一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法技术

本发明专利技术公开了一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法，包括以下步骤：通过红外测温传感器L1、L2来补偿工件内外表面温差，精确、高效地完成对厚壁工件中不同能量面区域进行变频加热；加热最后一层能量面时换成高频f5加热是对外表面对流和辐射散失的热量进行温度补偿，利用余热热传导作用完成对最后一层能量面区域d5的加热；本发明专利技术中真正加热有效部分是在低效居里温度线与高效能量传递线之间的区域，低效居里温度线以上区域材料失磁，高效能量传递线以下区域集肤深度未达到，每次变频加热只对固定的深度层进行加热，针对厚壁工件这样加热效率高、不易过烧且满足机械性能要求。

An Energy Surface Control Method for Penetrating Frequency Conversion Heating of Thick Wall Workpieces

The invention discloses an energy surface control method for penetrating frequency conversion heating of thick-walled workpiece, which includes the following steps: compensating the temperature difference between the inner and outer surfaces of workpiece by infrared temperature sensors L1 and L2, accurately and efficiently completing frequency conversion heating of different energy surface areas of thick-walled workpiece; convection and radiation dispersion on the outer surface is replaced by high frequency F5 heating when heating the last energy surface. The lost heat is compensated by temperature, and the heating of D5 in the last energy surface area is completed by heat conduction of waste heat; the real effective part of the heating is in the area between the low-efficiency Curie temperature line and the high-efficiency energy transfer line, the material above the low-efficiency Curie temperature line loses magnetism, and the skin gathering depth below the high-efficiency energy transfer line is not reached, and each frequency conversion heating only solidifies the area. A certain depth layer is heated, aiming at the thick-walled workpiece, which has high heating efficiency, is not easy to overburn and meets the mechanical performance requirements.

【技术实现步骤摘要】
一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法
本专利技术涉及热处理领域，特别是涉及一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法。
技术介绍
深海环境十分恶劣和复杂，作为运输载体的海底管线，长期在低温、高压、强腐蚀的海洋环境中服役，不仅承受着内外压力、轴向力、弯矩等静载荷和温度载荷的联合作用，而且还要承受交变外压、波浪、海流的动载作用，使管道承受着多种载荷的联合作用外并引发多种形式的破坏，因此深海油气输送管正在向厚壁和高强度方向发展。由于焊管焊缝区域存在较大残余应力，而焊缝上的残余应力主要是由于焊缝周向和径向上的温差太大，冷却不均匀造成的。为提高焊缝综合机械性能，普遍方法是采用中频甚至工频的感应加热处理，但对于壁厚大于68mm以上的大直径焊管不能完全透入壁厚,使管体沿直径方向截面性能差异较大,产品热处理后存在组织缺陷及较高的残余应力,使得天然气和石油在深海输送过程中存在极大的安全隐患。公告号1973578B的中国专利公开了通过感应加热对工件进行多频加热处理，本专利技术专利提供了用于多频感应加热处理包括齿轮的工件的装置和方法，高频功率被施加到环绕工件的感应线圈，使得高频磁场与工件耦合从而感应加热工件。C芯电感器连到线圈，其具有施加给其的低频功率。工件被插入在C芯电感器磁路中的间隙内，使得当低频电流施加到与C芯电感器连接的线圈时，工件经受低频焦耳效应加热。另外，当工件具有开口时，工件可被插在C芯电感器周围。但该专利技术专利没有涉及针对厚壁(直缝焊管)工件透入式变频加热的能量面控制方法。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过对控制改变厚壁工件变频加热时的电流透入层的方法，极大提高了针对厚壁工件热处理的质量要求。为实现上述目的，本专利技术是根据以下技术方案实现的：一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：设置两个红外测温传感器L1、L2，L1用于测量直缝焊管焊缝外表面P点温度，L2用于测量直缝焊管焊缝内表面Q点温度，直缝焊管壁厚为d，将壁厚分为5份，分别为d1、d2、d3、d4、d5，且d＝d1+d2+d3+d4+d5,设定n为加热次序；当n＝1时，对第一层能量面区域d1进行加热：当1＜n＜3时，对第二层能量面区域d2进行加热；当2＜n＜4时，对第三层能量面区域d3进行加热；当3＜n≤4时，对第四层能量面区域d4进行加热；当n＝5时，对第五层能量面区域d5进行加热：其中，第一层至第四层的加热步骤如下：对于焊缝中电流透入深度为dm的区域，采用工作频率为fm加热，通过设置时间载荷步Δtm循环，设定加热终止时间tm+Δtm来完成第m层能量面区域dm的加热，其中tm表示对第m层的加热时间，当加热结束后，通过红外测温传感器Lm测得焊缝外表面P点温度值TPm，红外测温传感器Lm测得焊缝内表面Q点温度值TQm，计算出直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔTm＝TPm-TQm，若温差值ΔT1≤100℃，则进行第m+1层能量面区域dM+1的加热，反之，若温度值ΔTm＞100℃时，则通过再次设置时间载荷子步tm′循环，即加热终止时间为tm+Δtm+tm′，加热直到直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔTm≤100℃为止，完成第m层能量面区域dm的加热工作，其中m取值为1、2、3、4并分别对应第一层、第二层、第三层、第四层；而第五层的加热步骤如下：对于焊缝中电流透入深度为d′的区域，采用工作频率为f5加载，通过设置时间载荷步Δt5循环，设定加热终止时间t5＝t5+Δt5来完成最后一层能量面区域d5的加热，当加热结束后，通过红外测温传感器L5测得焊缝外表面P点温度值TP5，红外测温传感器L5测得焊缝内表面Q点温度值TQ5，计算出直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT5＝TP5-TQ5，若温差值ΔT5≤100℃，反之，若温度值ΔT5＞100℃时，则通过再次设置时间载荷子步t5〞循环，即加热终止时间为t5+Δt5+t5〞，加热直到直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT5≤25℃为止，完成第五层能量面区域d5的加热工作，而加热最后一层能量面时换成高频f5加热是对外表面对流和辐射散失的热量进行温度补偿，利用余热热传导作用完成对d5区域的加热，当最终补偿温度低于25℃时，满足材料机械性能的要求。上述技术方案中，其包括以下步骤：当第一层能量面区域加热时：工作频率为50kHz＜f1＜100kHz时，电流透入层深度为d1，高频电流加热条件下涡流的集肤效应明显集中于焊缝外表面区域，该区域温度骤然升高且没有达到居里温度；当第二层能量面区域加热时：工作频率为10kHz＜f2＜50kHz时，电流透入深度为d1+d2，随着电流频率的减少，电流透入深度增加，此时高效能量传递线位于d1+d2处，而d1区域由于第一次加热缘故温度已达到居里温度760℃，该区域内材料失磁，加热效率明显下降，此时低效居里温度线位于d1处；当第三层能量面区域加热时：工作频率为1kHz＜f3＜10kHz时，电流透入深度为d1+d2+d3，随着电流频率继续的减少，电流透入深度进一步增加，此时高效能量传递线位于d1+d2+d3处，而d1+d2区域由于前两次加热缘故温度已达到居里温度760℃，该区域内材料失磁，加热效率明显下降，此时低效居里温度线位于d1+d2处；当第四层能量面区域加热时：工作频率为50Hz＜f4＜1kHz时，电流透入深度为d1+d2+d3+d4，随着电流频率再次减少，电流透入深度明显增加，此时高效能量传递线位于d1+d2+d3+d4处，而d1+d2+d3区域由于前三次加热缘故温度已达到居里温度760℃，该区域内材料失磁，加热效率明显下降，此时低效居里温度线位于d1+d2+d3处；当第五层能量面区域加热时：工作频率变为30kHz＜f5＜120kHz时，电流透入深度变为d′，电流频率明显增加，电流透入深度减小，能量源集中存在于d′区域，此时高效能量传递线位于d′处，而d1+d2+d3+d4区域由于前四次加热缘故温度已达到居里温度760℃，该区域材料失磁，加热效率明显下降，此时低效居里温度线位于d1+d2+d3+d4处，而加热最后一层能量面时换成高频f5加热是对外表面对流和辐射散失的热量进行温度补偿，利用余热热传导作用完成对d5区域的加热。上述技术方案中，对厚壁工件中不同能量面区域进行变频加热的频率关系为f4＜f3＜f2＜f1，f5为高频，真正加热有效部分是在低效居里温度线与高效能量传递线之间的区域，能量面指的是加热的区域，对应区域的金属是未失磁的，低效居里温度线以上区域材料失磁，高效能量传递线以下区域集肤深度未达到，每次加热对固定的深度层进行加热。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：(1)本专利技术中通过红外测温传感器L1、L2来补偿工件内外表面温差，精确、高效地完成对厚壁工件中不同能量面区域进行变频(f4＜f3＜f2＜f1，f5为高频)加热，在遵循淬火温度要求下满足工件机械性能的要求。(2)本专利技术中真正加热焊缝部分是在低效居里温度线与高效能量传递线之间的区域(最后一层加热除外)，低效居里温度线以上区域材料失磁，高效能量传递线以下区域集肤深度未达到，每次变频加热只对固定的深度层进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法，其特征在于，包括以下步骤：设置两个红外测温传感器L1、L2，L1用于测量直缝焊管焊缝外表面P点温度，L2用于测量直缝焊管焊缝内表面Q点温度，直缝焊管壁厚为d，将壁厚分为5份，分别为d1、d2、d3、d4、d5，且d＝d1+d2+d3+d4+d5,设定n为加热次序；当n＝1时，对第一层能量面区域d1进行加热：当1＜n＜3时，对第二层能量面区域d2进行加热；当2＜n＜4时，对第三层能量面区域d3进行加热；当3＜n≤4时，对第四层能量面区域d4进行加热；当n＝5时，对第五层能量面区域d5进行加热：其中，第一层至第四层的加热步骤如下：对于焊缝中电流透入深度为dm的区域，采用工作频率为fm加热，通过设置时间载荷步Δtm循环，设定加热终止时间tm+Δtm来完成第m层能量面区域dm的加热，其中tm表示对第m层的加热时间，当加热结束后，通过红外测温传感器Lm测得焊缝外表面P点温度值TPm，红外测温传感器Lm测得焊缝内表面Q点温度值TQm，计算出直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔTm＝TPm‑TQm，若温差值ΔT1≤100℃，则进行第m+1层能量面区域dM+1的加热，反之，若温度值ΔTm＞100℃时，则通过再次设置时间载荷子步tm′循环，即加热终止时间为tm+Δtm+tm′，加热直到直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔTm≤100℃为止，完成第m层能量面区域dm的加热工作，其中m取值为1、2、3、4并分别对应第一层、第二层、第三层、第四层；而第五层的加热步骤如下：对于焊缝中电流透入深度为d′的区域，采用工作频率为f5加载，通过设置时间载荷步Δt5循环，设定加热终止时间t5＝t5+Δt5来完成最后一层能量面区域d5的加热，当加热结束后，通过红外测温传感器L5测得焊缝外表面P点温度值TP5，红外测温传感器L5测得焊缝内表面Q点温度值TQ5，计算出直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT5＝TP5‑TQ5，若温差值ΔT5≤100℃，反之，若温度值ΔT5＞100℃时，则通过再次设置时间载荷子步t5〞循环，即加热终止时间为t5+Δt5+t5〞，加热直到直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT5≤25℃为止，完成第五层能量面区域d5的加热工作，而加热最后一层能量面时换成高频f5加热是对外表面对流和辐射散失的热量进行温度补偿，利用余热热传导作用完成对d5区域的加热，当最终补偿温度低于25℃时，满足材料机械性能的要求。...

【技术特征摘要】
1.一种针对厚壁工件透入式变频加热的能量面控制方法，其特征在于，包括以下步骤：设置两个红外测温传感器L1、L2，L1用于测量直缝焊管焊缝外表面P点温度，L2用于测量直缝焊管焊缝内表面Q点温度，直缝焊管壁厚为d，将壁厚分为5份，分别为d1、d2、d3、d4、d5，且d＝d1+d2+d3+d4+d5,设定n为加热次序；当n＝1时，对第一层能量面区域d1进行加热：当1＜n＜3时，对第二层能量面区域d2进行加热；当2＜n＜4时，对第三层能量面区域d3进行加热；当3＜n≤4时，对第四层能量面区域d4进行加热；当n＝5时，对第五层能量面区域d5进行加热：其中，第一层至第四层的加热步骤如下：对于焊缝中电流透入深度为dm的区域，采用工作频率为fm加热，通过设置时间载荷步Δtm循环，设定加热终止时间tm+Δtm来完成第m层能量面区域dm的加热，其中tm表示对第m层的加热时间，当加热结束后，通过红外测温传感器Lm测得焊缝外表面P点温度值TPm，红外测温传感器Lm测得焊缝内表面Q点温度值TQm，计算出直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔTm＝TPm-TQm，若温差值ΔT1≤100℃，则进行第m+1层能量面区域dM+1的加热，反之，若温度值ΔTm＞100℃时，则通过再次设置时间载荷子步tm′循环，即加热终止时间为tm+Δtm+tm′，加热直到直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔTm≤100℃为止，完成第m层能量面区域dm的加热工作，其中m取值为1、2、3、4并分别对应第一层、第二层、第三层、第四层；而第五层的加热步骤如下：对于焊缝中电流透入深度为d′的区域，采用工作频率为f5加载，通过设置时间载荷步Δt5循环，设定加热终止时间t5＝t5+Δt5来完成最后一层能量面区域d5的加热，当加热结束后，通过红外测温传感器L5测得焊缝外表面P点温度值TP5，红外测温传感器L5测得焊缝内表面Q点温度值TQ5，计算出直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT5＝TP5-TQ5，若温差值ΔT5≤100℃，反之，若温度值ΔT5＞100℃时，则通过再次设置时间载荷子步t5〞循环，即加热终止时间为t5+Δt5+t5〞，加热直到直缝焊管焊缝区域径向表面温差值ΔT5≤25℃为止，完成第五层能量面区域d5的加热工作，而加热最后一层能量面时换成高频f5加热是对外表面对流和辐射散失的热量进行温度补偿，利用余热热传导作用完成对d5区域的加热，当最终补偿温度低于25℃时，满足材料机械性能的要求。2.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：高新亮，古风艺，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13