Επαγωγική συγκόλληση αλουμινίου με υποβοήθηση υπολογιστή

Επαγωγική συγκόλληση αλουμινίου με υποβοήθηση υπολογιστή

Επαγωγική συγκόλληση αλουμινίου γίνεται όλο και πιο συχνή στη βιομηχανία. Ένα τυπικό παράδειγμα είναι η συγκόλληση διαφόρων σωλήνων σε ένα σώμα εναλλάκτη θερμότητας αυτοκινήτων. ο επαγωγή θέρμανσης ευρέως χρησιμοποιούμενο για αυτόν τον τύπο διαδικασίας είναι μη-περικυκλωμένο, το οποίο μπορεί να αναφέρεται ως στιλ "πέταλο-φουρκέτα". Για αυτά τα πηνία, το μαγνητικό πεδίο και η προκύπτουσα κατανομή ρεύματος διύλισης είναι εγγενώς 3-D στη φύση. Σε αυτές τις εφαρμογές, υπάρχουν προβλήματα με την ποιότητα των αρθρώσεων και τη συνέπεια των αποτελεσμάτων από το ένα μέρος στο άλλο. Για να λυθεί ένα τέτοιο πρόβλημα για έναν μεγάλο κατασκευαστή αυτοκινήτων, χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα προσομοίωσης υπολογιστή Flux3D για τη μελέτη και τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας. Η βελτιστοποίηση περιελάμβανε την αλλαγή της διαμόρφωσης επαγωγικού πηνίου και μαγνητικής ροής. Τα νέα επαγωγικά πηνία, τα οποία έχουν επικυρωθεί πειραματικά σε εργαστήριο, παράγουν εξαρτήματα με αρμούς υψηλότερης ποιότητας σε αρκετούς χώρους παραγωγής.

Κάθε αυτοκίνητο απαιτεί αρκετούς διαφορετικούς εναλλάκτες θερμότητας (πυρήνες θερμαντήρα, εξατμιστές, συμπυκνωτές, καλοριφέρ κ.λπ.) για ψύξη κινητήρα, κλιματισμό, ψύξη λαδιού κ.λπ. Η συντριπτική πλειονότητα των εναλλάκτη θερμότητας επιβατικών αυτοκινήτων σήμερα κατασκευάζεται από κράματα αλουμινίου ή αλουμινίου. Ακόμα κι αν ο ίδιος κινητήρας χρησιμοποιείται για πολλά μοντέλα αυτοκινήτων, οι συνδέσεις μπορεί να διαφέρουν λόγω διαφορετικών διατάξεων κάτω από το καπό. Για το λόγο αυτό, αποτελεί συνήθης πρακτική για τους κατασκευαστές ανταλλακτικών να κατασκευάζουν διάφορα βασικά σώματα εναλλάκτη θερμότητας και στη συνέχεια να συνδέουν διαφορετικούς συνδετήρες σε μια δευτερεύουσα λειτουργία.

Τα σώματα εναλλάκτη θερμότητας συνήθως αποτελούνται από πτερύγια αλουμινίου, σωλήνες και κεφαλίδες που συγκολλούνται μαζί σε έναν κλίβανο. Μετά τη συγκόλληση, οι εναλλάκτες θερμότητας προσαρμόζονται για το συγκεκριμένο μοντέλο αυτοκινήτου συνδέοντας είτε νάιλον δεξαμενές είτε συνηθέστερα διαφορετικούς σωλήνες αλουμινίου με μπλοκ σύνδεσης. Αυτοί οι σωλήνες συνδέονται είτε με συγκόλληση MIG, φλόγα ή επαγωγική συγκόλληση. Στην περίπτωση της συγκόλλησης απαιτείται πολύ ακριβής έλεγχος θερμοκρασίας λόγω της μικρής διαφοράς στις θερμοκρασίες τήξης και συγκόλλησης για αλουμίνιο (20-50 C ανάλογα με το κράμα, το μέταλλο πλήρωσης και την ατμόσφαιρα), υψηλή θερμική αγωγιμότητα αλουμινίου και μικρή απόσταση από άλλα αρθρώσεις συγκολλημένες σε προηγούμενη επέμβαση.

Θέρμανση με επαγωγή είναι μια κοινή μέθοδος για συγκόλληση διαφόρων σωλήνων σε κεφαλίδες εναλλάκτη θερμότητας. Το σχήμα 1 είναι μια εικόνα ενός Επαγωγική συγκόλληση ρύθμιση για συγκόλληση σωλήνα σε σωλήνα σε κεφαλίδα εναλλάκτη θερμότητας. Λόγω των απαιτήσεων για ακριβή θέρμανση, το πρόσωπο του επαγωγικού πηνίου πρέπει να βρίσκεται πολύ κοντά στον σύνδεσμο που θα συγκολληθεί. Επομένως, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα απλό κυλινδρικό πηνίο, επειδή το τμήμα δεν μπορούσε να αφαιρεθεί μετά τη συγκόλληση του συνδέσμου.

Υπάρχουν δύο κύριες μορφές πηνίου επαγωγής που χρησιμοποιούνται για τη συγκόλληση αυτών των αρθρώσεων: επαγωγείς στυλ "clamshell" και "πεταλοειδής φουρκέτα". Οι επαγωγείς "Clamshell" είναι παρόμοιοι με τους κυλινδρικούς επαγωγείς, αλλά ανοίγουν για να επιτρέψουν την αφαίρεση εξαρτημάτων. Οι επαγωγείς "πέταλο-φουρκέτας" έχουν σχήμα πετάλου για τη φόρτωση του εξαρτήματος και είναι ουσιαστικά δύο πηνία φουρκέτας στις αντίθετες πλευρές της άρθρωσης.

Το πλεονέκτημα της χρήσης ενός επαγωγέα "Clamshell" είναι ότι η θέρμανση είναι πιο ομοιόμορφη σε περιφέρεια και σχετικά εύκολο να προβλεφθεί. Το μειονέκτημα ενός επαγωγέα "Clamshell" είναι ότι το απαιτούμενο μηχανικό σύστημα είναι πιο περίπλοκο και οι επαφές υψηλού ρεύματος είναι σχετικά αναξιόπιστες.

Οι επαγωγείς "πέταλο-φουρκέτας" παράγουν πιο περίπλοκα τρισδιάστατα μοτίβα θερμότητας από τα "Clamshells". Το πλεονέκτημα ενός επαγωγέα στυλ "πέταλο-φουρκέτας" είναι ότι ο χειρισμός των ανταλλακτικών είναι απλοποιημένος.

Επαγωγή αλουμινίου συγκόλλησης

Η προσομοίωση με υπολογιστή βελτιστοποιεί το brazing

Ένας μεγάλος κατασκευαστής εναλλάκτη θερμότητας αντιμετώπιζε προβλήματα ποιότητας με τη συγκόλληση του συνδέσμου που φαίνεται στο Σχ. 1 χρησιμοποιώντας έναν επαγωγέα τύπου πέταλου. Ο σύνδεσμος συγκόλλησης ήταν καλός για τα περισσότερα μέρη, αλλά η θέρμανση θα ήταν εντελώς διαφορετική για ορισμένα εξαρτήματα, με αποτέλεσμα ανεπαρκές βάθος αρθρώσεων, κρύους αρμούς και μέταλλο πλήρωσης να ανεβάζουν το τοίχωμα του σωλήνα λόγω τοπικής υπερθέρμανσης. Ακόμα και με τον έλεγχο κάθε εναλλάκτη θερμότητας για διαρροές, ορισμένα εξαρτήματα εξακολουθούν να διαρρέουν σε αυτόν τον σύνδεσμο σε λειτουργία. Το Center for Induction Technology Inc. ανατέθηκε για την ανάλυση και επίλυση του προβλήματος.

Το τροφοδοτικό που χρησιμοποιείται για την εργασία έχει μεταβλητή συχνότητα 10 έως 25 kHz και ονομαστική ισχύ 60 kW. Κατά τη διαδικασία συγκόλλησης, ένας χειριστής εγκαθιστά ένα μεταλλικό δακτύλιο πλήρωσης στο άκρο του σωλήνα και εισάγει το σωλήνα μέσα στο σωλήνα. Ένας εναλλάκτης θερμότητας τοποθετείται σε μια ειδική εξέδρα και μετακινείται μέσα στον πηνίο.

Ολόκληρη η περιοχή χαλκοσυγκόλλησης είναι προ-αναρτημένη. Η συχνότητα που χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του εξαρτήματος είναι συνήθως 12 έως 15 kHz και ο χρόνος θέρμανσης είναι περίπου 20 δευτερόλεπτα. Το επίπεδο ισχύος προγραμματίζεται με γραμμική μείωση στο τέλος του κύκλου θέρμανσης. Ένα οπτικό πυρόμετρο απενεργοποιεί την ισχύ όταν η θερμοκρασία στην πίσω πλευρά του συνδέσμου φτάσει σε μια προκαθορισμένη τιμή.

Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που μπορούν να προκαλέσουν την ασυνέπεια που αντιμετώπιζε ο κατασκευαστής, όπως διακύμανση στα εξαρτήματα των αρθρώσεων (διαστάσεις και θέση) και ασταθή και μεταβλητή (χρονική) ηλεκτρική και θερμική επαφή μεταξύ του σωλήνα, του σωλήνα, του δακτυλίου πλήρωσης κ.λπ. είναι εγγενώς ασταθείς και μικρές παραλλαγές αυτών των παραγόντων μπορούν να προκαλέσουν διαφορετική δυναμική διεργασίας. Για παράδειγμα, ο ανοιχτός μεταλλικός δακτύλιος πλήρωσης μπορεί μερικώς να ξετυλίγεται κάτω από τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, και το ελεύθερο άκρο του δακτυλίου μπορεί να αναρροφάται από τριχοειδείς δυνάμεις ή να παραμένει χωρίς τήξη. Οι παράγοντες θορύβου είναι δύσκολο να μειωθούν ή να εξαλειφθούν και η λύση στο πρόβλημα απαιτούσε αύξηση της αντοχής της συνολικής διαδικασίας. Η προσομοίωση υπολογιστή είναι ένα αποτελεσματικό εργαλείο για την ανάλυση και τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας.

Κατά την αξιολόγηση της διαδικασίας συγκόλλησης, παρατηρήθηκαν ισχυρές ηλεκτροδυναμικές δυνάμεις. Τη στιγμή που ενεργοποιείται η ισχύς, το πηνίο πέταλου βιώνει σαφώς μια επέκταση λόγω μιας ξαφνικής εφαρμογής ηλεκτροδυναμικής δύναμης. Έτσι, ο επαγωγέας έγινε μηχανικά ισχυρότερος, συμπεριλαμβανομένης της ενσωμάτωσης μιας πρόσθετης πλάκας από φίμπεργκλας (G10) που συνδέει τις ρίζες δύο πηνίων φουρκέτας. Η άλλη απόδειξη της παρουσίας ηλεκτροδυναμικών δυνάμεων ήταν η μετατόπιση του λιωμένου μετάλλου πλήρωσης μακριά από τις περιοχές κοντά σε στροφές χαλκού όπου το μαγνητικό πεδίο είναι ισχυρότερο. Σε μια κανονική διαδικασία, το μέταλλο πλήρωσης κατανέμεται ομοιόμορφα γύρω από τον σύνδεσμο λόγω των τριχοειδών δυνάμεων και της βαρύτητας σε αντίθεση με μια ανώμαλη διαδικασία όπου το μέταλλο πλήρωσης μπορεί να εξαντληθεί από τον σύνδεσμο ή να κινηθεί κατά μήκος της επιφάνειας του σωλήνα.

Επειδή επαγωγική συγκόλληση αλουμινίου είναι μια πολύ περίπλοκη διαδικασία, δεν είναι εφικτό να περιμένουμε μια ακριβή προσομοίωση ολόκληρης της αλυσίδας αμοιβαία συνδεδεμένων φαινομένων (ηλεκτρομαγνητικά, θερμικά, μηχανικά, υδροδυναμικά και μεταλλουργικά). Η πιο σημαντική και ελεγχόμενη διαδικασία είναι η παραγωγή ηλεκτρομαγνητικών πηγών θερμότητας, οι οποίες αναλύθηκαν χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα Flux 3D. Λόγω της πολύπλοκης φύσης της διαδικασίας επαγωγικής συγκόλλησης, χρησιμοποιήθηκε ένας συνδυασμός προσομοίωσης και πειραμάτων υπολογιστών για το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας.

 

Induction_Aluminium_Brazing with Computer_Assisted