Brasatura ad induzione in alluminio con computer assistita
Brasatura ad induzione in alluminio sta diventando sempre più comune nell'industria. Un tipico esempio è la brasatura di vari tubi al corpo dello scambiatore di calore di un'automobile. Il bobina di riscaldamento a induzione ampiamente utilizzato per questo tipo di processo è quello non avvolgente, che può essere indicato come stile "a ferro di cavallo". Per queste bobine, il campo magnetico e la conseguente distribuzione di correnti parassite sono intrinsecamente di natura tridimensionale. In queste applicazioni, ci sono problemi con la qualità congiunta e la coerenza dei risultati da parte a parte. Per risolvere uno di questi problemi per un grande produttore automobilistico, è stato utilizzato il programma di simulazione al computer Flux3D per lo studio e l'ottimizzazione del processo. L'ottimizzazione includeva la modifica della bobina di induzione e della configurazione del controller del flusso magnetico. Le nuove bobine di induzione, che sono state validate sperimentalmente in un laboratorio, producono parti con giunti di qualità superiore in diversi siti di produzione.
Ogni automobile richiede diversi scambiatori di calore diversi (nuclei di riscaldamento, evaporatori, condensatori, radiatori, ecc.) Per il raffreddamento del gruppo propulsore, aria condizionata, raffreddamento dell'olio, ecc. La stragrande maggioranza degli scambiatori di calore delle autovetture oggi sono realizzati in alluminio o leghe di alluminio. Anche se lo stesso motore viene utilizzato per diversi modelli di automobile, i collegamenti possono variare a causa delle diverse disposizioni sotto il cofano. Per questo motivo, è prassi normale per i produttori di componenti realizzare diversi corpi di scambiatori di calore di base e quindi collegare diversi connettori in un'operazione secondaria.
I corpi dello scambiatore di calore sono generalmente costituiti da alette, tubi e collettori di alluminio brasati insieme in un forno. Dopo la brasatura, gli scambiatori di calore vengono personalizzati per il modello di automobile dato attaccando serbatoi in nylon o tubi in alluminio più comunemente diversi con blocchi di connessione. Questi tubi sono fissati mediante saldatura MIG, fiamma o brasatura a induzione. Nel caso della brasatura, è necessario un controllo della temperatura molto preciso a causa della piccola differenza nelle temperature di fusione e brasatura per l'alluminio (20-50 C a seconda della lega, metallo d'apporto e atmosfera), alta conduttività termica dell'alluminio e breve distanza dagli altri giunti brasati in una precedente operazione.
Riscaldamento a induzione è un metodo comune per la brasatura di vari tubi alle intestazioni degli scambiatori di calore. La figura 1 è un'immagine di un file Brasatura ad induzione predisposizione per la brasatura di un tubo su un tubo su un collettore di scambiatore di calore. A causa dei requisiti per un riscaldamento preciso, la faccia della bobina di induzione deve essere in stretta vicinanza al giunto da brasare. Pertanto una semplice bobina cilindrica non può essere utilizzata, poiché la parte non può essere rimossa dopo la brasatura del giunto.
Esistono due tipi principali di bobine di induzione utilizzate per la brasatura di questi giunti: induttori a "conchiglia" e induttori a "ferro di cavallo". Gli induttori "a conchiglia" sono simili agli induttori cilindrici, ma si aprono per consentire la rimozione della parte. Gli induttori "a forcina a ferro di cavallo" hanno la forma di un ferro di cavallo per caricare la parte e sono essenzialmente due bobine a forcina sui lati opposti del giunto.
Il vantaggio di utilizzare un induttore "Clamshell" è che il riscaldamento è più uniforme in circonferenza e relativamente facile da prevedere. Lo svantaggio di un induttore "Clamshell" è che il sistema meccanico richiesto è più complicato e i contatti ad alta corrente sono relativamente inaffidabili.
Gli induttori "a forcina a ferro di cavallo" producono schemi di calore 3-D più complicati rispetto alle "conchiglie". Il vantaggio di un induttore in stile "ferro di cavallo" è che la gestione delle parti è semplificata.
Brasatura a induzione in alluminioLa simulazione al computer ottimizza la brasatura
Un grande produttore di scambiatori di calore aveva problemi di qualità con la brasatura del giunto mostrato in Fig. 1 usando un induttore a forma di forcina a ferro di cavallo. Il giunto di brasatura era buono per la maggior parte delle parti, ma il riscaldamento sarebbe stato completamente diverso per alcune parti, con conseguente profondità del giunto insufficiente, giunti freddi e metallo d'apporto che correva lungo la parete del tubo a causa del surriscaldamento locale. Anche dopo aver testato la tenuta di ogni scambiatore di calore, alcune parti perdevano ancora in questo giunto in servizio. Center for Induction Technology Inc. è stato incaricato di analizzare e risolvere il problema.
L'alimentatore utilizzato per il lavoro ha una frequenza variabile da 10 a 25 kHz e una potenza nominale di 60 kW. Nel processo di brasatura, un operatore installa un anello di metallo di apporto sull'estremità del tubo e inserisce il tubo all'interno del tubo. Uno scambiatore di calore viene posizionato su un'apposita piattaforma e spostato all'interno dell'induttore a ferro di cavallo.
L'intera area di brasatura è preflussata. La frequenza utilizzata per riscaldare la parte in genere è compresa tra 12 e 15 kHz e il tempo di riscaldamento è di circa 20 secondi. Il livello di potenza è programmato con riduzione lineare alla fine del ciclo di riscaldamento. Un pirometro ottico spegne l'alimentazione quando la temperatura sul lato posteriore del giunto raggiunge un valore preimpostato.
Sono molti i fattori che possono causare l'incoerenza riscontrata dal produttore, come la variazione dei componenti del giunto (dimensioni e posizione) e il contatto elettrico e termico instabile e variabile (nel tempo) tra il tubo, il tubo, l'anello di riempimento, ecc. Alcuni fenomeni sono intrinsecamente instabili e piccole variazioni di questi fattori possono causare dinamiche di processo differenti. Ad esempio, l'anello di metallo d'apporto aperto può svolgersi parzialmente sotto le forze elettromagnetiche e l'estremità libera dell'anello può essere risucchiata indietro dalle forze capillari o rimanere non fusa. I fattori di rumore sono difficili da ridurre o eliminare e la soluzione al problema richiedeva di aumentare la robustezza dell'intero processo. La simulazione al computer è uno strumento efficace per analizzare e ottimizzare il processo.
Durante la valutazione del processo di brasatura, sono state osservate forti forze elettrodinamiche. Al momento dell'accensione, la bobina a ferro di cavallo subisce chiaramente un'espansione dovuta a un'improvvisa applicazione di forza elettrodinamica. Pertanto, l'induttore è stato reso meccanicamente più resistente, inclusa l'incorporazione di una piastra aggiuntiva in fibra di vetro (G10) che collega le radici di due bobine a forcina. L'altra dimostrazione delle forze elettrodinamiche presenti è stata lo spostamento del metallo d'apporto fuso dalle aree vicine alle spire di rame dove il campo magnetico è più forte. In un processo normale, il metallo d'apporto si distribuisce uniformemente attorno al giunto a causa delle forze capillari e della gravità, a differenza di un processo anormale in cui il metallo d'apporto può fuoriuscire dal giunto o spostarsi lungo la superficie del tubo.
Perché brasatura a induzione in alluminio è un processo molto complicato, non è possibile aspettarsi una simulazione accurata dell'intera catena di fenomeni reciprocamente accoppiati (elettromagnetici, termici, meccanici, idrodinamici e metallurgici). Il processo più importante e controllabile è la generazione di sorgenti di calore elettromagnetiche, che sono state analizzate utilizzando il programma Flux 3D. A causa della natura complessa del processo di brasatura a induzione, è stata utilizzata una combinazione di simulazione al computer ed esperimenti per la progettazione e l'ottimizzazione del processo.
