薄圆柱体高频感应温度场的测量和有限元模拟

    在利用高频感应加热仪对碳钢工件端面进行高温熔覆时,往往需预先在圆柱状工件端面上进行熔覆实验来摸索其工艺和随后的微观分析,结果发现如何测量和控制工件温度是高频感应熔覆工艺过程的难点,同时也是熔覆成功的关键。目前,在高频感应加热淬火和熔覆的工作过程中,人们一般凭经验操作,带有很大的随意性和工艺不稳定性^{[1, 2]}。很多学者作过这方面的尝试,如利用红外谱仪进行温度测量,由于干扰因素很多,效果并不理想。本课题组用高频感应加热仪对碳钢进行熔覆实验的过程中已逐渐摸索出一套用自制的NiCr-NiAl热电偶精确地测量工件高频感应温度的方法。另外,还利ANSYS/Thermal软件来模拟工件温度场,根据感应加热的集肤效应原理和可测算的表面功率密度值,直接建立了热传导模型,避免了耦合场计算的复杂非线性问题。最后对两种方法的结果进行了比较分

析。

1　实验方法和实验结果

    实验上用SP-25型高频感应加热仪对薄圆柱工件(所谓薄圆柱工件是指该圆柱工件高度不超过加热线圈高度)进行加热,为防止工件氧化,用Ar气进行保护;铜管加热线圈2匝,内直径30mm,外直径38mm,输出电流为900A左右。

    圆柱工件直径28mm,高度8mm。将工件与线圈同心放在线圈内。欲测量的是从圆心到外圆的径向某处在加热时各个时刻的温度。

    考虑到用NiCr合金作为熔覆材料的实验温度为1100℃左右[3, 4],用可以耐更高温度的NiCr-NiAl热电偶进行测量,为使热电偶的焊点和被测工件接触良好,用氩弧焊将测温端焊接于恰当的部位形成新的热接点。热电偶时间常数是反映热电偶热惯性的重要参数,其值越大热电偶的热惯性越大。热电偶时间常数公式如下所示:

    显然,若减小热电偶时间常数τ,对于已知的热电偶材料来说,可变的只有热接点体积v和热接点表面积s。为此热接点的焊点体积v同热接点表面积s之比应尽可能地小。本实验采用的电偶丝直径Φ0·8mm,用氩弧焊焊接热接点,其直径Φ1mm。事实上,由于热电偶热接点和被测基体(碳钢)同时被感应加热,因此热电偶在该场合下使用,其响应速度会进一步大大提高,因此,在高频感应条件下使用热电偶测温同其它测温方式相比,具有不可比拟的优势。

    由于这些测量元件本身及其传输线都是由金属材料制成的,在高频强电磁场下可能会感生出附加的感生电流,干扰正常测量信号的传送,从而给温度测量工作带来不利影响,因此热电偶在应用中还要解决交变磁场干扰的问题。为消除交变电磁场干扰,应尽量减小热电偶的回路面积,故使热电偶穿过双孔瓷珠,瓷珠外径Φ3·0mm,并采用具有低通滤波的仪表测量温度。图1即一例笔者实测的薄圆柱工件端面某处熔覆温度曲线的扫描图,ε是与温度对应的热电势(mV),可见升温段曲线平滑,不存在磁场干扰。