Ống nhôm hàn cảm ứng với hệ thống sưởi cảm ứng tần số cao

Các lĩnh vực ứng dụng mới của cảm ứng sưởi ấm yêu cầu phân tích sự phân bố nhiệt độ bên trong các thành phần được nung nóng có tính đến các cấu trúc tương ứng và các đặc tính vật liệu. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) cung cấp một công cụ mạnh mẽ để thực hiện các phân tích như vậy và tối ưu hóa các quá trình gia nhiệt cảm ứng thông qua các phân tích và mô phỏng số nhiệt và điện từ kết hợp.

Mục đích chính của đóng góp này là chỉ ra khả năng ứng dụng công nghệ hàn cảm ứng thích hợp, tinh vi và hiệu quả để sản xuất các bộ thu năng lượng mặt trời dựa trên mô phỏng số và các thí nghiệm đã thực hiện.

Mô tả vấn đề

Công việc này đề cập đến việc thiết kế các bộ phận cho các bộ thu năng lượng mặt trời phù hợp với quá trình hàn, cụ thể là các bộ phận của ống thu (Hình 1a). Các ống được làm từ hợp kim Al của loại AW 3000 với thành phần hóa học được cho trong Bảng 1. Để hàn, hợp kim của loại Al 104 được sử dụng (Bảng 2) cùng với chất trợ dung Braze Tec 32/80 mà dư lượng không - ăn mòn. Khoảng nhiệt độ giữa nhiệt độ solidus và liquidus đối với hợp kim hàn Al 104 nằm trong khoảng từ 575 ° C đến 585 ° C. Nhiệt độ rắn của vật liệu ống là 650 ° C.

Bảng 1 Thành phần hóa học của hợp kim AW 3000 [wt. %]

Bảng 2 Thành phần hóa học của hợp kim hàn loại Al 104 [wt. %]

Quá trình hàn giả sử ứng dụng của gia nhiệt cảm ứng. Cần thiết kế hệ thống gia nhiệt cảm ứng sao cho nhiệt độ hàn phải đạt được trong vùng mối nối (kim loại hàn - hợp kim hàn) trong cùng một thời điểm. Từ quan điểm này, việc lựa chọn thích hợp cuộn dây cảm ứng, hình học và các thông số hoạt động của nó (chủ yếu là tần số và dòng điện nguồn) là rất quan trọng. Hình dạng và kích thước của cuộn dây cảm ứng làm mát bằng nước bằng đồng được thiết kế được thể hiện trong Hình 1b

Ảnh hưởng của các thông số liên quan của quá trình gia nhiệt cảm ứng lên sự phân bố nhiệt độ trong các bộ phận được hàn bằng cách sử dụng mô phỏng số của quá trình gia nhiệt cảm ứng áp dụng mã chương trình ANSYS 10.0.

Mô hình mô phỏng

Theo phương pháp luận của giải các bài toán điện từ và nhiệt ghép bằng phương pháp FEM sử dụng phần mềm ANSYS 10.0 [3-5], mô hình mô phỏng quá trình gia nhiệt cảm ứng cho hàn được phát triển bao gồm các điều kiện hình học, vật lý, ban đầu và biên. Mục đích chính của mô phỏng số là xác định các thông số tối ưu của gia nhiệt cảm ứng (tần số và dòng điện nguồn) để đạt được sự phân bố nhiệt độ cần thiết trong vùng hình thành khớp.

Mô hình 3D được đề xuất (Hình 2) để phân tích điện từ bao gồm mô hình ống, hợp kim hàn, cuộn dây cảm ứng làm mát bằng nước và không khí xung quanh (không được hiển thị trong Hình 2). Trong phân tích nhiệt, chỉ các ống và hợp kim hàn được xem xét. Một chi tiết của lưới được tạo ra từ các phần tử 8 nút tuyến tính trong khu vực hình thành khớp được minh họa trong Hình 2b.

Hình 2 a) Mô hình hình học để phân tích điện từ mà không có không khí xung quanh và b) chi tiết của lưới 3D được tạo ra trong khu vực hình thành mối nối. phần mềm [3000]. Theo thực tế là các vật liệu được ứng dụng không có từ tính, độ từ thẩm tương đối của chúng µr = 1.

Nhiệt độ ban đầu của vật liệu hàn là 20 ° C. Các tiếp xúc điện và nhiệt hoàn hảo trên bề mặt ranh giới của vật liệu đã được cho là. Tần số của dòng điện trong cuộn dây cảm ứng được cho là 350 kHz. Giá trị của cường độ dòng điện được xác định trong khoảng từ 600 A đến 700 A. Người ta đã tính đến sự làm mát của ống hàn bằng đối lưu tự do và bức xạ ra không khí có nhiệt độ 20 ° C. Hệ số truyền nhiệt kết hợp phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt của các bộ phận hàn được xác định. Trong Hình 3, sự phân bố nhiệt độ trong các thành phần được hàn sau khi đạt được nhiệt độ yêu cầu trong vùng khớp được thể hiện cho các giá trị đã chọn của dòng nguồn áp dụng trong cuộn dây cảm ứng. Thời gian 36 giây sử dụng dòng nguồn 600 A có vẻ là khá lâu. Việc đun nóng nhanh với dòng điện 700 A không thể đủ để làm nóng chảy hợp kim hàn Al 104. Vì lý do này, dòng điện nguồn xấp xỉ mức từ 620 A đến 640 A được khuyến nghị dẫn đến thời gian hàn từ 25 đến 27.5 giây ……

Ống nhôm hàn với hệ thống sưởi cảm ứng