[发明专利]基于红外测温的铝合金半固态重熔加热控制方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料成形技术，尤其涉及一种基于红外测温的铝合金半固 态重熔加热控制方法及装置。

背景技术

20世纪70年代初，美国麻省理工学院的科学家首次发现了金属处于半固态 状态下的流变性能，并发展了金属半固态成形技术，该工艺介于固态金属成形 和液态金属成形之间，融合了铸造和塑性成形工艺优点，具有高效、节能等显 著优点，被认为是21世纪最有发展前途的近净成形技术之一。近年来半固态金 属成形技术在科学研究以及工业生产中均受到普遍关注，其研究成果在汽车工 业中零件加工中已经取得了较大程度的应用。在目前半固态金属成形所选用的 材料中，铝硅镁合金(尤其是A356，A357)凭借其较大的固液共存区以及良好 的成形性能，成为该技术最为重要和常见的材料。

半固态金属成形的工艺可以分为触变成形和流变成形两种，其中流变成形 是指将经搅拌获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度的条件下直接进行半 固态加工，而触变成形是指将半固态浆料冷却凝固成坯料后，根据产品尺寸下 料，再重新加热到半固态温度，然后进行成形加工。触变成形工艺流程长，但 它便于组织专业化生产，质量便于控制，因而成为半固态成形技术研究的重点， 在现有的研究及工业应用中绝大多数采用触变成形的工艺。

半固态金属触变成形的工艺流程一般包括：半固态坯料制备、坯料运输切 割、重熔加热以及触变成形。其中重熔加热的液相率控制是能否成功进行最终 触变成形的关键，如果液相率过高，坯料产生“象足”现象，并造成难以搬运；反 之如果液相率过低，则后续成形所需载荷将大大增加，丧失了半固态成形的优 势。因此，在重熔加热过程中一般控制坯料液相率为40-50％时为宜。

目前半固态金属重熔加热的液相率控制方法主要有：热电偶测温法、尖针 侵入法、加热能量控制法、线圈感应法、声压法等。

热电偶测温法是半固态技术实验研究中最常用的液相率控制方法，通过热 电偶直接测量半固态坯料的温度，进而达到控制液相率的目的，具有直观、准 确、连续的优点。热电偶测温法的最大缺点是每块坯料上均需钻孔，孔内表面 在加热时容易氧化，降低毛坯的内在质量，而且每块坯料上取放热电偶的工艺 操作麻烦，不适合高效率的生产控制。因此，热电偶测温法只适合实验研究， 难以进入工业应用。

尖针侵入法采用一定重量和形状的尖针刺入半固态坯料表面，由于尖针刺 入表面的速度与半固态的液相率有着较好的对应性，通过对照预先获得的实验 曲线，即可达到控制坯料液相率的目的。该方法直观、简单，但刺入的过程形 成小孔，孔洞内表面的氧化降低坯料质量，而且经过一次测量后如需再次测量 还需在不同区域刺入，造成不便。

加热能量控制法是一种常用的开环控制方法，该方法通过经验数据以固定 的加热功率、时间对于固定尺寸的工件进行加热，以固定的加热能量期望得到 预定的液相率。该方法简单、便捷、成本低，然而该方法控制精度不高，对于 坯料及其环境要求很高，条件改变将造成控制失败，产生废品。

线圈感应法的原理是金属坯料由固态向液态转变时，坯料电导率将明显下 降，通过感应线圈可检测出感应涡电流的透入深度的变化，进而确定坯料液相 率。该方法适应强，有发展潜力，但目前尚不成熟。缺点是液相率较低时准确 度不高，易产生误报，另外如果坯料采用感应加热方式，则会对该方法产生影 响。

声压法的工作原理是金属坯料在感应加热过程中会产生一个噪声场，该声 场在固相转为液相时声压变化很强烈，声压法就是通过检测声压变化来得到坯 料液相率。该方法尚处于实验阶段，未进入应用。

从金属坯料半固态重熔加热液相率控制技术的研究报道中可以发现，目前 金属坯料半固态重熔加热尚缺乏一种易于工业应用的在线测控技术，现有的控 制技术对于工业应用均不甚理想。

主要存在的问题有：

(1)对于金属坯料半固态重熔加热液相率的控制，开环的方法目前在工业中 也被采用，但精度较差；

(2)为了对于液相率进行闭环精确控制，常采用接触式测量技术，这需要对 每个工件进行打孔，破坏工件表面，不利于工业应用；

(3)半固态坯料重熔加热的非接触测温方法尚不成熟，有待进一步发展和改 进。