CN101813953A - 基于红外测温的铝合金半固态重熔加热控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于红外测温的铝合金半固态重熔加热控制方法及装置。红外测温仪对准半固态坯料表面中心位置，红外测温仪与微型计算机通过USB口进行通讯，在计算机中通过软件程序实现对温度数据的在线接收和处理，实时显示出温度变化曲线，并对感应加热器输出控制信号。本发明对于铝合金半固态坯料采用多步法进行重熔加热，同时通过红外测温***监测温度变化曲线，利用坯料相变特性达到准确控制坯料液相率的目的。本发明实现了铝合金坯料的半固态重熔加热液相率的非接触式测控，促进了半固态金属触变成形技术，避免了接触式测温带来的钻孔等麻烦，降低了设备成本，提高了工艺效率。

Description

基于红外测温的铝合金半固态重熔加热控制方法及装置

技术领域

本发明涉及金属材料成形技术，尤其涉及一种基于红外测温的铝合金半固态重熔加热控制方法及装置。

背景技术

20世纪70年代初，美国麻省理工学院的科学家首次发现了金属处于半固态状态下的流变性能，并发展了金属半固态成形技术，该工艺介于固态金属成形和液态金属成形之间，融合了铸造和塑性成形工艺优点，具有高效、节能等显著优点，被认为是21世纪最有发展前途的近净成形技术之一。近年来半固态金属成形技术在科学研究以及工业生产中均受到普遍关注，其研究成果在汽车工业中零件加工中已经取得了较大程度的应用。在目前半固态金属成形所选用的材料中，铝硅镁合金(尤其是A356，A357)凭借其较大的固液共存区以及良好的成形性能，成为该技术最为重要和常见的材料。

半固态金属成形的工艺可以分为触变成形和流变成形两种，其中流变成形是指将经搅拌获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态加工，而触变成形是指将半固态浆料冷却凝固成坯料后，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度，然后进行成形加工。触变成形工艺流程长，但它便于组织专业化生产，质量便于控制，因而成为半固态成形技术研究的重点，在现有的研究及工业应用中绝大多数采用触变成形的工艺。

半固态金属触变成形的工艺流程一般包括：半固态坯料制备、坯料运输切割、重熔加热以及触变成形。其中重熔加热的液相率控制是能否成功进行最终触变成形的关键，如果液相率过高，坯料产生“象足”现象，并造成难以搬运；反之如果液相率过低，则后续成形所需载荷将大大增加，丧失了半固态成形的优势。因此，在重熔加热过程中一般控制坯料液相率为40-50％时为宜。

目前半固态金属重熔加热的液相率控制方法主要有：热电偶测温法、尖针侵入法、加热能量控制法、线圈感应法、声压法等。

热电偶测温法是半固态技术实验研究中最常用的液相率控制方法，通过热电偶直接测量半固态坯料的温度，进而达到控制液相率的目的，具有直观、准确、连续的优点。热电偶测温法的最大缺点是每块坯料上均需钻孔，孔内表面在加热时容易氧化，降低毛坯的内在质量，而且每块坯料上取放热电偶的工艺操作麻烦，不适合高效率的生产控制。因此，热电偶测温法只适合实验研究，难以进入工业应用。

尖针侵入法采用一定重量和形状的尖针刺入半固态坯料表面，由于尖针刺入表面的速度与半固态的液相率有着较好的对应性，通过对照预先获得的实验曲线，即可达到控制坯料液相率的目的。该方法直观、简单，但刺入的过程形成小孔，孔洞内表面的氧化降低坯料质量，而且经过一次测量后如需再次测量还需在不同区域刺入，造成不便。

加热能量控制法是一种常用的开环控制方法，该方法通过经验数据以固定的加热功率、时间对于固定尺寸的工件进行加热，以固定的加热能量期望得到预定的液相率。该方法简单、便捷、成本低，然而该方法控制精度不高，对于坯料及其环境要求很高，条件改变将造成控制失败，产生废品。

线圈感应法的原理是金属坯料由固态向液态转变时，坯料电导率将明显下降，通过感应线圈可检测出感应涡电流的透入深度的变化，进而确定坯料液相率。该方法适应强，有发展潜力，但目前尚不成熟。缺点是液相率较低时准确度不高，易产生误报，另外如果坯料采用感应加热方式，则会对该方法产生影响。

声压法的工作原理是金属坯料在感应加热过程中会产生一个噪声场，该声场在固相转为液相时声压变化很强烈，声压法就是通过检测声压变化来得到坯料液相率。该方法尚处于实验阶段，未进入应用。

从金属坯料半固态重熔加热液相率控制技术的研究报道中可以发现，目前金属坯料半固态重熔加热尚缺乏一种易于工业应用的在线测控技术，现有的控制技术对于工业应用均不甚理想。

主要存在的问题有：

(1)对于金属坯料半固态重熔加热液相率的控制，开环的方法目前在工业中也被采用，但精度较差；

(2)为了对于液相率进行闭环精确控制，常采用接触式测量技术，这需要对每个工件进行打孔，破坏工件表面，不利于工业应用；

(3)半固态坯料重熔加热的非接触测温方法尚不成熟，有待进一步发展和改进。

为了便于金属坯料半固态重熔加热的液相率控制，降低生产成本，为后续的触变成形工艺创造条件，进而改进半固态金属成形技术，将其推向产业化应用，从而提供一种适合大批量、低成本和高效的金属近净成形技术，对于现有的半固态重熔加热控制方法进行改进是十分必要的。

发明内容

为了克服上述半固态坯料重熔加热液相率控制方法的不足，本发明的目的在于提供一种基于红外测温的铝合金半固态重熔加热控制方法及装置。采用红外测温仪对于重熔加热半固态铝合金进行非接触式测温，并依据温度变化曲线获得具有合适液相率(40％-50％)的半固态坯料，从而避免了接触式测温带来的麻烦，同时具有良好的控制效果，提高了生产效率。

本发明解决其技术问题所依据的基本原理是：

任何物体只要温度高于绝对零度，就有热辐射向外部发射，红外测温技术通过检测热辐射强度，并依据物体发射率来换算得到物体表面的温度。然而发射率在感应加热过程中难以准确获得，导致红外测温仪难以准确测出半固态坯料的加热温度，这也是红外测温仪在半固态坯料测温领域罕有应用的原因。然而，尽管红外测温仪对于物体绝对温度的测量存在局限，但对于温度的相对变化趋势可以进行准确的把握。本发明正是依据这一特点避免发射率标定的困难，通过监测半固态坯料的温度变化趋势，并依据铝合金坯料相变特性，获得具有合适液相率的半固态重熔坯料。

用于半固态成形的铝合金一般均为铝硅系合金，尤其是铝硅镁系合金中的A356和A357。在重熔加热的相变过程中，在固相率由约80％转化为约60％过程时，固相率下降，液相率上升，但温度基本保持不变，为铝硅二元共晶转变区。该段二元共晶转变区的实际意义在于：当采用一定功率的感应加热器对坯料进行感应加热时，合金在进入共晶转变区后温度曲线将出现一段明显的平坦区，而在共晶转变结束后，温度又将重新开始上升。在刚刚完成共晶转变时，铝合金坯料的液相率为40％-45％，正是最适于半固态触变成形的液相率范围。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种基于红外测温的铝合金半固态重熔加热控制方法，该方法包括以下各步骤：

1)将铝合金半固态坯料置于感应加热线圈中，调整红外测温仪对准坯料的表面中心位置，连接红外测温仪至计算机，开启测温软件显示温度变化曲线；

2)开始感应线圈加热，频率为7000-9000Hz，加热功率30-35kW，加热至540℃时停止加热；

3)停止加热5s后重新开始感应线圈加热，频率为7000-9000Hz，调节加热功率至15-20kW；

4)继续加热，待温度曲线趋于平稳不再上升时，调节加热功率为5-8kW；

5)继续加热，待温度曲线由平稳转而重新升高，重新升高5-10℃后停止加热；

6)完成铝合金半固态重熔加热，将半固态坯料移至后续加工环节。

二、一种基于红外测温的铝合金半固态重熔加热控制装置：

包括微型计算机、红外测温仪、感应加热线圈、耐火砖和感应加热器；将感应加热线圈置于耐火砖上，感应加热线圈内装有铝合金半固态坯料，红外测温仪对准在铝合金半固态坯料表面中心位置，红外测温仪与微型计算机通过USB口进行通讯，感应加热器的一端接感应加热线圈，感应加热器的另一端接微型计算机，微型计算机中运行的加热控制程序依据接收的温度信号，通过运算，实时输出控制信号，经过D/A转换卡导入感应加热器，达到对于铝合金半固态坯料感应线圈加热过程的闭环控制。

本发明具有的有益效果是：

本发明首次将红外非接触测温技术用于金属坯料半固态重熔加热控制，利用红外测温技术实现了金属坯料液相率的非接触测控，简化了工艺步骤，降低了制造成本。它对于促进金属半固态成形方法的发展及其应用具有重要意义。

附图说明

图1是半固态铝合金A356的固相率随温度变化曲线。

图2是半固态铝合金A356坯料在感应线圈加热过程中温度变化实验曲线。

图3是基于红外测温的铝合金半固态重熔加热控制装置示意图。

图4是基于红外测温的铝合金半固态重熔加热控制***示意图。

图中：1.微型计算机，2.红外测温仪，3.感应加热线圈，4.铝合金半固态坯料，5.耐火砖，6.感应加热器。

具体实施方式

如图3、图4所示，本发明包括微型计算机1、红外测温仪2、感应加热线圈3、耐火砖5和感应加热器6；将感应加热线圈3置于耐火砖5上，感应加热线圈3内装有铝合金半固态坯料4，红外测温仪2对准在铝合金半固态坯料4表面中心位置，红外测温仪2与微型计算机1通过USB口进行通讯，感应加热器6的一端接感应加热线圈3，感应加热器6的另一端接微型计算机1，微型计算机1中运行的加热控制程序依据接收的温度信号，通过运算，实时输出控制信号，经过D/A转换卡导入感应加热器6，达到对于铝合金半固态坯料感应线圈加热过程的闭环控制。

本发明应用于A356半固态铝合金感应加热的具体实施过程如下：

1)如图3所示，将铝合金半固态坯料4置于感应加热线圈3中，调整红外测温仪2对准坯料的表面中心位置，连接红外测温仪2至微型计算机1，开启测温软件显示温度变化曲线。

2)如图3所示，开始感应线圈加热，控制感应加热频率为7000-9000Hz，加热功率30-35kW，温度变化曲线呈明显上升趋势。由于感应加热的固有属性，铝合金半固态坯料4的边缘部分温度将高于中心部分温度，半固态成形结果受温度影响很大，坯料温度径向分布不均匀将对成形结果造成不利影响。因此，在对铝合金半固态坯料4持续加热至540℃后停止加热，在坯料温度低于540℃时不会发生相变反应。停止加热后由于热传导铝合金半固态坯料4径向温度将趋于均匀。

3)如图3所示，对铝合金半固态坯料4停止加热5s后重新开始感应线圈加热，控制感应加热频率为7000-9000Hz，调节加热功率至15-20kW。在步骤2中，采用大功率加热可以提高加热效率，但在临近固液共存区时降低功率从而降低加热速率可以降低坯料径向温差。

4)如图3所示，计算机监测温度变化曲线，待温度曲线在574℃左右趋于平稳不再上升时，调节加热功率5-8kW。温度曲线的平稳标志着铝合金半固态坯料4进入铝硅二元共晶相变区，在铝硅镁系合金中，硅元素的含量仅次于铝，因而铝硅二元共晶相变区在相变加热曲线中是一段明显的平稳段。在进入温度曲线平稳的二元共晶相变区后，由于即将达到目标液相率，因此进一步降低加热功率。

5)计算机监测温度变化曲线，待温度曲线由平稳的574℃转而重新升高，温度曲线的重新升高标志着铝硅共晶相变的结束，而此时的液相率正是半固态成形理想的40-45％，A356的固相率与温度的关系曲线如图1所示。待温度在574℃的基础上重新升高5-10℃，以确定铝合金半固态坯料4已经结束铝硅二元共晶相变区，停止加热。

图2为一段坯料加热过程的温度实测曲线，该实验曲线清晰地体现了加热过程中的平坦区，以及平坦区之后的温度再次上升，验证了以上理论预测。因此，通过红外测温仪监测温度变化曲线，进而控制温度曲线经过一段明显的平坦区再开始上升时，即达到适合半固态触变成形的液相率范围。

6)完成铝合金半固态重熔加热，将半固态坯料移至后续加工环节。

依据以上步骤编制控制程序，储存于计算机中，从而达到闭环控制的目标。控制***示意图如图4所示。

Claims (2)

1.一种基于红外测温的铝合金半固态重熔加热控制方法，其特征在于，该方法包括以下各步骤：

1)将铝合金半固态坯料置于感应加热线圈中，调整红外测温仪对准坯料的表面中心位置，连接红外测温仪至计算机，开启测温软件显示温度变化曲线；

2)开始感应线圈加热，频率为7000-9000Hz，加热功率30-35kW，加热至540℃时停止加热；

3)停止加热5s后重新开始感应线圈加热，频率为7000-9000Hz，调节加热功率至15-20kW；

4)继续加热，待温度曲线趋于平稳不再上升时，调节加热功率为5-8kW；

5)继续加热，待温度曲线由平稳转而重新升高，重新升高5-10℃后停止加热；

6)完成铝合金半固态重熔加热，将半固态坯料移至后续加工环节。

2.按权利要求1所述方法的一种基于红外测温的铝合金半固态重熔加热控制装置，其特征在于：包括微型计算机(1)、红外测温仪(2)、感应加热线圈(3)、耐火砖(5)和感应加热器(6)；将感应加热线圈(3)置于耐火砖(5)上，感应加热线圈(3)内装有铝合金半固态坯料(4)，红外测温仪(2)对准在铝合金半固态坯料(4)表面中心位置，红外测温仪(2)与微型计算机(1)通过USB口进行通讯，感应加热器(6)的一端接感应加热线圈(3)，感应加热器(6)的另一端接微型计算机(1)，微型计算机(1)中运行的加热控制程序依据接收的温度信号，通过运算，实时输出控制信号，经过D/A转换卡导入感应加热器(6)，达到对于铝合金半固态坯料感应线圈加热过程的闭环控制。

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