Индукционно алуминиево запояване с компютърно подпомагане

Индукционно алуминиево запояване с компютърно подпомагане

Индукционна алуминиева спойка става все по-често в индустрията. Типичен пример е спояване на различни тръби към тялото на автомобилния топлообменник. The индукционна нагревателна намотка широко използван за този тип процес е необхващащ, който може да се нарече стил „подкова-фиби”. За тези намотки магнитното поле и произтичащото от тях вихрово разпределение по своята същност са триизмерни. В тези приложения има проблеми със съвместното качество и последователността на резултатите от част на част. За да се реши един такъв проблем за голям автомобилен производител, беше използвана програма за компютърна симулация Flux3D за проучване и оптимизация на процеса. Оптимизацията включваше промяна на индукционната намотка и конфигурацията на магнитния поток. Новите индукционни намотки, които са експериментално валидирани в лаборатория, произвеждат части с по-висококачествени фуги в няколко производствени обекта.

Всяка кола изисква няколко различни топлообменници (нагревателни ядра, изпарители, кондензатори, радиатори и др.) За охлаждане на силовите агрегати, климатизация, охлаждане на маслото и др. По-голямата част от топлообменниците за леки автомобили днес са изработени от алуминий или алуминиеви сплави. Дори ако един и същ двигател се използва за няколко автомобилни модела, връзките могат да варират поради различни оформления под капака. Поради тази причина е стандартна практика производителите на части да направят няколко основни тела на топлообменника и след това да прикрепят различни съединители при вторична операция.

Телата на топлообменника обикновено се състоят от алуминиеви перки, тръби и колектори, споени заедно в пещ. След спояване топлообменниците се персонализират за дадения модел автомобил чрез прикрепване или на найлонови резервоари, или на най-често различни алуминиеви тръби със свързващи блокове. Тези тръби са закрепени чрез MIG заваряване, пламък или индукционно запояване. В случая на спояване е необходим много прецизен контрол на температурата поради малката разлика в температурите на топене и спояване за алуминий (20-50 C в зависимост от сплав, пълнеж и атмосфера), висока топлопроводимост на алуминия и кратко разстояние до други фуги, споявани при предишна операция.

Индукционно нагряване е често срещан метод за спояване на различни тръби към колектори на топлообменник. Фигура 1 е снимка на Индукционна спойка приспособление за спояване на тръба с тръба на колектор на топлообменник. Поради изискванията за прецизно нагряване, челото на индукционната намотка трябва да е в непосредствена близост до съединението, което ще се споява. Следователно не може да се използва обикновена цилиндрична намотка, тъй като детайлът не може да бъде отстранен след запояване на фугата.

Има два основни стила на индукционна бобина, използвани за спояване на тези съединения: индуктори в стил „мида“ и „подкова-фиби“. Индукторите "Clamshell" са подобни на цилиндричните индуктори, но те се отварят, за да позволят отстраняване на части. Индукторите „подкова-фиби” са оформени като подкова за зареждане на детайла и представляват по същество две намотки на фиби от противоположните страни на фугата.

Предимството на използването на индуктор „Clamshell“ е, че нагряването е по-равномерно по обиколка и сравнително лесно за прогнозиране. Недостатъкът на индуктор „Clamshell” е, че необходимата механична система е по-сложна и контактите с висок ток са относително ненадеждни.

Индукторите „подкова-шпилка“ произвеждат по-сложни триизмерни модели на топлина от „миди“. Предимството на индуктора в стил „подкова-фиби” е, че обработката на детайлите е опростена.

Спояване с алуминий

Компютърната симулация оптимизира спояване

Голям производител на топлообменник имаше проблеми с качеството на спояване на съединението, показано на фиг. 1, използвайки индуктор в стил подкова-фиби. Припойното съединение беше добро за по-голямата част от частите, но нагряването ще бъде напълно различно за някои части, което ще доведе до недостатъчна дълбочина на съединението, студени фуги и пълнеж от метал, изтичащ по стената на тръбата поради локално прегряване. Дори и при тестване на всеки топлообменник за течове, някои части все още са изтекли в тази връзка в експлоатация. За анализ и решаване на проблема е възложен Център за индукционни технологии.

Захранването, използвано за работата, има променлива честота от 10 до 25 kHz и номинална мощност от 60 kW. В процеса на спояване операторът инсталира метален пръстен за пълнене на края на тръбата и вкарва тръбата вътре в тръбата. Топлообменник се поставя върху специална платформа и се придвижва вътре в подкововия индуктор.

Цялата зона на спояване е предварително смесена. Честотата, използвана за нагряване на детайла, обикновено е от 12 до 15 kHz, а времето за нагряване е около 20 секунди. Нивото на мощността се програмира с линейно намаляване в края на отоплителния цикъл. Оптичен пирометър изключва захранването, когато температурата от задната страна на съединението достигне предварително зададена стойност.

Има много фактори, които могат да причинят несъответствието, което изпитва производителят, като вариация в съединителните компоненти (размери и позиция) и нестабилен и променлив (във времето) електрически и термичен контакт между тръбата, тръбата, пълнителния пръстен и др. Някои явления са изначално нестабилни и малки вариации на тези фактори могат да причинят различна динамика на процеса. Например, отвореният пълнителен метален пръстен може частично да се развие под електромагнитните сили, а свободният край на пръстена може да бъде засмукан обратно от капилярните сили или да остане нестопен. Факторите на шума са трудни за намаляване или премахване и решението на проблема изисква увеличаване на стабилността на целия процес. Компютърната симулация е ефективен инструмент за анализ и оптимизиране на процеса.

По време на оценката на процеса на спояване се наблюдават силни електродинамични сили. В момента на включване на захранването подкововата намотка очевидно изпитва разширение поради внезапно прилагане на електродинамична сила. По този начин индукторът е направен механично по-здрав, включително включващ допълнителна плоча от фибростъкло (G10), свързваща корените на две намотки. Другата демонстрация на присъстващите електродинамични сили е изместването на разтопения пълнежен метал от зоните в близост до медни завои, където магнитното поле е по-силно. При нормален процес пълнежният метал се разпределя равномерно около съединението поради капилярните сили и гравитацията, за разлика от ненормалния процес, при който пълнещият метал може да изтече от съединението или да се движи нагоре по повърхността на тръбата.

защото индукционно спояване с алуминий е много сложен процес, не е възможно да се очаква точна симулация на цялата верига от взаимно свързани явления (електромагнитни, термични, механични, хидродинамични и металургични). Най-важният и контролируем процес е генерирането на електромагнитни източници на топлина, които бяха анализирани с помощта на програмата Flux 3D. Поради сложния характер на процеса на индукционно спояване, комбинация от компютърна симулация и експерименти беше използвана за проектиране и оптимизиране на процеса.

 

Индукция_Алуминий_Брейзинг с компютър_Асистиран