基于感應技術(shù)的鉆桿焊縫及熱影響區(qū)加熱

基于感應技術(shù)的鉆桿焊縫及熱影響區(qū)加熱

為了消除鉆孔過程中產(chǎn)生的殘余力，提高綜合力學性能，必須對鉆頭葉片和熱影響區(qū)域進行預防性維修和質(zhì)量調(diào)整。一般的加熱方法是在加熱爐中依靠加熱介質(zhì)的熱量使鉆桿逐漸升高溫度,故加熱速度較慢。采用中頻感應加熱裝置,熱量是由鉆桿管體上感應電流的熱效應所產(chǎn)生,故加熱速度較快,只需幾十秒就使其達到熱處理溫度,是一種理想的加熱方法。1結(jié)構(gòu)中頻感應加熱裝置主要由可控硅中頻電源、中頻淬火變壓器、感應線圈、冷卻系統(tǒng)等組成(如圖1)。1.1雙向交流結(jié)構(gòu)a)主電路采用三相橋式全控整流電路,將三相工頻交流電整流為直流電,經(jīng)電抗器平波,成為恒定的直流電源,再經(jīng)晶閘管組成的單相逆變橋,把直流電逆變成一定頻率的單相中頻交流電。負載由感應線圈和補償電容器組成,連接成并聯(lián)諧振電路。b)控制電路除逆變末級觸發(fā)電路板外,做成一塊印刷電路板結(jié)構(gòu),從功能上分為整流觸發(fā)、調(diào)節(jié)器、逆變、啟動演算4部分。1.2電流變換原理淬火變壓器匝數(shù)比為24∶1,根據(jù)變壓器的電流變換原理I1/I2≈N2/N1=1∶24,變壓器副繞組得到較大的輸出電流,增強渦流效應,有利于對鉆桿快速加熱。1.3感知器由空心銅管繞成,銅管內(nèi)循環(huán)冷卻水,感應線圈中通入一定頻率的交流電以產(chǎn)生交變磁場,管體內(nèi)產(chǎn)生頻率相同、方向相反的感應電流。1.4冷卻系統(tǒng)采用組合式散熱器,水在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)并冷卻,以降低晶閘管、變壓器、感應線圈工作時產(chǎn)生的熱量。2電源逆變對管道焊縫的熱效應如圖2,380V,50Hz三相交流電整流濾波,成為恒定的直流電源,經(jīng)逆變成為750V,1000Hz的單相中頻交流電,再經(jīng)淬火變壓器輸送到感應線圈,根據(jù)電磁感應原理,在鉆桿焊縫處感應出頻率相同、方向相反的渦流,產(chǎn)生渦流熱效應,對鉆桿焊縫及熱影響區(qū)加熱。3交變電流的頻率和頻率分布如圖1,將鉆桿輸送到感應線圈中,感應線圈通入一定頻率的交流電i,隨著電流的變化,管體內(nèi)的磁通量也不斷改變。把管體看作由一層一層的圓筒狀薄殼所組成,每層薄殼都相當于一個回路(如,虛線所示)。由于穿過薄殼截面的磁通量都在不斷變化,因此,在相當于每層薄殼的回路中都將激起感應電動勢,形成環(huán)形感應電流,即渦流iw。由于金屬導體電阻很小,渦流很大,所以熱效應極為顯著。設(shè)感應線圈中通有交變電流i=I0sin(ωt)=I0sin(2πft)(其中,I0為電流振幅,ω、f分別為交變電流的角頻率和頻率)。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律dB=μ0idlsin(di,r)/(4πr2),式中,μ0為真空的磁導率,idl為電流元,r為電流元到給定點的距離,(di,r)為電流元的方向和由電流元到給定點的位矢之間的夾角。即磁感強度B∝i,則其變化率為dB/dt∝di/dt=(2πI0)fcos(2πft)。對已知的鉆桿管體圓環(huán)橫截面積S來說,穿過的磁通量為?M=BS,根據(jù)法拉第電磁感應定律ξi=-d?M/dt=-(dB/dt)S∝-(2πI0S)f·cos(2πft)∝f。在任一時刻,感應電動勢ξi與頻率f成正比,即ξi∝f,由閉合電路的歐姆定律iw=ξi/R,即iw∝ξi。那么,渦流電流與交變電流頻率成正比,即iw∝f。根據(jù)焦耳定律的熱量公式Q=0.24iw2Rt,則Q∝f2。由此得出,渦電流產(chǎn)生的熱量與交變量流頻率的平方成正比。為了滿足對鉆桿焊縫及熱影響區(qū)快速、均勻加熱的工藝要求,顯然不能采用工頻(50Hz),但頻率太高會產(chǎn)生肌膚效應,管體心部在短時間內(nèi)達不到所需溫度,因此,采用中頻加熱。4感應加熱試驗的特點1)若提高渦流效應,則管體內(nèi)產(chǎn)生的感應電動勢ξi盡可能大,可通過增大磁通(即增大感應線圈中的電流i)或提高感應線圈中的電流頻率f來實現(xiàn)。2)感應加熱速度極快,相變過程中的鐵、磁原子來不及擴散,因而珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的相變溫度升高,相變溫度范圍擴大,故感應加熱的熱處理溫度比普通加熱高幾十度。3)感應加熱時間很短,奧氏體晶粒細小而均勻,淬火后可獲得極細的馬氏體