Lutowanie rur aluminiowych z ogrzewaniem indukcyjnym

Rury aluminiowe do lutowania indukcyjnego z nagrzewaniem indukcyjnym wysokiej częstotliwości

Nowe obszary zastosowań nagrzewania indukcyjnego wymagają analizy rozkładu temperatury wewnątrz ogrzewanych elementów z uwzględnieniem odpowiednich struktur i właściwości materiału. Metoda elementów skończonych (MES) zapewnia potężne narzędzie do przeprowadzania takich analiz i optymalizacji procesów nagrzewania indukcyjnego za pomocą połączonych elektromagnetycznych i termicznych analiz numerycznych i symulacji.

Głównym celem tego artykułu jest wskazanie możliwości zastosowania odpowiedniej, wyrafinowanej i wydajnej technologii lutowania indukcyjnego do produkcji kolektorów słonecznych w oparciu o symulację numeryczną i przeprowadzone doświadczenia.

Opis problemu

Praca dotyczy projektowania elementów kolektorów słonecznych nadających się do procesu lutowania, a mianowicie części rur zbiorczych (rys. 1a). Rury wykonane są ze stopu Al typu AW 3000 o składzie chemicznym podanym w Tabeli 1. Do lutowania stosowany jest stop typu Al 104 (Tabela 2) wraz z topnikiem Braze Tec 32/80, którego pozostałości nie są -żrący. Przedział temperatur między temperaturami solidusu i likwidusu dla lutu twardego Al 104 wynosi od 575 ° C do 585 ° C. Temperatura solidusu materiału rury wynosi 650 ° C.

Tabela 1 Skład chemiczny stopu AW 3000 [% wag. %]

Si Fe Cu Mn Mg Zn Cr Al
0.05-0.15 0.06-0.35 max. 0.1 0.3-0.6 0.02-0.20 0.05-0.3 max. 0.25 równoważyć

Tablica 2 Skład chemiczny lutu twardego typu Al 104 [wt. %]

Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Al
11-13 0.6 max. 0.3 0.15 0.1 0.2 max. 0.15 równoważyć

Proces lutowania zakłada zastosowanie nagrzewania indukcyjnego. Konieczne jest zaprojektowanie układu nagrzewania indukcyjnego w taki sposób, aby w strefie złącza (metale lutownicze - stop lutowniczy) osiągane były temperatury lutowania. Z tego punktu widzenia bardzo ważny jest odpowiedni dobór cewki indukcyjnej, jej geometria oraz parametry pracy (głównie częstotliwość i prąd źródła). Kształt i wymiary zaprojektowanej miedzianej cewki indukcyjnej chłodzonej wodą przedstawiono na rys. 1b

Wpływ odpowiednich parametrów nagrzewania indukcyjnego na rozkład temperatury w lutowanych częściach oceniano za pomocą symulacji numerycznej nagrzewania indukcyjnego z wykorzystaniem kodu programu ANSYS 10.0.

Model symulacyjny

Zgodnie z metodyką rozwiązywania sprzężonych problemów elektromagnetyczno-termicznych metodą MES z wykorzystaniem programu ANSYS 10.0 [3-5] opracowano model symulacyjny procesu nagrzewania indukcyjnego do lutowania twardego, uwzględniający warunki geometryczne, fizyczne oraz początkowe i brzegowe. Głównym celem symulacji numerycznej było określenie optymalnych parametrów nagrzewania indukcyjnego (częstotliwości i prądu źródła) dla uzyskania wymaganego rozkładu temperatury w strefie formowania złącza.

Proponowany model 3D (rys. 2) do analizy elektromagnetycznej składa się z modelu rur, stopu lutowniczego, chłodzonej wodą cewki indukcyjnej i otaczającego powietrza (niepokazanego na rys. 2). W analizie termicznej uwzględniono tylko rury i stop lutowniczy. Szczegół siatki utworzonej z liniowych 8-węzłowych elementów w strefie formowania spoiny przedstawiono na rys. 2b.

Rys. 2 a) Model geometryczny do analizy elektromagnetycznej bez otaczającego powietrza oraz b) szczegół siatki 3D wygenerowanej w strefie formowania się spoiny Zależności temperaturowe właściwości elektrycznych i termicznych stopu AW 3000 i stopu lutowniczego Al 104 uzyskano za pomocą JMatPro oprogramowanie [6]. W związku z tym, że zastosowane materiały są niemagnetyczne, ich względna przepuszczalność µr = 1.

Początkowa temperatura lutowanych materiałów wynosiła 20 ° C. Zakładano doskonałe kontakty elektryczne i termiczne na granicznych powierzchniach materiałów. Częstotliwość prądu źródła w cewce indukcyjnej miała wynosić 350 kHz. Wartość prądu źródła określono z przedziału od 600 A do 700 A. Uwzględniono chłodzenie lutowanych rurek metodą konwekcji swobodnej i napromieniowanie do powietrza o temperaturze 20 ° C. Określono łączny współczynnik przenikania ciepła w zależności od temperatury powierzchni elementów lutowanych. Na rys. 3 przedstawiono rozkłady temperatur w lutowanych elementach po osiągnięciu wymaganych temperatur w strefie złącza dla wybranych wartości przyłożonych prądów źródłowych w nagrzewnica indukcyjna. Czas 36 sekund przy prądzie źródłowym 600 A wydaje się dość długi. Szybkie nagrzewanie przy użyciu prądu źródła 700 A nie może być wystarczające do topienia stopu lutowniczego Al 104. Z tego powodu zalecany jest prąd źródła w przybliżeniu na poziomie od 620 A do 640 A, co prowadzi do czasu lutowania od 25 do 27.5 sekundy ……

Lutowanie rur aluminiowych z ogrzewaniem indukcyjnym

=