Lutowanie indukcyjne aluminium ze wspomaganiem komputerowym

Lutowanie indukcyjne aluminium ze wspomaganiem komputerowym

Lutowanie indukcyjne aluminium staje się coraz bardziej powszechne w przemyśle. Typowym przykładem jest lutowanie różnych rur do korpusu samochodowego wymiennika ciepła. Plik nagrzewnica indukcyjna Powszechnie stosowany w tego typu procesach jest proces nieobejmujący, który można określić jako styl „Podkowa spinka do włosów”. W przypadku tych cewek pole magnetyczne i wynikający z niego rozkład prądów wirowych mają naturalnie charakter trójwymiarowy. W tych zastosowaniach występują problemy z połączoną jakością i spójnością wyników z części na część. Aby rozwiązać jeden z takich problemów dużego producenta samochodów, do badania i optymalizacji procesu wykorzystano program symulacyjny Flux3D. Optymalizacja obejmowała zmianę konfiguracji cewki indukcyjnej i kontrolera strumienia magnetycznego. Nowe cewki indukcyjne, które zostały przetestowane eksperymentalnie w laboratorium, wytwarzają części z połączeniami wyższej jakości w kilku zakładach produkcyjnych.

Każdy samochód wymaga kilku różnych wymienników ciepła (rdzenie nagrzewnicy, parowniki, skraplacze, chłodnice, itp.) Do chłodzenia układu napędowego, klimatyzacji, chłodzenia oleju itp. Zdecydowana większość dzisiejszych wymienników ciepła do samochodów osobowych jest wykonana z aluminium lub stopów aluminium. Nawet jeśli ten sam silnik jest używany w kilku modelach samochodów, połączenia mogą się różnić ze względu na różne układy pod maską. Z tego powodu standardową praktyką producentów części jest wykonanie kilku podstawowych korpusów wymiennika ciepła, a następnie podłączenie różnych złączy w operacji wtórnej.

Korpusy wymiennika ciepła zwykle składają się z aluminiowych żeber, rur i kolektorów lutowanych razem w piecu. Po lutowaniu wymienniki ciepła są dostosowywane do danego modelu samochodu poprzez dołączanie zbiorników nylonowych lub najczęściej różnych rur aluminiowych z blokami przyłączeniowymi. Rury te są mocowane za pomocą spawania MIG, płomieniowego lub indukcyjnego. W przypadku lutowania wymagana jest bardzo dokładna regulacja temperatury ze względu na niewielką różnicę temperatur topnienia i lutowania aluminium (20-50 C w zależności od stopu, spoiwa i atmosfery), wysoką przewodność cieplną aluminium i niewielką odległość od innych połączenia lutowane w poprzedniej operacji.

Ogrzewanie indukcyjne jest popularną metodą lutowania różnych rur do kolektorów wymiennika ciepła. Rysunek 1 przedstawia plik Lutowanie indukcyjne zestaw do lutowania twardego rury z rurą na głowicy wymiennika ciepła. Ze względu na wymagania dotyczące precyzyjnego nagrzewania, powierzchnia cewki indukcyjnej musi znajdować się blisko lutowanego złącza. Dlatego nie można użyć prostej cylindrycznej cewki, ponieważ części nie można było usunąć po lutowaniu złącza.

Istnieją dwa główne typy cewek indukcyjnych używanych do lutowania tych połączeń: cewki typu „muszla kleszczowa” i cewki typu „podkowa”. Cewki indukcyjne typu „clamshell” są podobne do cewek cylindrycznych, ale otwierają się, aby umożliwić wyjęcie części. Cewki indukcyjne typu „podkowa” mają kształt podkowy służącej do ładowania części i są zasadniczo dwoma cewkami typu „spinka do włosów” po przeciwnych stronach złącza.

Zaletą stosowania cewki indukcyjnej „Clamshell” jest to, że ogrzewanie ma bardziej jednolity obwód i jest stosunkowo łatwe do przewidzenia. Wadą cewki typu „Clamshell” jest to, że wymagany system mechaniczny jest bardziej skomplikowany, a styki wysokoprądowe są stosunkowo zawodne.

Induktory typu „w kształcie podkowy” wytwarzają bardziej skomplikowane trójwymiarowe wzorce ciepła niż „muszle muszli”. Zaletą cewki indukcyjnej typu „Horseshoe-hairpin” jest to, że obsługa części jest uproszczona.

Indukcyjne lutowanie aluminium

Symulacja komputerowa optymalizuje lutowanie

Duży producent wymienników ciepła miał problemy z jakością podczas lutowania złącza pokazanego na rys. 1 przy użyciu cewki indukcyjnej typu podkowa. W przypadku większości części połączenie lutowane było dobre, ale ogrzewanie niektórych części byłoby zupełnie inne, co skutkowałoby niewystarczającą głębokością złącza, zimnymi połączeniami i spoiwem spływającym po ściance rury z powodu miejscowego przegrzania. Nawet podczas testowania każdego wymiennika ciepła pod kątem wycieków niektóre części nadal przeciekały na tym połączeniu podczas pracy. Zlecono firmie Center for Induction Technology Inc. analizę i rozwiązanie problemu.

Zasilacz używany do pracy ma zmienną częstotliwość od 10 do 25 kHz i moc znamionową 60 kW. W procesie lutowania operator instaluje metalowy pierścień wypełniający na końcu rury i wkłada rurę do wnętrza rury. Wymiennik ciepła jest umieszczany na specjalnej platformie i przesuwany wewnątrz wzbudnika w kształcie podkowy.

Cała strefa lutowania jest wstępnie zalewana. Częstotliwość używana do podgrzewania części wynosi zwykle od 12 do 15 kHz, a czas nagrzewania wynosi około 20 sekund. Poziom mocy programuje się z liniową redukcją na koniec cyklu nagrzewania. Pirometr optyczny wyłącza zasilanie, gdy temperatura na tylnej stronie przegubu osiągnie zadaną wartość.

Istnieje wiele czynników, które mogą powodować niespójność, której doświadczał producent, na przykład zmienność elementów złącza (wymiary i położenie) oraz niestabilny i zmienny (w czasie) kontakt elektryczny i termiczny między rurą, rurą, pierścieniem wlewowym itp. Niektóre zjawiska są z natury niestabilne, a niewielkie zmiany tych czynników mogą powodować różną dynamikę procesu. Na przykład, otwarty metalowy pierścień wypełniacza może częściowo rozwinąć się pod wpływem sił elektromagnetycznych, a swobodny koniec pierścienia może zostać zassany z powrotem przez siły kapilarne lub pozostać w stanie nieroztopionym. Czynniki hałasu są trudne do zredukowania lub wyeliminowania, a rozwiązanie problemu wymagało zwiększenia niezawodności całego procesu. Symulacja komputerowa jest skutecznym narzędziem do analizy i optymalizacji procesu.

Podczas oceny procesu lutowania zaobserwowano silne siły elektrodynamiczne. W momencie włączenia zasilania cewka podkowiasta wyraźnie ulega rozszerzeniu w wyniku nagłego przyłożenia siły elektrodynamicznej. W ten sposób induktor został wzmocniony mechanicznie, w tym zastosowano dodatkową płytkę z włókna szklanego (G10) łączącą korzenie dwóch cewek typu spinki do włosów. Innym przykładem występujących sił elektrodynamicznych było przemieszczanie się stopionego metalu dodatkowego z obszarów znajdujących się w pobliżu zwojów miedzi, gdzie pole magnetyczne jest silniejsze. W normalnym procesie spoiwo rozprowadza się równomiernie wokół złącza z powodu sił kapilarnych i grawitacji, w przeciwieństwie do nienormalnego procesu, w którym spoiwo może wypływać ze złącza lub przemieszczać się w górę po powierzchni rury.

Bo lutowanie indukcyjne aluminium jest procesem bardzo skomplikowanym, nie można oczekiwać dokładnej symulacji całego łańcucha wzajemnie sprzężonych zjawisk (elektromagnetycznych, termicznych, mechanicznych, hydrodynamicznych i metalurgicznych). Najważniejszym i dającym się kontrolować procesem jest generowanie elektromagnetycznych źródeł ciepła, które analizowano za pomocą programu Flux 3D. Ze względu na złożony charakter procesu lutowania indukcyjnego, do projektowania i optymalizacji procesu zastosowano połączenie symulacji komputerowej i eksperymentów.

 

Indukcja_Aluminium_Brazing with Computer_Assisted