CN105821185B - 高强度钢梯度感应加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高强度钢梯度感应加热装置，包括：加热室，具有运送零件的进料口；传送带，其通过进料口穿过所述加热室至外部，用于在所述加热室内传送待加热零件；感应加热线圈，其为内径逐渐增大的锥形结构；所述传送带能够沿所述感应加热线圈中心轴线方向通过；变频装置，其电联所述感应加热线圈，用于改变所述感应加热线圈的通电频率；控制装置，其电联所述传送带，用于控制所述零件的停留位置。本发明具有误差小、可控温、加热温度梯度均匀的特点。

Description

高强度钢梯度感应加热装置

技术领域

本发明涉及高强度钢制备领域，具体涉及高强度钢梯度感应加热装置。

背景技术

随着能源危机和环境问题的凸显，汽车轻量化已成为人们关注的焦点。目前，实现汽车轻量化的主要途径有两种：一是结构轻量化，即利用有限元法和优化设计方法进行结构优化设计，改善零件结构、减少零件数量；二是材料轻量化，即在汽车制造上采用轻质材料，如：高强度钢、铝、镁合金，塑料及复合材料等。而如何在实现轻量化的同时，保证汽车碰撞安全性已成为问题的关键。

汽车碰撞安全性是指通过车辆结构及乘员保护***的安全性设计，尽可能在事故发生时降低乘员受伤的程度，而因正面碰撞事故中伤亡人数最多，使得汽车正面碰撞安全性格外引人关注。汽车在正面碰撞过程中通过乘员舱前部区域的变形，有效地吸收车辆的冲击动能，降低乘员舱变形，确保乘员有足够的生存空间。而薄壁箱形结构的前纵梁是前部区域中最主要的吸能部件，在正碰冲击动能一定的情况下，若设计刚度过大，会使碰撞中传递到乘员身上的减速度值超过人体的耐冲击阈值而直接致人伤亡；若设计刚度过小，会大大增加纵梁长度，同时，可能导致外部刚性物体侵入乘员舱，将乘员挤压伤亡，因此，汽车前纵梁的刚度设计对于其在正碰中的表现尤为重要。为在保证刚度设计要求的同时实现汽车轻量化，通常，在前纵梁上使用具有梯度特性的高强度钢，使其前端刚度小、塑性好，而后端刚度大、塑性差，从而在正面碰撞中实现从前至后的渐进压溃变形，确保其通过充分的塑性变形吸收足够的能量。

目前，实现具有特性梯度的高强度钢的方法有两种：一种是将高强度钢分段加热奥氏体化后，通过控制部件不同部位的冷却速度，使不同部位具有不同的室温组织结构，实现梯度特性分布，但此方法中模具设计复杂，成本较高，且对特性梯度分布控制不精确；另一种是采用感应加热方法将部件从前至后加热至不同温度后，再通过冷却方法使不同部位具有不同的室温组织结构，实现特性梯度分布，而现有技术中感应加热方法中主要有如下两种方法实现梯度加热：

1、通过感应加热来加热钢材的一部分，而其余部分通过热传导方式进行加热，距离感应加热部位越远，则热传导加热温度越低，从而实现特性梯度分布。此方法虽然设备比较简单，但温度梯度无法控制，误差较大。

2、通过设计两段不同的感应加热线圈，一段为加热线圈，一段为补温线圈，两段线圈通过不同频率的交流电，实现不同温度下的感应加热。加热时使钢材的前后两部分分别处于两段线圈之中，从而实现特性梯度分布。但此方法只能实现两段温度控制，无法实现均匀的温度梯度，使最终的梯度特性不够理想。

因此，需要在现有的基础上设计一种感应加热装置，来实现更加均匀且可控制的梯度感应加热，以完成不同梯度特性的高强度钢的加工。

发明内容

本发明设计开发了高强度钢梯度感应加热装置，目的是解决现有技术中存在的感应加热方法在实现零件梯度加热时温度误差大，不可控，不均匀等问题。本发明具有误差小、可控温、加热温度梯度均匀的特点。

本发明提供的技术方案为：

高强度钢梯度感应加热装置，包括：

加热室，具有运送零件的进料口；

传送带，其通过进料口穿过所述加热室至外部，用于在所述加热室内传送待加热零件；

感应加热线圈，其为内径逐渐增大的锥形结构；所述传送带能够沿所述感应加热线圈中心轴线方向通过；

变频装置，其电联所述感应加热线圈，用于改变所述感应加热线圈的通电频率；

控制装置，其电联所述传送带，用于控制所述零件的停留位置。

优选的是，还包括：支撑杆底座，其上表面固定安装传送带支撑杆。

优选的是，还包括：进料口封闭装置，其固定安装在所述支撑杆底座上，其能够将所述进料口关闭，使所述加热室处于封闭状态。

优选的是，所述进料口封闭装置包括：

炉门，其安装于所述进料口处，能够用于封闭所述进料口；

炉门伸缩装置，其与所述炉门固定连接；

伸缩杆套筒，其固定安装在所述支撑杆底座上，并且与所述炉门伸缩装置同轴布置；

其中，所述炉门伸缩装置以相对所述伸缩杆套筒滑动的方式安装在所述伸缩杆套筒中，进而控制所述炉门的开启或者关闭。

优选的是，所述进料口封闭装置还包括：伸缩杆套筒支撑底座，其固定支撑于所述支撑杆底座的上表面；其中，所述伸缩杆套筒的下表面固定支撑在所述伸缩杆套筒支撑底座的上表面。

优选的是，所述进料口封闭装置还包括：伸缩杆上部缩进套筒，其下表面焊接在所述伸缩杆套筒的上表面；所述炉门伸缩装置能够在所述伸缩杆上部缩进套筒中滑动，所述炉门伸缩装置的伸缩杆位于所述伸缩杆套筒中。

优选的是，所述支撑杆底座为长方体空心结构，所述变频装置设置在所述空心结构内部。

优选的是，还包括：冷却室，其为空心长方体室，用于使所述零件进行降温冷却；所述零件通过所述传送带穿过所述冷却室至外部。

优选的是，在所述加热室内，所述加热线圈通过固定挂钩固定在所述加热室内。

优选的是，所述传送带上设置有对所述零件的固定装置，其用于使所述零件在传送的过程中稳定传送。

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：

1、本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置具有感应加热技术本身的加热温度高、效率高、速度快、加热温度容易控制、易于实现机械化、自动化、无空气污染等优点；

2、本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置克服了现有技术存在的梯度感应加热温度误差大，不可控，不均匀等在变强度高强度钢加热工艺中存在的不足，提供了一种误差小，可控温，加热温度梯度均匀的梯度感应加热装置，来得到具有梯度特性的高强度钢；

3、与现有工业生产中生产工艺相比较，本发明所具有的优点为：(1)本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置所达到的温度梯度更均匀，使最终具有梯度特性的高强度钢性能更优异；(2)本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置可以控制所加热高强度零件的前后端能够达到的预期的温度，使零件加热温度可以控制；(3)本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置设有温度梯度控制装置，可以控制加热梯度的大小。

附图说明

图1为本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置未工作时的总剖视图；

图2为本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置工作时的总剖视图；

图3为本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置的进料口封闭装置及变变频装置的组合剖视图；

图4为本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置的进料口封闭装置及变变频装置的左视图；

图5为本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置加热室及温度梯度控制装置的组合剖视图；

图6为本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置冷却室及运料装置的组合剖视图；

图7为本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置中感应加热线圈的形状示意图；

图8为本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置中感应加热线圈的位置示意图；

图9为本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置包括运料装置、进料口封闭装置、变频装置、加热室、梯度温度控制装置、冷却室。

如图1所示，运料装置包括进料口零件固定装置7，传送带8，传送带支撑杆9，出料口零件放置位置18，传动皮带轮19，传动电动机20。

如图3所示，进料口封闭装置包括伸缩杆上部缩进套筒1，伸缩杆卡紧环2，伸缩杆套筒3，炉门伸缩装置4，伸缩杆套筒支撑底座5，炉门6，变频装置包括支撑杆底座10，变频装置11。

如图5所示，加热室包括加热室14，感应加热线圈15，线圈固定挂钩16，梯度温度控制装置包括温度梯度控制面板12，温度梯度控制室13。

如图3所示，在本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置中，伸缩杆上部缩进套筒1是空心圆柱，高为250mm，内径为30mm，外径为33mm；伸缩杆卡紧环2是金属圆环，外圈半径为25mm，内圈半径为20mm，厚为4mm，伸缩杆卡紧环2距伸缩杆套筒3上表面距离150mm；伸缩杆套筒3是空心圆柱，高为400mm，内径为50mm，外径为53mm；炉门伸缩装置4是实心圆柱体，半径为15mm；伸缩杆套筒支撑底座5是关于伸缩杆套筒3轴线对称的倒U形支架，支架上部支撑平板长度为400mm，宽度为100mm，厚度为20mm，下部的双侧支架高度为500mm，宽度为100mm，厚度为20mm；炉门是实心长方体，高度为250mm，宽度为250mm，厚度为50mm；进料口零件固定装置7为一段长度可变的零件固定工位；支撑杆底座10是长方体空心底座，长度为600mm，宽度为600mm，厚度为20mm，内置有变频装置11。

如图3所示，在本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置的进料口封闭装置中，伸缩杆上部缩进套筒1的下表面焊接于伸缩杆套筒3的上表面，伸缩杆卡紧环2的外表面焊接于伸缩杆套筒3的内表面，炉门伸缩装置4的下表面焊接于炉门6的上表面，伸缩杆套筒3的下表面通过焊接形式支撑于伸缩杆套筒支撑底座5的上表面，伸缩杆套筒支撑底座5的下部支撑固定于支撑杆底座10的上表面，传送带支撑杆9固定于支撑杆底座10的上表面，用于支撑传送带8。炉门伸缩装置4和伸缩杆套筒3同轴，炉门伸缩装置4在伸缩杆上部缩进套筒1中通过液压方式滑动，通过滑动控制炉门伸缩。炉门伸缩装置4的伸缩杆部分位于伸缩杆套筒3之中，通过炉门伸缩装置4在伸缩杆套筒3中的伸缩来控制炉门的开闭。其中变频装置11位于支撑杆底座10的空心室内部。

如图5所示，本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置的加热室14是空心长方体室，内部尺寸高度为800mm，长度为900mm，宽度为600mm，厚度为50mm；下部温度梯度控制室13是空心长方体室，内部尺寸高度为350mm，长度为920mm，宽度为820mm，厚度为40mm。

如图5所示，本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置的加热室14的左侧开有长230mm，高200mm的进料口。

如图5所示，本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置的加热室14内部，线圈固定挂钩16固定于加热室14的墙壁之中，上挂钩16-1、16-2与下挂钩16-3、16-4距离传送带表面距离相等，保证所加热高强度零件上下表面温度相同。感应加热线圈15固定于左上16-1、右上16-2、左下16-3、右下16-4的4个线圈固定挂钩之上，对位于传送带8之上的高强度零件21进行全方位加热。加热室14位于温度梯度控制面板12之上，中间通过两室壁隔开，温度梯度控制面板室13壁对加热室起支撑作用。

如图6所示，本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置的冷却室是空心长方体室，内部尺寸高度为450mm，长度为900mm，宽度为600mm，厚度为100mm；下部电动机室是空心长方体室，内部尺寸高度为740mm,长度为900mm，宽度为600mm，厚度为100mm。

如图6所示，高强度零件21加热后，在本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置的冷却室17中进行冷却，冷却完成后，高强度零件21停留在冷却室末端的出料口零件放置位置18，待进行下一步加工。冷却室17下部为传动电机室，电动机20和传动皮带轮19之间通过传送带8连接。

如图1所示，传送带8为耐热材料制成，在整个装置中循环运行，对高强度零件21起传动作用，控制工件的运动和停止。

如图2所示，在本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置进行加热时，炉门6处于封闭状态，保证加热室温度不受外界温度影响，传送带8处于停止状态，保证加热温度的准确性。

如图7和图8所示，为保证高强度零件21的上下两表面具有相同的温度，设计过程中保证高强度零件21的上下表面与具有特殊形状的感应加热线圈15的距离相等，即图8中d1和d2相等，保证上下表面加热温度均匀。

下面结合两个具体实施例来介绍高强度钢梯度感应加热装置的实际工作过程。

实施例1：零件的常用梯度感应加热工况

以长度为300mm截面尺寸为80mm×80mm，厚度为8mm的长方体薄壁金属零件的梯度感应加热为例：

1、预设工作：接通电源，调整变频装置11，使所能加热的最高温度为1000℃，然后于温度梯度控制面板12中设定预期加热最高温度为950℃，输入零件长度300mm，温度梯度150℃，温度梯度控制装置记录数据并计算传动装置所停位置，预设工作完成；

2、将零件固定于进料口零件固定装置7之上，利用炉门伸缩装置4打开炉门6，启动传动装置，传动装置在预设的位置自动停止，此时关闭炉门6，准备进行加热；

3、开启加热开关进行加热，达到预设加热时间后，开启传动装置，将零件迅速运离加热室14，运往冷却室17进行冷却，并关闭加热装置；

4、待零件冷却完成后，将零件运至出料口工件放置位置18，取出零件，进行下一步加工。

5、温度及组织分布：

本例所述零件长度为300mm，最高温度为950℃，温度梯度为150℃，零件最低温度为800℃，所以该零件温度梯度为0.5℃/mm。加热后经冷却处理，左端100mm，组织为马氏体，强度、刚度、硬度较大，但塑性较差；右端100mm，组织为珠光体，强度、刚度、硬度较小，但塑性较好；中间100mm为过渡区域，组织过渡平缓。

实施例2：零件梯度感应加热的特殊工况

1、对温度的调整：

以长度为300mm截面尺寸为80mm×80mm，厚度为8mm的长方体薄壁金属零件的梯度感应加热为例：

(1)当零件所需加热最高温度由实施例1中的950℃上升到1100℃时，可在预设工作中通过调整变频装置11，增大线圈所通交流电频率，从而增大产生的交变磁场强度，增大涡流效应，使零件所能加热的最高温度升高，使最高加热温度可达1200℃。再通过温度梯度控制面板12的调整使零件所加热最高温度为1100℃。(当所需加热整体温度下降时可通过调整变频装置11使通过线圈的交流电频率减小来实现)；

(2)将零件固定于进料口零件固定装置7之上，利用炉门伸缩装置4打开炉门6，启动传动装置，传动装置在预设的位置自动停止，此时关闭炉门6，准备进行加热；

(3)开启加热开关进行加热，达到预设加热时间后，开启传动装置，将零件迅速运离加热室14，运往冷却室17进行冷却，并关闭加热装置；

(4)待零件冷却完成后，将零件运至出料口工件放置位置18，取出零件，进行下一步加工。

2、对温度梯度的调整:

以长度为300mm截面尺寸为80mm×80mm，厚度为8mm的长方体薄壁金属零件的梯度感应加热为例：

(1)实际生产中根据不同梯度强度的要求，零件左右段的温差也有不同的要求，参阅图7感应线圈15的形状，工件位于感应加热线圈15中加热时，从左到右温度递减的同时，温度梯度也递减，因此当要增大温度梯度时，可在预设工作中，通过在温度梯度控制面板12中进行自动计算和设定，使工件停在加热区靠左的位置，使温度梯度由实施例1中的150℃上升到200℃。(若要减小温度梯度，则通过预设使工件停在加热区靠右的位置)。

(2)将零件固定于进料口零件固定装置7之上，利用炉门伸缩装置4打开炉门6，启动传动装置，传动装置在预设的位置自动停止，此时关闭炉门6，准备进行加热；

(3)开启加热开关进行加热，达到预设加热时间后，开启传动装置，将零件迅速运离加热室14，运往冷却室17进行冷却，并关闭加热装置；

(4)待零件冷却完成后，将零件运至出料口工件放置位置18，取出零件，进行下一步加工。

以上零件的特殊梯度感应加热工况中对温度的调整和对温度梯度的调整也可以同时进行。

综上所述，本发明与现有工业生产中生产工艺相比，对本发明还具有的特点做进一步的说明：

(1)本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置所达到的温度梯度更均匀，使最终具有梯度特性的高强度钢性能更优异；如图2所示，本发明所采用感应加热的线圈突破了传统感应线圈的形状，采用线圈螺旋内径逐渐增大的特殊形状的线圈。感应加热利用通有交流电的线圈，使周围产生交变的磁场，而金属材料处于交变磁场中会产生涡流效应的原理，利用涡流效应对金属材料进行加热；本发明所利用的原理为：感应线圈周围的交变磁场强度随着离线圈距离的增加而降低，从而使涡流效应减弱，导致加热温度降低。设计螺旋内径逐渐增加的感应加热线圈，从而使处于其中的等截面零件从一端到另一端与线圈的距离逐渐增大，使得被加热零件温度逐渐降低。因为整个加热线圈沿轴向的螺旋内径连续变化，使得加热时高强度零件的温度呈现连续梯度分布，从而使冷却后的高强度零件具有更加优异的梯度特性分布。

(2)本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置可以控制所加热高强度零件的前后端能够达到的预期的温度，使零件加热温度可以控制；如图3所示，温度控制主要利用变频装置实现，通过变频装置来改变所通交流电的频率，控制产生涡流的强弱程度，从而控制加热装置的最低和最高温度。

(3)本发明所述的高强度钢梯度感应加热装置设有温度梯度控制装置，可以控制加热梯度的大小；如图3所示，温度梯度控制装置为半自动控制装置，通过手动输入所通交流电频率、传动装置的传动速度、预期的温度梯度，自动计算被加热高强度零件在感应加热装置中所需的停留位置，进而使传动装置在零件到达此位置时停止传动，确保零件达到预定的加热时间和温度，加热完成后传动装置重新开始传动，使被加热零件迅速运离加热区。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.高强度钢梯度感应加热装置，其特征在于，包括：

加热室，具有运送零件的进料口；

传送带，其通过进料口穿过所述加热室至外部，用于在所述加热室内传送待加热零件；

感应加热线圈，其为内径逐渐增大的锥形结构；所述传送带能够沿所述感应加热线圈中心轴线方向通过；

变频装置，其电联所述感应加热线圈，用于改变所述感应加热线圈的通电频率；

控制装置，其电联所述传送带，用于控制所述零件的停留位置；

支撑杆底座，其上表面固定安装传送带支撑杆；

进料口封闭装置，其固定安装在所述支撑杆底座上，其能够将所述进料口关闭，使所述加热室处于封闭状态；

所述进料口封闭装置包括：

炉门，其安装于所述进料口处，能够用于封闭所述进料口；

炉门伸缩装置，其与所述炉门固定连接；

伸缩杆套筒，其固定安装在所述支撑杆底座上，并且与所述炉门伸缩装置同轴布置；

其中，所述伸缩杆套筒为空心圆柱，所述炉门伸缩装置是实心圆柱体，所述炉门伸缩装置以相对所述伸缩杆套筒滑动的方式安装在所述伸缩杆套筒中，进而控制所述炉门的开启或者关闭。

2.如权利要求1所述的高强度钢梯度感应加热装置，其特征在于，所述进料口封闭装置还包括：伸缩杆套筒支撑底座，其固定支撑于所述支撑杆底座的上表面；其中，所述伸缩杆套筒的下表面固定支撑在所述伸缩杆套筒支撑底座的上表面。

3.如权利要求2所述的高强度钢梯度感应加热装置，其特征在于，所述进料口封闭装置还包括：伸缩杆上部缩进套筒，其下表面焊接在所述伸缩杆套筒的上表面；所述炉门伸缩装置能够在所述伸缩杆上部缩进套筒中滑动，所述炉门伸缩装置的伸缩杆位于所述伸缩杆套筒中。

4.如权利要求1所述的高强度钢梯度感应加热装置，其特征在于，所述支撑杆底座为长方体空心结构，所述变频装置设置在所述空心结构内部。

5.如权利要求1-4中任一项所述的高强度钢梯度感应加热装置，其特征在于，还包括：冷却室，其为空心长方体室，用于使所述零件进行降温冷却；所述零件通过所述传送带穿过所述冷却室至外部。

6.如权利要求5所述的高强度钢梯度感应加热装置，其特征在于，在所述加热室内，所述加热线圈通过固定挂钩固定在所述加热室内。

7.如权利要求6所述的高强度钢梯度感应加热装置，其特征在于，所述传送带上设置有对所述零件的固定装置，其用于使所述零件在传送的过程中稳定传送。