Progettazione avanzata del riscaldamento a induzione mediante modellazione al computer
La modellazione numerica al computer è un fattore determinante per la progettazione efficace dei sistemi di riscaldamento a induzione. Il riscaldamento a induzione è una complessa combinazione di fenomeni elettromagnetici, di trasferimento di calore e metallurgici che coinvolgono numerosi fattori. Il trasferimento di calore e i fenomeni elettromagnetici sono non lineari e strettamente correlati, poiché le proprietà fisiche dei metalli riscaldati dipendono fortemente sia dalla temperatura che dall’intensità del campo magnetico. Anche il fenomeno metallurgico è una funzione non lineare della temperatura, dell’intensità di riscaldamento, dell’entità del raffreddamento, della composizione chimica, della microstruttura preesistente e di altri fattori. La modellazione al computer offre la possibilità di prevedere in che modo i diversi fattori, interconnessi e non lineari, possano influire sulle condizioni termiche transitorie e finali del pezzo in lavorazione, nonché quali accorgimenti debbano essere adottati nella progettazione del sistema di riscaldamento a induzione per migliorare l’efficacia del processo e garantire i profili di temperatura desiderati, contribuendo così a ottimizzare le idee tecniche all’avanguardia.
Si consideri l’esempio della modellazione al computer della saldatura Spinduction™ delle metà dei pistoni. Questo processo di saldatura combina la saldatura per attrito e la saldatura a pressione per induzione [1]. Uno dei vantaggi del processo è che produce saldature sempre impeccabili a velocità di rotazione molto basse, ben al di sotto della velocità minima di forgiatura richiesta per la saldatura per attrito, con una proiezione di bava minima o assente.
Il preriscaldamento a induzione è una fase fondamentale di questa tecnologia, poiché fornisce oltre il 95% dell’energia di saldatura immessa. L’induzione garantisce l’apporto termico necessario in modo rapido ed efficiente. La capacità di ottenere l’uniformità di temperatura richiesta è fondamentale affinché il processo abbia esito positivo. Subito dopo il riscaldamento del pezzo, l’induttore viene ritirato in una frazione di secondo e le due metà del pistone vengono rapidamente pressate l’una contro l’altra.
La figura sopra mostra una mesh agli elementi finiti (a destra) e la variazione dei profili di temperatura (a sinistra) durante il preriscaldamento a induzione delle metà superiore e inferiore del pistone a 30 kHz. Il tempo totale di riscaldamento è di 6 secondi. Un nuovo concetto di induttore ha permesso di ottenere un tempo di ritrazione inferiore a 1 secondo.
La figura sottostante mostra una vista ingrandita della variazione di temperatura all'interno della metà destra del sistema di preriscaldamento a induzione modellizzato.
Riferimenti
1. V. Rudnev, D. Loveless, C. Ribeiro, J. Boomis, “Unleashing a superior induction heating design with computer modeling”, Industrial Heating, agosto 2009, pp. 43-47.
2. V. Rudnev, et al., Handbook of Induction Heating, Marcel Dekker, New York, 2003, 800 pp.
3. V. Rudnev, Simulazione del riscaldamento a induzione prima della lavorazione a caldo e del rivestimento, ASM Handbook, vol. 22B: Simulazione dei processi metallurgici, a cura di D.U. Furrer e S.L. Semiatin, ASM International, 2010, pagg. 475-500.