Inductie aluminium solderen met computerondersteuning

Inductie aluminium solderen met computerondersteuning

Inductie aluminium solderen komt steeds vaker voor in de industrie. Een typisch voorbeeld is het solderen van verschillende leidingen aan het lichaam van een warmtewisselaar voor auto's. De inductieverwarmingsspiraal veel gebruikt voor dit type proces is niet-omringende, die kan worden aangeduid als "Horseshoe-hairpin" -stijl. Voor deze spoelen zijn het magnetische veld en de resulterende wervelstroomverdeling inherent 3-D van aard. Bij deze toepassingen zijn er problemen met de kwaliteit van de verbinding en de consistentie van de resultaten van onderdeel tot onderdeel. Om een ​​dergelijk probleem voor een grote autofabrikant op te lossen, werd het Flux3D computersimulatieprogramma gebruikt voor de processtudie en optimalisatie. Optimalisatie omvatte het wijzigen van de inductiespoel en de configuratie van de magnetische fluxregelaar. Nieuwe inductiespoelen, die experimenteel zijn gevalideerd in een laboratorium, produceren onderdelen met verbindingen van hogere kwaliteit in verschillende productielocaties.

Elke auto heeft verschillende warmtewisselaars nodig (verwarmingskernen, verdampers, condensors, radiatoren, enz.) Voor koeling van de aandrijflijn, airconditioning, oliekoeling, enz. De overgrote meerderheid van de warmtewisselaars van personenwagens zijn tegenwoordig gemaakt van aluminium of aluminiumlegeringen. Zelfs als dezelfde motor voor meerdere automodellen wordt gebruikt, kunnen de aansluitingen variëren als gevolg van verschillende lay-outs onder de motorkap. Om deze reden is het standaardpraktijk voor onderdelenfabrikanten om verschillende basiswarmtewisselaarlichamen te maken en vervolgens verschillende connectoren in een secundaire bewerking te bevestigen.

Warmtewisselaarlichamen bestaan ​​meestal uit aluminium lamellen, buizen en kopstukken die in een oven aan elkaar zijn gesoldeerd. Na het hardsolderen worden de warmtewisselaars op maat gemaakt voor het gegeven automodel door nylon tanks of meestal verschillende aluminium buizen met verbindingsblokken te bevestigen. Deze buizen zijn bevestigd door middel van MIG-lassen, vlam- of inductiesolderen. In het geval van hardsolderen is een zeer nauwkeurige temperatuurregeling vereist vanwege het kleine verschil in de smelt- en hardsoldeertemperaturen voor aluminium (20-50 C afhankelijk van legering, vulmetaal en atmosfeer), hoge thermische geleidbaarheid van aluminium en korte afstand tot andere verbindingen gesoldeerd in een eerdere operatie.

Inductieverwarming is een veelgebruikte methode voor het solderen van verschillende leidingen aan warmtewisselaarkopstukken. Figuur 1 is een afbeelding van een Inductie solderen opstelling voor het solderen van een buis aan een buis op een warmtewisselaarkop. Vanwege de vereisten voor nauwkeurige verwarming, moet het oppervlak van de inductiespoel zich in de buurt van de te solderen verbinding bevinden. Daarom kan een eenvoudige cilindrische spoel niet worden gebruikt, omdat het onderdeel niet kan worden verwijderd nadat de verbinding is gesoldeerd.

Er zijn twee hoofdtypen inductiespoelen die worden gebruikt voor het solderen van deze verbindingen: "clamshell" en "hoefijzer-haarspeld" inductoren. "Clamshell" -inductors zijn vergelijkbaar met cilindrische inductoren, maar ze gaan open om het verwijderen van onderdelen mogelijk te maken. "Hoefijzer-haarspeld" smoorspoelen hebben de vorm van een hoefijzer voor het laden van het onderdeel en zijn in wezen twee haarspeldspoelen aan weerszijden van het gewricht.

Het voordeel van het gebruik van een "Clamshell" -inductor is dat de verwarming gelijkmatiger in omtrek is en relatief gemakkelijk te voorspellen. Het nadeel van een "Clamshell" -inductor is dat het vereiste mechanische systeem gecompliceerder is en dat de contacten met hoge stroom relatief onbetrouwbaar zijn.

"Hoefijzer-haarspeld" smoorspoelen produceren meer gecompliceerde 3D-warmtepatronen dan "Clamshells". Het voordeel van een inductor in "Horseshoe-hairpin" -stijl is dat het hanteren van het onderdeel wordt vereenvoudigd.

Inductie aluminium solderen

Computersimulatie optimaliseert het solderen

Een grote fabrikant van warmtewisselaars had kwaliteitsproblemen bij het solderen van de verbinding die wordt getoond in Fig. 1 met behulp van een inductor in de vorm van een hoefijzer-haarspeld. De soldeerverbinding was goed voor het merendeel van de onderdelen, maar de verwarming zou voor sommige onderdelen totaal anders zijn, met als gevolg onvoldoende voegdiepte, koude voegen en vulmetaal dat tegen de buiswand opliep vanwege plaatselijke oververhitting. Zelfs bij het testen van elke warmtewisselaar op lekken, lekten sommige onderdelen nog steeds bij deze verbinding tijdens bedrijf. Center for Induction Technology Inc. werd gecontracteerd om het probleem te analyseren en op te lossen.

De voeding die voor de klus wordt gebruikt, heeft een variabele frequentie van 10 tot 25 kHz en een nominaal vermogen van 60 kW. Bij het soldeerproces installeert een operator een vulmetaalring op het buisuiteinde en steekt de buis in de buis. Een warmtewisselaar wordt op een speciale rig geplaatst en in de hoefijzerinductor verplaatst.

Het gehele soldeergebied is voorgevloeid. De frequentie die wordt gebruikt om het onderdeel op te warmen, is doorgaans 12 tot 15 kHz en de verwarmingstijd is ongeveer 20 seconden. Het vermogensniveau wordt geprogrammeerd met lineaire reductie aan het einde van de verwarmingscyclus. Een optische pyrometer schakelt de stroom uit wanneer de temperatuur aan de achterkant van het gewricht een vooraf ingestelde waarde bereikt.

Er zijn veel factoren die de inconsistentie kunnen veroorzaken die de fabrikant ervoer, zoals variatie in voegcomponenten (afmetingen en positie) en onstabiel en variabel (in tijd) elektrisch en thermisch contact tussen de buis, buis, vulring, etc. Enkele verschijnselen zijn inherent onstabiel, en kleine variaties van deze factoren kunnen verschillende procesdynamiek veroorzaken. De open vulmetaalring kan bijvoorbeeld gedeeltelijk afwikkelen onder de elektromagnetische krachten, en het vrije uiteinde van de ring kan worden teruggezogen door capillaire krachten of ongesmolten blijven. De geluidsfactoren zijn moeilijk te verminderen of te elimineren, en de oplossing voor het probleem vereiste het vergroten van de robuustheid van het totale proces. Computersimulatie is een effectief hulpmiddel om het proces te analyseren en te optimaliseren.

Tijdens de evaluatie van het soldeerproces werden sterke elektrodynamische krachten waargenomen. Op het moment dat de stroom wordt ingeschakeld, ervaart de hoefijzerspoel duidelijk een uitzetting als gevolg van een plotselinge toepassing van elektrodynamische kracht. De inductor werd dus mechanisch sterker gemaakt, inclusief het opnemen van een extra glasvezelplaat (G10) die de wortels van twee haarspeldspoelen met elkaar verbindt. De andere demonstratie van aanwezige elektrodynamische krachten was het verplaatsen van gesmolten vulmetaal weg van de gebieden dicht bij koperen windingen waar het magnetische veld sterker is. In een normaal proces verdeelt vulmetaal zich gelijkmatig rond de verbinding als gevolg van capillaire krachten en zwaartekracht, in tegenstelling tot een abnormaal proces waarbij vulmetaal uit de verbinding kan lopen of langs het buisoppervlak omhoog kan bewegen.

Omdat inductie aluminium solderen is een zeer ingewikkeld proces, het is niet haalbaar om een ​​nauwkeurige simulatie te verwachten van de hele keten van onderling gekoppelde verschijnselen (elektromagnetisch, thermisch, mechanisch, hydrodynamisch en metallurgisch). Het belangrijkste en meest beheersbare proces is het genereren van elektromagnetische warmtebronnen, die zijn geanalyseerd met het programma Flux 3D. Vanwege de complexe aard van het inductiesoldeerproces werd een combinatie van computersimulatie en experimenten gebruikt voor procesontwerp en optimalisatie.

 

Induction_Aluminum_Brazing met Computer_Assisted