Індукційна пайка алюмінієвих труб з високочастотним індукційним нагріванням
Нові галузі застосування індукційного нагріву вимагають аналізу розподілу температури всередині нагрітих компонентів з урахуванням відповідних структур та властивостей матеріалу. Метод скінченних елементів (МКЕ) забезпечує потужний інструмент для проведення такого аналізу та оптимізації індукційних процесів нагрівання за допомогою поєднаних електромагнітних та теплових чисельних аналізів та моделювання.
Головною метою цього внеску є вказати на можливість застосування належної, складної та ефективної індукційної технології пайки для виробництва сонячних колекторів на основі чисельного моделювання та проведених експериментів.
Опис проблеми
Ця робота стосується проектування компонентів сонячних колекторів, придатних для пайки, а саме частин збірних трубок (рис. 1а). Трубки виготовляються із сплаву Al типу AW 3000 з хімічним складом, наведеним у таблиці 1. Для пайки використовується сплав типу Al 104 (таблиця 2) разом із потоком Braze Tec 32/80, залишки якого не є -їдкий. Температурний інтервал між температурами солідусу та ліквідусу для паяного сплаву Al 104 становить від 575 ° C до 585 ° C. Температура солідусу матеріалу трубки становить 650 ° C.
Таблиця 1 Хімічний склад сплаву AW 3000 [мас. %]
Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Cr | Al |
0.05-0.15 | 0.06-0.35 | максимум 0.1 | 0.3-0.6 | 0.02-0.20 | 0.05-0.3 | максимум 0.25 | баланс |
Таблиця 2 Хімічний склад паяного сплаву типу Al 104 [мас. %]
Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Ti | Al |
11-13 | 0.6 | максимум 0.3 | 0.15 | 0.1 | 0.2 | максимум 0.15 | баланс |
Процес пайки передбачає застосування індукційного нагрівання. Необхідно спроектувати систему індукційного нагріву таким чином, щоб в зоні з'єднання (паяні метали - паяний сплав) одночасно досягалися температури пайки. З цієї точки зору, правильний вибір індукційної котушки, її геометрії та робочих параметрів (головним чином частоти та струму джерела) є дуже важливим. Форма та розміри розробленої мідної індукційної котушки з водяним охолодженням показані на рис. 1b
Вплив відповідних параметрів індукційного нагріву на розподіл температури в паяних деталях оцінювали за допомогою чисельного моделювання індукційного нагрівання із застосуванням програмного коду ANSYS 10.0.
Імітаційна модель
Відповідно до методології розв’язання зв’язаних електромагнітних та теплових проблем методом ФЕМ з використанням програмного забезпечення ANSYS 10.0 [3-5], була розроблена імітаційна модель індукційного процесу нагрівання для пайки, що включає геометричні, фізичні та початкові та граничні умови. Головною метою чисельного моделювання було визначити оптимальні параметри індукційного нагріву (частоту та струм джерела) для досягнення необхідного розподілу температури в зоні формування з'єднання.
Запропонована 3D-модель (рис. 2) для електромагнітного аналізу складається з моделі труб, паяного сплаву, водяного охолодження індукційної котушки та навколишнього повітря (не показано на рис. 2). При термічному аналізі враховувались лише трубки та сплав для пайки. Деталь сітки, що генерується з лінійних 8-вузлових елементів у зоні формування з'єднань, проілюстрована на рис. 2б.
2 а) Геометрична модель для електромагнітного аналізу без навколишнього повітря та б) деталь 3D-сітки, що генерується в зоні формування з'єднання. Температурні залежності електричних та теплових властивостей сплаву AW 3000 та сплаву Al 104 для пайки отримані за допомогою JMatPro програмне забезпечення [6]. Виходячи з того, що застосовувані матеріали немагнітні, їх відносна проникність µr = 1.
Початкова температура паяних матеріалів становила 20 ° C. Передбачалося досконалі електричні та теплові контакти на граничних поверхнях матеріалів. Частота струму джерела в індукційній котушці повинна була становити 350 кГц. Значення струму джерела визначали від інтервалу від 600 А до 700 А. Враховувалось охолодження паяних труб за допомогою вільної конвекції та випромінювання в повітря з температурою 20 ° С. Визначено комбінований коефіцієнт тепловіддачі, який залежить від температури поверхні паяних деталей. На рис. 3 показано розподіл температури в паяних компонентах після досягнення необхідних температур у зоні з'єднання для вибраних значень прикладених струмів джерела в котушка індукційного нагріву. Час 36 секунд при використанні джерела струму 600 А здається досить довгим. Швидкого нагрівання, що подає струм джерела 700 А, не може бути достатнім для плавлення сплаву сплаву Al 104. З цієї причини рекомендується джерело струму приблизно на рівні від 620 А до 640 А, що призводить до часу пайки від 25 до 27.5 секунд ...