开放式单侧电磁感应加热线圈及温控装置

1.本发明涉及金属板材的力学性能测试装置领域，尤其涉及一种开放式单侧电磁感应加热线圈及温控装置。


背景技术：

2.等温单向拉伸试验是将金属板材试样加热并保持在一定温度下进行单向拉伸加载，获得金属板材高温力学性能的一种重要测试手段。目前常用的加热方法主要包括封闭式的高温箱加热和开放式的电磁感应加热两种类型。封闭式高温箱安装于专用的材料试验机上，加热时可获得均匀、恒定的温度场，但对试验机要求较高，且加热效率低、试样形状和尺寸受高温箱限制大。采用开放式电磁感应加热时，加热系统完全独立于材料试验机，实验操作简单灵活，且电磁感应加热效率高、温度控制灵敏。在电磁感应加热中，为了在试样平行段上获得均匀的温度场，一般需要环绕试样布置加热线圈。此时，由于线圈的遮挡，无法采用先进的非接触测量技术(如红外测温和数字图像相关技术)来获取试样平行段的全场温度和变形信息，只能通过在试样局部焊接热电偶和应变片等传感器的方式来获取温度和变形信息。由于焊接操作难度高，且焊接质量对测量结果精度影响非常大，由此引入的实验误差使局部位置的温度和变形信息具有一定的随机性与波动性，将这些信息反馈到温控系统则会降低对温度控制的稳定性。因此，对于采用开放式电磁感应加热的金属板材等温拉伸试验，设计一种有效的电磁感应加热线圈和温控装置非常有必要。一方面，突破感应线圈布置方式与非接触测量之间的冲突；另一方面，能在试样平行段保持较大范围的均匀、恒定温度场，同时允许非接触测量设备对试样平行段全场的温度和变形等信息进行采集，并将目标区域的温度场信息反馈到温控系统以提高系统稳定性。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种开放式单侧电磁感应加热线圈及温控装置，在对试样进行单侧加热时能够在平行段保持较大范围的均匀、恒定温度场，同时允许非接触测量设备在试样另一侧测量平行段全场的温度和变形等信息，通过将目标区域的温度场信息反馈到温控系统以提高系统稳定性。
4.为了实现上述目的，本发明提供一种开放式单侧电磁感应加热线圈及温控装置，包括一凹形电磁感应加热线圈、一感应加热电源、一测温仪和一温控器；所述测温仪通过所述温控器连接所述感应加热电源，所述感应加热电源通过加热线圈导线连接所述凹形电磁感应加热线圈；所述凹形电磁感应加热线圈设置于一金属板材试样的一侧；所述测温仪设置于所述金属板材试样的另一侧。
5.优选地，所述金属板材试样竖直夹持固定于一材料综合试验机的上夹头和下夹头之间；所述凹形电磁感应加热线圈与所述金属板材试样之间形成间隙，所述间隙大小为2～8mm。
6.优选地，所述金属板材试样包括钢板、铝板、镁板和钛板。
7.优选地，所述凹形电磁感应加热线圈和所述金属板材试样的中心高度保持一致；所述凹形电磁感应加热线圈包括一加热线圈，所述加热线圈的截面呈正方形；所述加热线圈邻近所述金属板材试的一侧中部向内凹陷形成一凹陷部，所述凹陷部的长度大于所述金属板材试样预设的一目标均温区的长度。
8.优选地，所述凹形电磁感应加热线圈还包括设置于所述加热线圈内的一导磁体；所述导磁体形状与所述加热线圈配合；所述导磁体的宽度大于所述金属板材试样的宽度。
9.优选地，所述感应加热电源为所述加热线圈提供交变电流，所述感应加热电源通过所述加热线圈导线连接所述加热线圈。
10.优选地，所述测温仪采用非接触测温仪，所述测温仪测量所述金属板材试样的目标区域的全场温度，并将所述目标区域内的温度平均值作为反馈信号传递给所述温控器。
11.优选地，所述温控器通过将所述测温仪反馈的所述温度平均值与设定的加热温度对比，控制所述感应加热电源对所述凹形电磁感应加热线圈进行通电。
12.本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
13.(1)本发明采用凹形的电磁感应加热线圈，对金属板材进行单侧加热即可保持试样平行段上与线圈内凹部分相对的区域具有均匀温度场。由于线圈头部的中心位置距离试样平行段较远，而两端距离试样较近，使平行段中心磁通密度小、两侧磁通密度大，则两侧较高的温度可自发地向试样中心传导，从而在感应加热和热传导的共同作用下，试样平行段上与线圈内凹部分相对区域的温度场得以均匀分布。
14.(2)本发明采用开放式的单侧加热方案，允许非接触测量设备对平行段全场的温度和变形等信息进行测量，无需焊接热电偶和应变片，从而简化测量流程，并提高测量结果的可靠性；基于平行段全场温度信息，将目标均温区的平均温度反馈至温控器，从而对感应加热电源做出适当调整以控制线圈的加热行为，提高温控系统的稳定性。
附图说明
15.图1为本发明实施例的开放式单侧电磁感应加热线圈及温控装置的结构示意图；
16.图2为本发明实施例的温控系统原理图；
17.图3为本发明实施例的凹形电磁感应加热线圈和金属板材试样的立体图；
18.图4为本发明实施例有限元仿真获得的采用凹形线圈加热时试样标距段靠近线圈表面的磁通密度分布图；
19.图5为本发明实施例有限元仿真获得的采用凹形线圈加热时试样标距段靠近线圈表面的温度分布图；
20.图6为本发明实施例有限元仿真获得的采用平线圈加热时试样标距段靠近线圈表面的磁通密度分布图；
21.图7为本发明实施例有限元仿真获得的采用平线圈加热时试样标距段靠近线圈表面的温度分布图；
22.图8为本发明实施例有限元仿真获得的采用凹形线圈和平线圈加热时试样标距段靠近线圈表面上温度沿长度方向的分布对比图。
具体实施方式
23.下面根据附图图1～图8，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
24.请参阅图1～图3，本发明实施例的一种开放式单侧电磁感应加热线圈及温控装置，包括一凹形电磁感应加热线圈4、一感应加热电源7、一测温仪5和一温控器8；测温仪5通过温控器8连接感应加热电源7，感应加热电源7通过加热线圈导线3连接凹形电磁感应加热线圈4；凹形电磁感应加热线圈4设置于一金属板材试样2的一侧；测温仪5设置于金属板材试样2的另一侧。
25.金属板材试样2竖直夹持固定于一材料综合试验机的上夹头1和下夹头6之间；凹形电磁感应加热线圈4与金属板材试样2之间形成间隙，间隙大小为2～8mm。
26.金属板材试样2包括钢板、铝板、镁板和钛板。
27.凹形电磁感应加热线圈4和金属板材试样2的中心高度保持一致；凹形电磁感应加热线圈4包括一加热线圈，加热线圈的截面呈正方形；加热线圈邻近金属板材试的一侧中部向内凹陷形成一凹陷部，凹陷部的长度大于金属板材试样2预设的一目标均温区的长度。
28.凹形电磁感应加热线圈4还包括设置于加热线圈内的一导磁体；导磁体形状与加热线圈配合；导磁体的宽度大于金属板材试样2的宽度。
29.感应加热电源7为加热线圈提供交变电流，感应加热电源7通过加热线圈导线3连接加热线圈。
30.测温仪5采用非接触测温仪，测温仪5测量金属板材试样2的目标区域的全场温度，并将目标区域内的温度平均值作为反馈信号传递给温控器8。
31.温控器8通过将测温仪5反馈的温度平均值与设定的加热温度对比，控制感应加热电源7对凹形电磁感应加热线圈4进行通电。
32.本实施例中，金属板材试样2为普通结构钢板，拉伸金属板材试样2平行段的长、宽、高分别为75mm、15mm、3mm，带有导磁体的凹形电磁感应加热线圈4位于金属板材试样2的一侧，凹形电磁感应加热线圈4连接感应加热电源7对金属板材试样2进行单侧加热，输入凹形电磁感应加热线圈4的交流电幅值和频率为500a和30khz，目标加热温度为250℃，在金属板材试样2的另一侧放置非接触测温仪，测温仪5测量金属板材试样2平行段温度场并反馈至温控器8，温控器8根据实测温度和设定目标温度的对比，通过控制感应加热电源7以控制凹形电磁感应加热线圈4的加热。
33.本实施例中，金属板材试样2非加热侧除了布置非接触测温仪以外，还可以布置非接触引伸计(如视频引伸计或数字图像相关系统)以获取平行段的全场变形信息。
34.本实施例中，加热线圈和导磁体具有内凹的形状，凹陷部分长度为33mm，导磁体起聚磁作用。
35.请参阅图1、图4和图5，本实施例中，对凹形电磁感应加热线圈4加热过程进行了有限元仿真，结果表明，由于金属板材试样2平行段中心距离线圈较远而两侧距离线圈较近，因此在两侧形成两个磁通密度较高的区域，该区域加热温度较中心温度更高，在热传导的作用下，两侧高温区向试样中心传热，使金属板材试样2平行段上与线圈内凹部分相对的区域具有均匀温度场。
36.请参阅图1、图6和图7，本实施例中，对平线圈加热过程进行了有限元仿真，通过与
凹形电磁感应加热线圈4加热过程仿真结果对比，发现采用平线圈时金属板材试样2平行段中心位置磁通密度最大并向两侧递减，平行段的温度场也呈类似分布，即金属板材试样2中心位置温度最高并向两侧递减，热传导方向为试样中心至两侧，在感应加热和热传导的共同作用下，平行段均温区范围较窄。
37.请参阅图1和图8，本实施例中，在凹形电磁感应加热线圈4和平线圈的加热过程仿真结果中，在金属板材试样2平行段靠近线圈的表面上取温度沿长度方向的分布进行对比，发现当定义温差10℃以内的区域为均温区时，采用凹形线圈加热到250℃时均温区长度为37mm，超过线圈内凹部分长度(33mm)，并近似达到了采用平线圈加热到250℃时均温区长度(13mm)的3倍。
38.以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。