Diseño superior de calentamiento por inducción mediante modelado por ordenador
El modelado numérico por ordenador es un factor clave para el diseño exitoso de sistemas de calentamiento por inducción. El calentamiento por inducción es una combinación compleja de fenómenos electromagnéticos, de transferencia de calor y metalúrgicos que involucran numerosos factores. La transferencia de calor y el electromagnetismo son no lineales y están estrechamente interrelacionados, 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 también es una función no lineal de la temperatura, la intensidad de calentamiento, la severidad del enfriamiento, la composición química, la microestructura previa y otros factores. El modelado por ordenador ofrece la capacidad de predecir cómo diversos factores interrelacionados y no lineales pueden influir en las condiciones térmicas transitorias y finales de la pieza de trabajo, y qué debe lograrse en el diseño del sistema de calentamiento por inducción para mejorar la eficacia del proceso y garantizar los perfiles de temperatura deseados, ayudando a optimizar ideas técnicas pioneras.
Consideremos el ejemplo del modelado por ordenador de la soldadura SpinductionTM de mitades de pistón. Este proceso de soldadura combina la soldadura por fricción y la soldadura por presión por inducción [1]. Una ventaja de este proceso es que produce soldaduras impecables de forma constante a velocidades de rotación muy bajas; muy por debajo de la velocidad mínima de forja para la soldadura por fricción, con una proyección de rebaba mínima o nula.
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 manera rápida y eficiente. La capacidad de alcanzar la uniformidad de temperatura requerida es imperativa para que el proceso funcione con éxito. 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 superior muestra una malla de elementos finitos (derecha) y la variación de los perfiles de temperatura (izquierda) durante el precalentamiento por inducción de las mitades superior e inferior del pistón utilizando 30 kHz. El tiempo total de calentamiento es de 6 segundos. Un novedoso concepto de inductor hizo posible un tiempo de retracción inferior a 1 segundo.
La figura inferior muestra una vista ampliada de la variación de temperatura dentro de 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, p. 43-47.
2. V. Rudnev y otros, Handbook of Induction Heating, Marcel Dekker, NY, 2003, 800 p.
3. V. Rudnev, Simulation of Induction Heating Prior to Hot Working and Coating, ASM Handbook, vol. 22B: Metals Process Simulation, editores D. U. Furrer y S. L. Semiatin, ASM International, 2010, p. 475-500.