Diseño avanzado de sistemas de calentamiento por inducción mediante modelización por ordenador

La modelización numérica por ordenador es un factor clave para el éxito en el diseño de sistemas de calentamiento por inducción. El calentamiento por inducción es una combinación compleja de fenómenos electromagnéticos, de transferencia de calor y metalúrgicos en la que intervienen numerosos factores. La transferencia de calor y los fenómenos electromagnéticos son no lineales y están estrechamente relacionados, ya que las propiedades físicas de los metales calentados dependen en gran medida tanto de la temperatura como de la intensidad del campo magnético. El fenómeno metalúrgico es también una función no lineal de la temperatura, la intensidad del calentamiento, la intensidad del enfriamiento, la composición química, la microestructura previa y otros factores. La modelización por ordenador permite predecir cómo los distintos factores interrelacionados y no lineales pueden influir en las condiciones térmicas transitorias y finales de la pieza de trabajo, y qué se debe tener en cuenta en el diseño del sistema de calentamiento por inducción para mejorar la eficacia del proceso y garantizar los perfiles de temperatura deseados, lo que contribuye a optimizar las ideas técnicas innovadoras.

Tomemos como ejemplo la simulación por ordenador de la soldadura Spinduction™ de mitades de pistón. Este proceso de soldadura combina la soldadura por fricción y la soldadura por inducción a presión [1]. Una de las ventajas del proceso es que produce soldaduras impecables de forma constante a velocidades de rotación muy bajas, muy por debajo de la velocidad mínima de forjado necesaria para la soldadura por fricción, con una proyección mínima o nula del reborde.

El precalentamiento por inducción es una parte fundamental de esta tecnología, ya que aporta más del 95 % de la energía de soldadura. La inducción proporciona el aporte de calor necesario de forma rápida y eficiente. La capacidad de lograr la uniformidad de temperatura requerida es imprescindible para que el proceso funcione correctamente. Inmediatamente después de calentar la pieza, el inductor se retrae en una fracción de segundo y las dos mitades del pistón se presionan rápidamente entre sí.

La figura anterior muestra una malla de elementos finitos (a la derecha) y la variación de los perfiles de temperatura (a la izquierda) durante el precalentamiento por inducción de las mitades superior e inferior del pistón a 30 kHz. El tiempo total de calentamiento es de 6 segundos. Un novedoso diseño del inductor permitió alcanzar un tiempo de retracción inferior a 1 segundo.

La siguiente figura muestra una vista ampliada de la variación de temperatura en la mitad derecha del sistema de precalentamiento por inducción modelado.

Referencias
1. V. Rudnev, D. Loveless, C. Ribeiro, J. Boomis, «Unleashing a superior induction heating design with computer modeling», Industrial Heating, agosto de 2009, págs. 43-47.
2. V. Rudnev, et al., Handbook of Induction Heating, Marcel Dekker, Nueva York, 2003, 800 págs.
3. V. Rudnev, «Simulación del calentamiento por inducción previo al conformado en caliente y al recubrimiento», ASM Handbook, vol. 22B: Simulación de procesos metalúrgicos, editores D.U. Furrer y S.L. Semiatin, ASM International, 2010, págs. 475-500.