快速获得复杂曲面局部高温的连续移动感应器及其设计方法与流程

本发明属于感应加热技术领域，具体涉及一种快速获得复杂曲面局部高温的连续移动感应器及其设计方法。

背景技术：

感应加热具有加热速度快、效率高的特点，在金属热处理、材料、机械、汽车、电气等领域均有着广泛的应用。感应熔覆是目前感应加热技术的一种重要应用形式，在针对感应熔覆技术的已有研究工作中，被加工对象均为中小型零件，熔覆面为规则形状的表面(如等直径圆柱面或平面等)，熔覆过程中感应器只做平面直线运动，对于大型车身模具等具有复杂型面的零件，感应熔覆的应用则受到限制，无法发挥其优势。

当今利用多轴联动数控机床可以实现感应器在三维空间沿任意曲线的连续移动，但现阶段常用的感应熔覆感应器一方面由于被加工零件几何特征的限制，形状多为弹簧状或蚊香状，尺寸较大，无法实现对复杂型面的点式加热；一方面由于零件复杂型面只能进行点式加热的限制，要求感应器结构紧凑、尺寸小，且考虑经济、安全等因素，在加热电流不可能无限增大的前提下，加热温度往往难以达到待熔覆粉末金属的熔点，感应器成为限制点式连续移动感应熔覆技术在复杂型面上应用的关键因素。

表面重熔和熔焊都是工业中比较常见的零件修复技术，表面重熔一般采用激光加热以使得金属表面温度迅速升高以至熔化，但是激光加热设备价格昂贵，安装使用条件高，难以对大型复杂曲面的零件进行表面重熔；堆焊也需要专门的设备提供热源，且堆焊热源对工件施加的温度分布不均匀，导致焊接质量难以得到精确的保证。感应加热成本低廉，易于控制，如果能通过感应器的设计将能量集中于很小的区域，使得该区域温度能够在极短的时间内迅速上升至2000℃以上，则可能应用于表面重熔和熔焊等技术，降低其生产成本，扩大表面重熔的应用范围，提高熔焊质量。

现关于感应器的类似专利，大多侧重于针某一零件进行感应淬火，适用范围较小，而且都没有通过感应器的结构设计将热量集中于复杂曲面局部以获得更高的温度，加热温度一般不能超过1000℃。因此，设计一种结构紧凑、尺寸小、能够在短时间内快速获得高温的复杂曲面局部连续移动感应器，对感应加热技术在工程上的应用有着重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种快速获得复杂曲面局部高温的连续移动感应器及其设计方法，该感应器能加热一小块面积以达到复杂曲面局部加热的效果，能在短时间内迅速获得很高的温度，适用范围广。

本发明所采用的技术方案是：

一种快速获得复杂曲面局部高温的连续移动感应器，包括感应线圈和导磁体，感应线圈由多段距形的铜管依次呈90度角相连成一个互不接触的整体，感应线圈在竖直方向上具有至少两匝并排的且间隙相同的铜管，导磁体是外形轮廓均为平面的倒U型体，导磁体的凹槽部分卡在竖直方向上所有并排的且间隙相同的铜管上，导磁体与感应线圈之间无间隙衔接固定，导磁体底端与感应线圈底端齐平或者被加工成与被加热工件表面结构特征相配合的曲面。

进一步地，铜管的外形是边长为A的方形、相邻两根非连接的铜管之间间隔均为D、感应线圈竖直方向上并排的且间隙相同的铜管的匝数为N、导磁体在凹槽深度方向的长为L，导磁体的厚度为A+D、宽为3A+2D、高为(N+1)A+ND，感应线圈在竖直方向的投影不能超过两边分别是2A+L和3A+2D的方形区域。

进一步地，导磁体与感应线圈之间通过耐高温的粘结剂固定。

进一步地，感应线圈整体为中空。

一种快速获得复杂曲面局部高温的连续移动感应器的设计方法，包括以下步骤：

S1.根据不同工艺要求感应加热需要达到的温度范围，确定感应线圈竖直方向上并排的且间隙相同的铜管的匝数，工艺要求感应加热需要达到的温度越高、匝数越多；

S2.根据被加热工件表面结构特征以及，确定感应器的尺寸，进而确定单个铜管的尺寸并制作感应线圈；

S3.根据设计好的感应线圈确定导磁体的尺寸，根据被加热工件表面结构特征加工导磁体底端形状。

进一步地，当工艺要求感应加热的温度不超过2000℃时，感应线圈竖直方向上并排的且间隙相同的铜管的匝数选择为2匝，当工艺要求感应加热的温度在2000℃以上时，感应线圈竖直方向上并排的且间隙相同的铜管的匝数选择为3匝以上。

本发明的有益效果是：

该感应器所有装配面均为矩形面，导磁体在垂直方向上与感应线圈配合，尺寸小、结构紧凑，能加热一小块面积以达到复杂曲面局部加热的效果；该感应器通过增加感应线圈竖直方向上并排的且间隙相同的铜管的匝数，在加热面积较小的情况下，提高加热效率，能在短时间内迅速获得很高的温度；该感应器结构简单、制作方便，适用范围广(适合感应熔覆、表面重熔、熔焊等)，扩大了感应加热技术的应用范围，经济效益高。

感应线圈竖直方向上并排的且间隙相同的铜管的匝数是除电流外影响感应器加热效率的最主要因素，因此，先确定匝数；被加热工件表面结构特征决定了感应器的最大尺寸(大于某一尺寸就会在移动过程中与被加热工件表面发生干涉或者不能完成细小轮廓处的加工)，当加热区域面积较大时，可适当增大感应器的尺寸，感应器的尺寸和匝数确定好后，就可以确定单个铜管的尺寸并制作感应线圈；导磁体的尺寸随感应线圈而定、底端形状随被加热工件表面结构特征而定，故最后设计。

附图说明

图1是本发明的工作示意图。

图2是匝数为2的感应器示意图。

图3图2中的感应线圈示意图。

图4图2中的导磁体示意图。

图5是匝数为3的感应器示意图。

图6图5中的感应线圈示意图。

图7图5中的导磁体示意图。

图中：1-数控机床；2-感应器；3-被加热工件；4-感应线圈；5-导磁体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图2和图3所示，一种快速获得复杂曲面局部高温的连续移动感应器，包括感应线圈4和导磁体5，感应线圈4由多段距形的铜管依次(焊接)呈90度角相连成一个互不接触的整体(如图3和图6所示)，感应线圈4在竖直方向上具有至少两匝并排的且间隙相同的铜管(图2为2匝的实施例，图3为3匝的实施例)，导磁体5是外形轮廓均为平面的倒U型体(如图4和图7所示)，导磁体5的凹槽部分卡在竖直方向上所有并排的且间隙相同的铜管上，导磁体5与感应线圈4之间无间隙衔接固定，导磁体5底端与感应线圈4底端齐平或者被加工成与被加热工件3表面结构特征相配合的曲面。

该感应器2所有装配面均为矩形面，导磁体5在垂直方向上与感应线圈4配合，尺寸小、结构紧凑，能加热一小块面积以达到复杂曲面局部加热的效果；该感应器2通过增加感应线圈4竖直方向上并排的且间隙相同的铜管的匝数，在加热面积较小的情况下，提高加热效率，能在短时间内迅速获得很高的温度；该感应器2结构简单、制作方便，适用范围广(适合感应熔覆、表面重熔、熔焊等)，扩大了感应加热技术的应用范围，经济效益高。

在本发明中，铜管的外形是边长为A的方形、相邻两根非连接的铜管之间间隔均为D、感应线圈4竖直方向上并排的且间隙相同的铜管的匝数为N、导磁体5在凹槽深度方向的长为L，导磁体5的厚度为A+D、宽为3A+2D、高为(N+1)A+ND，感应线圈4在竖直方向的投影不能超过两边分别是2A+L和3A+2D的方形区域。如图2至4所示，在本实施例中，铜管的外形是边长为8mm的方形、相邻两根非连接的铜管之间间隔均为2mm、感应线圈4竖直方向上并排的且间隙相同的铜管的匝数为2、导磁体5在凹槽深度方向的长为20mm，导磁体5的厚度为10mm、宽为28mm、高为28mm，感应线圈4在竖直方向的投影不能超过两边分别是36mm和28mm的方形区域。如图5至7所示，在本实施例中，铜管的外形是边长为8mm的方形、相邻两根非连接的铜管之间间隔均为2mm、感应线圈4竖直方向上并排的且间隙相同的铜管的匝数为3、导磁体5在凹槽深度方向的长为4mm，导磁体5的厚度为10mm、宽为28mm、高为38mm，感应线圈4在竖直方向的投影不能超过两边分别是20mm和28mm的方形区域。感应线圈4和导磁体5的尺寸设计，保证了感应线圈4和导磁体5的无间隙装配，保证了感应线圈4和导磁体5在竖直方向的投影尽可能小，保证了复杂曲面局部加热的效果。

在本发明中，导磁体5与感应线圈4之间通过耐高温的粘结剂固定。

在本发明中，感应线圈4整体为中空。中空的感应线圈4可通冷却水以达到冷却铜管的目的。

一种快速获得复杂曲面局部高温的连续移动感应器的设计方法，包括以下步骤：

S1.根据不同工艺要求感应加热需要达到的温度范围，确定感应线圈4竖直方向上并排的且间隙相同的铜管的匝数，工艺要求感应加热需要达到的温度越高、匝数越多；

S2.根据被加热工件3表面结构特征以及，确定感应器2的尺寸，进而确定单个铜管的尺寸并制作感应线圈4；

S3.根据设计好的感应线圈4确定导磁体5的尺寸，根据被加热工件3表面结构特征加工导磁体5底端形状。

感应线圈4竖直方向上并排的且间隙相同的铜管的匝数是除电流外影响感应器2加热效率的最主要因素，因此，先确定匝数；被加热工件3表面结构特征决定了感应器2的最大尺寸(大于某一尺寸就会在移动过程中与被加热工件3表面发生干涉或者不能完成细小轮廓处的加工)，当加热区域面积较大时，可适当增大感应器2的尺寸，感应器2的尺寸和匝数确定好后，就可以确定单个铜管的尺寸并制作感应线圈4；导磁体5的尺寸随感应线圈4而定、底端形状随被加热工件3表面结构特征而定，故最后设计。

当工艺要求感应加热的温度不超过2000℃时(感应加热的温度能够熔化金属)，感应线圈4竖直方向上并排的且间隙相同的铜管的匝数选择为2匝，当工艺要求感应加热的温度在2000℃以上时(感应加热的温度能够迅速熔化金属)，感应线圈4竖直方向上并排的且间隙相同的铜管的匝数选择为3匝以上。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。