Optimiertes Design für Induktionserwärmung mithilfe von Computermodellen
Die numerische Computermodellierung ist ein wesentlicher Faktor für die erfolgreiche Auslegung von Induktionserwärmungssystemen. Die Induktionserwärmung ist eine komplexe Kombination aus Elektromagnetismus, Wärmeübertragung und metallurgischen Phänomenen, an der viele Faktoren beteiligt sind. Wärmeübertragung und Elektromagnetismus sind nichtlinear und eng miteinander verknüpft, da die physikalischen Eigenschaften erhitzter Metalle stark sowohl von der Temperatur als auch von der Magnetfeldstärke abhängen. Auch die metallurgischen Phänomene sind eine nichtlineare Funktion von Temperatur, Erwärmungsintensität, Abkühlungsgrad, chemischer Zusammensetzung, vorheriger Mikrostruktur und weiteren Faktoren. Die Computermodellierung ermöglicht es, vorherzusagen, wie sich verschiedene miteinander in Wechselwirkung stehende und nichtlineare Faktoren auf die Übergangs- und Endzustände des Werkstücks auswirken können und welche Anforderungen bei der Auslegung des Induktionserwärmungssystems erfüllt werden müssen, um die Effektivität des Prozesses zu verbessern und die gewünschten Temperaturprofile zu gewährleisten, was zur Optimierung wegweisender technischer Ideen beiträgt.
Betrachten wir das Beispiel der computergestützten Modellierung des Spinduction™-Schweißens von Kolbenhälften. Dieses Schweißverfahren kombiniert Reibschweißen und Induktionsdruckschweißen [1]. Ein Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass es bei sehr niedrigen Drehzahlen – deutlich unterhalb der für das Reibschweißen erforderlichen Mindestdrehzahl – durchweg fehlerfreie Schweißnähte erzeugt, wobei nur minimale oder gar keine Schweißspritzer entstehen.
Das Induktionsvorheizen ist ein entscheidender Bestandteil dieser Technologie, da es über 95 % der in den Schweißvorgang eingebrachten Energie liefert. Durch die Induktion wird die erforderliche Wärmezufuhr schnell und effizient bereitgestellt. Die Fähigkeit, die erforderliche Temperaturgleichmäßigkeit zu erreichen, ist für den erfolgreichen Ablauf des Prozesses unerlässlich. Unmittelbar nach dem Erwärmen des Bauteils wird der Induktor innerhalb des Bruchteils einer Sekunde zurückgezogen, und die beiden Kolbenhälften werden rasch zusammengedrückt.
Die obige Abbildung zeigt ein Finite-Elemente-Netz (rechts) sowie die Veränderung der Temperaturprofile (links) während der Induktionsvorwärmung der oberen und unteren Kolbenhälften mit 30 kHz. Die gesamte Aufheizzeit beträgt 6 Sekunden. Ein neuartiges Induktorkonzept ermöglichte eine Rückzugszeit von weniger als 1 Sekunde.
Die folgende Abbildung zeigt eine vergrößerte Ansicht der Temperaturverteilung in der rechten Hälfte des modellierten Induktionsvorwärmsystems.
Literaturverzeichnis
1. V. Rudnev, D. Loveless, C. Ribeiro, J. Boomis, „Unleashing a superior induction heating design with computer modeling“, Industrial Heating, August 2009, S. 43–47.
2. V. Rudnev u. a., Handbook of Induction Heating, Marcel Dekker, NY, 2003, 800 S.
3. V. Rudnev, „Simulation der Induktionserwärmung vor der Warmumformung und Beschichtung“, ASM-Handbuch, Band 22B: Simulation von Metallverarbeitungsprozessen, Hrsg. D.U. Furrer und S.L. Semiatin, ASM International, 2010, S. 475–500.