Indukční pájení hliníku s podporou počítače

Indukční pájení hliníku s podporou počítače

Indukční pájení hliníku se v průmyslu stává stále běžnějším. Typickým příkladem je pájení různých trubek na automobilové těleso výměníku tepla. The indukční topné cívky široce používaný pro tento typ procesu je neobkličující, který lze označit jako styl „podkovy“. U těchto cívek je magnetické pole a výsledná distribuce vířivých proudů přirozeně 3-D v přírodě. V těchto aplikacích existují problémy s kvalitou a konzistencí výsledků jednotlivých částí. K vyřešení jednoho takového problému u velkého výrobce automobilů byl pro studii a optimalizaci procesu použit počítačový simulační program Flux3D. Optimalizace zahrnovala změnu konfigurace indukční cívky a ovladače magnetického toku. Nové indukční cívky, které byly experimentálně ověřeny v laboratoři, vyrábějí díly s vyšší kvalitou spojů na několika výrobních závodech.

Každý vůz vyžaduje několik různých výměníků tepla (jádra topení, výparníky, kondenzátory, radiátory atd.) Pro chlazení hnacího ústrojí, klimatizace, chlazení oleje atd. Převážná většina výměníků tepla osobních automobilů je dnes vyrobena z hliníku nebo slitin hliníku. I když je stejný motor použit pro několik modelů automobilů, připojení se může lišit v důsledku odlišného uspořádání pod kapotou. Z tohoto důvodu je běžnou praxí, že výrobci dílů vyrábějí několik základních těles výměníku tepla a poté připojují různé konektory v sekundárním provozu.

Tělesa výměníku tepla obvykle sestávají z hliníkových žeber, trubek a sběračů, které jsou společně pájeny v peci. Po pájení na tvrdo jsou výměníky tepla přizpůsobeny pro daný model automobilu připojením buď nylonových nádrží nebo nejčastěji různých hliníkových trubek s připojovacími bloky. Tyto trubky jsou připevněny svařováním MIG, plamenem nebo indukčním pájením. V případě pájení na tvrdo je vyžadována velmi přesná regulace teploty kvůli malému rozdílu teplot tání a pájení hliníku (20 - 50 ° C v závislosti na slitině, přídavném kovu a atmosféře), vysoké tepelné vodivosti hliníku a krátké vzdálenosti od ostatních spoje pájené natvrdo v předchozí operaci.

Indukční vytápění je běžná metoda pájení různých trubek na sběrače tepla. Obrázek 1 je obrázek souboru Indukční pájení sestava pro pájení trubky na trubku na sběrači tepla. Vzhledem k požadavkům na přesné zahřívání musí být čelo indukční cívky v těsné blízkosti pájeného spoje. Nelze tedy použít jednoduchou válcovou cívku, protože po pájení spoje nelze část odstranit.

K pájení těchto spojů se používají dva hlavní styly indukčních cívek: indukční cívky typu „véčko“ a „podkova“. „Clamshell“ induktory jsou podobné válcovým induktorům, ale otevírají se, aby umožnily vyjmutí části. Induktory typu „podkova-vlásenka“ mají tvar podkovy pro naložení součásti a jsou to v podstatě dvě vlásenky na opačných stranách kloubu.

Výhodou použití induktoru „Clamshell“ je to, že ohřev je obvodově rovnoměrnější a relativně snadno předvídatelný. Nevýhodou induktoru „Clamshell“ je to, že požadovaný mechanický systém je složitější a kontakty vysokého proudu jsou relativně nespolehlivé.

Induktory „podkovy“ vytvářejí komplikovanější 3-D tepelné vzorce než „Clamshells“. Výhodou induktoru typu „Horseshoe-hairpin“ je zjednodušení manipulace s součástmi.

Indukční hliníkové pájení

Počítačová simulace optimalizuje tvrdé pájení

Velký výrobce výměníku tepla měl problémy s kvalitou při pájení spoje znázorněného na obr. 1 pomocí cívky ve tvaru podkovy. Pájený spoj byl pro většinu dílů dobrý, ale topení by bylo u některých dílů zcela odlišné, což by mělo za následek nedostatečnou hloubku spáry, studené spáry a přídavný kov, které by stékaly po stěně potrubí v důsledku místního přehřátí. I při zkoušce těsnosti každého výměníku tepla některé součásti na tomto spoji v provozu stále prosakovaly. Společnost Center for Induction Technology Inc. byla uzavřena smlouvu na analýzu a vyřešení problému.

Napájecí zdroj používaný pro tuto úlohu má proměnnou frekvenci 10 až 25 kHz a jmenovitý výkon 60 kW. V procesu pájení natvrdo nainstaluje operátor na konec trubky výplňový kovový kroužek a vloží trubku dovnitř trubky. Výměník tepla je umístěn na speciální plošinu a přemístěn dovnitř podkovového induktoru.

Celá oblast tvrdé pájení je předem tavená. Frekvence použitá k zahřátí součásti je obvykle 12 až 15 kHz a doba ohřevu je přibližně 20 sekund. Na konci topného cyklu je úroveň výkonu naprogramována s lineární redukcí. Optický pyrometr vypne napájení, když teplota na zadní straně spoje dosáhne přednastavené hodnoty.

Existuje mnoho faktorů, které mohou způsobit nekonzistenci, se kterou se setkal výrobce, jako jsou rozdíly ve složkách spojů (rozměry a umístění) a nestabilní a proměnlivý (v čase) elektrický a tepelný kontakt mezi trubkou, trubkou, plnicím kroužkem atd. Některé jevy jsou ze své podstaty nestabilní a malé variace těchto faktorů mohou způsobit odlišnou dynamiku procesu. Například se otevřený výplňový kovový prstenec může částečně odvíjet pod elektromagnetickými silami a volný konec prstence může být nasáván zpět kapilárními silami nebo zůstat neroztavený. Faktory šumu je obtížné snížit nebo eliminovat a řešení problému vyžadovalo zvýšení robustnosti celého procesu. Počítačová simulace je účinným nástrojem pro analýzu a optimalizaci procesu.

Během hodnocení procesu pájení na tvrdo byly pozorovány silné elektrodynamické síly. V okamžiku, kdy je napájení zapnuto, cívka podkovy jasně zažívá expanzi v důsledku náhlého použití elektrodynamické síly. Induktor byl tedy vyroben mechanicky pevnější, včetně zabudování další desky ze skleněných vláken (G10) spojující kořeny dvou vlásenkových cívek. Další ukázkou přítomných elektrodynamických sil bylo posunutí roztaveného výplňového kovu z oblastí blízko měděných závitů, kde je magnetické pole silnější. V normálním procesu se výplňový kov distribuuje rovnoměrně kolem spoje kvůli kapilárním silám a gravitaci na rozdíl od abnormálního procesu, kdy může výplňový kov vytékat ze spoje nebo se pohybovat nahoru po povrchu trubky.

Protože indukční hliníkové pájení je velmi komplikovaný proces, není možné očekávat přesnou simulaci celého řetězce vzájemně spojených jevů (elektromagnetického, tepelného, ​​mechanického, hydrodynamického a metalurgického). Nejdůležitějším a kontrolovatelným procesem je generování elektromagnetických zdrojů tepla, které byly analyzovány pomocí programu Flux 3D. Vzhledem ke složitosti procesu indukčního pájení byla pro návrh a optimalizaci procesu použita kombinace počítačové simulace a experimentů.

 

Indukční_hliníkové_pražení s asistencí počítače