淬火实验装置及淬火实验方法与流程

本发明涉及铝合金热处理装备及工艺模拟机技术领域，特别涉及一种淬火实验装置及淬火实验方法。

背景技术：

铝合金板带材的高均匀性淬火是高品质铝合金板带生产制造工艺中的关键工序。随着社会的发展，目前对铝合金板带材的综合质量要求越来越高，尤其是对铝合金板带材的板形要求更是越来越高。

传统的淬火实验装置通常为一个水箱，淬火过程无法获得高的冷却强度的同时获得高的冷却均匀性，且冷速不可控，从而由于冷却过程中的多因素不可控，因此容易导致最终的铝合金板带材的板形质量降低，并且因板带材淬火应力的产生，严重的降低了铝合金板带材的综合力学性能。

因此，如何开发一套能够模拟实际大工业生产的小型淬火实验装置，以获得具有良好的板形和综合力学性能的铝合金板带材，可以大大减少工艺实验的费用和时间。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种淬火实验装置及淬火实验方法，以解决现有的淬火实验装置容易导致铝合金板带材的板形质量和综合力学性能降低的技术问题。

本发明提供一种淬火实验装置，包括：冷却机构；所述冷却机构包括：水箱，所述水箱的上部区域设置有冷却喷嘴组件，所述冷却喷嘴组件设置有至少两排喷嘴，所述喷嘴包括有用于实现喷水的喷水嘴和用于实现喷气的喷气嘴，且所述喷嘴采用高压倾斜射流的冷却方式；所述水箱的下部区域设置有用于对所述水箱中的冷却水进行加热的加热器；所述喷气嘴的进风口通过送风管道连通有变频风机，且所述送风管道的接口处设置有第一压力传感器、第一流量计和第一阀门。

实际应用时，所述喷水嘴通过冷却水管道连通有变频水泵，且所述冷却水管道上设置有第二压力传感器、第二流量计和第二阀门。

其中，所述喷嘴的开口形式为扁平口结构。

具体地，所述喷水嘴的后方设置有集水室，所述喷气嘴的后方设置有集气室。

进一步地，所述喷嘴采用螺纹的形式旋钮在所述集水室和所述集气室的前面。

更进一步地，所述加热器为电阻式加热器。

实际应用时，所述淬火实验装置还包括：设置在所述冷却机构上游的固溶机构；所述固溶机构包括：固溶炉。

其中，所述淬火实验装置还包括：设置在所述冷却机构下游的时效机构；所述时效机构包括：时效炉。

具体地，所述淬火实验装置还包括：设置在所述固溶机构、所述冷却机构和所述时效机构上方的机械手横梁；所述机械手横梁上设置有机械手，且所述机械手上对应设有夹具。

相对于现有技术，本发明所述的淬火实验装置具有以下优势：

本发明提供的淬火实验装置中，包括：冷却机构，该冷却机构包括：水箱；其中，水箱的上部区域设置有冷却喷嘴组件，冷却喷嘴组件设置有至少两排喷嘴，喷嘴包括有用于实现喷水的喷水嘴和用于实现喷气的喷气嘴，且喷嘴采用高压倾斜射流的冷却方式；具体地，水箱的下部区域设置有用于对水箱中的冷却水进行加热的加热器；进一步地，喷气嘴的进风口通过送风管道连通有变频风机，且送风管道的接口处设置有第一压力传感器、第一流量计和第一阀门。由此分析可知，由于喷嘴包括有用于实现喷水的喷水嘴和用于实现喷气的喷气嘴，因此能够实现喷水和喷气的多种冷却方式；由于喷嘴采用高压倾斜射流的方式，因此能够消除残存板带表面汽膜，使得新水直接接触板带表面，残水形成有序壁面射流，减少膜态/过渡沸腾状态；由于水箱的下部区域设置有加热器，因此能够有效控制加热温度并对淬火件实现变温淬火；由于设置有变频风机，因此能够实现不同风压和风速的空气冷却。综上所述，本发明提供的淬火实验装置，能够获得高的冷却强度同时获得高的冷却均匀性，并最终减少淬火过程中铝合金板带的淬火变形和淬火应力，从而得到具有良好的板形和综合力学性能的铝合金板带材；此外，还能够完全模拟铝合金气垫式连续热处理线及辊底式热处理炉生产线的淬火工艺，大大减少工艺实验的费用和时间。

本发明还提供一种淬火实验方法，使用如上述任一项所述的淬火实验装置，并包括如下步骤：固溶：将铝合金薄板固定在机械手的夹具上，并设定固溶温度和固溶时间；转移：达到固溶处理时间后，所述机械手自动移出，并将所述铝合金薄板由固溶机构转移至冷却机构；冷却：所述铝合金薄板位于所述冷却机构的喷嘴处，并进行水淬和/或风淬，淬火完成后所述机械手自动移出，并带动所述铝合金薄板至时效炉中进行热处理或返回至复位位置。

所述淬火实验方法与上述淬火实验装置相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的淬火实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的淬火实验装置中冷却机构的主视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的淬火实验装置中冷却机构的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的淬火实验装置中冷却机构的水冷、风冷结构示意图；

图5为本发明实施例提供的淬火实验装置中冷却机构的喷嘴结构示意图；

图6为本发明实施例提供的淬火实验装置中冷却机构的喷嘴倾斜射流结构示意图；

图7为本发明实施例提供的淬火实验方法的工艺流程示意图；

图8为本发明实施例提供的淬火实验方法中固溶处理－强风冷却曲线图；

图9为本发明实施例提供的淬火实验方法中固溶处理－喷水冷却曲线图。

图中：1－冷却机构；11－水箱；12－冷却喷嘴组件；121－喷水嘴；122－喷气嘴；13－加热器；141－送风管道；151－变频风机；171－第一流量计；181－第一阀门；152－变频水泵；172－第二流量计；182－第二阀门；19－变送器；111－溢水口；2－固溶机构；21－固溶炉；3－时效机构；31－时效炉；41－机械手横梁；42－机械手；43－夹具；5－铝合金板带材(铝板)。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的淬火实验装置的结构示意图；图2为本发明实施例提供的淬火实验装置中冷却机构的主视结构示意图；图3为本发明实施例提供的淬火实验装置中冷却机构的俯视结构示意图；图4为本发明实施例提供的淬火实验装置中冷却机构的水冷、风冷结构示意图；图5为本发明实施例提供的淬火实验装置中冷却机构的喷嘴结构示意图；图6为本发明实施例提供的淬火实验装置中冷却机构的喷嘴倾斜射流结构示意图。

如图1－图6所示，本发明实施例提供一种淬火实验装置，包括：冷却机构1；冷却机构1包括：水箱11，水箱11的上部区域设置有冷却喷嘴组件12，冷却喷嘴组件12设置有至少两排喷嘴，喷嘴包括有用于实现喷水的喷水嘴121和用于实现喷气的喷气嘴122，且喷嘴采用高压倾斜射流的冷却方式(如图6中箭头所示)；水箱11的下部区域设置有用于对水箱11中的冷却水进行加热的加热器13；喷气嘴122的进风口通过送风管道141连通有变频风机151，且送风管道141的接口处设置有第一压力传感器、第一流量计171和第一阀门181。

相对于现有技术，本发明实施例所述的淬火实验装置具有以下优势：

本发明实施例提供的淬火实验装置中，如图1－图6所示，包括：冷却机构1，该冷却机构1包括：水箱11；其中，水箱11的上部区域设置有冷却喷嘴组件12，冷却喷嘴组件12设置有至少两排喷嘴，喷嘴包括有用于实现喷水的喷水嘴121和用于实现喷气的喷气嘴122，且喷嘴采用高压倾斜射流的冷却方式(如图6中箭头所示)；具体地，水箱11的下部区域设置有用于对水箱11中的冷却水进行加热的加热器13；进一步地，喷气嘴122的进风口通过送风管道141连通有变频风机151，且送风管道141的接口处设置有第一压力传感器、第一流量计171和第一阀门181。由此分析可知，由于喷嘴包括有用于实现喷水的喷水嘴121和用于实现喷气的喷气嘴122，因此能够实现喷水和喷气的多种冷却方式；由于喷嘴采用高压倾斜射流的方式，因此能够消除残存板带表面汽膜，使得新水直接接触板带表面，残水形成有序壁面射流，减少膜态/过渡沸腾状态；由于水箱11的下部区域设置有加热器13，因此能够有效控制加热温度并对淬火件实现变温淬火；由于设置有变频风机151，因此能够实现不同风压和风速的空气冷却。综上所述，本发明实施例提供的淬火实验装置，能够获得高的冷却强度同时获得高的冷却均匀性，并最终减少淬火过程中铝合金板带的淬火变形和淬火应力，从而得到具有良好的板形和综合力学性能的铝合金板带材；此外，还能够完全模拟铝合金气垫式连续热处理线及辊底式热处理炉生产线的淬火工艺，大大减少工艺实验的费用和时间。

实际应用时，为了更好地实现对喷水冷却方式的智能控制，如图4所示，上述喷水嘴121可以通过冷却水管道连通有变频水泵152，且冷却水管道上可以设置有第二压力传感器、第二流量计172和第二阀门182。

此处需要补充说明的是，综合考虑淬火实验装置的装配和性能，上述水箱11可以为立式的集水水箱；上述冷却喷嘴组件12优选为包括对称设置在水箱11上部区域的两组，且每组冷却喷嘴组件12优选为设置有四排喷嘴；上述变频风机151优选为设置在水箱11的后面，变频水泵152优选为设置在水箱11的下方；上述第一流量计171可以为孔板流量计，第二流量计172可以为电磁流量计；上述第一阀门181和第二阀门182可以均为电磁阀。

当然，根据铝板5规格的不同，也可以设置有不同数量的喷嘴，例如：设置有六排喷嘴，每排喷嘴设置有15个。

实际使用时，孔板流量计能够检测喷气嘴122冷却风量的大小，第一压力传感器能够检测冷却风的压力，且根据孔板流量计和第一压力传感器的反馈信号，对变频风机151进行变频控制，从而实现对冷却风的流量和压力进行闭环调节和控制，进而实现不同风压和风速的强风冷却处理；电磁流量计能够检测喷水嘴121的冷却水流量大小，第二压力传感器能够检测冷却水的压力，且根据电磁流量计和第二压力传感器的反馈信号，对变频水泵152进行变频控制，从而实现对冷却水的流量和压力进行闭环调节和控制，进而实现不同水压和流速的水冷却处理。

此外，如图2所示，本发明实施例提供的淬火实验装置中还设置有变送器19，从而通过变送器19将第一压力传感器和第二压力传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号。

同时，如图1所示，水箱11的侧壁上位于底部区域处可以设置有溢水口111，从而便于在特殊情况下快速释放水箱11中的冷却水。

其中，为了再进一步地有效提高冷却均匀性，上述喷嘴的开口形式可以为扁平口结构，利用扁平口结构的喷嘴喷吹冷却水和冷空气，能够获得比圆柱形结构的喷嘴喷吹更均匀的冷却效果。

具体地，上述喷水嘴121的后方可以设置有集水室，喷气嘴122的后方可以设置有集气室，从而变频水泵152和变频风机151能够分别将冷却水和空气引导至集水室和集气室，并分别通过喷水嘴121和喷气嘴122将冷却水和空气喷吹到铝板上实现多功能淬火处理。

进一步地，为了便于喷嘴的装配、拆卸及更换，上述喷嘴可以采用螺纹的形式旋钮在集水室和集气室的前面。

更进一步地，上述加热器13可以为电阻式加热器，且电阻式加热器的加热元件可以为加热棒；优选地，该加热棒可以为U形加热棒，且U形加热棒可以由水箱11的下部插入，并通过调节加热棒的功率、以及根据热电偶的温度反馈值来设定冷却水的温度，从而实现不同温度的淬火热处理。

实际应用时，如图1所示，本发明实施例提供的淬火实验装置还包括：设置在冷却机构1上游的固溶机构2；该固溶机构2可以包括：固溶炉21。

其中，如图1所示，本发明实施例提供的淬火实验装置还包括：设置在冷却机构1下游的时效机构3；该时效机构3可以包括：时效炉31，从而通过时效炉31有效地在合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造、锻造后，在较高的温度或室温中保持其性能、形状、尺寸而随时间变化进行的热处理工艺。

具体地，为了实现自动化操作，本发明实施例提供的淬火实验装置还包括：设置在固溶机构2、冷却机构1和时效机构3上方的机械手横梁41；该机械手横梁41上可以设置有机械手42，且机械手42上可以对应设有夹具43，从而通过夹具43对铝合金薄板进行固定，并通过机械手42进行移动以带动铝合金薄板在固溶机构2、冷却机构1和时效机构3之间进行转换。

如图1－图6所示，本发明实施例提供的淬火实验装置的使用过程可以为：通过固溶炉21将铝合金板带材5加热至设定的固溶处理温度，设定保温时间，待时间到达后由机械手42自动取出铝板5转移至冷却机构1中进行淬火，转移时间可根据不同热处理工艺进行设定，最短转移时间为3.5s，开启变频水泵152设置喷水压力值，可以进行不同水压下的喷水冷却淬火处理；和/或，通过固溶炉21将铝合金板带材5加热至固溶处理温度，设定保温时间，待时间到达后由机械手42自动取出铝板5转移至冷却机构1中进行淬火，最短转移时间为3.5s，开启变频风机151调整风机频率，可以进行不同风压下的强制风冷处理；和/或，通过固溶炉21将铝合金板带材5加热至固溶处理温度，设定保温时间，待时间到达后由机械手42自动取出铝板5转移至冷却机构1中进行淬火，最短转移时间为3.5s，根据水箱11内热电偶关于水温的反馈值来调整(淬火)水箱11内加热器13的功率，实现不同水温的淬火处理。

图7为本发明实施例提供的淬火实验方法的工艺流程示意图。

本发明实施例还提供一种淬火实验方法，使用如上述任一项所述的淬火实验装置，并如图7所示，包括如下步骤：固溶：将特定规格的铝合金薄板固定在机械手42的夹具43上，并通过电脑程序设定固溶温度和固溶时间；转移：达到固溶处理时间后，机械手42自动移出，并将铝合金薄板由固溶机构2转移至冷却机构1，转移的时间可以根据热处理工艺进行设定，通过最短为3.5秒；冷却：根据程序设定，铝合金薄板位于冷却机构1的喷嘴处，并进行水淬和/或风淬，具体淬火时间可自由设定，淬火完成后机械手42自动移出，并带动铝合金薄板至时效炉31中进行热处理或返回至复位位置。

图8为本发明实施例提供的淬火实验方法中固溶处理－强风冷却曲线图；图9为本发明实施例提供的淬火实验方法中固溶处理－喷水冷却曲线图。

板带厚度为1mm的铝板淬火实验方法，具体实验方法如下所述：

固溶处理：将切割好的500mm×500mm规格的1mm厚铝合金薄板夹在机械手42的夹具43上，设定程序，转移时间设定为3.5s，固溶温度设定为570℃，固溶时间设定为120s，升温和降温数据的采集采用在铝板上铆接热电偶的方法来收集全流程的温度数据；

淬火处理：为了尽可能的减少铝板温度在转移过程中的温降，特此设定转移时间为3.5s，铝合金薄板从固溶炉31至(多功能淬火)冷却机构1全流程实现自动化控制无机械操作；铝合金薄板自动进入淬火冷却区域，通过程序设定分别进行空冷和水冷两种淬火处理工艺；

如图8和图9所示，不同形式的淬火处理，其冷却速度有明显的差别，列举的两个实例分别为：如图8所示，强风冷却速率约为11.9℃/s；如图9所示，喷水冷却的冷却速率约为270℃/s。

此处需要补充说明的是，本发明实施例提供的淬火实验装置及淬火实验方法适用的合金类型可以为：所有可热处理强化及不可热处理强化型铝合金板带材；实验试样尺寸可以为：宽度Max500mm、长度Max500mm、厚度：0.3mm－50mm；冷却淬火方式：设置的变压喷嘴可以实现风淬、水淬、温淬；冷却速率：Max300℃/s；淬火后铝板温度：T≤70℃。

本发明实施例提供的淬火实验装置及淬火实验方法的有益效果如下所述：

(1)具有多种淬火处理方式：水淬、温淬、风淬等多种淬火方式集中到一套装置上，节省设备投资的同时，也实现了多功能化，丰富了淬火处理的实验手段，最终提高了板带材的淬火效率和板形；

(2)通过电控系统完成变频水泵和变频风机的启停操作、状态监测、冷却水流量、冷风风量的显示和记录；与固溶炉共用一套控制系统实现机械手的启停操作，状态监控及转移时间的设定，实现了全流程的智能化，无需人工操作，降低了人工操作的偶然性给实验结果带来的影响；

(3)通过电控系统完成变频水泵和变频风机的启停操作、状态监测、冷却水流量、冷风风量的显示和记录，实现了淬火过程中冷却速度的可控性，可以根据不同的实验材料、不同的实验要求来选择合适的冷却速度；

(4)设置不同数量的喷嘴、不同角度的射流冷却，能够有效消除残存板带表面的汽膜，使得新水直接接触板带表面，残水形成有序壁面射流，减少膜态/过渡沸腾状态，从而获得高的冷却强度的同时获得高的冷却均匀性，最终减少淬火过程中铝合金板带的淬火变形和淬火应力，得到良好的板形和综合力学性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。