一种控制半固态重熔温度的新方法.docx

文章编号 :1006 - 0456 (2002) 02 - 0009 - 04一种控制半固态重熔温度的新方法郭洪民 ,京玉海 ,刘勇 ,杨湘杰(南昌大学 机电工程学院 ,江西 南昌 330029)摘要 :本文围绕半固态金属的温度控制问题 ,基于电磁场的有关理论 ,设计并制造了用于半固态成型式艺的二次加热温控系统 . 通过试验表明 :在铝合金 (A356) 坯料触变阶段 ,自行设计的电动势感应器可较精确地估算坯料温 度 ,特别是在小功率加热期间估算精度更高 ;并对其实用性进行了试验验证 . 本文的研究内容可以用于指导半固态 加工装置的设计与制造 .关键词 :电动势感应器 ;二次加热 ;磁导率 ;磁化系数中图法分类号 : T G 24917文献标识码 :A半固态金属的触变性为解决常规铸件的机械性能受卷入气体和收缩所致缩松 的 影 响 提 供 了 新 思 路 ,但仍存在许多问题. 半固态金属成形是一种新型 的成形技术 ,相关的工艺 、技术发展很不完善 ,而固 相率的测定是其难点和重点之一1 ,2 , 它严重影响半固态金属浆料流动性能和成形能力 . 目前测定固 相率的方法主要有 :1) 二元合金可利用平衡相图测 得 ;2) 金相试验 :半固态金属坯料激冷 ( 如水淬) 后 , 进行金相试验测量试样横断面 上 固 相 组 分 的 百 分 比 . 此方法适于任何合金 ,但工作量极大 ; 3) 硬度测试法 :不同固相率对应不同的硬度 ,此方法测量精度 很低3 ;4) 目前工业生产中主要是通过控制温度来 间接测控固相体积分数 , 如 Buhler 和 EFU 开发的感应涡流电流法 、A E G 公司开发的感应线圈能量输 入控制法2 . 本 文 着 重 介 绍 一 种 新 型 的 测 温 装 置 ,主要内容有 :工作原理 、标定 、精度确定和验证性试 验 .线圈系统的加热周期 .112电动势感应器的设计原理6 ,7 ,8半固态合金的粘度随固相率成指数变化 ,而固 相率又随温度成指数变化 ,即很小的温度分布偏差也可强烈地影响固相体积分数和坯料的搬运性. 因此 ,坯料的温度分部偏差应保持在很小的范围 ,一般℃之内4 ,5控制在 2. 借鉴感应涡流电流法 ,本文设计了一种新型温度测控制器 ———电动势感应器 ,其工作原理基于法拉第电磁感应定律 ,利用已存在的 变化磁场信号来实现对坯料温度的测定 :dΦBd tε= ∮E·d l = - N式中 : E 为感应电场 .N 为线圈的匝数 .( 1)ΦB 为通过表面 S 的磁通量 , 是磁感应强度 B沿 S 的积分.Φ = ∫B ·d s( 2)1111实验设备感应加热电源和加热线圈试验 感 应 加 热 电 源 为 100 k W 的 中 频 感 应 电s而磁场中 P 点的磁感应强度为 :μ0 ·I d l ·r1d B =4π ·( 3)r2式中 : r1 为单位矢量 , 由 d l 指向 P.u 为自由面上的磁导率 . I 为线圈中的电流强度 .d l 为单位电流源 .r 为单位电流源到点 P 的距离.联合 ( 1) , ( 2) , ( 3) 式 , 若 I = I0 sinωt , 可得传感 器的感应电动势 :源 . 加热线圈为 15 圈的铜感应线圈 ,封闭于一个标准浇铸的混合物内 ,用螺栓固定在板上 ,该板可沿一 导轨垂直上下移 动 . 这 样 , 坯 料 与 线 圈 可 作 相 对 运 动 ,减少了触变状态坯料的移动和移动中的热量损 失 ,降低了坯料在移动中的变形和崩塌 . 工业上使用的加热线圈系统为 3～24 线圈系统 . 在实验室 ,我们 使用单线圈系统 ,便于更好地模拟工业上不同类型收稿日期 :2001 - 10 - 15基金项目 :教育部高校骨干教师资助 ,江西省自然科学基金 (0050034)作者简介 :郭洪民 ,男 ,1977 年生 ,硕士研究生 .南昌大学学报 (工科版)2002 年·10 ·ε= μ0πr2ωN I0 sinωt( 4)感应器的精度 . 试验时须将示波器和部分导线置于金属盒内 ,裸露的导线用铝箔纸包裹以减少读数中 的噪音对感应器精度的影响 . 将试验记录绘成标定曲线 ,见图 2～图 4 . 试验表明感应器的精度取决于两个因素 :一是信号的噪声量 ;二是电动势随平均温 度的变化量 . 大功率时 (图 3 和图 4) ,感应器信号中 噪声大 ,严重影响感应器的精度. 另外 ,坯料的温度 与能量的传递速度 、合金成份和内部应变等有关 ,这些导致坯料可变性的因素在高 能 量 输 入 时 特 别 敏 感 ,对感应器精度影响较大 . 表现出相同功率的标定 数据吻合性差 . 但曲线趋势是所期望的 ,即感应电动 势随着温度的升高而增大 .( 4) 式只