劉 杰，張友君，嚴 琴，丁志敏，孟喜軍，陳旭鵬，王怡人

（1.湖南飛沃新能源科技股份有限公司，湖南 常德 415700；2.中南大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

42CrMoA鋼由于其良好的綜合性能，較好的低溫沖擊韌性，可作為緊固螺栓用鋼應用于大型風電設備中，為風電技術(shù)的應用提供安全可靠的保障。相對被緊固零件來說，緊固件顯得十分微小，所以緊固螺栓的產(chǎn)品質(zhì)量問題很容易被人忽略。加之設備在服役的過程中，預緊力、交變載荷、溫差變化等惡劣的服役條件使得原本存在產(chǎn)品中不容易被察覺的質(zhì)量問題被放大［1］，一旦在使用過程中出現(xiàn)問題，維修困難，維修成本巨大。

風電緊固螺釘很多采用鐓制成型方式，在鐓制過程中，胚料的頭部為主要變形部位，為了保證良好的成型性，降低變形抗力，減少裂紋和成型過程中胚料不能很好地填充整個模具等不合格品的出現(xiàn)，需要對胚料進行加熱。對胚料加熱一般有兩種方式，即火焰加熱和電加熱。傳統(tǒng)火焰加熱的加熱速度慢、效率低、能耗大，不適用于實際工廠生產(chǎn)。電加熱包括接電阻加熱和電磁感應加熱。電阻加熱采用電阻絲或電加熱棒，通過直接與被加熱物體（多為液體）接觸升溫，然而電阻加熱的加熱溫度一般在300℃以下，且接觸式加熱容易產(chǎn)生漏電和觸電，安全危害較高。電磁感應加熱，電流通過感應器（即線圈）產(chǎn)生交變磁場，具有導磁性的被加熱物體置于其中，切割交變磁力線，從而在物體內(nèi)部產(chǎn)生交變的電流（即渦流），渦流使物體內(nèi)部的原子高速無規(guī)則運動，原子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能，從而升溫［2，3］。相比普通電阻加熱，電磁感應加熱可以在很短的時間使胚料的溫度上升，并且可以通過控制電流頻率來改變升溫速率，且感應加熱是一種非接觸式加熱，不產(chǎn)生廢氣，有助于改善實際工廠生產(chǎn)環(huán)境質(zhì)量［4］。對于緊固螺栓來說，鐓制變形的區(qū)域主要集中在螺栓頭部，采用電磁感應加熱可以限定在頭部區(qū)域，使其快速滿足后續(xù)的鐓制過程的溫度需求。

有限元分析軟件Deform-3D可以實現(xiàn)對感應加熱工序的全過程模擬，通過對不同感應加熱工藝參數(shù)的控制，調(diào)整不同感應加熱初始溫度、時間及設置不同線圈與胚料相對位置，結(jié)合胚料溫度場分析，可以合理優(yōu)化控制感應加熱工序中工件的溫度分布，有助于優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)。

1 感應加熱過程及工藝參數(shù)設定

感應加熱過程胚料處于溫度場、電磁場，應力應變場的共同作用下的升溫過程，不同的溫度下材料也會表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)，比如材料在不同溫度下相對磁導率不同，材料的熱傳導系數(shù)也會隨著溫度變化而變化，這些參數(shù)會對電磁感應加熱過程的溫度場分布產(chǎn)生重大的影響。

1.1 感應加熱過程

電感應加熱過程是在方銅管線圈中通入高頻電流，產(chǎn)生隨頻率變化的磁場，此時胚料中內(nèi)部受變化磁場的影響產(chǎn)生渦流，胚料因此在內(nèi)部產(chǎn)生大量焦耳熱使胚料升溫。當前國內(nèi)常用電源有50 Hz、220 V的市電和50 Hz、380 V的工業(yè)用電，因此首先需要使用整流電路將50 Hz交流電轉(zhuǎn)化為直流電，然后通過電源控制電路將直流電逆變?yōu)楦哳l電流［5］。

電感加熱過程主要涉及電磁場和溫度場［6］，磁場瞬時方向可根據(jù)右手定則判斷。將胚料置于線圈內(nèi)，根據(jù)法拉第電磁感應定律，如公式（1），胚料將會因為磁場的變化產(chǎn)生感生渦流，渦流所處的平面垂直于線圈產(chǎn)生的磁場方向。

式中：n為線圈匝數(shù)；dΦ/dt為單位時間內(nèi)胚料截面的磁通變化/Wb·s-1。

根據(jù)焦耳定律，由于材料內(nèi)部存在電阻，電流流過胚料時產(chǎn)生焦耳熱，所以電磁感應加熱的熱源在胚料內(nèi)部，這就是電感加熱效率更高的原因之一。另外除了焦耳熱，變化的磁場還會引起磁滯熱，但是相比于焦耳熱，磁滯熱較小，因此予以忽略。

雖然感應加熱的熱源在材料內(nèi)部，但并不是均勻分布的，而是在胚料表面，被稱為集膚效應。集膚深度受電阻值、磁場變化頻率、磁導率等影響，集膚深度如公式（2）。其中電阻率，磁導率是材料特有的屬性，當輸出頻率越大集膚效應越明顯。在加熱初期胚料內(nèi)部的升溫主要因為表層和芯部存在溫度梯度，內(nèi)部升溫主要是一個熱傳導過程。但隨著感應加熱溫度上升，胚料達到居里溫度，此時胚料磁導率降低，集膚深度也會變深。

式中：ρ為材料電阻率；μr為材料相對磁導率；μ0為真空磁導率；ω為電流角頻率。

由公式（1）和公式（2）可以知道輸出頻率越大，單位時間內(nèi)胚料截面的磁通變化越大，胚料升溫越快，同時集膚效應越顯著。如果輸出頻率過大，這將導致材料加熱區(qū)與未加熱區(qū)溫差過大，使高溫與低溫過渡區(qū)域溫差過大產(chǎn)生較大的內(nèi)應力，進而在隨后鐓制工序中產(chǎn)生微裂紋，影響產(chǎn)品合格率。此外，還會出現(xiàn)芯部剛達到需求溫度而表層溫度過高導致材料發(fā)生局部過燒的現(xiàn)象。而頻率過低將會直接影響升溫速度而影響生產(chǎn)效率，所以應當在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下提高輸出頻率，提高效率。

1.2 感應加熱參數(shù)設定

胚料所用材料為42CrMoA，胚料長度420 mm，加熱胚徑為48 mm，加熱區(qū)長度為100 mm。感應線圈為方銅管，外徑75 mm，長度為110 mm，線圈匝數(shù)為6圈。施加300 V直流整流電壓，可輸出頻率在4.0～4.7 kHz之間。

影響感應加熱的主要因素主要有設備輸出頻率、加熱時間以及胚料與加熱感應線圈的相對位置，為了更好探究不同參數(shù)對胚料實際的影響規(guī)律，采用控制變量法對不同參數(shù)進行模擬研究，主要分析模擬感應加熱后所關(guān)心的溫度場來評價參數(shù)設定是否合理。結(jié)合生產(chǎn)實際，模擬了11種不同的加熱工藝，模擬過程調(diào)控的參數(shù)見表1，以探究電流輸出頻率、加熱時間及胚料加熱位置對胚料溫度場分布的影響。因胚料經(jīng)感應加熱后需要進行后續(xù)的鐓制成型，變形部位主要是距離頂端約100 mm的范圍內(nèi)，所以感應加熱模擬的目的就是使距離頂端100 mm的范圍內(nèi)達到1 000℃，同時使加熱區(qū)內(nèi)溫差盡量小。

表1 不同感應加熱工藝的模擬參數(shù)

2 有限元模擬結(jié)果及分析

2.1 改變電流頻率、加熱溫度及工件與線圈相對位置后溫度場分布的模擬

當時間一定時電流頻率影響感應加熱的最高溫度、高溫區(qū)域范圍以及加熱區(qū)升溫速率。頻率越高，感應加熱可達到的最高溫度越高，胚料高溫區(qū)域越長，升溫速度越快［7，8］。在不同電流頻率（4.2 kHz、4.5 kHz、4.7 kHz），在相同的感應加熱時間（78 s）以及相同的胚料與感應線圈的相對位置（線圈外端與胚料端面平行）參數(shù)設定下，得到的坯料中心截面的溫度場分布如圖1所示，可以看出在該參數(shù)下坯料表面和芯部溫差不大，符合低頻率較長時間加熱工件所得效果。

圖1 在不同電流頻率下，得到的感應加熱78 s后的坯料中心截面溫度場分布

2.2 加熱時間對溫度場分布的影響

在4.5 kHz電流頻率下，經(jīng)歷不同的感應加熱時間78 s、85 s、88 s、90 s、92 s、103 s坯料中心截面溫度場分布，模擬結(jié)果見表2。加熱時間78 s，坯料最高溫度為1 060℃時，僅能保證坯料頭部約62 mm以上位置溫度可加熱至1 000℃，而此時頭部100 mm處僅為790℃。延長加熱時間至85 s時，頭部100 mm處可達852℃，此時坯料最高溫度為1 130℃；88 s時頭部100 mm處可達877℃，此時坯料最高溫度為1 160℃。延長加熱時間至90 s，坯料最高溫度可達為1 180℃，坯料頭部約82 mm以上位置溫度可加熱至1 000℃，頭部100 mm處可達885℃。加熱時間在92 s時，頭部100 mm處可達910℃，此時坯料最高溫度為1 200℃。進一步延長加熱時間至103 s，可使得坯料頭部100 mm以上位置，滿足溫度需求，但坯料最高溫度可達1 310℃。由于坯料下一步工序為鐓制，當坯料的變形區(qū)域溫差過大時，可能在鐓制過程中產(chǎn)生裂紋，影響后續(xù)工件質(zhì)量。因此在感應加熱時，感應加熱時間為85～90 s時胚料有一個比較好的溫度分布狀態(tài)，其中90 s可使得坯料頭部82 mm以上位置溫度達到1 000℃，同時坯料最高溫度可達1 180℃，較為理想。

表2 不同感應加熱時間的模擬結(jié)果

2.3 工件位置對溫度場分布的影響

線圈與工件之間的相對位置也影響感應加熱時的溫度場分布，研究加熱時間和輸出頻率對溫度場的影響可以發(fā)現(xiàn)，坯料加熱后的最高溫度往往出現(xiàn)在坯料頭部距邊緣10～35 mm處，由于線圈的邊緣磁感應強度較低，邊緣往里強度慢慢增大至一定值，隨著線圈長度的增加直至穩(wěn)定至一定值，內(nèi)部形成勻強磁場。如圖2為使用ANSYS Maxwell模擬線圈某一時刻的磁場分布，由磁場分布情況可知，在設定條件下感應加熱時上下邊緣的磁感應強度低于中心處，結(jié)合公式（1）可以知道，磁感應強度大的區(qū)域升溫速度塊。可見可以通過改變線圈與工件之間的相對位置改變影響到胚料的磁場分布進而改變溫度胚料在感應加熱后的溫度場分布。

圖2 感應線圈內(nèi)部磁感應強度分布截面

在4.5 kHz電流頻率、加熱為90 s條件下，胚料與感應加熱線圈不同位置的溫度分布模擬結(jié)果見表3。當坯料置于線圈內(nèi)側(cè)10 mm處時，坯料最高溫度可達為1 240℃，坯料頂端溫度為1 230℃，僅坯料頭部80 mm左右長度區(qū)間可加熱至992℃，頭部100 mm處為838℃，頭部100 mm范圍內(nèi)溫差約為402℃，不可取。當坯料與線圈邊緣平齊時，坯料最高溫度可達為1 180℃，坯料頂端溫度為1 160℃，坯料頭部約82 mm以上位置溫度可加熱至1 000℃以上，100 mm處可達885℃，頭部100 mm范圍內(nèi)溫差達295℃。當坯料置于線圈外側(cè)10 mm處時，坯料最高溫度可達1 100℃，坯料頂端溫度為1 060℃，坯料頭部約85 mm以上位置溫度可加熱至1 000℃以上，頭部100 mm處溫度為848℃，頭部100 mm范圍內(nèi)溫差約為252℃。當坯料置于線圈外側(cè)20 mm處時，坯料最高溫度可達為1 030℃，坯料頂端溫度為950℃，僅坯料頭部距離頂端15 mm往下55 mm左右長度區(qū)間可加熱至1 000℃，頭部100 mm處為828℃，頭部100 mm范圍內(nèi)溫差約為202℃。可以發(fā)現(xiàn)，當坯料置于線圈外側(cè)時，盡管坯料最高溫度有所下降，出現(xiàn)位置發(fā)生下移，對于頭部加熱區(qū)域的均勻性有較大的提升。

表3 胚料相對線圈不同位置的模擬結(jié)果

2.4 優(yōu)化模擬

模擬了各參數(shù)對溫度場分布的影響規(guī)律后，設置不同的加熱時間和胚料相對線圈位置進行優(yōu)化模擬。在4.5 kHz電流頻率下，模擬方案及模擬結(jié)果見表4。

表4 優(yōu)化方案及模擬結(jié)果

不同胚料位置和加熱時間模擬后的結(jié)果如圖3所示，值得注意的是，由圖3（f）當胚料置于線圈外側(cè)20 m處，延長加熱時間至98 s，坯料最高溫度可達為1 100℃，坯料頭部100 mm范圍內(nèi)均可達到1 000℃以上。相比坯料與線圈平齊時的結(jié)果，此時坯料的最高溫度降低了80℃，頭部100 mm的變形區(qū)間內(nèi)溫差僅為100℃，有效滿足后續(xù)鐓制溫度需求。

圖3 在4.5 kHz電流頻率下，坯料于線圈外側(cè)加熱時得到坯料中心截面溫度場分布

3 結(jié) 論

1.胚料在加熱時間長達78 s時，電流頻率在4.2～4.7 kHz范圍內(nèi)改變時，頻率越高胚料所能達到的最高溫度提高，高溫區(qū)有所變長，此時胚料的表層與芯部溫度差別不大。

2.延長加熱時間能提高胚料的最高溫度和高溫區(qū)長度，與此同時會使得胚料的被加熱部位溫度差過大，不利于后續(xù)熱加工過程的合格率，從使得高溫區(qū)有一個合適的溫度和長度的角度考慮，在電流頻率為4.5 kHz的情況下加熱時間90 s可使得坯料頭部82 mm以上位置溫度達到1 000℃，同時坯料最高溫度為1 160℃，較為理想。

3.可以通過改變線圈與工件之間的相對位置改變磁場分布進而改變胚料在感應加熱后的溫度場分布。模擬發(fā)現(xiàn)，當坯料置于線圈外側(cè)時，對于胚料來說，最高溫度出現(xiàn)位置發(fā)生下移，對于頭部加熱區(qū)域的均勻性有較大的提升。

4.當坯料置于線圈外側(cè)20 mm處時，同時將加熱時間提高至98 s，坯料最高溫度可達為1 100℃，坯料頭部100 mm范圍內(nèi)均可達到1 000℃以上。相比坯料與線圈平齊時的結(jié)果，此時坯料的最高溫度降低了80℃，頭部100 mm的變形區(qū)間內(nèi)溫差僅為100℃，有效滿足后續(xù)熱加工需求。