至少一中央磁極包括多 個楔，所述多個楔中的每一個從所述多個基座支柱之-一的會聚端的朝 向管的那一側垂直延伸，及所述多個外圍磁極中的每一個從所述多個 基座支柱之一的分叉端的朝向管的那一側垂直延伸。
7、 根據權利要求6的方法，還包括步驟沿所述通量集中器的 縱軸移動所述通量集中器以相對於所述管狀材料的至少一端部區域 及所述感應線圈的固定位置調整所述通量集中器的位置。
8、 根據權利要求6的方法，還包括步驟保持所述多個外圍磁極的位置不變並沿所述通量集中器的縱軸移動所述至少一中央磁極 和基座以相對於所述管狀材料的至少一端部區域及所述感應線圈的固定位置調整所述至少一中央磁極和基座的位置。
9、 根據權利要求6的方法，還包括步驟鄰近於至少一所述外 圍磁極的伸出端定位通量集中器支柱並使通量集中器支柱朝向所述 管狀材料的外部。
10、 根據權利要求9的方法，還包括歩驟平行於所述至少 -外 圍磁極元件的長度方向移動所述通量集中器支柱。
11、 根據權利要求6的方法，還包括步驟在垂直於所述通量集 中器的縱軸的方向移動所述多個基座支柱和楔。
12、 電感應加熱處理管狀材料的至少一端部區域的方法，包括步驟將管狀材料的至少一端部區域插入感應線圈內；鄰近於所述感應線圈的端部定位通量集中器的基座的表面；使多個外圍磁極在所述感應線圈端部的外部周圍從基座邊界延伸到伸出端，所述外圍磁極的延伸距離至少等於插入所述感應線圈內的管狀材料的端部；及向所述感應線圈施加交流功率。
13、 根據權利要求12的方法，還包括歩驟鄰近於所述多個外 圍磁極中的至少一個的伸出端定位通量集中器支柱並使通量集中器 支柱朝向所述管狀材料的外部。
14、 根據權利要求13的方法，還包括步驟平行於所述至少一外圍磁極元件的長度方向移動所述通量集中器支柱。
15、 根據權利要求12的方法，還包括步驟將所述基座形成為 環形結構或可調虹彩光圈，及使所述環形結構或光圈的中心與所述管 狀材料的縱軸對準。
16、 根據權利要求12的方法，還包括步驟使所述感應線圈中 的管狀材料的端部按與所述基座的朝向管的表面接觸進行定位。
17、 根據權利要求12的方法，還包括步驟使基座偏移元件按 其相對的表面與所述基座的朝向管的表面及所述管狀材料的端部接 觸進行定位。
18、 電感應加熱處理管狀材料的至少一端部區域的方法，包括歩驟將管狀材料的至少一端部區域插入感應線圈內；鄰近於感應線圈的端部定位環形結構通量集中器，所述環形結構 的中心軸與所述管狀材料的縱軸重合併具有從小於所述管狀材料的 內逕到所述感應線圈的內徑的開口直徑範圍；及向所述感應線圈施加交流功率。
19、 根據權利要求18的方法，其中所述環形結構由可調虹彩光 圈形成，其具有從小於所述管狀材料的內逕到所述感應線圈的內徑的 可變開口直徑範圍。
20、 管狀材料端部感應加熱裝置，包括用於管狀材料端部插入的 感應線圈及鄰近感應線圈端部置放並在插入所述感應線圈內端管狀 材料端部附近的環形結構通量集中器，所述環形結構的中心軸與所述 管狀材料的縱軸重合併具有從小於所述管狀材料的內逕到所述感應 線圈的內徑的開口直徑範圍。
21、 根據權利要求20的管狀材料端部感應加熱裝置，其中所述環形結構由可調虹彩光圈形成，其具有從小於所述管狀材料的內逕到 所述感應線圈的內徑的可變開口直徑範圍。
22、 根據權利要求20的管狀材料端部感應加熱裝置，其中所述 感應線圈在所述管狀材料的熱過渡區附近的繞組匝比大於在所述管 狀材料的端部加熱長度附近的繞組匪比。
23、 管端部通量集中器，包括基座和徑向分布在基座周邊周圍的 多個外圍磁極，所述多個外圍磁極中的每一個從所述基座的朝向管的 那一側向伸出端垂直延伸。
24、 根據權利要求23的管端部通量集中器，其中所述基座為圓 柱形、環形或可調虹彩光圈。
25、 根據權利要求23的管端部通量集中器，還包括從所述基座 的朝向管的表面延伸的基座偏移元件。
26、 根據權利要求23的管端部通量集中器，還包括從所述基座 的朝向管的那一側的中央區域延伸的至少一中央磁極。
27、 根據權利要求26的管端部通量集中器，其中所述至少一中 央磁極為圓柱形或錐形形狀。
28、 根據權利要求26的管端部通量集中器，其中所述至少一中 央磁極可沿其軸向長度相對於所述基座移動。
29、 根據權利要求28的管端部通量集中器，其中所述至少一中 央磁極為圓柱形或錐形形狀。
30、 根據權利要求26的管端部通量集中器，還包括鄰近於所述 多個外圍磁極中的至少一個的伸出端的通量集中器支柱，所述通量集 中器支柱朝向所述管端部通量集中器的縱軸。
31、 根據權利要求30的管端部通量集中器，其中所述通量集中 器支柱可在平行於所述多個外圍磁極中的至少一個的方向移動。
32、 根據權利要求26的管端部通量集中器，其中所述基座由關 於所述通量集中器的縱軸徑向分布的多個基座支柱形成；所述至少一 中央磁極包括多個楔，所述多個楔中的每一個從所述多個基座支柱中 的每一個的會聚端的朝向管的那一側垂直延伸；及所述多個外圍磁極 包括從所述多個基座支柱中的每一個的分叉端的朝向管端部的那一 側垂直延伸的外圍磁極。
33、 根據權利要求32的管端部通量集中器，其中所述基座和所 述至少一中央磁極的組合可沿所述通量集中器的縱軸相對於所述外 圍磁極移動。
34、 根據權利要求32的管端部通量集中器，還包括鄰近於所述多個外圍磁極中的至少一個的伸出端的通量集中器支柱，所述通量集 中器支柱朝向所述管端部通量集中器的縱軸。
35、 根據權利要求32的管端部通量集中器，其中所述通量集中 器支柱可在平行於所述多個外圍磁極中的至少一個的方向移動。
36、 根據權利要求32的管端部通量集中器，其中所述基座和所 述至少一中央磁極的組合可在垂直於所述通量集中器的縱軸的方向 移動。
全文摘要
本發明公開了用於在電感應加熱處理過程中控制管狀材料的端部加熱的磁通集中器。所述磁通集中器可由固定的元件或固定及可移動元件的組合組成以適應具有不同尺寸或材料特性的管狀材料的端部加熱。
文檔編號H05B6/02GK101438620SQ200780014828
公開日2009年5月20日 申請日期2007年3月27日 優先權日2006年4月24日
發明者D·L·洛夫萊斯, J·P·朗, P·A·羅斯, V·I·魯德涅夫 申請人:感應加熱有限公司