摘 要：電磁感應(yīng)加熱作為一種高效清潔的加熱方式，被廣泛應(yīng)用于軸類(lèi)零件的加熱和熱處理，但其存在的強(qiáng)電磁干擾和工件表面氧化鐵皮給內(nèi)部溫度檢測(cè)帶來(lái)很大困難。而在軋輥等大型軸類(lèi)零件的表面感應(yīng)淬火熱處理工藝中，表層加熱溫度梯度對(duì)淬火熱處理組織和應(yīng)力有著非常重要的影響。為此，文章基于有限元軟件MSC.MARC，建立了軸類(lèi)件感應(yīng)加熱過(guò)程的電-磁-熱耦合有限元模型，研究了感應(yīng)加熱電流和頻率對(duì)工件表面溫度梯度的影響規(guī)律。并設(shè)計(jì)出一種接觸式溫度測(cè)量方法，解決了感應(yīng)加熱過(guò)程試件內(nèi)部溫度梯度的精確監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：軸類(lèi)件；電磁感應(yīng)；數(shù)值模擬；接觸式測(cè)溫

引言

軸類(lèi)件作為機(jī)械裝備關(guān)鍵部件，工作過(guò)程中多承受彎矩和扭矩等復(fù)雜組合載荷，為使其滿足服役力學(xué)性能和表面耐磨性等要求，在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛采用各類(lèi)熱處理工藝來(lái)保證軸類(lèi)件的特殊性能要求[1]。電磁感應(yīng)加熱，以其加熱速度快、溫度分布均勻、內(nèi)應(yīng)力差異小等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于表面淬火等熱處理工藝中[2-4]。實(shí)踐表明，淬火工件的溫度梯度直接影響產(chǎn)品最終組織類(lèi)型和應(yīng)力分布。然而，感應(yīng)加熱過(guò)程中存在的強(qiáng)電磁場(chǎng)給傳統(tǒng)熱電偶接觸測(cè)溫方法帶來(lái)很大困難，而由于工件表面氧化鐵皮會(huì)使紅外波形和輻射率發(fā)生改變。目前，常用的紅外表面測(cè)溫方法也存在一定的局限性[5-6]。

為此，文章提出一種基于熱電偶接觸式溫度測(cè)量的電磁感應(yīng)測(cè)溫方法，通過(guò)不同時(shí)刻斷電瞬間的無(wú)磁干擾以及時(shí)間離散重復(fù)測(cè)試數(shù)據(jù)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)加熱過(guò)程試件內(nèi)部溫度梯度的精確監(jiān)測(cè)。并結(jié)合感應(yīng)加熱理論與傳熱學(xué)理論，采用有限元法建立感應(yīng)加熱過(guò)程電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)的計(jì)算模型，通過(guò)有限元與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的辦法，研究了頻率、電流、功率、時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)工件內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的影響規(guī)律，為大型軋輥等工業(yè)重要軸類(lèi)零件的表面淬火熱處理中的感應(yīng)加熱數(shù)值預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 高頻感應(yīng)加熱的理論模型

2 軸類(lèi)件高頻感應(yīng)加熱的數(shù)值計(jì)算

電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬采用大型商業(yè)有限元軟件MARC來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1為建好的有限元模型，分別由遠(yuǎn)端空氣、線圈、工件和空氣四部分組成。溫度場(chǎng)求解過(guò)程中、線圈通過(guò)高頻磁場(chǎng)對(duì)工件進(jìn)行加熱，并通過(guò)空氣進(jìn)行熱交換和輻射換熱，同時(shí)考慮線圈內(nèi)部通水冷卻的換熱過(guò)程。

為便于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，文章模型工件采用45鋼，半徑為22mm，長(zhǎng)度112mm，初始溫度為20℃。為了更好地體現(xiàn)工件表面與芯部的溫度差、有無(wú)線圈包圍時(shí)的溫度差以及有無(wú)線圈包圍交界處的熱傳導(dǎo)過(guò)程，模型只采用了6匝線圈，即沒(méi)有全部包圍圓柱形工件。加熱過(guò)程的鋼板密度變化忽略為常值7850kg·m-3，與溫度相關(guān)的電導(dǎo)率？滓，相對(duì)磁導(dǎo)率？滓，熱傳導(dǎo)系數(shù)k和比熱容cp等材料參數(shù)詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[7]。

3 軸類(lèi)件高頻感應(yīng)加熱的結(jié)果分析

文章針對(duì)影響電磁感應(yīng)加熱速率和溫升效果的電流密度Js、電源頻率f和加熱時(shí)間t等3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，采用正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行了軸類(lèi)件電磁感應(yīng)加熱過(guò)程的電-磁-熱耦合數(shù)值分析計(jì)算。探討了工件局部感應(yīng)線加熱的分布規(guī)律，以及受熱區(qū)域的溫度場(chǎng)分布與加熱參數(shù)之間的關(guān)系。

3.1 電流密度JS的影響

圖2和圖3分別為不同電流密度下，試件表面溫度（A點(diǎn)）和試件直徑方向各點(diǎn)隨時(shí)間變化的結(jié)果。由圖2可知，隨著電流密度的逐漸增大，加熱速率、試件溫度和溫度加熱上限也越來(lái)越高。當(dāng)Js<3.5e7（A/m2）時(shí)，試件表面溫度在加熱時(shí)間內(nèi)呈線性分布。當(dāng)Js？叟3.5e7（A/m2）時(shí)，溫度開(kāi)始出現(xiàn)上限值，如Js=6.0e7（A/m2）時(shí)溫度上限為1400℃。取最大電流密度剛進(jìn)入穩(wěn)定時(shí)刻（t=8.5s）的溫度徑向分布分析可知（見(jiàn)圖3），電流密度越大，溫度趨向表面的特性越明顯，即渦流感應(yīng)深度越淺，由電磁感應(yīng)生成的熱量越集中于工件表面。

3.2 頻率f的影響

固定電流密度Js=3.5e7A/m2，加熱時(shí)間t=40s，取不同頻率對(duì)工件加熱分析結(jié)果。圖4為試件表面點(diǎn)在四種頻率下的溫度變化曲線，在相同的加熱模型下，工件溫度和加熱速度均隨頻率f的增大而增大溫度上升速度越大。圖5為加熱10s后試件沿直徑方向的溫度分布曲線。由此曲線表明，在電流密度和加熱時(shí)間相同的情況下，頻率f越大，從表面到中心點(diǎn)溫度下降越快，即渦流感應(yīng)深度越淺，由電磁感應(yīng)生成的熱量越集中于工件表面。當(dāng)f=2000Hz時(shí)，受熱的表層迅速升溫至奧氏體化，而短時(shí)間內(nèi)表面產(chǎn)生的熱量還未來(lái)得及傳入內(nèi)部，心部仍處于較低的溫度水平，淬火熱處理往往利用此特性以獲得表面淬火組織[8]。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

熱電偶測(cè)溫精確高，但易受強(qiáng)電磁場(chǎng)外界環(huán)境的影響。而紅外測(cè)量易受到氧化鐵皮、參數(shù)設(shè)置等因素的影響，其測(cè)量精度也不易保證且只能測(cè)量物體表面溫度，無(wú)法獲得軸類(lèi)工件表層的溫度梯度。為驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性和準(zhǔn)確測(cè)出感應(yīng)加熱過(guò)程中試件的溫度變化，文章在基本防干擾措施的基礎(chǔ)上提出了一種短時(shí)斷電溫度采集模式，利用感應(yīng)電源上的時(shí)鐘定時(shí)器，采集從初始常溫開(kāi)始加熱至ti時(shí)刻時(shí)的溫度。通過(guò)設(shè)定不同采集時(shí)間并重復(fù)測(cè)試采集，獲得時(shí)間離散化后對(duì)應(yīng)的溫度測(cè)試結(jié)果Ti，將點(diǎn)集（ti，Ti）進(jìn)行重構(gòu)便獲得完整的連續(xù)電磁感應(yīng)加熱的溫度歷程曲線。如圖6所示，將4根熱電偶依次布置在從心部到試件表面上，并通過(guò)NI采集卡和采集電腦進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)采集。高頻感應(yīng)加熱電源加熱頻率通過(guò)電腦進(jìn)行控制，采樣斷電時(shí)間采用圖6中方波形式進(jìn)行定時(shí)，加熱過(guò)程中每個(gè)0.5s中斷0.1s進(jìn)行溫度采集。

A、B、C點(diǎn)熱電偶溫度測(cè)試重構(gòu)曲線結(jié)果顯示各點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)相同，由于近表面點(diǎn)（A點(diǎn)）受金屬熱傳導(dǎo)和集膚效應(yīng)的影響，表面溫度（A點(diǎn)）比內(nèi)部溫度（B、C點(diǎn)）整體趨勢(shì)上高出100℃。由圖可知測(cè)得的溫度曲線光滑無(wú)毛刺，信號(hào)穩(wěn)定新好，滿足測(cè)試要求。圖7為B點(diǎn)模擬值與實(shí)測(cè)值的比較，可以看出兩者基本吻合，驗(yàn)證了有限元結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章結(jié)合有限元軟件marc進(jìn)行了軸類(lèi)件的感應(yīng)加熱的溫度場(chǎng)精細(xì)化分析和各參數(shù)影響規(guī)律研究，并設(shè)計(jì)出一種基于熱電偶接觸式溫度測(cè)量方法，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明感應(yīng)加熱器加載電流和電流頻率越大，溫度梯度越大，并且電流頻率的影響明顯大于電流強(qiáng)度的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]張?jiān)录t.加熱溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[D].江蘇：江南大學(xué)，2008.

[2]I. Magnabosco， P. Ferro， A. Tiziani et al. Induction heat treatment of a ISO C45 steel bar：Experimental and numerical analysis[J].Computational Materials Science，2006（35）：98-106.

[3]閆野，王倩，李波，等.=四匝感應(yīng)圈與傾斜感應(yīng)圈表面感應(yīng)淬火絲杠光桿的工藝分析[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2014，7：140-142.

[4]姜建華，鄭華毅.軋輥雙頻感應(yīng)淬火有限元模擬和工藝優(yōu)化[J].金屬熱處理，2002，6：44-46.

[5]趙前哲.鋼棒生產(chǎn)線感應(yīng)加熱過(guò)程的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2013.

[6]張雪飚，楊玉龍，劉玉君.鋼板高頻感應(yīng)加熱過(guò)程電磁-熱耦合場(chǎng)分析[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，52（5）：666-667.

[7]譚真，郭廣文.工程合金熱物性[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1994.

[8]Mackerle J. Finite element analysis and simulation of quenching and other heat treatment process a bibliography. Compute Master Science，2003，27（3）：313.

作者簡(jiǎn)介：章德斌（1976-），男，福建福安，漢族，博士，河北省教育考試院，高級(jí)工程師，研究方向：有限元。