高强钢矩形管感应强化组织与性能控制研究

发布时间：2016-03-23 07:41

第 1 章  绪   论

近年来，大部分国内外专家学者对矩形管感应强化技术的研究主要集中在普通钢材的感应强化，而针对高强钢的感应强化研究较少。在汽车制造领域，高强钢有质量轻、强度高等优势,逐步代替了普通钢材，既可以减轻汽车整体的重量，又能提高汽车本身的安全性能[12]。感应强化的工艺参数因高强钢化学成分的不同而不一样，感应强化过程中金相组织形态的变化也因高强钢化学成分的不同而存在差异，这都影响了材料的力学性能，所以进行高强钢感应强化的研究能对高强钢感应强化技术提供参考。 掌握高强钢矩形管的感应强化技术，总结线圈参数、工艺参数影响感应强化的规律，改善矩形管的金相组织分布和力学性能，不仅填补高强钢矩形管感应强化技术在管材热处理领域中的不足，而且对高强钢矩形管在汽车制造及其他工业领域的应用具有现实指导意义。
.......

第 2 章  矩形管感应强化的理论研究 

2.1  引言 

矩形管感应强化是电磁场、热场多场耦合的复杂工艺，经感应强化的矩形管的金相组织和力学性能受多方面因素的影响，其中异形线圈的形状、参数是控制矩形管组织和性能的关键因素。矩形管在矩形线圈中感应强化时，受线圈几何形状的限制，在其表面上产生不均匀的磁感应强度而加热不均匀，从而导致矩形管在周向上组织和性能不均匀。设计异形线圈弥补对矩形管感应强化时造成的温度、组织、性能分布不均匀的缺陷，进行异形线圈对矩形管感应强化的理论研究，建立异形线圈在通入源电流时产生的磁感应强度分布的关系方程。矩形管有高度为 40mm，宽度取 30mm、40mm、50mm、60mm 四种规格。矩形管结构如图 2-1 所示。

2.2  矩形管感应加热控制方程

求解感应加热电磁场和温度场分布问题需要求解多维偏微分方程，同时利用电磁场和温度场的边界条件。温度场和电磁场都是非稳态的时变场，不能进行直接求解，常用有限差分法或有限元法进行求解。课题运用有限元法进行感应加热的数值模拟，温度场分布求解结果在之后的感应加热数值模拟中会做详细的求解、分析。电磁场和温度场的控制方程非常复杂，参数受温度影响大，感应强化时电磁场和温度场不稳定，难以得到温度场与感应线圈源电流I 的关系。由感应加热的电磁学微分控制方程（2-6），热功率密度表达式（2-7）和非稳态导热的传热学微分控制方程（2-8）可以分析出规律，矩形管进行感应强化时，其表面温度场的分布与磁感应强度分布一致，即可以通过计算磁感应强度分布情况推测温度场的分布规律。

第 3 章  矩形管感应强化的线圈设计与优化 ........ 21 

3.1  引言 .......... 21 
3.2  异形线圈的设计与优化 .......... 21 
3.3  感应强化工艺参数的设定 ........... 31 
3.4  小结 ...................... 31 
第 4 章  高强钢矩形管感应强化的数值模拟....... 33 
4.1  引言 .................... 33 
4.2 ANSYS 感应加热的数值模拟 ................. 33 
4.3 SIMUFACT 感应加热-淬火的数值模拟 .................. 42 
4.4  小结 ........ 44 
第 5 章  高强钢矩形管感应强化的试验研究 ............ 45 
5.1  感应强化试验研究方案 ................. 45 
5.2  感应强化试验系统的搭建 ........... 45 
5.3  感应强化试验结果分析 .................. 47 
5.4  小结 ............... 52 

第 5 章  高强钢矩形管感应强化的试验研究 

5.1  感应强化试验研究方案 

对 BR1500HS 高强钢矩形管进行感应强化试验，试验主要包括试验前的试验系统的搭建和试验后的试验结果分析。试验前期准备工作包括搭建和调试感应强化试验系统，制作异形线圈，准备不同规格矩形管；进行不同宽度矩形管的感应强化试验；感应强化试验后对试验结果进行分析，分析矩形管运行速度影响抗拉强度的规律，测得不同宽度矩形管周向硬度分布，观察不同宽度矩形管金相组织分布。矩形管感应强化试验方案框图如图 5-1 所示。

5.2  感应强化试验系统的搭建

矩形管输送装置由矩形管输送机床、输送装置控制柜组成。矩形管输送装置用于输送矩形管，能使矩形管以不同速度穿过异形线圈。感应线圈装置包括异形线圈、电流变换器、电源控制箱三部分，可将交变电场转换成交变磁场，产生涡流，涡流生热，最终实现对矩形管的感应强化处理。矩形管输送机床如图 5-3 所示，它是由伺服电机驱动丝杠实现推杆直线运动，带动矩形管输送装置直线运行。矩形管输送装置控制柜选用 WA-31DT 数控系统，通编写指令实现矩形管输送机床变速行走。同时，使用输送装置控制柜控制感应线圈装置的通水、停水、通电、断电，控制输送机床运行，实现矩形管感应强化自动执行，安全、快速、便捷。感应线圈装置如图 5-4 所示，a 图为感应线圈，b 图为电流变换器。电源控制箱为感应线圈装置提供功率、电流、频率不同的电能，由感应线圈装置转变成磁场，产生涡流，用以加热矩形管。

........

结   论

为实现矩形管周向金相组织和力学性能的均匀化，进行了矩形管感应强化理论研究、线圈设计与优化、数值模拟和试验研究。分析了不同异形线圈参数、不同矩形管宽度影响矩形管磁感应强度、温度场分布的规律，进行试验得到经感应强化后矩形管的力学性能、金相组织。主要成果和结论如下：（1）建立了矩形管在异形线圈中感应强化时，矩形管表面磁感应强度与线圈源电流的关系方程，为设计、优化异形线圈奠定了理论基础。（2）分析了异形线圈参数和矩形管宽度影响磁感应强度分布的规律，得到了异形线圈的优化参数，异形线圈有效改善了矩形管磁感应强度的分布，标准差分别降低了 58.9%，54.3%，52.1%，50.1%。（3）进行了矩形管感应加热和感应淬火的数值模拟，分析了异形线圈参数和矩形管宽度对感应加热温度场分布的影响，得到了使温度场分布均匀的异形线圈优化参数，，获得均匀分布的金相组织和力学性能。与矩形线圈进行了对比，异形线圈改善了矩形管温度场分布，标准差分别降低了 68.3%，42.9%，18.9%，6.3%，与理论分析的结论一致。

...........

参考文献（略）

本文编号：37115