Soldadura d'alumini per inducció amb assistència per ordinador

Soldadura d'alumini per inducció amb assistència per ordinador

Soldadura d'alumini per inducció és cada vegada més comú a la indústria. Un exemple típic és la soldadura de diverses canonades a un cos d’intercanviador de calor per a automòbils. El bobina de calefacció d'inducció àmpliament utilitzat per a aquest tipus de processos és el que no s’envolta, que es pot anomenar estil de ferradura. Per a aquestes bobines, el camp magnètic i la distribució resultant del corrent de Foucault tenen una naturalesa inherent en 3D. En aquestes aplicacions, hi ha problemes amb la qualitat conjunta i la consistència dels resultats d'una part a una altra. Per resoldre un d'aquests problemes per a un gran fabricant d'automòbils, es va utilitzar el programa de simulació per ordinador Flux3D per a l'estudi i l'optimització del procés. L’optimització va incloure el canvi de la configuració de la bobina d’inducció i del controlador de flux magnètic. Les noves bobines d’inducció, que han estat validades experimentalment en un laboratori, produeixen peces amb juntes de més qualitat en diversos llocs de producció.

Cada cotxe requereix diversos intercanviadors de calor (nuclis d’escalfador, evaporadors, condensadors, radiadors, etc.) per a refrigeració del tren motriu, aire condicionat, refrigeració per oli, etc. Fins i tot si s’utilitza el mateix motor per a diversos models d’automòbils, les connexions poden variar a causa de diferents disposicions sota el capó. Per aquest motiu, és una pràctica normalitzada per als fabricants de peces fabricar diversos cossos bàsics d’intercanviador de calor i connectar diferents connectors en una operació secundària.

Els cossos de l’intercanviador de calor solen consistir en aletes d’alumini, tubs i capçals soldats junts en un forn. Després de la soldadura, els intercanviadors de calor es personalitzen per al model de cotxe donat mitjançant la fixació de dipòsits de niló o de canonades d’alumini més comunament diferents amb blocs de connexió. Aquestes canonades s’uneixen mitjançant soldadura MIG, flama o soldadura per inducció. En el cas de la soldadura, es requereix un control de temperatura molt precís a causa de la petita diferència en les temperatures de fusió i soldadura per a l’alumini (20-50 C depenent de l’aliatge, el metall de farciment i l’atmosfera), l’alta conductivitat tèrmica de l’alumini i la curta distància a la resta juntes soldades en una operació anterior.

Calefacció d'inducció és un mètode comú per soldar diverses canonades a capçals de l'intercanviador de calor. La figura 1 és una imatge d’un Soldadura per inducció configuració per soldar una canonada amb un tub en un capçal de l’intercanviador de calor. A causa dels requisits per a un escalfament precís, la cara de la bobina d’inducció ha d’estar molt a prop de la junta que s’ha de soldar. Per tant, no es pot utilitzar una bobina cilíndrica simple, ja que la peça no s'ha pogut eliminar després de soldar la junta.

Hi ha dos estils principals de bobina d’inducció que s’utilitzen per soldar aquestes juntes: inductors d’estil “clamshell” i “ferradura-forquilla”. Els inductors “clamshell” són similars als inductors cilíndrics, però s’obren per permetre l’eliminació de les peces. Els inductors "ferradura-forquilla" tenen forma de ferradura per carregar la peça i són essencialment dues bobines de forquilla als costats oposats de l'articulació.

L’avantatge d’utilitzar un inductor “Clamshell” és que l’escalfament és més uniforme en circumferència i relativament fàcil de predir. L’inconvenient d’un inductor “Clamshell” és que el sistema mecànic requerit és més complicat i els contactes d’alta intensitat són relativament poc fiables.

Els inductors de "ferradura i forquilla" produeixen patrons de calor en 3D més complicats que els "clamshells". L’avantatge d’un inductor d’estil “Ferradura-forquilla” és que es simplifica la manipulació de les peces.

Inducció d'alumini per a la soldadura

La simulació per ordinador optimitza la soldadura

Un gran fabricant d’intercanviadors de calor tenia problemes de qualitat amb la soldadura de l’articulació que es mostra a la figura 1 mitjançant un inductor d’estil de ferradura. La junta de soldadura era bona per a la majoria de les peces, però la calefacció seria totalment diferent per a algunes parts, cosa que provocaria una profunditat insuficient de les juntes, juntes fredes i metall de rebliment que corri per la paret de la canonada a causa del sobreescalfament local. Fins i tot amb la prova de fugues de cada intercanviador de calor, algunes parts encara es filtraven en aquesta junta en servei. Center for Induction Technology Inc. es va contractar per analitzar i resoldre el problema.

La font d'alimentació utilitzada per al treball té una freqüència variable de 10 a 25 kHz i una potència nominal de 60 kW. En el procés de soldadura, un operari instal·la un anell metàl·lic d’ompliment a l’extrem de la canonada i insereix la canonada dins del tub. Un intercanviador de calor es col·loca en una plataforma especial i es mou dins de l’inductor de ferradura.

Tota la zona de soldadura està prefluxida. La freqüència que s’utilitza per escalfar la peça sol ser de 12 a 15 kHz i el temps d’escalfament és d’uns 20 segons. El nivell de potència es programa amb reducció lineal al final del cicle de calefacció. Un piròmetre òptic apaga l'alimentació quan la temperatura de la part posterior de l'articulació assoleix un valor predeterminat.

Hi ha molts factors que poden causar la incoherència que experimentava el fabricant, com ara la variació dels components de les juntes (dimensions i posició) i el contacte elèctric i tèrmic inestable i variable (en el temps) entre el tub, la canonada, l’anell d’ompliment, etc. Alguns fenòmens són intrínsecament inestables i petites variacions d’aquests factors poden provocar diferents dinàmiques de procés. Per exemple, l'anell metàl·lic de farciment obert es pot desenrotllar parcialment sota les forces electromagnètiques i l'extrem lliure de l'anell pot ser absorbit per forces capil·lars o quedar-se sense fondre. Els factors de soroll són difícils de reduir o eliminar, i la solució al problema requeria augmentar la robustesa del procés total. La simulació per ordinador és una eina eficaç per analitzar i optimitzar el procés.

Durant l'avaluació del procés de soldadura, es van observar fortes forces electrodinàmiques. En el moment en què s’encén l’alimentació, la bobina de ferradura experimenta clarament una expansió a causa d’una aplicació sobtada de força electrodinàmica. Per tant, l’inductor es va fer mecànicament més fort, incloent-hi la incorporació d’una placa de fibra de vidre addicional (G10) que connectava les arrels de dues bobines de forquilla. L'altra demostració de les forces electrodinàmiques presents va ser el desplaçament del metall de farciment fos de les zones properes als girs de coure on el camp magnètic és més fort. En un procés normal, el metall de farciment es distribueix uniformement al voltant de la junta a causa de les forces capil·lars i la gravetat, en contrast amb un procés anormal on el metall de farciment pot sortir de la junta o pujar al llarg de la superfície del tub.

perquè soldadura d'alumini per inducció és un procés molt complicat, no és factible esperar una simulació precisa de tota la cadena de fenòmens mútuament acoblats (electromagnètics, tèrmics, mecànics, hidrodinàmics i metal·lúrgics). El procés més important i controlable és la generació de fonts de calor electromagnètiques, que es van analitzar mitjançant el programa Flux 3D. A causa de la naturalesa complexa del procés de soldadura per inducció, es va utilitzar una combinació de simulació per ordinador i experiments per al disseny i optimització de processos.

 

Inducció_Alumini_Brasing amb Computer_Assisted