用于热加工工艺的大型坯料电感应预热的制作方法

本申请要求于2015年9月25日提交的美国临时申请第No.62/232,857号的权益，其全文通过引用并入本文中。

发明领域

本发明涉及在将坯料挤出或锻造成一件制造物品之前，沿坯料的轴向长度经坯料的横截面向锥形加热分布的电感应加热大型坯料的装置和方法。

背景技术：

预热的坯料用于挤压过程中，该过程中预热的坯料被迫使通过模具以获得制造物品。类似地，在锻造过程中，预热的坯料可以锻造成制造物品。在此将挤出或锻造过程称为热加工过程(hot working process)。

热加工过程的预加热大型坯料需要沿坯料的轴向长度在整个大型坯料的横截面质量(mass)上充分加热到坯料的中心，以满足热加工过程中的使用。

用于产生锥形(tapered)轴向温度分布(profile)的一种现有技术方法是加热整个坯料，然后在其上喷水以将其冷却，以给出锥形温度分布。这种方法被称为锥度淬火，并在美国专利5,325,694 A中有所描述。美国专利5,325,694 A中公开的锥度淬火过程导致能量浪费。在挤压过程中，插入挤压设备中的坯料的前(热)端具有比在坯料的相对的后(较冷的)端更高的横截面温度，以允许摩擦热加热后端并且保持挤出模具在恒定温度。例如，大的铝坯可能需要在尾端具有350℃的预挤压横截面温度，在前端具有500℃的预挤压横截面温度。坯料的热端首先进入挤压模具，冷却端随后，使得通过模具挤压的摩擦热将使铝坯的模具温度保持在500℃左右。

产生用于热加工过程的小于线性锥形轴向温度分布的另一现有技术方法是静态地加热多个螺线管感应线圈内的大型坯料，其中每个线圈沿大型坯料的轴向长度Ax连接到单独的电源，以实现线圈之间的阶梯式坯料横截面温差ΔT如图1所述，其会在随后的挤出过程中引起问题。

在电感应加热处理领域中，例如在美国专利第7,291,817 B2号中公开的对工件进行扫描感应加热处理是利用具有高的轴向长度与截面直径比的工件(诸如，凸轮轴)进行的，以表面(壳体)硬化工件并且不从工件的横截面质量加热至其中心。

本发明的一个目的是减小或消除由上述多线圈感应加热过程产生的沿大型坯料长度的温度差，并在沿大型坯料的轴向长度的整个横截面质量上实现用于热加工过程的平滑的线性(锥形)温度分布。

本发明的另一个目的是，在通过以可变速度将大型坯料传送(移动)通过单个感应线圈同时改变施加到单个感应线圈并由单个电源供应的感应功率(如果必要的话)，从而提供一种进入挤出或锻造设备之前，对大型坯料整个横截面和轴向长度电感应加热的方法，以实现大型坯料的特定横截面加热分布。

本说明书中阐述了本发明的这些和其它目的。

技术实现要素：

在一个方面，本发明是提供了一种大型坯料的电感应加热处理工艺和设备，用于在挤压或锻造过程中热加工大型坯料之前，通过利用单个感应线圈沿大型坯料的轴向圆周长度感应扫描加热，来将大型坯料电感应加热成沿坯料的轴向长度的锥形横截面加热分布。

另一方面，本发明是提供了一种大型坯料的电感应加热设备和方法，用于在进入挤压或锻造装置之前，沿坯料轴向长度通过其整个横截面电感应加热大型坯料，其使大型坯料移动通过单个感应线圈的速度可变而使其通过连接到单个电源的单个感应线圈，并且如果需要，根据需要使得施加到移动通过单个感应线圈的大型坯料的感应功率可变，从而产生期望的沿大型坯料的轴向长度的横截面温度分布。可选地，当坯料穿过单个感应线圈时，可以在大型坯料的前端提供通量扩展器。

在本说明书和所附权利要求书中阐述了本发明的以上和其它方面。

附图说明

如以下简要总结的附图提供用于对本发明的示例性理解，并且不限制本文中进一步阐述的本发明。

图1示出了现有技术的，当在多个螺线管感应线圈内静态地加热时，其中每个线圈连接到单独的电源，沿大型坯料的轴向长度实现的阶梯式大型坯料横截面感应加热分布，对比于本发明中使用单个电源和感应线圈以扫描方式移动，以实现沿坯料轴向长度的平滑加热分布。

图2(a)至图2(d)是用于本发明的大型坯料预挤压电感应加热的设备的简化示意性局部横截面图。

图3(a)是本发明的大型坯料预挤压电感应加热过程的图表，示出了在上图的横截面中标识的大型坯料中实现的平滑线性(锥形)加热分布。

图3(b)是大型坯料的前端的正视图，示出了插入坯料的前端的可选的三个径向坯料热电偶。

图4是表示本发明的坯料加热过程的大型坯料加热过程控制系统的一个示例的框图。

具体实施方式

在附图中示出了在挤压或锻造过程中立即热加工坯料之前，将大型坯料沿其轴向长度Ax电感应加热到锥形横截面加热分布的方法的一个实施例。术语“大型坯料”在此用于描述具有至少为3.5英寸的横截面尺寸(通常是横截面直径)，并且坯料的横截面尺寸与长度之比最多为3∶5。

在图2(a)中示出了大型坯料90处于坯料螺线管感应加热线圈14的初始轴向入口位置。大型坯料90被装载到零摩擦坯料处理组件12，其仅在坯料的相对端提升和保持坯料90以进入加热线圈14。零摩擦坯料处理组件可以是例如可从Inductotherm Heating&Welding Ltd(Baskingstoke，England)获得的零摩擦坯料处理系统。利用零摩擦坯料处理组件，坯料的径向表面不与包括感应加热线圈的坯料加热设备的任何部分接触，从而在加热完成后保持坯料的表面光洁度。

在本发明的一些实施例中，零摩擦坯料处理组件包括用于在本发明的感应加热过程的至少一部分期间旋转坯料以促进周围温度均匀性的坯料旋转装置。

在本发明的一些实施例中，通量(flux)扩展器16可以设置在距离大型坯料90的轴向前端90a(在图3(a)中标识)的固定或可变位置处，用于本发明的至少一部分感应加热过程。例如，如图2(a)至图2(d)所示的本发明的一个实施例，当坯料90处于图2(a)中的初始线圈进入位置时，通量扩展器16位于距大型坯料的轴向前端距离X1处。在图2(b)中，当坯料90大约是其在线圈14内的轴向长度的四分之一时，通量扩展器16与大型坯料的轴向前端相距较小的距离X2，并且随坯料90前进至大约如图2(c)所示的线圈14内的轴向长度的四分之三时，保持在该较小的距离处，然后处于整个坯料位于图2(d)中的加热线圈14外部时的初始轴向退出位置处。可选的通量扩展器16由电磁导电材料形成，并且用于将由线圈14中的交流电流产生的磁通量延伸超过坯料90的前轴向端90a，以控制沿坯料的轴向长度的感应涡流加热。可以将通量扩展器安装在通量扩展器传送设备上，该通量扩展器传送设备提供独立于胚料运动的、通量扩展器距离大型坯料的轴向前端的可变位置定位，，对于本发明的感应加热过程的至少一部分是如上这样。在本发明的一些实施例中，通量扩展器保持在距大型坯料的前端固定的距离处，并且随坯料在本发明的整个加热过程中前进通过加热线圈14时与坯料一起移动。

大型坯料感应加热线圈14包括单个多匝螺线管线圈，其在其相对端处连接到单相交流电源22，在本发明的一些实施例中，该单相交流电源22安装在大型坯料感应加热线圈上方的平台20上。

在本发明的一些实施例中，一个或多个径向坯料热电偶(TC)，例如图3(b)中的92a，92b和92c，或其它温度感测装置可以在进入加热线圈14之前被插入到大型坯料的前端90a中，以在本发明的坯料加热过程开始之前测量坯料的前端的实际横截面加热分布。在本发明的一些实施例中，由径向坯料热电偶测量的温度可以输入到图4中的大型坯料加热过程控制器62，其执行用于本发明的大型坯料横截面加热过程的计算机程序。

零摩擦坯料处理组件12将加载的大型坯料90以处理器控制的可变速度移入并穿过加热线圈14，以实现沿大型坯料的轴向长度所需的横截面加热温度分布，例如，如图3(a)所示。

可选地，除了对坯料进行变速扫描感应加热之外，在本发明的一些实施例中，可以通过在扫描感应加热过程期间改变电源22的输出功率幅值来实现感应功率密度变化，以实现所需的横截面温度分布。

在本发明的其它实施例中，加热线圈单独可以以受控的可变速度沿装载在零摩擦坯料处理系统上的静止坯料的轴向长度移动，或者其上加载有坯料的零摩擦坯料处理组件与加热线圈两者可以以相对于彼此以可变的速度移动。

在图2(b)、图2(c)和图2(d)所示，装载在零摩擦处理系统上的大型坯料90逐渐沿X方向进一步移动通过加热线圈14，并且坯料通过加热线圈的可变移动速度控制每个坯料横截面加热段(例如图3中的段90_seg，利用坯料扫描感应加热过程)中加热大型坯料的横截面温度加热水平，以实现本发明的横截面加热分布。如果需要，除了通过加热线圈的坯料移动控制之外，通过在坯料扫描感应加热过程期间改变电源22的输出功率幅值，可以实现感应功率密度的改变。

在本发明的一些实施例中，除了可变坯料速度控制以及如果在坯料扫描感应加热过程期间需要功率水平控制，通量扩展器16在X方向上的独立运动(与大型坯料的轴向长度Ax同心)也可以用于在本发明的感应加热过程中控制大型坯料的横截面温度加热的水平。

在本发明的一些实施例中，通过加热线圈(即，连续地在+X和-X方向上)的大型坯料移动的多个循环可以用于通过在+X或-X方向上每个感应加热扫描周期的内部横截面加热“吸收”和额外的涡流表面加热相组合来实现彻底的横截面加热。一个循环被定义为大型坯料在一个方向(+X或-X)上通过加热线圈的移动。每个循环不必是大型坯料的整个轴向长度沿如图2(a)至图2(d)所示一个方向完全穿过加热线圈。也就是说，例如，单一个循环可以以坯料在图2(a)至图2(c)所示的+X方向上移动完成，然后下一个循环可以开始于反转到坯料-X方向的坯料运动。使坯料多次通过(循环)加热线圈允许充分利用电源输出能力而不会使坯料表面过热。在本发明的一些实施例中，在下次通过时在表面添加更多能量之前，每次通过时施加给坯料的热能被允许朝向坯料中心吸收。

可以在加热线圈14的入口端14a和出口端14b处提供一个或多个大型坯料表面扫描高温计(PM)(例如，在入口端的94a，94b和94c以及在出口端的94a′，94b′和94c′)，以便当坯料通过这些位置时，验证沿坯料的轴向长度坯料表面温度。例如，入口轴向表面扫描高温计94a，94b和94c可以用作大型坯料加热过程控制器62的输入，以在开始本发明的大型坯料锥形横截面加热过程之前确定表面温度分布，并且在完成大型坯料锥形横截面加热过程之后，出口轴向表面扫描高温计94a′，94b′和94c′可以用作控制器62的输入，以验证实现所需加热，并且可选地，大型坯料加热过程控制器62将温度值存储在电子存储装置中以备将来参考或输入到大型坯料加热分布处理计算机程序。

在本发明的一些实施例中，在将大型坯料移动到坯料感应加热之前，可选地可以将大型坯料在烘箱或其它加热设备中预热到标称横截面加热分布。在这些实施例中，入口轴向表面扫描高温计94a，94b和94c可用作大型坯料加热过程控制器62的输入，以在开始本发明的大型坯料锥形横截面加热过程之前确定预热坯料的表面温度分布。

在本发明的实施例中，其中在大型坯料通过加热线圈移动的多个循环中，输入到大型坯料加热过程控制器62的入口和/或出口轴向表面扫描高温计测量的温度可以用于调节连续的多个循环期间的每一个中的过程参数(可变速度、可变功率水平(如果使用的话)、或者定位通量扩展器(如果使用的话))。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，大型坯料加热过程控制器62可以是合适的计算机处理装置，例如作为大型坯料加热系统的组件而提供的可编程逻辑控制器(PLC)。控制器62执行大型坯料横截面加热分布计算机程序，该计算机程序控制：零摩擦坯料处理组件12(带有加载的坯料)在线圈内移动大型坯料的可变速度；来自单个电源22的加热线圈14的感应功率的可变水平(如果需要的话)，以实现期望的加热分布；并且如果用于特定应用中，通量扩展器16的轴向移动。

如本文所公开的，如图3(a)所示，优选的坯料横截面加热分布是从大型坯料的前端温度到后端温度线性地逐渐变细下降的线性(渐细、锥形)温度。在本发明的其它实施例中，根据特定应用和由控制器62执行的大型坯料横截面加热分布计算机程序，大型坯料加热系统还能够实现非线性锥形坯料横截面加热。

图3(a)中，在大型坯料的轴向长度(从坯料的尾端到前端)的从T1到T2的横截面温度的线性曲线所示出的坯料横截面锥形加热分布，表示用于本发明中使用扫描型电感应加热可实现的平滑的线性横截面加热分布，其中在本发明的一个实施例中，大型坯料可以在单个感应线圈内在任一轴向方向上以可变速度移动，同时当交流电从单个电源供应到单个感应线圈时，通过与坯料的磁通耦合(用于涡流加热)供应固定或可变感应功率。在本发明的一些实施例中，通过单个感应线圈的可变速度包括零速度，其中需要在单个感应线圈内的坯料的一个或多个特定横截面区域处暂停的运动，实现期望的横截面加热分布。如果使用可变感应功率，则在本发明的一些实施例中，可变感应功率可以包括零感应功率，其中需要在单个线圈内的坯料的一个或多个特定横截面区域处的坯料中没有感应功率(用于涡流加热)，实现期望的横截面加热分布。在本发明的一些实施例中，可变感应功率包括可变功率幅值和/或可变频率。

在本发明的一些实施例中，大型坯料加热过程控制器62接收来自可选的径向坯料热电偶92a，92b和92c的输入信号，以修正由控制器执行的横截面加热分布程序的执行。

大型坯料加热过程控制器62向零摩擦式坯料处理组件12提供：坯料移动输出信号以控制可变速度(加速/减速)，零摩擦坯料处理组件以该速度移动大型坯料通过加热线圈14，以及可选的坯料旋转输出信号以旋转坯料(如果在特定应用中)。

如果特定应用加热线圈14可选地沿坯料的轴向长度移动，则控制器还向加热线圈输出信号以控制加热线圈的移动。

如果在特定应用中使用通量扩展器16，则当在本发明的感应扫描加热过程中坯料移动通过加热线圈时，控制器62还将通量扩展器运动输出信号输出到通量扩展器的运输设备，以控制在坯料的前端和通量扩展器相对端之间的固定或变化的间隔距离。

在本发明的一些实施例中，提供诸如显示屏58和键盘/鼠标56的人机交互设备用于大型坯料加热系统操作员与大型坯料加热过程控制器62通信。

在本发明的其它实例中，可以用大型坯料加热过程控制器62执行大型坯料非线性横截面温度加热分布过程计算机程序来实现非线性横截面温度分布。

虽然进入加热线圈的大型坯料被描述为坯料的后端跟随前端，其中前端被加热到最高温度，但这不限制本发明的实施。

在以上描述中，出于解释的目的，已经阐述了许多具体要求和若干具体细节以便提供对示例和实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些的情况下实践一个或多个其它示例或实施例。所描述的特定实施例不是为了限制本发明而是为了说明它。

例如，贯穿本说明书对“一个示例或实施例”，“示例或实施例”，“一个或多个示例或实施例”或“不同示例或实施例”的引用意味可以包括特定特征在本发明的实践中。在描述中，各种特征有时被组合在一个示例、实施例、附图或其描述中，以简化公开并帮助理解各个发明方面的目的。

已经根据优选示例描述了本发明，除了明确指出的那些之外，等同物、替代物和修改是可能的并且在本发明的范围内。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种大型胚料感应加热的方法，所述方法在挤压大型坯料之前，对具有前端和后端的所述大型坯料的横截面轴向长度上进行锥形感应加热，所述方法包括：

将所述大型坯料装载在零摩擦坯料处理组件上，其中所述大型坯料的所述前端定向用于初始轴向进入单个螺线管感应加热线圈内；和

根据需要将所述零摩擦坯料处理组件上的所述大型坯管从所述前端到后端轴向移动通过所述单个螺线管感应加热线圈，从而以可变的坯料扫描感应加热速度控制所述大型坯料轴向移动通过所述单个螺线管感应加热线圈，以对所述大型胚料进行锥形感应加热，同时从单个电源向所述单个螺线管感应加热线圈提供交流电流，以在整个横截面轴向长度上对所述大型坯料感应加热至横截面锥形加热分布。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括当轴向移动所述零摩擦坯料处理组件上的所述大型坯料通过所述单个螺线管感应加热线圈时，改变从所述单个电源到所述单个螺线管感应加热线圈的输出功率幅值。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括在将所述大型坯料装载在所述零摩擦坯料处理系统上之前预加热所述大型坯料。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括在使所述零摩擦坯料处理组件上的所述大型坯料轴向移动通过所述单个螺线管感应加热线圈的同时，在所述零摩擦坯料处理组件上旋转所述大型坯料。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括在轴向移动所述零摩擦坯料处理组件上的所述大型坯料通过所述单个螺线管感应加热线圈的同时，在距所述大型坯料的所述前端一定距离处放置通量扩展器。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述零摩擦坯料处理组件上的所述大型坯料轴向移动通过所述单个螺线管感应加热线圈之前，将多个径向坯料热电偶插入所述大型坯料的所述前端；

从所述多个径向坯料热电偶的输出温度测量加热过程开始坯料前端横截面温度分布；和

响应于所述加热过程开始坯料前端横截面温度分布，随所述大型坯料移动通过所述单个螺线管感应加热线圈而调整可变坯料扫描感应加热速度。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括当所述大型坯料轴向移动通过所述单个螺线管感应加热线圈的入口和/或出口时，测量所述大型坯料的坯料入口和/或坯料出口圆周表面温度。

8.根据权利要求1所述的方法，其中将所述零摩擦坯料处理组件上的所述大型坯管从所述前端到后端轴向移动通过所述单个螺线管感应加热线圈还包括：以所述可变坯料扫描感应加热速度使所述大型坯料在超过一个单个循环中移动通过所述单个螺线管感应加热线圈。

9.一种大型胚料感应加热的方法，所述方法在挤压大型坯料之前，对具有前端和后端的所述大型坯料的横截面轴向长度上锥形感应加热，所述方法包括：

将所述大型坯料装载在零摩擦坯料处理组件上，其中所述大型坯料的所述前端定向用于初始轴向进入单个螺线管感应加热线圈内；和

根据需要将所述零摩擦坯料处理组件上的所述大型坯管从所述前端到后端轴向移动通过所述单个螺线管感应加热线圈，从而以可变的坯料扫描感应加热速度控制所述大型坯料轴向移动通过所述单个螺线管感应加热线圈，以对所述大型胚料进行锥形感应加热，同时从单个电源以可变功率幅值向所述单个螺线管感应加热线圈提供交流电流，以在整个横截面轴向长度上对所述大型坯料感应加热至横截面锥形加热分布。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括在轴向移动所述零摩擦坯料处理组件上的所述大型坯料通过所述单个螺线管感应加热线圈时，在所述零摩擦坯料处理组件上旋转所述大型坯料。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括在轴向移动所述零摩擦坯料处理组件上的所述大型坯料通过所述单个螺线管感应加热线圈时，在距所述大型坯料的所述前端一定距离处放置通量扩展器。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括，将所述零摩擦坯料处理组件上的所述大型坯管轴向移动通过所述单个螺线管感应加热线圈还包括：以所述可变坯料扫描感应加热速度使所述大型坯料在超过一个单个循环中移动通过所述单个螺线管感应加热线圈。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括当所述大型坯料轴向移动通过所述单个螺线管感应加热线圈的入口和/或出口时，测量所述大型坯料的坯料入口和/或坯料出口圆周表面温度。

14.根据权利要求9所述的方法，还包括在将所述大型坯料装载在所述零摩擦坯料处理系统上之前预加热所述大型坯料。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

在所述零摩擦坯料处理组件上的所述大型坯料轴向移动通过所述单个螺线管感应加热线圈之前，将多个径向坯料热电偶插入所述大型坯料的所述前端；

从所述多个径向坯料热电偶的输出温度测量加热过程开始坯料前端横截面温度分布；和

响应于所述加热过程开始坯料前端横截面温度分布，随所述大型坯料移动通过所述单个螺线管感应加热线圈而调整可变坯料扫描感应加热速度。

16.一种大型坯料锥形感应加热系统，用于在整个横截面轴向长度上将大型坯料感应加热成横截面锥形加热分布，所述系统包括：

单个坯料螺线管感应线圈；

零摩擦坯料处理组件，用于保持所述大型坯料并且移动所述大型坯料通过所述单个坯料螺线管感应线圈；

单个交流电源，具有连接到所述单个螺旋管感应线圈的输出；和

大型坯料加热过程控制器，用于执行所述大型坯料横截面加热过程计算机程序，所述控制器具有向所述零摩擦式坯料处理组件的坯料运动输出信号，从而以可变坯料扫描感应加热速度使所述零摩擦式坯料处理组件移动通过所述单个坯料螺线管感应器，并且具有向所述单个交流电源的功率命令输出信号，从而根据所述大型坯料横截面加热的需要，通过大型坯料横截面加热过程计算机程序设置从所述单个交流电源供应到所述单个坯料螺线管感应线圈的功率幅值，以将所述大型坯料在整个横截面轴向长度上感应加热至横截面锥形加热分布。

17.根据权利要求16所述的大型坯料锥形感应加热系统，其中，向所述单个交流电源输出的所述功率命令输出信号以可变的功率幅值水平设置从所述单个交流电源向所述单个螺旋管感应线圈供应的功率幅值。

18.根据权利要求16所述的大型坯料锥形感应加热系统，还包括通量扩展器。

19.根据权利要求16所述的大型坯料锥形感应加热系统，还包括从所述大型坯料加热过程控制器到坯料旋转装置的坯料旋转输出信号，以在至少一部分感应加热所述大型胚料的感应加热过程中旋转所述大型坯料。

20.根据权利要求16所述的大型坯料锥形感应加热系统，还包括在所述单个坯料螺线管感应线圈的入口端和出口端的一个或多个大型坯料表面扫描高温计。