コンピュータモデリングを用いた優れた誘導加熱設計

誘導加熱システムの設計を成功させる上で、数値シミュレーションは重要な要素となります。誘導加熱は、電磁気学、熱伝達、および冶金現象が複雑に組み合わさったものであり、多くの要因が関わっています。加熱される金属の物理的特性は、温度と磁場強度の両方に強く依存するため、熱伝達と電磁気学は非線形であり、密接に関連し合っています。 冶金学的現象もまた、温度、加熱強度、冷却の厳しさ、化学組成、初期の微細構造、およびその他の要因による非線形関数である。コンピュータ・モデリングにより、相互に関連し合うさまざまな非線形要因が、ワークピースの過渡的および最終的な熱状態にどのような影響を与えるかを予測できるほか、プロセスの有効性を向上させ、望ましい温度分布を保証するために誘導加熱システムの設計において何を達成すべきかを明らかにし、技術的な先駆的なアイデアの最適化に貢献する。

ピストン半体の「Spinduction™溶接」のコンピュータモデリングの例を考えてみよう。この溶接プロセスは、摩擦溶接と誘導圧力溶接を組み合わせたものである[1]。このプロセスの利点は、非常に低い回転速度でも一貫して欠陥のない溶接部が得られることである。その回転速度は、摩擦溶接における最小鍛造速度をはるかに下回っており、フラッシュの突出も最小限に抑えられるか、あるいは全く生じない。

誘導予熱は、溶接エネルギー入力の95%以上を供給するため、この技術において極めて重要な工程です。誘導加熱により、必要な熱入力を迅速かつ効率的に供給することができます。このプロセスを成功させるためには、必要な温度均一性を実現することが不可欠です。部品が加熱されるとすぐに、誘導コイルはほんの一瞬のうちに引き戻され、2つのピストン半身が急速に押し合わされます。

上の図は、30 kHzを用いたピストンの上半分および下半分の誘導予熱時の有限要素メッシュ（右）と温度分布の変化（左）を示している。総加熱時間は6秒である。新しいインダクタの設計により、引き込み時間を1秒未満に短縮することが可能となった。

下の図は、モデル化された誘導予熱システムの右半分における温度分布の拡大図を示しています。

参考文献
1. V. Rudnev、D. Loveless、C. Ribeiro、J. Boomis、「コンピュータモデリングによる優れた誘導加熱設計の実現」、『Industrial Heating』、2009年8月号、43-47頁。
2. V. Rudnev 他、『Handbook of Induction Heating』、Marcel Dekker、ニューヨーク、2003年、800頁。
3. V. Rudnev, 「熱間加工およびコーティング前の誘導加熱のシミュレーション」, 『ASMハンドブック』, 第22B巻：金属プロセスシミュレーション, 編者 D.U. Furrer および S.L. Semiatin, ASM International, 2010年, p.475-500.