本發(fā)明涉及鋁合金熱處理裝備及工藝模擬機領域，尤其是涉及一種熱處理生產(chǎn)模擬裝置及實驗方法。

背景技術：

近年來，世界鋁加工產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，中國從產(chǎn)能上已成為鋁加工大國，但并不是鋁加工強國，最主要原因是我國在高精產(chǎn)品研發(fā)方面嚴重滯后，目前主要問題集中在加工技術和工藝相對落后，裝備設計制造水平較低，高精密設備主要依賴進口，高精度產(chǎn)品加工能力不足。在鋁加工的裝機設備中，熱處理設備是尤為關鍵的一環(huán)。熱處理設備各項工藝參數(shù)控制的精準度，對鋁加工產(chǎn)品的材質機理性能和表面品質都有至關重要的影響。

氣墊式連續(xù)退火爐，簡稱氣墊爐，廣泛用于高精度鋁合金板帶材加工和再制品及成品的熱處理退火。氣墊爐能夠實現(xiàn)快速、均勻加熱，可獲得表面質量良好的帶材，提高帶材的耐蝕性和力學性能。同時，氣墊爐可以使整個熱處理過程連續(xù)進行，處理時間短、生產(chǎn)效率高、自動化程度高，可實現(xiàn)多種熱處理工藝。

輥底式爐用于可熱處理強化鋁合金中厚板材的熱處理，處理的厚板規(guī)格范圍較大，加熱速度快，保溫時間短，生產(chǎn)效率高。能夠實現(xiàn)全自動化，溫度控制準確，淬火轉移時間短，具備更快、更均勻的冷卻速率，板材表面無劃傷，操作安全方便，更為潔凈、環(huán)保，污染排放低，廣泛用于固溶、退火、時效等熱處理工藝。

三級時效爐主要用于高性能鋁合金板材的成品時效處理，特別是高端的航空航天中厚板，亦可以用于退火處理，可實現(xiàn)時效過程溫度、速率的全自動的控制，嚴格按照工藝曲線的要求進行時效，爐溫均勻，節(jié)省燃料，提高裝載量，時效效果好，可保證產(chǎn)品質量。

由于生產(chǎn)汽車板帶和航空板用冷軋卷坯的主要設備與生產(chǎn)其它高精板帶(罐料、CTP板基)的設備基本相同，如原料-熔煉-鑄造-鑄錠均勻化-銑面-熱軋-剪切-冷軋生產(chǎn)線均可滿足生產(chǎn)汽車板和航空板的要求，而鋁合金連續(xù)熱處理生產(chǎn)線是汽車板和航空板等高端產(chǎn)品生產(chǎn)的關鍵設備，因此多數(shù)企業(yè)利用原有的熔鑄、熱軋、冷軋生產(chǎn)線，僅精整與熱處理設備及工藝差異較大。而熱處理過程直接影響汽車板和航空板等高端產(chǎn)品的最終綜合性能及成品率，是高品質板材生產(chǎn)中至關重要的一環(huán)。

傳統(tǒng)鋁合金生產(chǎn)線存在環(huán)境污染、有害健康、產(chǎn)品質量不穩(wěn)定，報廢率高等缺點，已不能滿足高速發(fā)展的制造業(yè)要求，需要先進的熱處理裝備來滿足工藝要求，保證生產(chǎn)出高質量、高精度的產(chǎn)品。但鋁合金連續(xù)熱處理工業(yè)生產(chǎn)線投資大且靈活性差，運行一次需要耗費大量的人力物力，準備工作繁瑣，實驗耗時長，還容易造成環(huán)境污染和資源浪費。而開發(fā)一套能夠模擬高端鋁合金板帶材熱處理實際生產(chǎn)線的小型裝置，實驗方便靈活，工藝流程準確，既可節(jié)約實驗費用與時間，又可滿足對高品質鋁合金板帶材實際生產(chǎn)中復雜熱處理工藝的研究需求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供熱處理生產(chǎn)模擬裝置及實驗方法，以解決現(xiàn)有技術中存在的技術問題。

本發(fā)明提供的熱處理生產(chǎn)模擬裝置及實驗方法，包括固溶爐、時效爐和冷卻裝置；

所述固溶爐與所述冷卻裝置連接；

所述時效爐分別與所述固溶爐和所述冷卻裝置連接。

進一步的，所述固溶爐包括加熱器、離心風機、集氣室、噴嘴、流道、箱體和檢測元件；

所述箱體內(nèi)設置有流道；

所述流道內(nèi)設置有所述集氣室；

所述集氣室的端部設置有噴嘴；

所述流道通過所述集氣室與所述噴嘴連通；

所述離心風機固定在所述箱體上，且一端與所述流道連通；

所述加熱器固定設置在所述流道的兩端；

所述檢測元件固定設置在所述箱體上，用于對所述流道、所述集氣室、所述加熱器進行檢測。

進一步的，所述冷卻裝置包括循環(huán)冷卻水箱、變頻水泵、變頻風機、加熱器、集氣室、噴嘴和檢測元件；

所述冷卻水箱上設置有所述變頻水泵；

所述變頻水泵通過連接管與所述集氣室連通；

所述變頻風機通過所述連接管與所述集氣室連通；

所述連接管上設置有所述檢測元件；

所述噴嘴設置在所述集氣室端部。

進一步的，熱處理生產(chǎn)模擬裝置還包括機械手；

所述機械手分別與所述固溶爐、所述時效爐和所述冷卻裝置連接，能夠將鋁板在各個裝置中移動。

進一步的，所述機械手包括水平軌道、垂直軌道、驅動電機和夾具；

所述水平軌道和所述垂直軌道滑動連接，能使所述垂直軌道在所述水平軌道上進行水平和豎直方向上移動；

所述驅動電機設置在所述水平軌道和所述垂直軌道上；

所述夾具固定設置在所述垂直軌道的下端。

進一步的，熱處理生產(chǎn)模擬裝置還包括控制系統(tǒng)；

所述控制系統(tǒng)分別與所述固溶爐、所述時效爐和所述冷卻裝置信號連接，用于對各個裝置的溫度以及時間參數(shù)進行控制。

本發(fā)明還提供了一種熱處理模擬實驗方法，利用上述任一項裝置進行模擬實驗，實驗步驟如下：

S1：將鋁合金料片進行固溶；

S2：固溶后的鋁合金料片進行冷卻或時效處理；

S3：冷卻后的鋁合金料片進行時效處理。

進一步的，在對鋁合金料片進行多級時效處理時，利用固溶爐進行初級時效，利用時效爐進行二級時效，再返回固溶爐進行三級時效。

進一步的，在各個步驟進行的過程中，通過機械手進行自動化操作協(xié)調。

進一步的，步驟S2中冷卻處理的方式為水淬、溫淬或風淬。

本發(fā)明提供的熱處理生產(chǎn)模擬裝置及實驗方法，將固溶、冷卻、時效等多種鋁合金板帶材熱處理關鍵設備集中到一套裝置上，實驗測試方便，靈活性強；實驗成本低，可以反復實驗；實驗耗時短，可以隨時進行。節(jié)省了大量投資的同時，也節(jié)約了實驗的費用與時間。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明熱處理生產(chǎn)模擬裝置的結構示意圖；

圖2為圖1所示的熱處理生產(chǎn)模擬裝置的俯視圖；

圖3為本發(fā)明熱處理生產(chǎn)模擬裝置的固溶爐或時效爐的結構示意圖；

圖4為圖3所示的固溶爐或時效爐的俯視圖；

圖5為圖3所示的固溶爐或時效爐的側視圖；

圖6為本發(fā)明熱處理模擬裝置的冷卻裝置的結構示意圖；

圖7為本發(fā)明熱處理模擬裝置的冷卻裝置的立體結構示意圖；

圖8為本發(fā)明提供的熱處理實驗方法的流程圖；

圖9為本發(fā)明提供的熱處理實驗方法的詳細流程圖；

圖10為本發(fā)明提供的固溶爐升溫曲線圖；

圖11為本發(fā)明中提供的冷卻裝置的風淬冷卻曲線；

圖12為本發(fā)明中提供的時效爐的加熱曲線。

附圖標記：

1：軌道架；2：時效爐；3：水平軌道；4：冷卻裝置；5：固溶爐；6：垂直軌道；7：夾具；8：箱體；9：離心風機；10：流道；11：加熱器；12：集氣室；13：噴嘴；14：變頻風機；15：檢測元件；16：變頻水泵；17：循環(huán)冷卻水箱。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。

如附圖1-12所示，本發(fā)明提供了一種熱處理生產(chǎn)模擬裝置，包括固溶爐5、時效爐2和冷卻裝置4；

所述固溶爐5與所述冷卻裝置4連接；

所述時效爐2分別與所述固溶爐5和所述冷卻裝置4連接。

本發(fā)明適用于所有可熱處理強化及不可熱處理強化型鋁合金板帶材；實驗試樣尺寸：寬度Max500mm；長度Max500mm；厚度：0.3mm～50mm；固溶溫度Max600℃；冷卻淬火方式：水淬、風淬、溫淬；冷卻速率：Max300℃/s；時效溫度Max250℃；淬火轉移時間Min3.5s。

優(yōu)選的實施方式為，所述固溶爐5包括加熱器11、離心風機9、集氣室12、噴嘴13、流道10、箱體8和檢測元件15；

所述箱體8內(nèi)設置有流道10；

所述流道10內(nèi)設置有所述集氣室12；

所述集氣室12的端部設置有噴嘴13；

所述流道10通過所述集氣室12與所述噴嘴13連通；

所述離心風機9固定在所述箱體8上，且一端與所述流道10連通；

所述加熱器11固定設置在所述流道10的兩端；

所述檢測元件15固定設置在所述箱體8上，用于對所述流道10、所述集氣室12、所述加熱器11進行檢測。

本發(fā)明中的固溶爐5包括兩個對稱的加熱器11、一臺離心風機9、兩個集氣室12、兩組噴嘴13、流道10、箱體8，以及熱電偶、壓力表等檢測元件15；啟動風機和加熱器11，經(jīng)過加熱器11的熱風來到兩側集氣室12，通過噴嘴13將熱風噴吹到鋁板上實現(xiàn)鋁板的快速均勻加熱；根據(jù)實驗溫度及時間的不同，可以設置工作加熱器11和風機的的功率，實現(xiàn)不同的加熱速率，對于1mm厚鋁板，從常溫升到560℃，最快時間<80秒；根據(jù)鋁板規(guī)格的不同，可以調整噴嘴13的形式、數(shù)量和排布，獲得更加均勻的加熱效果，爐內(nèi)溫度均勻性：≤±2.5℃；根據(jù)熱電偶、壓力表等檢測元件15可實時觀測爐內(nèi)各監(jiān)測點的溫度和壓力，根據(jù)反饋信號對加熱器11和風機進行閉環(huán)調節(jié)，實現(xiàn)更加精確的控制效果，溫度控制精度：≤±1℃。

在本發(fā)明中，時效爐2的結構與固溶爐5的結構相同，其控制的溫度不同。在本發(fā)明中，時效爐2對于1mm厚鋁板，從常溫升到150℃，最快時間<70秒；根據(jù)鋁板規(guī)格的不同，可以調整噴嘴13的形式、數(shù)量和排布，獲得更加均勻的加熱效果，爐內(nèi)溫度均勻性：≤±1.5℃；根據(jù)熱電偶、壓力表等檢測元件15可實時觀測爐內(nèi)各監(jiān)測點的溫度和壓力，根據(jù)反饋值對加熱器11和風機進行閉環(huán)調節(jié)，實現(xiàn)更加精確的控制效果，溫度控制精度：≤±1℃。

優(yōu)選的實施方式為，所述冷卻裝置4包括循環(huán)冷卻水箱17、變頻水泵16、變頻風機14、加熱器11、集氣室12、噴嘴13和檢測元件15；

所述冷卻水箱上設置有所述變頻水泵16；

所述變頻水泵16通過連接管與所述集氣室12連通；

所述變頻風機14通過所述連接管與所述集氣室12連通；

所述連接管上設置有所述檢測元件15；

所述噴嘴13設置在所述集氣室12端部。

本發(fā)明的冷卻裝置4包括一個循環(huán)冷卻水箱17、一臺變頻水泵16、一臺變頻風機14、一個加熱器11、兩個集氣室12、兩組噴嘴13，以及冷卻水流量計、冷卻空氣流量計、水壓傳感器、熱電偶等檢測元件15；水泵、風機將冷卻水或者空氣引到集氣室12，通過噴嘴13將冷卻水或者空氣噴吹到鋁板上實現(xiàn)水淬、溫淬及風淬等多種淬火工藝；根據(jù)實驗對冷卻速度要求的不同，可以設置水泵、風機的功率，獲得不同的冷卻速度，冷卻速率：0-500℃/s；根據(jù)鋁板規(guī)格的不同，可以調整噴嘴13的形式、數(shù)量和排布，以達到更加均勻的冷卻效果；根據(jù)流量計和壓力傳感器等檢測元件15的反饋信號可以閉環(huán)調節(jié)和控制冷卻水/空氣流量和速度、冷卻水溫度，實現(xiàn)更加精確的控制效果。

在本實施例中，冷卻裝置的集氣室12在采用水冷時為集水室。

冷卻裝置4可以進行試樣的水淬、溫淬或風淬處理，冷卻速率可以設定：0-500℃/s，淬火后鋁板溫度：≤70℃。

優(yōu)選的實施方式為，熱處理生產(chǎn)模擬裝置還包括機械手；

所述機械手分別與所述固溶爐5、所述時效爐2和所述冷卻裝置4連接，能夠將鋁板在各個裝置中移動。

優(yōu)選的實施方式為，所述機械手包括水平軌道、垂直軌道、驅動電機和夾具7；

所述水平軌道和所述垂直軌道滑動連接，能使所述垂直軌道在所述水平軌道上進行水平和豎直方向上移動；

所述驅動電機設置在所述水平軌道和所述垂直軌道上；

所述夾具7固定設置在所述垂直軌道的下端。

本發(fā)明的機械手包括水平軌道3和垂直軌道6、兩臺電機、夾具7和控制系統(tǒng)以及軌道架1等，水平軌道3和垂直軌道6均設置在軌道架1上，并與控制系統(tǒng)及電機連接，可以按照控制系統(tǒng)給定的程序，通過電機進行驅動，自動進行水平和垂直移動，并且通過設定的轉移時間自動調整移動速度，以此滿足不同的實驗工藝需求，實現(xiàn)了自動化和智能化，避免人工造成的誤差，更加安全高效，其中淬火轉移最短時間可達到3.5s。

優(yōu)選的實施方式為，熱處理生產(chǎn)模擬裝置還包括控制系統(tǒng)；

所述控制系統(tǒng)分別與所述固溶爐5、所述時效爐2和所述冷卻裝置4信號連接，用于對各個裝置的溫度以及時間參數(shù)進行控制。

本發(fā)明的自動化控制系統(tǒng)包括PLC控制系統(tǒng)、機械手控制系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)和界面系統(tǒng)等；在熱處理實驗過程中，保證了固溶爐5、冷卻裝置4、時效爐2和機械手的相互配合，實現(xiàn)鋁合金板帶材快速加熱、冷卻，以及溫度、速度和壓力的自動化控制功能；實驗爐電控系統(tǒng)完成了爐溫的測量與控制、高溫循環(huán)風機控制、風壓以及事故狀態(tài)報警和控制等；在主控系統(tǒng)中，冷卻裝置4電控系統(tǒng)完成水泵的啟?？刂啤毫Φ拈]環(huán)控制、水量和風量的顯示等；機械手控制系統(tǒng)完成移動速度、停留時間、定位精度的控制，可單步移動也可連續(xù)動作；儀表采集系統(tǒng)采集熱處理實驗過程中的工藝數(shù)據(jù)，包括鋁合金料片的溫度、運行速度、加熱參數(shù)、冷卻參數(shù)等，并反饋給PLC系統(tǒng)；界面系統(tǒng)收集PLC系統(tǒng)、機械手控制系統(tǒng)和儀表控制系統(tǒng)的檢測和控制數(shù)據(jù)，可對設備運行過程中的所有參數(shù)進行設定、控制、顯示和歸檔記錄，對設備的故障進行診斷和報警；PLC系統(tǒng)根據(jù)固溶爐5、冷卻裝置4、時效爐2和機械手工作過程中的反饋信號對實驗爐加熱器11和離心風機9、冷卻裝置4水泵和風機及加熱器11進行閉環(huán)調控，進而實現(xiàn)加熱和冷卻過程的智能化控制，提高實驗精度。

本發(fā)明還提供了一種熱處理模擬實驗方法，利用上述任一項裝置進行模擬實驗，實驗步驟如下：

S1：將鋁合金料片進行固溶；

S2：固溶后的鋁合金料片進行冷卻或時效處理；

S3：冷卻后的鋁合金料片進行時效處理。

在對鋁合金料片進行多級時效處理時，利用固溶爐5進行初級時效，利用時效爐2進行二級時效，再返回固溶爐5進行三級時效。

從上述可以看出，本發(fā)明中，固溶爐5也可以做時效爐使用，即在固溶處理完成后，可以將固溶爐5內(nèi)的溫度進行調整后，與時效爐2一同對鋁合金料片做時效處理，且在反復的時效處理過程中，保證了時效處理的及時性，同時也提高了裝置的利用率。

在各個步驟進行的過程中，通過機械手進行自動化操作協(xié)調。

步驟S2中冷卻處理的方式為水淬、溫淬或風淬。

本發(fā)明還提供一種鋁合金板帶材全自動、多功能熱處理實驗方法，使用如上述任一項所述的生產(chǎn)模擬裝置，并包括如下步驟：

固溶：將符合規(guī)格的鋁合金料片安裝到機械手夾具7上，通過電腦程序設定固溶溫度和固溶時間。

轉移：通過電腦程序設定轉移時間，鋁合金料片完成固溶處理后，機械手會按照設定的轉移時間從上一步固溶處理裝置轉移到下一步的冷卻裝置4或時效裝置，或者返回到復位位置。

冷卻：通過電腦程序設定冷卻方式和冷卻時間，待鋁合金料片完成冷卻處理后機械手會自動移出。

轉移：通過電腦程序設定轉移時間，機械手會按照設定的轉移時間從上一步冷卻裝置4轉移到下一步的時效處理裝置，或者返回到復位位置。

時效：通過電腦程序設定時效溫度和時效時間，鋁合金料片完成時效處理后，機械手會自動按照設定的轉移時間返回到復位位置。

整個實驗過程，以厚度為1mm的鋁合金料片來進行說明。

厚度為1mm的鋁合金料片進行固溶-淬火-時效的熱處理實驗方法，具體實驗方法如下所述：

固溶：將厚度為1mm的鋁合金冷軋板剪切成500mm×500mm規(guī)格的料片，安裝到機械手的夾具7上，設定工藝程序，位置a-b-c的轉移時間設定為20s，固溶溫度設定為550℃，固溶時間設定為300s，啟動程序，待固溶處理完成后機械手自動移出。

淬火：為盡量減少鋁合金料片在轉移過程中的溫降，將位置c-d-e的淬火轉移時間設定為4s，淬火方式設定為常溫水冷，淬火時間為5s，待淬火處理完成后機械手自動移出。

時效：將位置e-f-g的轉移時間設定為15s，時效溫度設定為140℃，時效時間設定為600s，待時效處理完成后機械手自動復位。

經(jīng)熱處理后的鋁合金料片板形平整、表面光潔、無裂紋，具有優(yōu)異的綜合力學性能，其抗拉強度、屈服強度、斷后延伸率、拉伸應變硬化指數(shù)、塑性應變比、杯突值分別為247MPa、127MPa、26％、0.28、0.64、8.7mm。

本發(fā)明的有益效果如下所述：

本發(fā)明模擬實際工業(yè)生產(chǎn)線，將固溶、冷卻、時效等多種鋁合金板帶材熱處理關鍵設備集中到一套裝置上，實驗測試方便，靈活性強；實驗成本低，可以反復實驗；實驗耗時短，可以隨時進行。節(jié)省了大量投資的同時，也節(jié)約了實驗的費用與時間。

本發(fā)明模擬先進鋁合金熱處理裝備—氣墊爐、輥底爐、三級時效爐2、淬火機的工藝及結構，集中了各先進設備的優(yōu)勢，可實現(xiàn)更快速、高均勻性的加熱和冷卻，爐溫控制精確，冷卻方式和淬火轉移時間可調，可獲得表面質量和板形良好且綜合力學性能優(yōu)異的高品質鋁合金板帶材。

本發(fā)明可以實現(xiàn)多種工藝路徑，從而對鋁合金板帶材進行O、T4、T4P、T6、T61、T7、T8、T8X、RRA、ORR、FTMT、雙重淬火、單級、雙級、三級時效處理等多種熱處理工藝實驗，實現(xiàn)了多功能化，可滿足汽車板、航空板、艦艇板、高鐵列車板等高品質鋁合金板帶材實際生產(chǎn)中復雜熱處理工藝的研究需求。

本發(fā)明通過全工藝流程的自動化控制系統(tǒng)完成對固溶時效爐2、冷卻裝置4、時效爐2、機械手的啟停操作、狀態(tài)監(jiān)測以及各工藝參數(shù)的調控、顯示和記錄，實現(xiàn)了全自動化控制，提高實驗效率；工藝流程準確，產(chǎn)品質量具有高度重復性、一致性，系統(tǒng)可靠性提高；實驗更加安全，且避免了人工操作的誤差，能適應實際工業(yè)生產(chǎn)條件下技術發(fā)展的需要。

本發(fā)明提供的熱處理生產(chǎn)模擬裝置及實驗方法，將固溶、冷卻、時效等多種鋁合金板帶材熱處理關鍵設備集中到一套裝置上，實驗測試方便，靈活性強；實驗成本低，可以反復實驗；實驗耗時短，可以隨時進行。節(jié)省了大量投資的同時，也節(jié)約了實驗的費用與時間。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的范圍。