导电工件在具有通量补偿器的螺线管线圈中的受控电感应加热制造技术

本发明专利技术公开了用于在同一感应线圈中感应加热具有变化的特性的工件的装置和方法，其中用连同将要感应加热的工件插入感应线圈的一个或多个通量补偿器有选择地控制每一工件的感应加热温度分布。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及位于螺线管感应线圈内的导电工件的电感应加热。
技术介绍
电感应加热可用于加热导电材料。例如，在锻造、挤压、滚压及其它金属热成形操 作之前可使用感应加热。在其它应用中，导电工件的感应加热可用于热处理过程如硬化、退 火、正火、应力消除和回火。一些应用要求整个工件的均勻加热，而其它应用要求加热工件 的特定区域，或者在挤压过程之前要求将工件如铝坯从头到尾加热到梯度温度。如图1(a)中所示，圆柱形形状的工件90保持在螺线管感应线圈30内的适当位 置。用于将工件保持在线圈内的支撑结构未在图1(a)中示出。当适当的交流功率施加到 线圈时，导电工件由与交流电流流过线圈建立的大致纵向的通量场的磁耦合感应加热。当 希望沿工件长度方向均勻加热时，工件定位在线圈中使得线圈的两端悬在线圈中的工件的 两端之上。如图中所示，线圈和工件的纵向中心轴(图1(a)中指示为X')可重合，及线圈 大致成形为与工件的纵向表面相符或者实现沿工件长度方向变化程度的感应加热。在线圈 每一端处的线圈外伸距离x。h控制在线圈内部外伸区域中建立的通量场的形状，如该例子 中所要求的，使得在工件两端内建立的通量场强度实现沿工件长度方向的均勻加热，包括 工件的两端。例如，可在图1(c)中的相邻理想化等温虚线之间形成的等温截面区域Ris。中 沿工件的整个长度L1实现均勻的纵向温度T1 (在图1(b)中图示)。实现该工件加热轮廓 所需要的外伸距离受多个参数影响，包括工件的外径(OD)、工件的总长度、工件的物理和冶 金性质、线圈几何结构、及施加到线圈的交流功率的频率。术语“工件特性”用于总称工件 的物理尺寸和冶金性质。因此，其中每一线圈具有独特特性及可能还具有不同电源的不同 线圈理想地用于均勻加热不同尺寸或不同物理性质的工件。然而，在工业环境中改变线圈 以适应具有不同特性的工件的时间和成本效率均低。因此，通常进行调节以在连接到一个 交流电源的同一感应线圈中加热各种大小的工件，但具有变化的成功程度。单一感应线圈中加热的工件的长度变化直接影响线圈每一端处的线圈外伸距离， 因而影响沿感应加热的工件的总长度的温度分布。例如，当在为均勻纵向加热较长总长度 的圆柱形工件设计的感应线圈中感应加热相对较短总长度的圆柱形工件时，相较较长工件 的外伸区域，暴露给更大线圈外伸区域的较短工件的端部区域将具有过多的热源，因而相 对于较短工件的中心区域将过热。例如，图2(a)、图2(b)和图2(c)中的每一个示出了同一 感应线圈30用于感应加热具有不同尺寸的三个工件。图2(a)中的工件90a具有等于OD1 的OD和等于L1的总长度；图2(a)中的工件90a具有等于OD1的OD和等于L1的总长度；图 2(b)中的工件90b具有等于OD1WOD和等于L2的长度，L2小于长度L1;图2 (c)中的工件 90c具有等于OD2WOD和等于L1的总长度，OD2小于外径OD115如图2(a)'、图2 (b)‘和图 2(c)'中分别对应于图2(a)、图2(b)和图2(c)的加热工件温度分布曲线所示，线圈外伸距 离乂-沿图〗^)中所示特定几何结构的工件的总长度提供所希望的均勻温度分布，但同一4线圈沿图2(b)和图2(c)中不同几何结构的工件的长度不能提供温度均勻性。之后，将较 短工件非对称地定位在线圈中(图2(b))使得一端的线圈外伸距离为最佳距离(X。hl)将在 工件的该端提供所希望的温度均勻性，代价是在工件的另一端出现增强的过热。加热其OD 小于感应线圈设计成对之均勻加热的工件OD的工件导致较小OD工件的端部欠热，这由对 应于图2(c)方案的图2(c)‘中所示的电磁端部效应的热源减少引起。如果两个工件具有相同形状但由具有不同物理或冶金性质的材料制成，例如具有 不同电阻率(P )的金属合金，使用设计来将两个工件中具有电阻率P ！的第一工件感应加 热到均勻纵向温度分布的感应线圈和电源将导致具有电阻率P2的第二工件的端部过热， 这由电磁端部效应引起，其中P2小于P115相反，如果第二工件具有大于P1W电阻率P3， 则将导致第二工件的端部欠热。在线圈两端具有电源连接的单螺线管线圈的备选方法是沿线圈一端的长度具有 多个电源抽头连接80，如图3(a)和图3(b)中图示。通过基于将要在线圈中加热的工件的 特性选择电源端部抽头80，可改变线圈的加电长度因而改变外伸距离以实现具有不同特性 的工件的均勻加热，前述工件如图3(b)中的工件90a'(使用端部抽头80b)，其总长度比图3(a)中的工件90a(使用端部抽头80a)短。 这种多抽头结构有几个缺点。例如，当手动改变抽头时，失去一些工件加热生产时间。这些 及其它因素使多抽头线圈结构不利于感应加热大量具有不同特性的工件。本专利技术的目标之一在于在同一感应线圈或感应线圈组合中有选择地控制具有不 同特性的导电工件的感应加热温度分布。本专利技术的另一目标在于在单感应线圈或感应线圈组合中沿具有不同特性的导电 工件的总长度实现均勻的温度分布。本专利技术的又一目标在于通过在单一感应线圈中有选择地控制具有不同特性的导 电工件的感应温度分布而提高包括单一感应线圈和电源的感应加热系统的通用性。
技术实现思路
一方面，本专利技术为在从交流电源接收功率的至少一螺线管线圈中电感应加热导电 工件的装置和方法，其中至少一通量补偿器被使得靠近线圈中的工件的至少一端以影响工 件的感应加热温度分布。通量补偿器基于将要感应加热的工件的特性及所要求的感应加热 温度分布进行选择。另一方面，本专利技术为在没有通量集中器的情况下控制导电工件中感应的纵向截面 加热分布的装置和方法。工件定位在螺线管型感应线圈中使得邻近工件端部存在线圈外伸 区域。通量补偿器定位在线圈外伸区域中，通量补偿器的一端非常接近工件端部以改变工 件端部中感应的纵向截面加热分布。在本专利技术的其它例子中，在通量补偿器和工件的对向 端之间提供电磁间隙。交流电流提供给感应线圈以在导电工件中产生感应的纵向截面加热 分布。本专利技术的上述及其它方面在本说明书及所附权利要求中提出。 附图说明如下简要汇总的附图仅为示意性理解本专利技术的目的给出，并不限制本说明书及所5附权利要求中进一步提出的专利技术图1(a)示出了螺线管线圈的截面图，导电工件定位在线圈中使得线圈两端处的 线圈外伸距离一样；图1(b)图示了对于图1(a)中所示的线圈和工件方案在图1(c)所示的 理想化截面等温区域Ris。沿工件长度获得的均勻温度分布。图2(a)'、图2(b)'和图2(c)'示出了当分别按图2 (a)、图2 (b)和图2 (c)方案 所示在同一感应线圈中感应加热时沿具有不同特性的工件的总长度的温度分布的变化。图3(a)和图3(b)示出了多抽头线圈的截面图，其可用于补偿具有不同特性的各 种工件的感应加热以使各种工件的不规则端部加热的影响最小。图4 (a)、图4 (b)和图4 (c)示出了本专利技术的电感应加热装置的一个例子的截面图。图5(a)示出了截面图，其中导电工件插入感应线圈内使得线圈两端处的线圈外 伸距离一样；及图5(b)示出了对于图5 (a)中所示的线圈和工件布置，沿工件长度可实现的 均勻温度分布。图6(a)示出了本专利技术的电感应加热装置的另一例子的截面图，及图6(b)示出了 对于图6(a)中所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
在没有通量集中器的情况下控制导电工件中感应的纵向截面加热分布的方法，该方法包括步骤：将工件定位在螺线管型感应线圈中使得邻近工件的至少一端存在线圈外伸区域；将至少一通量补偿器定位在线圈外伸区域中，至少一通量补偿器的一端接近工件的至少一端以改变在工件的至少一端中感应的纵向截面加热分布；及向感应线圈供应交流电流以在导电工件中产生感应的纵向截面加热分布。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：VI鲁德涅夫，DL洛夫莱斯，
申请(专利权)人：感应加热有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]