Concepção avançada de aquecimento por indução com modelação computacional

A modelação numérica por computador é um fator determinante para o sucesso da conceção de sistemas de aquecimento por indução. O aquecimento por indução é uma combinação complexa de fenómenos eletromagnéticos, de transferência de calor e metalúrgicos, envolvendo muitos fatores. A transferência de calor e os fenómenos eletromagnéticos são não lineares e estão intimamente inter-relacionados, uma vez que as propriedades físicas dos metais aquecidos dependem fortemente tanto da temperatura como da intensidade do campo magnético. O fenómeno metalúrgico é também uma função não linear da temperatura, da intensidade do aquecimento, da intensidade do arrefecimento, da composição química, da microestrutura prévia e de outros fatores. A modelação computacional permite prever de que forma diferentes fatores inter-relacionados e não lineares podem afetar as condições térmicas transitórias e finais da peça, bem como o que deve ser feito na conceção do sistema de aquecimento por indução para melhorar a eficácia do processo e garantir os perfis de temperatura desejados, contribuindo para otimizar ideias técnicas inovadoras.

Considere o exemplo da modelação computacional da soldadura Spinduction™ de metades de pistão. Este processo de soldadura combina a soldadura por fricção e a soldadura por indução sob pressão [1]. Uma vantagem do processo é que produz soldaduras consistentemente sem defeitos a velocidades de rotação muito baixas; bem abaixo da velocidade mínima de forjamento para a soldadura por fricção, com projeção mínima ou nula de flash.

O pré-aquecimento por indução é uma parte essencial desta tecnologia, uma vez que fornece mais de 95 % da energia de soldadura. A indução proporciona a entrada de calor necessária de forma rápida e eficiente. A capacidade de alcançar a uniformidade de temperatura necessária é fundamental para que o processo funcione com sucesso. Imediatamente após o aquecimento da peça, o indutor é retraído numa fração de segundo e as duas metades do pistão são rapidamente pressionadas uma contra a outra.

A figura acima mostra uma malha de elementos finitos (à direita) e a variação dos perfis de temperatura (à esquerda) durante o pré-aquecimento por indução das metades superior e inferior do pistão, utilizando 30 kHz. O tempo total de aquecimento é de 6 segundos. Um conceito inovador de indutor permitiu um tempo de retração inferior a 1 segundo.

A figura abaixo mostra uma imagem ampliada da variação de temperatura na metade direita do sistema de pré-aquecimento por indução modelado.

Referências
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, et al., Handbook of Induction Heating, Marcel Dekker, Nova Iorque, 2003, 800 p.
3. V. Rudnev, «Simulação do aquecimento por indução antes da transformação a quente e do revestimento», ASM Handbook, Vol. 22B: Simulação de Processos de Metais, editores D.U. Furrer e S.L. Semiatin, ASM International, 2010, p. 475-500.