摘要：应用改进的ANSYS 软件对ZL101 铝合金试样在各种不同工艺参数下(如保温时间、电流密度、频率、试样形状等) 的感应加热温度及温度均匀性进行了模拟。实验发现加热毕后停留时间、线圈的电流密度、试样形状等对模拟结果有很大影响。同时在相同加热参数条件下，对模拟所得结果与感应加热的实测数据进行了比较，结果两者较为吻合，表明计算机模拟是成功的。
关键词：半固态成形技术；铝合金；感应加热；计算机模拟
1 前言
半固态金属成形技术是一种融合了锻造和铸造工艺的金属成形技术，被认为是二十一世纪金属制造的新兴技术之一，也是当前我国高技术产业化优先发展的重点之一。20 世纪70 年代初，美国麻省理工学院D. S. Spencer 等[1 ] 研究人员在用自制的高温粘度计测量Sn215 %Pb 合金高温粘度时，发现了金属在凝固过程中的特殊力学行为，即在金属凝固过程中进行强烈搅拌，在液、固两相并存的半固态即使在较高固相体积分数时，半固态金属仍具有较低的剪切应力。美国麻省理工学院以M. C. Flemings 教授为首的研究人员随即对此进行了深入的研究，并发展成为半固态金属加工技术( SemiSolid Metal Forming)，又称半固态成形技术(SSF)， 或称SSM[2～5 ] 。由于该技术与其他成形技术相比具有显著的优点，因而受到世界各国的高度重视，并投入了大量的人力、物力。其中美、日、英、法、意和瑞士等国家的应用水平处于领先地位。自20 世纪90 年代以来，半固态金属成形技术应用日益广泛，工业生产的零件数量和种类不断增长，特别是汽车零件尤为明显[6，7 ] 。
金属半固态成形分为半固态触变成形和半固态流变成形，其中触变成形的研究和应用要广泛得多，半固态触变成形有三个关键工艺，即半固态坯料的制备、坯料的加热重熔和半固态触变成形。其中坯料的加热重熔是关键中的关键。半固态触变成形对坯料的二次加热温度及温度的均匀性要求相当苛刻，既要求升温速度快、温控精确、温度均匀，且过程易于自动控制，又要求氧化少，因此只有选用感应加热方式，并且加热工艺合理才能满足该要求。实践证明样品的种类、尺寸、形状以及感应线圈的性质等不同，所需感应加热工艺均会有很大的差异，为此需要经过无数次的实验摸索才能制定合适的加热工艺，而采用计算机模拟则可以节约大量的人力和物力。由于金属半固态感应加热过程复杂，至今还存在着不少问题[8～11 ]， 因此有必要进行深入的研究。
2 实验过程
本实验所用材料为ZL101 半固态铝合金坯料，其主要化学成分为6.9%Si， 0.36 %Mg 余为Al， 共晶温度为577 ℃，合金试样的尺寸为φ8.12mm ×165mm， 或φ75.6mm ×165mm。
实验所用的感应加热设备有八个加热线圈，分快速加热和慢速加热线圈两种，加热时先用快速加热线圈加热若干次，然后用慢速加热线圈加热若干次，每次加热后停留几秒。为了准确地模拟铝合金感应加热情况，首先对感应线圈的结构进行分析。感应线圈的结构如图1 所示。
图1 加热感应线圈的简化示意
a. 快速加热感应线圈，23 匝，线圈总高240mm，线圈的铜管外径14mm，内径11mm，管内通水冷却;
b. 慢速加热感应线圈，12 匝，线圈总高240mm，线圈的铜管外径16mm，内径12mm，管内通水冷却。
根据图1 的感应加热炉的实际尺寸，设计ANSYS软件程序中所需要的模型。由于本课题的模型是一个轴对称图形，所以最终建模只是取了原模型的右边部分。模型如图2 所示。
要说明的是线圈的形状。因为单匝线圈内部是空心结构，线圈排列后真正产生磁场的主要是线圈的两边，因此其它部分可以忽略。所以线圈的形状设计如图1、2 的模样。
本实验是用改进的ANSYS 软件对感应加热过程进行模拟，计算分析的流程框图见图3。
3 实验结果与讨论
在计算机模拟过程中，对影响坯料加热温度分布的主要因素: 模拟参数(如模拟加热过程的时间步长和网格粗细) 和工艺参数: (如加热毕后的停留时间、线圈通电的电流密度、铝合金试样形状) 进行了实验研究。
3.1 时间步长和网格粗细的影响
时间步长的影响。模拟时固定其他参数(频率640Hz， 快速加热线圈的电流密度30 ×106A/m2，慢速加热线圈的电流密度20 ×106A/ m2，加热时间为430s)， 模拟时间步长依次为2s、2.5s、5s、10s。计算机模拟的数据记录如表1， 铝合金试样简图如图4。表1 模拟得到的坯料温度场与时间步长的关系
 
从表1 看出温度，温差随时间步长的变化基本没有变化，即时间步长对加热温度及温度均匀性影响不大。
网格粗细的影响也采用固定其他参数，使网格由细到比较粗再到粗的方法模拟(如图5)，计算机模拟的数据记录见表2。
表2 模拟得到坯料的温度场与网格粗细的关系
 从表2 可见，加热速度随网格变粗而增大，但增大率不大，而温差随网格的变粗略下降。表1 和表2 表明时间步长和网格粗细对感应加热的计算机模拟结果影响不大。为了减少计算机模拟的收敛次数和提高工作效率，以下模拟实验的时间步长定为5s， 网格粗细为细小。
3.2 加热毕停留时间的影响
固定频率为640Hz， 快速加热线圈的电流密度为30 ×106A/ m2， 慢速加热线圈的电流密度为20 ×106A/ m2， 变化加热毕停留时间为0、3、5、7min， 模拟得到的坯料温度场与停留时间的关系如表3。表3 模拟得到的坯料温度场与加热毕时间的关系
 从表3 看出，当感应加热圆柱体时，由于集肤效应，只有表面会快速升温，但随着停留时间的增加，铝合金试样的温度分布均匀化。当停留时间为7min 时，虽表面温度有所下降，但温差很小。这是因为当试样停止加热后，由于热传导使得心部与表面温差缩小，但同时由于试样表面辐射的原因，使得表面温度有所下降。所以保温时间最佳选择7min 左右。
3.3 通电线圈的电流密度变化的影响
固定通电线圈的频率为640Hz， 加热时间为430s， 变化通电线圈的电流密度，模拟得到的坯料温度场与通电线圈的电流密度见表4， 中心温度、温差与通电线圈电流密度的关系如图6。表4 模拟得到的坯料温度场与通电线圈电流密度的关系
 
从表4 及图6 可明显观察到，随着通电线圈电流密度的增加，试样的加热速度加快，从提高加热速度考虑，通电线圈的电流密度越高越好;但此时试样的温差也加大，从减小温差看，通电线圈的电流密度越小越好。因此通电线圈电流密度的选择要适中，要既保证加热快，而温差又不大(一般在6 ℃以内) 。
3.4 线圈通电频率变化的影响
固定快速加热线圈的电流密度为25 ×106A/m2， 慢速加热线圈的电流密度为15 ×106A/ m2，加热时间为430s， 变化电频率为500Hz、640Hz、1000Hz、2000Hz、3000Hz。模拟得到坯料的温度场与频率如表5， 中心温度、温差与频率的关系如图7。表5 模拟得到的坯料温度场与频率的关系
 
图7 中心温度、温差与频率关系图
由表5 及图7 可见，随着频率的升高，试样的加热速度加快，这是因为当频率提高时，吸收的功率增加，加热速度快。因此从提高加热速度考虑，频率越高越好，但随着频率的升高，试样的温差也加大。根据温差在6 ℃范围内及加热速度的综合考虑，频率选择中频(640～1000Hz)较合理。
3.5 试样形状的影响
为了反映铝合金试样形状对感应加热温度及其均匀性的影响，我们对规则和不规则的两种形状的试样在不同频率下的感应加热进行计算机模拟。两种试样形状的简化如图8。
。固定快速加热的电流密度为30 ×106A/ m2，慢速加热的电流密度为20 ×106A/ m2，且使试样体积相等。对其温度和温差进行了记录，模拟得到的坯料温度场与频率如表6，中心温度、温差与频率的关系如图9。表6 模拟得到的坯料温度场与频率的关系
 
图9 中心温度、温差与通电频率的关系图
从表6 和图9 可知，随着通电频率的升高，规则试样和不规则试样的加热速度都增加了，且相同频率和相同电流密度下的加热速度和温度都相差不大，但是规则试样的温差随频率升高的变化趋势远没有不规则试样明显，不规则试样的温差增加趋势是规则试样的3～4 倍。这是因为不规则试样最上部分的热量不能及时传出去而使这部分温度快速升高所致。因此样品应该是规则的，最好和线圈的形状大小相当。
3.6 计算机模拟结果与实验结果的比较
为估价计算机模拟的准确性，将计算机模拟数据与在相同加热参数下进行的实际感应加热的实测数据进行了比较。表7 列出了计算机模拟与实测值的比较。表7 计算机模拟结果与实测结果的比较
注: 表中数据均在如下相同条件下取得，快速加热电流密
度为36 ×106A/ m2， 慢速加热电流密度为19.7 ×106A/ m2， 加热时间430s， 加载步长5s， 样品尺寸为φ8.12mm×165mm。 从表7 可以看出，计算机模拟结果和实际情况相吻合，说明所设计的计算机模拟及感应线圈的简化模型合理、有效。
4 结论
从以上感应加热模拟的研究中，得出以下结论。
(1) 在感应加热计算机模拟过程中，模拟所取时间步长和网格粗细对感应加热的温度场及温度均匀性影响不大。
(2) 为了满足半固态触变成形对坯料二次加热温度及温度均匀性的严格要求，试样最好和感应线圈的形状大小相当，加热选择中频频率，通电线圈的电流密度适中，并在加热毕有一定的停留时间。
(3) 经过对加热线圈的合理简化，应用ANSYS 软件对实际感应加热过程进行模拟，可使理论模拟结果与实测结果很好吻合。说明ANSYS有限元法模拟感应加热是可行的。(end)
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