Conception optimisée du chauffage par induction grâce à la modélisation informatique
La modélisation numérique par ordinateur est un facteur déterminant dans la conception réussie des systèmes de chauffage par induction. Le chauffage par induction est une combinaison complexe de phénomènes électromagnétiques, de transfert thermique et de phénomènes métallurgiques impliquant de nombreux facteurs. Le transfert thermique et l’électromagnétisme sont non linéaires et étroitement liés, car les propriétés physiques des métaux chauffés dépendent fortement à la fois de la température et de l’intensité du champ magnétique. Les phénomènes métallurgiques constituent également une fonction non linéaire de la température, de l’intensité de chauffage, de l’intensité du refroidissement, de la composition chimique, de la microstructure initiale et d’autres facteurs. La modélisation informatique permet de prédire comment différents facteurs interdépendants et non linéaires peuvent influencer les conditions thermiques transitoires et finales de la pièce, ainsi que les mesures à prendre lors de la conception du système de chauffage par induction afin d’améliorer l’efficacité du procédé et de garantir les profils de température souhaités, contribuant ainsi à optimiser les idées techniques novatrices.
Prenons l'exemple de la modélisation informatique du soudage Spinduction™ de demi-pistons. Ce procédé de soudage combine le soudage par friction et le soudage par induction sous pression [1]. L'un des avantages de ce procédé est qu'il permet d'obtenir des soudures toujours irréprochables à des vitesses de rotation très faibles, bien inférieures à la vitesse minimale de forgeage requise pour le soudage par friction, avec une projection de bavure minimale, voire nulle.
Le préchauffage par induction est un élément essentiel de cette technologie, car il fournit plus de 95 % de l'énergie nécessaire à la soudure. L'induction permet d'apporter l'apport thermique requis rapidement et efficacement. La capacité à obtenir l'uniformité de température requise est indispensable au bon déroulement du processus. Immédiatement après le chauffage de la pièce, l'inducteur se rétracte en une fraction de seconde, et les deux moitiés du piston sont rapidement pressées l'une contre l'autre.
La figure ci-dessus montre un maillage d'éléments finis (à droite) et l'évolution des profils de température (à gauche) lors du préchauffage par induction des moitiés supérieure et inférieure du piston à une fréquence de 30 kHz. La durée totale du chauffage est de 6 secondes. Un concept novateur d'inducteur a permis d'obtenir un temps de retrait inférieur à 1 seconde.
La figure ci-dessous présente un agrandissement de la variation de température dans la moitié droite du système de préchauffage par induction modélisé.
Références
1. V. Rudnev, D. Loveless, C. Ribeiro, J. Boomis, « Unleashing a superior induction heating design with computer modeling », Industrial Heating, août 2009, p. 43-47.
2. V. Rudnev, et al., Handbook of Induction Heating, Marcel Dekker, New York, 2003, 800 p.
3. V. Rudnev, « Simulation du chauffage par induction avant le formage à chaud et le revêtement », ASM Handbook, vol. 22B : Simulation des procédés métallurgiques, sous la direction de D.U. Furrer et S.L. Semiatin, ASM International, 2010, p. 475-500.