Indukcijas lodēšanas alumīnija caurules ar augstas frekvences indukcijas apkuri
Jaunās lietojumprogrammu jomas indukcijas apkures jāanalizē temperatūras sadalījums apsildāmo sastāvdaļu iekšienē, ņemot vērā atbilstošās struktūras un materiāla īpašības. Galīgo elementu metode (FEM) ir spēcīgs rīks, lai veiktu šādas indukcijas sildīšanas procesu analīzi un optimizāciju, izmantojot savienotas elektromagnētiskās un termiskās skaitliskās analīzes un simulācijas.
Šī ieguldījuma galvenais mērķis ir norādīt iespēju piemērot, izsmalcinātu un efektīvu indukcijas cietlodēšanas tehnoloģiju saules kolektoru ražošanai, pamatojoties uz skaitlisko simulāciju un veiktajiem eksperimentiem.
Problēmas apraksts
Šis darbs attiecas uz cietlodēšanas procesam piemērotu saules kolektoru sastāvdaļu, proti, cauruļu savākšanas daļu (1.a attēls) dizainu. Caurules izgatavo no AW 3000 tipa Al sakausējuma ar 1. tabulā norādīto ķīmisko sastāvu. Cietlodēšanai izmanto Al 104 tipa sakausējumu (2. tabula) kopā ar Brax Tec 32/80 plūsmu, kuras atlikumi nav -korozīvs. Temperatūras intervāls starp cietvielu un šķidruma temperatūru Al 104 cietlodēšanas sakausējumam svārstās no 575 ° C līdz 585 ° C. Caurules materiāla cietā temperatūra ir 650 ° C.
1. tabula AW 3000 sakausējuma ķīmiskais sastāvs [wt. %]
| 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 | līdzsvarot |
2. tabula Al 104 tipa cietlodēšanas sakausējuma ķīmiskais sastāvs [svara %]
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Ti | Al |
| 11-13 | 0.6 | max. 0.3 | 0.15 | 0.1 | 0.2 | max. 0.15 | līdzsvarot |
Cietlodēšanas process paredz indukcijas sildīšanas izmantošanu. Indukcijas sildīšanas sistēma jāprojektē tā, lai vienlaicīgi tiktu panākta cietlodēšanas temperatūra savienojuma zonā (cietlodētie metāli - cietlodēšanas sakausējumi). No šī viedokļa ļoti svarīga ir pareiza indukcijas spoles, tās ģeometrijas un darbības parametru (galvenokārt frekvences un avota strāvas) izvēle. Projektētās vara ar ūdeni dzesētās indukcijas spoles forma un izmēri parādīti 1.b attēlā
Attiecīgo indukcijas sildīšanas parametru ietekme uz temperatūras sadalījumu cietlodētajās daļās tika novērtēta, izmantojot indukcijas sildīšanas skaitlisko simulāciju, izmantojot programmas kodu ANSYS 10.0.
Simulācijas modelis
Saskaņā ar sasaistīto elektromagnētisko un termisko problēmu risināšanas metodiku, izmantojot FEM, izmantojot programmatūru ANSYS 10.0 [3-5], tika izstrādāts indukcijas sildīšanas procesa imitācijas modelis cietlodēšanai, iekļaujot ģeometriskos, fizikālos, sākotnējos un robežnosacījumus. Skaitliskās simulācijas galvenais mērķis bija noteikt optimālos indukcijas sildīšanas parametrus (frekvenci un avota strāvu), lai sasniegtu nepieciešamo temperatūras sadalījumu locītavas veidošanās zonā.
Ieteicamais elektromagnētiskās analīzes 3D modelis (2. attēls) sastāv no cauruļu, cietlodēšanas sakausējuma, ar ūdeni atdzesētas indukcijas spoles un apkārtējā gaisa modeļa (nav parādīts 2. attēlā). Termiskajā analīzē tika ņemtas vērā tikai caurules un cietlodēšanas sakausējums. Sīkāka informācija par acīm, kas izveidota no lineārajiem, 8 mezglu elementiem savienojuma veidošanās zonā, ir parādīta 2.b attēlā.
2. attēls. A) Ģeometriskais modelis elektromagnētiskai analīzei bez apkārtējā gaisa un b) 3D tīkla sieta detaļa, kas izveidota savienojuma veidošanās zonā. AW 3000 sakausējuma un Al 104 cietlodēšanas sakausējuma elektrisko un termisko īpašību temperatūras atkarības tika iegūtas, izmantojot JMatPro programmatūra [6]. Ņemot vērā faktu, ka izmantotie materiāli nav magnētiski, to relatīvā caurlaidība µr = 1.
Lodēto materiālu sākotnējā temperatūra bija 20 ° C. Tika uzskatīti par perfektiem elektriskiem un termiskiem kontaktiem uz materiālu robežvirsmām. Paredzēts, ka avota strāvas frekvence indukcijas spolē ir 350 kHz. Avota strāvas vērtība tika noteikta no intervāla no 600 A līdz 700 A. Tika ņemta vērā cietlodē esošo cauruļu atdzesēšana ar brīvu konvekciju un starojums gaisā ar 20 ° C temperatūru. Tika noteikts kombinētais siltuma pārneses koeficients, kas atkarīgs no cietlodēto detaļu virsmas temperatūras. 3. attēlā temperatūras sadalījums cietlodē komponentos pēc vajadzīgās temperatūras sasniegšanas savienojuma zonā ir parādīts izvēlētajām pielietoto avota strāvu vērtībām indukcijas sildīšanas spole. 36 sekunžu laiks, izmantojot avota strāvu 600 A, šķiet, ir diezgan ilgs. Ātra karsēšana, izmantojot avota strāvu 700 A, nevar būt pietiekama Al 104 cietlodēšanas sakausēšanai. Šī iemesla dēļ ieteicamā avota strāva ir aptuveni no 620 A līdz 640 A, līdz ar to cietlodēšanas laiks ir no 25 līdz 27.5 sekundēm.
