基於紅外測溫的鋁合金半固態重熔加熱控制方法及裝置的製作方法

2023-12-09 15:24:36 2

專利名稱：基於紅外測溫的鋁合金半固態重熔加熱控制方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料成形技術，尤其涉及一種基於紅外測溫的鋁合金半固態重熔 加熱控制方法及裝置。
背景技術：
20世紀70年代初，美國麻省理工學院的科學家首次發現了金屬處於半固態狀態下的流變性能，並發展了金屬半固態成形技術，該工藝介於固態金屬成形和液態金屬成形 之間，融合了鑄造和塑性成形工藝優點，具有高效、節能等顯著優點，被認為是21世紀最有 發展前途的近淨成形技術之一。近年來半固態金屬成形技術在科學研究以及工業生產中均 受到普遍關注，其研究成果在汽車工業中零件加工中已經取得了較大程度的應用。在目前 半固態金屬成形所選用的材料中，鋁矽鎂合金(尤其是A356，A357)憑藉其較大的固液共存 區以及良好的成形性能，成為該技術最為重要和常見的材料。半固態金屬成形的工藝可以分為觸變成形和流變成形兩種，其中流變成形是指將 經攪拌獲得的半固態金屬漿料在保持其半固態溫度的條件下直接進行半固態加工，而觸變 成形是指將半固態漿料冷卻凝固成坯料後，根據產品尺寸下料，再重新加熱到半固態溫度， 然後進行成形加工。觸變成形工藝流程長，但它便於組織專業化生產，質量便於控制，因而 成為半固態成形技術研究的重點，在現有的研究及工業應用中絕大多數採用觸變成形的工 藝。半固態金屬觸變成形的工藝流程一般包括半固態坯料製備、坯料運輸切割、重熔 加熱以及觸變成形。其中重熔加熱的液相率控制是能否成功進行最終觸變成形的關鍵，如 果液相率過高，坯料產生「象足」現象，並造成難以搬運；反之如果液相率過低，則後續成形 所需載荷將大大增加，喪失了半固態成形的優勢。因此，在重熔加熱過程中一般控制坯料液 相率為40-50%時為宜。目前半固態金屬重熔加熱的液相率控制方法主要有熱電偶測溫法、尖針侵入法、 加熱能量控制法、線圈感應法、聲壓法等。熱電偶測溫法是半固態技術實驗研究中最常用的液相率控制方法，通過熱電偶直 接測量半固態坯料的溫度，進而達到控制液相率的目的，具有直觀、準確、連續的優點。熱電 偶測溫法的最大缺點是每塊坯料上均需鑽孔，孔內表面在加熱時容易氧化，降低毛坯的內 在質量，而且每塊坯料上取放熱電偶的工藝操作麻煩，不適合高效率的生產控制。因此，熱 電偶測溫法只適合實驗研究，難以進入工業應用。尖針侵入法採用一定重量和形狀的尖針刺入半固態坯料表面，由於尖針刺入表面 的速度與半固態的液相率有著較好的對應性，通過對照預先獲得的實驗曲線，即可達到控 制坯料液相率的目的。該方法直觀、簡單，但刺入的過程形成小孔，孔洞內表面的氧化降低 坯料質量，而且經過一次測量後如需再次測量還需在不同區域刺入，造成不便。加熱能量控制法是一種常用的開環控制方法，該方法通過經驗數據以固定的加熱 功率、時間對於固定尺寸的工件進行加熱，以固定的加熱能量期望得到預定的液相率。該方法簡單、便捷、成本低，然而該方法控制精度不高，對於坯料及其環境要求很高，條件改變將 造成控制失敗，產生廢品。線圈感應法的原理是金屬坯料由固態向液態轉變時，坯料電導率將明顯下降，通 過感應線圈可檢測出感應渦電流的透入深度的變化，進而確定坯料液相率。該方法適應強， 有發展潛力，但目前尚不成熟。缺點是液相率較低時準確度不高，易產生誤報，另外如果坯 料採用感應加熱方式，則會對該方法產生影響。聲壓法的工作原理是金屬坯料在感應加熱過程中會產生一個噪聲場，該聲場在固 相轉為液相時聲壓變化很強烈，聲壓法就是通過檢測聲壓變化來得到坯料液相率。該方法 尚處於實驗階段，未進入應用。
從金屬坯料半固態重熔加熱液相率控制技術的研究報導中可以發現，目前金屬坯 料半固態重熔加熱尚缺乏一種易於工業應用的在線測控技術，現有的控制技術對於工業應 用均不甚理想。主要存在的問題有(1)對於金屬坯料半固態重熔加熱液相率的控制，開環的方法目前在工業中也被 採用，但精度較差；(2)為了對於液相率進行閉環精確控制，常採用接觸式測量技術，這需要對每個工 件進行打孔，破壞工件表面，不利於工業應用；(3)半固態坯料重熔加熱的非接觸測溫方法尚不成熟，有待進一步發展和改進。為了便於金屬坯料半固態重熔加熱的液相率控制，降低生產成本，為後續的觸變 成形工藝創造條件，進而改進半固態金屬成形技術，將其推向產業化應用，從而提供一種適 合大批量、低成本和高效的金屬近淨成形技術，對於現有的半固態重熔加熱控制方法進行 改進是十分必要的。

發明內容
為了克服上述半固態坯料重熔加熱液相率控制方法的不足，本發明的目的在於 提供一種基於紅外測溫的鋁合金半固態重熔加熱控制方法及裝置。採用紅外測溫儀對 於重熔加熱半固態鋁合金進行非接觸式測溫，並依據溫度變化曲線獲得具有合適液相率 (40% -50% )的半固態坯料，從而避免了接觸式測溫帶來的麻煩，同時具有良好的控制效 果，提高了生產效率。本發明解決其技術問題所依據的基本原理是任何物體只要溫度高於絕對零度，就有熱輻射向外部發射，紅外測溫技術通過檢 測熱輻射強度，並依據物體發射率來換算得到物體表面的溫度。然而發射率在感應加熱過 程中難以準確獲得，導致紅外測溫儀難以準確測出半固態坯料的加熱溫度，這也是紅外測 溫儀在半固態坯料測溫領域罕有應用的原因。然而，儘管紅外測溫儀對於物體絕對溫度的 測量存在局限，但對於溫度的相對變化趨勢可以進行準確的把握。本發明正是依據這一特 點避免發射率標定的困難，通過監測半固態坯料的溫度變化趨勢，並依據鋁合金坯料相變 特性，獲得具有合適液相率的半固態重熔坯料。用於半固態成形的鋁合金一般均為鋁矽系合金，尤其是鋁矽鎂系合金中的A356 和A357。在重熔加熱的相變過程中，在固相率由約80%轉化為約60%過程時，固相率下降，液相率上升，但溫度基本保持不變，為鋁矽二元共晶轉變區。該段二元共晶轉變區的實際意 義在於當採用一定功率的感應加熱器對坯料進行感應加熱時，合金在進入共晶轉變區後 溫度曲線將出現一段明顯的平坦區，而在共晶轉變結束後，溫度又將重新開始上升。在剛剛 完成共晶轉變時，鋁合金坯料的液相率為40% -45%，正是最適於半固態觸變成形的液相 率範圍。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一、一種基於紅外測溫的鋁合金半固態重熔加熱控制方法，該方法包括以下各步驟1)將鋁合金半固態坯料置於感應加熱線圈中，調整紅外測溫儀對準坯料的表面中 心位置，連接紅外測溫儀至計算機，開啟測溫軟體顯示溫度變化曲線；2)開始感應線圈加熱，頻率為7000-9000HZ，加熱功率30_35kW，加熱至540°C時停 止加熱；3)停止加熱5s後重新開始感應線圈加熱，頻率為7000-9000HZ，調節加熱功率至 15-20kff ；4)繼續加熱，待溫度曲線趨於平穩不再上升時，調節加熱功率為5_8kW ；5)繼續加熱，待溫度曲線由平穩轉而重新升高，重新升高5-10°C後停止加熱；6)完成鋁合金半固態重熔加熱，將半固態坯料移至後續加工環節。二、一種基於紅外測溫的鋁合金半固態重熔加熱控制裝置包括微型計算機、紅外測溫儀、感應加熱線圈、耐火磚和感應加熱器；將感應加熱 線圈置於耐火磚上，感應加熱線圈內裝有鋁合金半固態坯料，紅外測溫儀對準在鋁合金半 固態坯料表面中心位置，紅外測溫儀與微型計算機通過USB 口進行通訊，感應加熱器的一 端接感應加熱線圈，感應加熱器的另一端接微型計算機，微型計算機中運行的加熱控制程 序依據接收的溫度信號，通過運算，實時輸出控制信號，經過D/A轉換卡導入感應加熱器， 達到對於鋁合金半固態坯料感應線圈加熱過程的閉環控制。本發明具有的有益效果是本發明首次將紅外非接觸測溫技術用於金屬坯料半固態重熔加熱控制，利用紅外 測溫技術實現了金屬坯料液相率的非接觸測控，簡化了工藝步驟，降低了製造成本。它對於 促進金屬半固態成形方法的發展及其應用具有重要意義。


圖1是半固態鋁合金A356的固相率隨溫度變化曲線。圖2是半固態鋁合金A356坯料在感應線圈加熱過程中溫度變化實驗曲線。圖3是基於紅外測溫的鋁合金半固態重熔加熱控制裝置示意圖。圖4是基於紅外測溫的鋁合金半固態重熔加熱控制系統示意圖。圖中1.微型計算機，2.紅外測溫儀，3.感應加熱線圈，4.鋁合金半固態坯料， 5.耐火磚，6.感應加熱器。
具體實施例方式如圖3、圖4所示，本發明包括微型計算機1、紅外測溫儀2、感應加熱線圈3、耐火磚5和感應加熱器6 ；將感應加熱線圈3置於耐火磚5上，感應加熱線圈3內裝有鋁合金半 固態坯料4，紅外測溫儀2對準在鋁合金半固態坯料4表面中心位置，紅外測溫儀2與微型 計算機1通過USB 口進行通訊，感應加熱器6的一端接感應加熱線圈3，感應加熱器6的另一 端接微型計算機1，微型計算機1中運行的加熱控制程序依據接收的溫度信號，通過運算， 實時輸出控制信號，經過D/A轉換卡導入感應加熱器6，達到對於鋁合金半固態坯料感應線 圈加熱過程的閉環控制。本發明應用於A356半固態鋁合金感應加熱的具體實施過程如下1)如圖3所示，將鋁合金半固態坯料4置於感應加熱線圈3中，調整紅外測溫儀2 對準坯料的表面中心位置，連接紅外測溫儀2至微型計算機1，開啟測溫軟體顯示溫度變化 曲線。2)如圖3所示，開始感應線圈加熱，控制感應加熱頻率為7000-9000HZ，加熱功率 30-35kW，溫度變化曲線呈明顯上升趨勢。由於感應加熱的固有屬性，鋁合金半固態坯料4 的邊緣部分溫度將高於中心部分溫度，半固態成形結果受溫度影響很大，坯料溫度徑向分 布不均勻將對成形結果造成不利影響。因此，在對鋁合金半固態坯料4持續加熱至540°C後 停止加熱，在坯料溫度低於540°C時不會發生相變反應。停止加熱後由於熱傳導鋁合金半固 態坯料4徑向溫度將趨於均勻。3)如圖3所示，對鋁合金半固態坯料4停止加熱5s後重新開始感應線圈加熱，控 制感應加熱頻率為7000-9000HZ，調節加熱功率至15-20kW。在步驟2中，採用大功率加熱 可以提高加熱效率，但在臨近固液共存區時降低功率從而降低加熱速率可以降低坯料徑向
iS差ο4)如圖3所示，計算機監測溫度變化曲線，待溫度曲線在574°C左右趨於平穩不再 上升時，調節加熱功率5-8kW。溫度曲線的平穩標誌著鋁合金半固態坯料4進入鋁矽二元共 晶相變區，在鋁矽鎂系合金中，矽元素的含量僅次於鋁，因而鋁矽二元共晶相變區在相變加 熱曲線中是一段明顯的平穩段。在進入溫度曲線平穩的二元共晶相變區後，由於即將達到 目標液相率，因此進一步降低加熱功率。5)計算機監測溫度變化曲線，待溫度曲線由平穩的574°C轉而重新升高，溫度 曲線的重新升高標誌著鋁矽共晶相變的結束，而此時的液相率正是半固態成形理想的 40-45%,A356的固相率與溫度的關係曲線如圖1所示。待溫度在574°C的基礎上重新升高 5-10°C，以確定鋁合金半固態坯料4已經結束鋁矽二元共晶相變區，停止加熱。圖2為一段坯料加熱過程的溫度實測曲線，該實驗曲線清晰地體現了加熱過程中 的平坦區，以及平坦區之後的溫度再次上升，驗證了以上理論預測。因此，通過紅外測溫儀 監測溫度變化曲線，進而控制溫度曲線經過一段明顯的平坦區再開始上升時，即達到適合 半固態觸變成形的液相率範圍。6)完成鋁合金半固態重熔加熱，將半固態坯料移至後續加工環節。依據以上步驟編制控制程序，儲存於計算機中，從而達到閉環控制的目標。控制系 統示意圖如圖4所示。
權利要求
一種基於紅外測溫的鋁合金半固態重熔加熱控制方法，其特徵在於，該方法包括以下各步驟1)將鋁合金半固態坯料置於感應加熱線圈中，調整紅外測溫儀對準坯料的表面中心位置，連接紅外測溫儀至計算機，開啟測溫軟體顯示溫度變化曲線；2)開始感應線圈加熱，頻率為7000-9000Hz，加熱功率30-35kW，加熱至540℃時停止加熱；3)停止加熱5s後重新開始感應線圈加熱，頻率為7000-9000Hz，調節加熱功率至15-20kW；4)繼續加熱，待溫度曲線趨於平穩不再上升時，調節加熱功率為5-8kW；5)繼續加熱，待溫度曲線由平穩轉而重新升高，重新升高5-10℃後停止加熱；6)完成鋁合金半固態重熔加熱，將半固態坯料移至後續加工環節。
2.按權利要求1所述方法的一種基於紅外測溫的鋁合金半固態重熔加熱控制裝置，其 特徵在於包括微型計算機(1)、紅外測溫儀(2)、感應加熱線圈(3)、耐火磚(5)和感應加 熱器(6)；將感應加熱線圈(3)置於耐火磚(5)上，感應加熱線圈(3)內裝有鋁合金半固態 坯料(4)，紅外測溫儀(2)對準在鋁合金半固態坯料(4)表面中心位置，紅外測溫儀(2)與 微型計算機(1)通過USB 口進行通訊，感應加熱器(6)的一端接感應加熱線圈(3)，感應加 熱器(6)的另一端接微型計算機(1)，微型計算機(1)中運行的加熱控制程序依據接收的溫 度信號，通過運算，實時輸出控制信號，經過D/A轉換卡導入感應加熱器(6)，達到對於鋁合 金半固態坯料感應線圈加熱過程的閉環控制。
全文摘要
本發明公開了一種基於紅外測溫的鋁合金半固態重熔加熱控制方法及裝置。紅外測溫儀對準半固態坯料表面中心位置，紅外測溫儀與微型計算機通過USB口進行通訊，在計算機中通過軟體程序實現對溫度數據的在線接收和處理，實時顯示出溫度變化曲線，並對感應加熱器輸出控制信號。本發明對於鋁合金半固態坯料採用多步法進行重熔加熱，同時通過紅外測溫系統監測溫度變化曲線，利用坯料相變特性達到準確控制坯料液相率的目的。本發明實現了鋁合金坯料的半固態重熔加熱液相率的非接觸式測控，促進了半固態金屬觸變成形技術，避免了接觸式測溫帶來的鑽孔等麻煩，降低了設備成本，提高了工藝效率。
文檔編號G05B15/02GK101813953SQ20101015820
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月27日 優先權日2010年4月27日
發明者周紅華, 姚喆赫, 梅德慶, 錢淼, 陳子辰 申請人:浙江大學