Συγκολλητικοί σωλήνες αλουμινίου με επαγωγική θέρμανση

Επαγωγικοί σωλήνες αλουμινίου συγκόλλησης με επαγωγική θέρμανση υψηλής συχνότητας

Οι νέοι τομείς εφαρμογών του επαγωγική θέρμανση απαιτούν ανάλυση της κατανομής θερμοκρασίας μέσα στα θερμαινόμενα συστατικά λαμβάνοντας υπόψη τις αντίστοιχες δομές και τις ιδιότητες του υλικού. Η μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων (FEM) παρέχει ένα ισχυρό εργαλείο για την εκτέλεση τέτοιων αναλύσεων και βελτιστοποίησης διεργασιών θέρμανσης επαγωγής μέσω συζευγμένων ηλεκτρομαγνητικών και θερμικών αριθμητικών αναλύσεων και προσομοιώσεων.

Ο κύριος στόχος αυτής της συνεισφοράς είναι να δείξει τη δυνατότητα εφαρμογής της κατάλληλης, εξελιγμένης και αποτελεσματικής επαγωγικής τεχνολογίας συγκόλλησης για την κατασκευή ηλιακών συλλεκτών με βάση την αριθμητική προσομοίωση και τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν.

Περιγραφή Προβλήματος

Αυτή η εργασία ασχολείται με το σχεδιασμό εξαρτημάτων για ηλιακούς συλλέκτες κατάλληλους για τη διαδικασία συγκόλλησης, συγκεκριμένα τα μέρη συλλογής σωλήνων (Εικ. 1α). Οι σωλήνες κατασκευάζονται από το κράμα Al του τύπου AW 3000 με τη χημική σύνθεση που δίνεται στον Πίνακα 1. Για συγκόλληση, χρησιμοποιείται το κράμα τύπου Al 104 (Πίνακας 2) μαζί με τη ροή Braze Tec 32/80 τα οποία τα υπολείμματα δεν είναι -διαβρωτικός. Το διάστημα θερμοκρασίας μεταξύ θερμοκρασίας στερεού και υγρού για το κράμα μπρούτζου Al 104 κυμαίνεται από 575 ° C έως 585 ° C. Η θερμοκρασία στερεού του υλικού του σωλήνα είναι 650 ° C.

Πίνακας 1 Χημική σύνθεση κράματος AW 3000 [κ.β. %]

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 εξισορρόπηση

Πίνακας 2 Χημική σύνθεση του συγκολλητικού κράματος τύπου 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 εξισορρόπηση

Η διαδικασία συγκόλλησης προϋποθέτει την εφαρμογή επαγωγικής θέρμανσης. Είναι απαραίτητο να σχεδιαστεί το σύστημα επαγωγικής θέρμανσης με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτυγχάνονται ταυτόχρονα θερμοκρασίες συγκόλλησης στη ζώνη συνδέσμου (συγκολλημένα μέταλλα - κράμα συγκόλλησης) ταυτόχρονα. Από αυτήν την άποψη, είναι πολύ σημαντική η σωστή επιλογή του επαγωγικού πηνίου, της γεωμετρίας και των παραμέτρων λειτουργίας του (κυρίως της συχνότητας και του ρεύματος πηγής). Το σχήμα και οι διαστάσεις του σχεδιασμένου πηνίου επαγωγής με υδρόψυκτο χαλκό φαίνονται στο Σχ. 1β

Η επίδραση των σχετικών παραμέτρων της επαγωγικής θέρμανσης στην κατανομή θερμοκρασίας στα συγκολλημένα μέρη αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας την αριθμητική προσομοίωση επαγωγικής θέρμανσης με εφαρμογή του κωδικού προγράμματος ANSYS 10.0.

Μοντέλο προσομοίωσης

Σύμφωνα με τη μεθοδολογία επίλυσης συζευγμένων ηλεκτρομαγνητικών και θερμικών προβλημάτων από τη FEM χρησιμοποιώντας το λογισμικό ANSYS 10.0 [3-5], αναπτύχθηκε το μοντέλο προσομοίωσης της διαδικασίας επαγωγής θέρμανσης για συγκόλληση, συμπεριλαμβανομένων γεωμετρικών, φυσικών και αρχικών και οριακών συνθηκών. Ο κύριος στόχος της αριθμητικής προσομοίωσης ήταν ο καθορισμός των βέλτιστων παραμέτρων της επαγωγής θέρμανσης (η συχνότητα και το ρεύμα πηγής) για την επίτευξη της απαιτούμενης κατανομής θερμοκρασίας στη ζώνη σχηματισμού αρθρώσεων.

Το προτεινόμενο τρισδιάστατο μοντέλο (Εικ. 3) για ηλεκτρομαγνητική ανάλυση αποτελείται από το μοντέλο των σωλήνων, του κράματος συγκόλλησης, του υδρόψυκτου επαγωγικού πηνίου και του περιβάλλοντος αέρα (δεν φαίνεται στο Σχ. 2). Στη θερμική ανάλυση, εξετάστηκαν μόνο οι σωλήνες και το κράμα συγκόλλησης. Μια λεπτομέρεια του πλέγματος που παράγεται από τα γραμμικά στοιχεία 2-κόμβων στη ζώνη σχηματισμού αρθρώσεων απεικονίζεται στο Σχ. 8β.

Εικ. 2 α) Γεωμετρικό μοντέλο για ηλεκτρομαγνητική ανάλυση χωρίς περιβάλλοντα αέρα και β) λεπτομέρεια του τρισδιάστατου πλέγματος που δημιουργείται στη ζώνη σχηματισμού αρμών. Οι θερμοκρασιακές εξαρτήσεις των ηλεκτρικών και θερμικών ιδιοτήτων του κράματος AW 3 και του κράματος συγκόλλησης Al 3000 λήφθηκαν χρησιμοποιώντας το JMatPro λογισμικό [104]. Από το γεγονός ότι τα εφαρμοζόμενα υλικά είναι μη μαγνητικά, η σχετική τους διαπερατότητα µr = 1.

Η αρχική θερμοκρασία των συγκολλημένων υλικών ήταν 20 ° C. Υποτίθεται ότι τέθηκαν ηλεκτρικές και θερμικές επαφές στις οριακές επιφάνειες των υλικών. Η συχνότητα του ρεύματος πηγής στο πηνίο επαγωγής έπρεπε να είναι 350 kHz. Η τιμή του ρεύματος πηγής καθορίστηκε από το διάστημα από 600 Α έως 700 Α. Λήφθηκε υπόψη η ψύξη των συγκολλημένων σωλήνων με ελεύθερη μεταφορά και ακτινοβολία στον αέρα με θερμοκρασία 20 ° C. Ορίστηκε συντελεστής συνδυασμένης μεταφοράς θερμότητας που εξαρτάται από τη θερμοκρασία επιφάνειας των συγκολλημένων μερών. Στο Σχ. 3, η κατανομή θερμοκρασίας σε συγκολλημένα συστατικά μετά την επίτευξη των απαιτούμενων θερμοκρασιών στη ζώνη συνδέσμου παρουσιάζεται για επιλεγμένες τιμές των εφαρμοζόμενων ρευμάτων πηγής σε επαγωγή θέρμανσης. Ο χρόνος των 36 δευτερολέπτων χρησιμοποιώντας το ρεύμα πηγής των 600 A φαίνεται να είναι πολύ μεγάλος. Η ταχεία θέρμανση που εφαρμόζει το ρεύμα πηγής 700 Α δεν μπορεί να επαρκεί για την τήξη του κράματος συγκόλλησης Al 104. Για το λόγο αυτό, συνιστάται το ρεύμα πηγής περίπου του επιπέδου 620 A έως 640 A να οδηγεί στους χρόνους συγκόλλησης από 25 έως 27.5 δευτερόλεπτα ……

Συγκολλητικοί σωλήνες αλουμινίου με επαγωγική θέρμανση