Indukcijsko spajkanje aluminijastih cevi z visokofrekvenčnim indukcijskim ogrevanjem
Nova področja uporabe indukcijsko segrevanje zahtevajo analizo porazdelitve temperature znotraj ogrevanih komponent ob upoštevanju ustreznih struktur in lastnosti materiala. Metoda končnih elementov (FEM) ponuja močno orodje za izvajanje tovrstnih analiz in optimizacije indukcijskih procesov ogrevanja s pomočjo elektromagnetnih in toplotnih numeričnih analiz in simulacij.
Glavni cilj tega prispevka je nakazati možnost uporabe ustrezne, dovršene in učinkovite tehnologije indukcijskega spajkanja za izdelavo sončnih kolektorjev na podlagi numerične simulacije in izvedenih poskusov.
Opis težave
To delo obravnava zasnovo komponent za sončne kolektorje, primerne za postopek spajkanja, in sicer delov zbiralnih cevi (slika 1a). Cevi so narejene iz zlitine Al tipa AW 3000 s kemično sestavo, navedeno v tabeli 1. Za spajkanje se uporablja zlitina tipa Al 104 (tabela 2), skupaj s pretokom Braze Tec 32/80, katerega ostanki niso -jedko. Temperaturni interval med temperaturami solidusa in liquidusa za trdno zlitino Al 104 je od 575 ° C do 585 ° C. Temperatura solidusa materiala cevi je 650 ° C.
Tabela 1 Kemična sestava zlitine AW 3000 [mas. %]
| 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 | ravnovesje |
Tabela 2 Kemična sestava spajkalne zlitine tipa Al 104 [mas. %]
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Ti | Al |
| 11-13 | 0.6 | max. 0.3 | 0.15 | 0.1 | 0.2 | max. 0.15 | ravnovesje |
Postopek spajkanja predpostavlja uporabo indukcijskega ogrevanja. Sistem indukcijskega ogrevanja je treba zasnovati tako, da je treba hkrati doseči temperature spajkanja v območju spajanja (spajkanje kovin - zlitina). S tega vidika je zelo pomembna pravilna izbira indukcijske tuljave, njene geometrije in obratovalnih parametrov (predvsem frekvence in toka vira). Oblika in dimenzije zasnovane bakrene vodno hlajene indukcijske tuljave so prikazane na sliki 1b
Vpliv ustreznih parametrov indukcijskega ogrevanja na porazdelitev temperature v spajkanih delih smo ocenili z numerično simulacijo indukcijskega ogrevanja z uporabo programske kode ANSYS 10.0.
Simulacijski model
V skladu z metodologijo reševanja povezanih elektromagnetnih in toplotnih problemov s pomočjo FEM s pomočjo programske opreme ANSYS 10.0 [3-5] je bil razvit simulacijski model postopka indukcijskega ogrevanja za trdo spajkanje, ki vključuje geometrijske, fizikalne ter začetne in mejne pogoje. Glavni namen numerične simulacije je bil določiti optimalne parametre indukcijskega ogrevanja (frekvenco in tok vira) za dosego zahtevane porazdelitve temperature v območju tvorbe spojev.
Predlagani 3D-model (slika 2) za elektromagnetno analizo je sestavljen iz modela cevi, spajkalne zlitine, vodno hlajene indukcijske tuljave in okoliškega zraka (ni prikazan na sliki 2). Pri termični analizi so bile upoštevane samo cevi in zlitina za trdo spajkanje. Podrobnosti o mrežnem očesu, ustvarjenem iz linearnih 8-vozliščnih elementov v območju tvorbe spojev, so prikazane na sliki 2b.
Slika 2 a) Geometrijski model za elektromagnetno analizo brez zraka v okolici in b) podrobnosti 3D mreže, ustvarjene v območju tvorbe spojev. Temperaturne odvisnosti električnih in toplotnih lastnosti zlitine AW 3000 in zlitine Al 104 za spajkanje so bile pridobljene z uporabo JMatPro programska oprema [6]. Iz dejstva, da so uporabljeni materiali nemagnetni, je njihova relativna prepustnost µr = 1.
Začetna temperatura spajkanih materialov je bila 20 ° C. Predvideni so bili popolni električni in toplotni kontakti na mejnih površinah materialov. Frekvenca toka vira v indukcijski tuljavi naj bi bila 350 kHz. Vrednost toka vira je bila definirana iz intervala od 600 A do 700 A. Upoštevano je bilo hlajenje spajkovanih cevi s prosto konvekcijo in sevanjem v zrak s temperaturo 20 ° C. Opredeljen je bil kombinirani koeficient prenosa toplote, odvisen od temperature površine spajkanih delov. Na sliki 3 so prikazane porazdelitve temperature v spajkanih komponentah po doseganju zahtevanih temperatur v območju zgloba za izbrane vrednosti uporabljenih tokov vira v indukcijska ogrevalna tuljava. Čas 36 sekund z uporabo izvornega toka 600 A se zdi precej dolg. Hitro segrevanje z izhodnim tokom 700 A ne more zadoščati za taljenje zlitine Al 104 za spajkanje. Iz tega razloga se priporoča izvorni tok približno na ravni 620 A do 640 A, ki vodi do časa spajkanja od 25 do 27.5 sekunde ...
