Soldadura de tubos de aluminio con calentamiento por inducción

Tubos de aluminio para soldadura fuerte por inducción con calentamiento por inducción de alta frecuencia

Las áreas de aplicaciones novedosas de calentamiento por inducción requieren analizar la distribución de temperatura dentro de los componentes calentados teniendo en cuenta las estructuras correspondientes y las propiedades del material. El método de elementos finitos (FEM) proporciona una poderosa herramienta para realizar dichos análisis y optimización de los procesos de calentamiento por inducción a través de simulaciones y análisis numéricos térmicos y electromagnéticos acoplados.

El principal objetivo de esta contribución es indicar la posibilidad de aplicación de la tecnología de soldadura fuerte por inducción adecuada, sofisticada y eficiente para la fabricación de colectores solares basada en la simulación numérica y experimentos realizados.

Descripción del problema

Este trabajo trata del diseño de componentes para colectores solares aptos para el proceso de soldadura fuerte, es decir, las partes de la tubería colectora (Fig. 1a). Los tubos están hechos de la aleación de Al del tipo AW 3000 con la composición química dada en la Tabla 1. Para la soldadura fuerte, se utiliza la aleación del tipo Al 104 (Tabla 2) junto con el fundente Braze Tec 32/80 cuyos residuos no son -corrosivo. El intervalo de temperatura entre las temperaturas solidus y liquidus para la aleación de soldadura fuerte Al 104 varía de 575 ° C a 585 ° C. La temperatura de solidificación del material del tubo es de 650 ° C.

Tabla 1 Composición química de la aleación AW 3000 [wt. %]

Si Fe Cu Mn Mg Zn Cr Al
0.05-0.15 0.06-0.35 máx. 0.1 0.3-0.6 0.02-0.20 0.05-0.3 máx. 0.25 equilibrar

Cuadro 2 Composición química de la aleación de soldadura fuerte del tipo Al 104 [wt. %]

Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Al
11-13 0.6 máx. 0.3 0.15 0.1 0.2 máx. 0.15 equilibrar

El proceso de soldadura fuerte supone la aplicación de calentamiento por inducción. Es necesario diseñar el sistema de calentamiento por inducción de tal manera que las temperaturas de soldadura fuerte se logren en la zona de unión (metales soldados - aleación de soldadura fuerte) al mismo tiempo. Desde este punto de vista, una selección adecuada de la bobina de inducción, su geometría y parámetros de funcionamiento (principalmente la frecuencia y la fuente de corriente) es muy importante. La forma y dimensiones de la bobina de inducción de cobre diseñada refrigerada por agua se muestran en la Fig.1b

El efecto de los parámetros relevantes del calentamiento por inducción sobre la distribución de la temperatura en las piezas soldadas se evaluó mediante la simulación numérica del calentamiento por inducción aplicando el código de programa ANSYS 10.0.

Modelo de simulación

De acuerdo con la metodología de solución de problemas electromagnéticos y térmicos acoplados por FEM utilizando el software ANSYS 10.0 [3-5], se desarrolló el modelo de simulación del proceso de calentamiento por inducción para soldadura fuerte incluyendo condiciones geométricas, físicas, iniciales y de contorno. El objetivo principal de la simulación numérica fue definir los parámetros óptimos de calentamiento por inducción (la frecuencia y la fuente de corriente) para lograr la distribución de temperatura requerida en la zona de formación de la junta.

El modelo 3D sugerido (Fig. 2) para el análisis electromagnético consiste en el modelo de tubos, aleación de soldadura fuerte, bobina de inducción enfriada por agua y aire circundante (no se muestra en la Fig. 2). En el análisis térmico, solo se consideraron los tubos y la aleación de soldadura fuerte. En la figura 8b se ilustra un detalle de la malla generada a partir de los elementos lineales de 2 nodos en la zona de formación de la junta.

Fig.2 a) Modelo geométrico para análisis electromagnético sin aire circundante yb) Detalle de la malla 3D generada en la zona de formación de la junta Las dependencias de temperatura de las propiedades eléctricas y térmicas de la aleación AW 3000 y la aleación de soldadura fuerte Al 104 se obtuvieron utilizando JMatPro software [6]. Teniendo en cuenta que los materiales aplicados no son magnéticos, su permeabilidad relativa µr = 1.

La temperatura inicial de los materiales soldados fue de 20 ° C. Se suponía que había contactos térmicos y eléctricos perfectos en las superficies límite de los materiales. Se suponía que la frecuencia de la fuente de corriente en la bobina de inducción era de 350 kHz. El valor de la fuente de corriente se definió a partir del intervalo de 600 A a 700 A. Se tuvo en cuenta el enfriamiento de los tubos soldados por convección libre y radiación al aire con una temperatura de 20 ° C. Se definió el coeficiente de transferencia de calor combinado que depende de la temperatura de la superficie de las piezas soldadas. En la Fig.3, se muestra la distribución de temperatura en los componentes soldados después de alcanzar las temperaturas requeridas en la zona de unión para los valores seleccionados de las corrientes de fuente aplicadas en bobina de calentamiento por inducción. El tiempo de 36 segundos usando la fuente de corriente de 600 A parece ser bastante largo. El calentamiento rápido aplicando la fuente de corriente de 700 A no puede ser suficiente para la fusión de la aleación de soldadura fuerte de Al 104. Por esta razón, se recomienda la corriente de la fuente aproximadamente del nivel de 620 A a 640 A, lo que lleva a tiempos de soldadura fuerte de 25 a 27.5 segundos ...

Soldadura de tubos de aluminio con calentamiento por inducción