Индукционная пайка алюминия с помощью компьютера

Индукционная пайка алюминия становится все более и более распространенным в промышленности. Типичный пример - припайка различных труб к корпусу автомобильного теплообменника. В катушка индукционного нагрева Для этого типа обработки широко используется неокружающий, который можно отнести к стилю «Подкова-шпилька». Для этих катушек магнитное поле и результирующее распределение вихревых токов по своей природе являются трехмерными. В этих приложениях возникают проблемы с совместным качеством и согласованностью результатов от детали к детали. Чтобы решить одну из таких проблем для крупного производителя автомобилей, была использована программа компьютерного моделирования Flux3D для исследования и оптимизации процесса. Оптимизация включала изменение конфигурации индукционной катушки и регулятора магнитного потока. Новые индукционные катушки, которые прошли экспериментальную проверку в лаборатории, позволяют производить детали с более качественными соединениями на нескольких производственных площадках.

Каждому автомобилю требуется несколько различных теплообменников (сердечники нагревателя, испарители, конденсаторы, радиаторы и т. Д.) Для охлаждения трансмиссии, кондиционирования воздуха, масляного охлаждения и т. Д. Подавляющее большинство теплообменников легковых автомобилей сегодня изготавливаются из алюминия или алюминиевых сплавов. Даже если один и тот же двигатель используется для нескольких моделей автомобилей, соединения могут отличаться из-за разной компоновки под капотом. По этой причине производители деталей обычно изготавливают несколько основных корпусов теплообменников, а затем присоединяют различные соединители во время вторичной операции.

Корпуса теплообменников обычно состоят из алюминиевых пластин, труб и коллекторов, спаянных вместе в печи. После пайки теплообменники адаптируются к данной модели автомобиля путем присоединения нейлоновых баков или, как правило, различных алюминиевых труб с соединительными блоками. Эти трубы крепятся сваркой MIG, пламенной или индукционной пайкой. В случае пайки требуется очень точный контроль температуры из-за небольшой разницы в температурах плавления и пайки алюминия (20-50 C в зависимости от сплава, присадочного металла и атмосферы), высокой теплопроводности алюминия и небольшого расстояния до других поверхностей. стыки, спаянные на предыдущей операции.

Индукционный нагрев это распространенный метод пайки различных труб к коллекторам теплообменников. На рисунке 1 изображен Индукционная пайка установка для пайки трубы к трубе на коллекторе теплообменника. Из-за требований к точному нагреву поверхность индукционной катушки должна находиться в непосредственной близости от стыка, подлежащего пайке. Поэтому нельзя использовать простую цилиндрическую катушку, потому что деталь нельзя было удалить после пайки соединения.

Для пайки этих соединений используются два основных типа индукционных катушек: индукторы типа «раскладушка» и «подкова-шпилька». Катушки индуктивности типа «грейфер» аналогичны цилиндрическим индукторам, но они открываются, что позволяет снимать детали. Индукторы типа «подкова-шпилька» имеют форму подковы для нагружения детали и по сути представляют собой две катушки шпильки на противоположных сторонах соединения.

Преимущество использования индуктора типа «Clamshell» состоит в том, что нагрев более однороден по окружности и относительно легко прогнозируется. Недостатком индуктора типа «Clamshell» является то, что требуемая механическая система более сложна, а сильноточные контакты относительно ненадежны.

Индукторы типа «подкова-шпилька» создают более сложные трехмерные тепловые структуры, чем «раскладушки». Преимущество индуктора типа «подкова-шпилька» заключается в упрощении обращения с деталями.

Компьютерное моделирование оптимизирует пайку

У крупного производителя теплообменников возникли проблемы с качеством при пайке соединения, показанного на рис. 1, с использованием индуктора типа подковообразная шпилька. Пайка была хороша для большинства деталей, но нагрев некоторых деталей будет совершенно другим, что приведет к недостаточной глубине стыка, холодным соединениям и присадочному металлу, поднимающемуся по стенке трубы из-за местного перегрева. Даже после проверки каждого теплообменника на герметичность, некоторые детали все еще протекали в этом стыке в процессе эксплуатации. Компания Center for Induction Technology Inc. заключила контракт на анализ и решение проблемы.

Источник питания, используемый для работы, имеет переменную частоту от 10 до 25 кГц и номинальную мощность 60 кВт. В процессе пайки оператор устанавливает металлическое кольцо на конец трубы и вставляет трубу внутрь трубы. Теплообменник устанавливается на специальную установку и перемещается внутри подковообразного индуктора.

Вся зона пайки предварительно залита флюсом. Частота, используемая для нагрева детали, обычно составляет от 12 до 15 кГц, а время нагрева составляет около 20 секунд. Уровень мощности программируется с линейным понижением в конце цикла нагрева. Оптический пирометр отключает питание, когда температура на обратной стороне стыка достигает заданного значения.

Существует множество факторов, которые могут вызвать несоответствие, с которым столкнулся производитель, например, изменение компонентов соединения (размеры и положение), а также нестабильный и изменчивый (во времени) электрический и тепловой контакт между трубой, трубой, уплотнительным кольцом и т. Д. Некоторые явления по своей природе нестабильны, и небольшие изменения этих факторов могут вызвать различную динамику процесса. Например, открытое металлическое кольцо-наполнитель может частично раскручиваться под действием электромагнитных сил, а свободный конец кольца может быть засосан капиллярными силами или оставаться нерасплавленным. Факторы шума трудно уменьшить или устранить, и решение проблемы требовало повышения устойчивости всего процесса. Компьютерное моделирование - это эффективный инструмент для анализа и оптимизации процесса.

Во время оценки процесса пайки наблюдались сильные электродинамические силы. В момент включения питания подковообразная катушка явно расширяется из-за внезапного приложения электродинамической силы. Таким образом, индуктор был сделан механически прочнее, включая дополнительную пластину из стекловолокна (G10), соединяющую корни двух катушек шпильки. Другой демонстрацией присутствующих электродинамических сил было смещение расплавленного присадочного металла от областей, близких к медным виткам, где магнитное поле сильнее. При нормальном процессе присадочный металл равномерно распределяется по стыку за счет капиллярных сил и силы тяжести, в отличие от ненормального процесса, когда присадочный металл может вытекать из стыка или подниматься по поверхности трубы.

Так как индукционная пайка алюминия это очень сложный процесс, невозможно ожидать точного моделирования всей цепочки взаимосвязанных явлений (электромагнитных, тепловых, механических, гидродинамических и металлургических). Наиболее важным и контролируемым процессом является генерация электромагнитных источников тепла, которые анализировались с помощью программы Flux 3D. Из-за сложной природы процесса индукционной пайки для проектирования и оптимизации процесса использовалось сочетание компьютерного моделирования и экспериментов.

 

Индукция - алюминий, пайка с помощью компьютера - с помощью компьютера