Hàn nhôm cảm ứng với máy tính hỗ trợ

Hàn nhôm cảm ứng với máy tính hỗ trợ

Hàn nhôm cảm ứng ngày càng trở nên phổ biến hơn trong ngành công nghiệp. Một ví dụ điển hình là hàn các đường ống khác nhau vào thân bộ trao đổi nhiệt ô tô. Các cuộn dây cảm ứng được sử dụng rộng rãi cho loại quy trình này là quy trình không bao quanh, có thể được gọi là kiểu “kẹp tóc hình móng ngựa”. Đối với những cuộn dây này, từ trường và kết quả là sự phân bố dòng điện xoáy vốn có bản chất là 3-D. Trong các ứng dụng này, có vấn đề với chất lượng chung và tính nhất quán của các kết quả từ phần này sang phần khác. Để giải quyết một vấn đề như vậy cho một nhà sản xuất ô tô lớn, chương trình mô phỏng máy tính Flux3D đã được sử dụng để nghiên cứu và tối ưu hóa quy trình. Tối ưu hóa bao gồm việc thay đổi cấu hình cuộn dây cảm ứng và bộ điều khiển từ thông. Các cuộn dây cảm ứng mới, đã được kiểm chứng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, sản xuất các bộ phận có khớp nối chất lượng cao hơn ở một số địa điểm sản xuất.

Mỗi ô tô yêu cầu một số bộ trao đổi nhiệt khác nhau (lõi sưởi, thiết bị bay hơi, bình ngưng, tản nhiệt, v.v.) để làm mát hệ thống truyền lực, điều hòa không khí, làm mát dầu, ... Đại đa số các bộ trao đổi nhiệt trên xe du lịch ngày nay được làm bằng nhôm hoặc hợp kim nhôm. Ngay cả khi cùng một động cơ được sử dụng cho một số kiểu ô tô, các kết nối có thể khác nhau do cách bố trí khác nhau dưới mui xe. Vì lý do này, thông lệ tiêu chuẩn cho các nhà sản xuất bộ phận là tạo ra một số thân bộ trao đổi nhiệt cơ bản và sau đó gắn các đầu nối khác nhau trong một hoạt động thứ cấp.

Các cơ quan trao đổi nhiệt thường bao gồm các cánh tản nhiệt bằng nhôm, các ống và các phần đầu được hàn lại với nhau trong lò. Sau khi hàn, các bộ trao đổi nhiệt được tùy chỉnh cho kiểu xe ô tô nhất định bằng cách gắn các bình nylon hoặc phổ biến nhất là các ống nhôm khác nhau với các khối kết nối. Các ống này được gắn bằng hàn MIG, hàn ngọn lửa hoặc hàn cảm ứng. Trong trường hợp hàn, cần kiểm soát nhiệt độ rất chính xác do có sự khác biệt nhỏ về nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ hàn đối với nhôm (20-50 C tùy thuộc vào hợp kim, kim loại độn và khí quyển), độ dẫn nhiệt cao của nhôm và khoảng cách ngắn với khớp được hàn trong một hoạt động trước đó.

Nhiệt cảm ứng là một phương pháp phổ biến để hàn các đường ống khác nhau đến đầu bộ trao đổi nhiệt. Hình 1 là hình ảnh của một Cảm ứng nhiệt thiết lập để hàn ống vào ống trên đầu cắm bộ trao đổi nhiệt. Do yêu cầu gia nhiệt chính xác, mặt của cuộn dây cảm ứng phải gần với mối nối được hàn. Do đó không thể sử dụng một cuộn dây hình trụ đơn giản vì không thể tháo bộ phận này ra sau khi mối nối được hàn.

Có hai kiểu cuộn dây cảm ứng chính được sử dụng để hàn các mối nối này: cuộn cảm kiểu “vỏ sò” và kiểu “móng ngựa”. Cuộn cảm “vỏ sò” tương tự như cuộn cảm hình trụ, nhưng chúng mở ra để cho phép loại bỏ một phần. Cuộn cảm "móng ngựa-kẹp tóc" có hình dạng giống như móng ngựa để tải bộ phận và về cơ bản là hai cuộn dây kẹp tóc ở hai bên đối diện của mối nối.

Ưu điểm của việc sử dụng cuộn cảm “Clamshell” là sự gia nhiệt có chu vi đồng đều hơn và tương đối dễ dự đoán. Nhược điểm của cuộn cảm “Clamshell” là hệ thống cơ khí được yêu cầu phức tạp hơn và các tiếp điểm dòng điện cao tương đối không đáng tin cậy.

Các cuộn cảm “móng ngựa-kẹp tóc” tạo ra các mẫu nhiệt 3-D phức tạp hơn so với “Vỏ sò”. Ưu điểm của cuộn cảm kiểu “móng ngựa-kẹp tóc” là việc xử lý bộ phận được đơn giản hóa.

Cảm ứng nhôm hàn

Mô phỏng máy tính tối ưu hóa brazing

Một nhà sản xuất bộ trao đổi nhiệt lớn đã gặp vấn đề về chất lượng khi hàn mối nối được thể hiện trong Hình 1 bằng cách sử dụng cuộn cảm kiểu móng ngựa. Mối nối braze tốt cho hầu hết các bộ phận, nhưng việc sưởi ấm sẽ hoàn toàn khác đối với một số bộ phận, dẫn đến độ sâu mối nối không đủ, các mối nối nguội và kim loại phụ chạy lên thành ống do quá nhiệt cục bộ. Ngay cả khi kiểm tra rò rỉ từng bộ trao đổi nhiệt, một số bộ phận vẫn bị rò rỉ tại mối nối này trong quá trình sử dụng. Center for Induction Technology Inc. đã được ký hợp đồng để phân tích và giải quyết vấn đề.

Nguồn điện được sử dụng cho công việc có tần số thay đổi từ 10 đến 25 kHz và công suất danh định là 60 kw. Trong quá trình hàn, người vận hành lắp một vòng kim loại phụ vào đầu ống và đưa ống vào bên trong ống. Một bộ trao đổi nhiệt được đặt trên một giàn đặc biệt và di chuyển bên trong cuộn cảm hình móng ngựa.

Toàn bộ khu vực hàn được chảy trước. Tần số được sử dụng để làm nóng bộ phận thường là 12 đến 15 kHz và thời gian làm nóng là khoảng 20 giây. Mức công suất được lập trình giảm tuyến tính vào cuối chu kỳ gia nhiệt. Nhiệt kế quang học tắt nguồn khi nhiệt độ ở mặt sau của khớp đạt đến giá trị đặt trước.

Có nhiều yếu tố có thể gây ra sự không nhất quán mà nhà sản xuất đã gặp phải, chẳng hạn như sự thay đổi trong các thành phần khớp (kích thước và vị trí) và tiếp xúc điện và nhiệt không ổn định và thay đổi (theo thời gian) giữa ống, ống dẫn, vòng đệm, v.v. Một số hiện tượng vốn dĩ không ổn định, và các biến thể nhỏ của các yếu tố này có thể gây ra các động lực quá trình khác nhau. Ví dụ, vòng kim loại đệm hở có thể bị giãn một phần dưới tác dụng của lực điện từ, và đầu tự do của vòng có thể bị hút lại bởi lực mao dẫn hoặc vẫn không bị chèn ép. Các yếu tố tiếng ồn rất khó giảm hoặc loại bỏ, và giải pháp cho vấn đề đòi hỏi phải tăng cường độ mạnh mẽ của toàn bộ quá trình. Mô phỏng máy tính là một công cụ hiệu quả để phân tích và tối ưu hóa quy trình.

Trong quá trình đánh giá quá trình hàn, các lực điện động mạnh đã được quan sát thấy. Tại thời điểm bật nguồn, cuộn dây hình móng ngựa rõ ràng trải qua sự giãn nở do tác dụng đột ngột của lực điện động. Do đó, cuộn cảm được chế tạo mạnh hơn về mặt cơ học, bao gồm việc kết hợp thêm một tấm sợi thủy tinh (G10) nối rễ của hai cuộn dây kẹp tóc. Một minh chứng khác về lực điện động lực học hiện nay là sự dịch chuyển của kim loại phụ nóng chảy ra khỏi các khu vực gần các vòng quay của đồng, nơi từ trường mạnh hơn. Trong một quá trình bình thường, kim loại phụ phân bố đồng đều xung quanh mối nối do lực mao dẫn và trọng lực, ngược lại với một quá trình bất thường mà kim loại phụ có thể chảy ra khỏi mối nối hoặc di chuyển lên dọc theo bề mặt ống.

Bởi vì hàn nhôm cảm ứng là một quá trình rất phức tạp, không thể mong đợi một mô phỏng chính xác toàn bộ chuỗi các hiện tượng liên kết lẫn nhau (điện từ, nhiệt, cơ, thủy động lực và luyện kim) là không khả thi. Quá trình quan trọng nhất và có thể kiểm soát được là tạo ra các nguồn nhiệt điện từ, được phân tích bằng chương trình Flux 3D. Do tính chất phức tạp của quá trình hàn cảm ứng, sự kết hợp giữa mô phỏng máy tính và các thí nghiệm đã được sử dụng để thiết kế và tối ưu hóa quy trình.

 

Cảm ứng_Nhôm_Brazing với máy tính_Assisted