컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 우수한 유도 가열 설계

전산 수치 모델링은 유도 가열 시스템의 성공적인 설계를 위한 주요 요소입니다. 유도 가열은 전자기학, 열전달 및 야금학적 현상이 복잡하게 결합된 것으로, 수많은 요인이 관여합니다. 가열된 금속의 물리적 특성은 온도와 자기장 강도 모두에 크게 좌우되기 때문에, 열전달과 전자기학은 비선형적이며 서로 밀접하게 연관되어 있습니다. 야금학적 현상 또한 온도, 가열 강도, 냉각 강도, 화학 조성, 기존 미세구조 및 기타 요인에 대한 비선형 함수입니다. 컴퓨터 모델링을 통해 서로 연관된 다양한 비선형 요인들이 공작물의 과도기적 및 최종 열 상태에 어떤 영향을 미칠지 예측할 수 있으며, 공정의 효율성을 높이고 원하는 온도 분포를 보장하기 위해 유도 가열 시스템 설계 시 무엇을 달성해야 하는지 파악함으로써 기술적 혁신 아이디어를 최적화하는 데 기여합니다.

피스톤 반쪽의 Spinduction™ 용접을 컴퓨터 시뮬레이션한 사례를 살펴보겠습니다. 이 용접 공정은 마찰 용접과 유도 압력 용접을 결합한 것입니다 [1]. 이 공정의 장점 중 하나는 매우 낮은 회전 속도에서도 일관되게 결함 없는 용접부를 생성한다는 점입니다. 이 회전 속도는 마찰 용접의 최소 단조 속도보다 훨씬 낮으며, 플래시 돌출이 거의 없거나 전혀 발생하지 않습니다.

유도 예열은 용접 에너지 투입량의 95% 이상을 차지하기 때문에 이 기술에서 매우 중요한 부분입니다. 유도 방식은 필요한 열을 빠르고 효율적으로 공급합니다. 공정이 성공적으로 진행되기 위해서는 필요한 온도 균일성을 확보하는 것이 필수적입니다. 부품이 가열된 직후, 유도 코일은 찰나의 순간에 후퇴하고, 두 개의 피스톤 반쪽이 빠르게 압착됩니다.

위 그림은 30 kHz를 사용하여 피스톤의 상부 및 하부 반쪽을 유도 예열하는 동안의 유한 요소 메쉬(오른쪽)와 온도 분포의 변화(왼쪽)를 보여줍니다. 총 가열 시간은 6초입니다. 새로운 방식의 인덕터를 적용함으로써 1초 미만의 후퇴 시간을 실현할 수 있었습니다.

아래 그림은 모델링된 유도 예열 시스템의 오른쪽 절반 내부 온도 변화를 확대하여 보여줍니다.

참고 문헌
1. V. Rudnev, D. Loveless, C. Ribeiro, J. Boomis, “컴퓨터 모델링을 통한 우수한 유도 가열 설계 구현”, Industrial Heating, 2009년 8월, 43-47쪽.
2. V. Rudnev 외, 《유도 가열 핸드북》(Handbook of Induction Heating), Marcel Dekker, 뉴욕, 2003, 800쪽.
3. V. Rudnev, “열간 가공 및 코팅 전 유도 가열 시뮬레이션”, 『ASM 핸드북』, 제22B권: 금속 공정 시뮬레이션, 편집자 D.U. Furrer 및 S.L. Semiatin, ASM International, 2010, 475-500쪽.