運用電腦建模的卓越感應加熱設計

電腦數值建模是成功設計感應加熱系統的關鍵因素。感應加熱是電磁學、熱傳導與冶金現象的複雜結合，涉及眾多因素。由於受熱金屬的物理性質高度取決於溫度與磁場強度，因此熱傳導與電磁學皆屬非線性現象，且彼此密切相關。 冶金現象同樣是溫度、加熱強度、冷卻強度、化學成分、原始微觀結構及其他因素的非線性函數。電腦建模能夠預測各種相互關聯且具非線性特性的因素，將如何影響工件的過渡與最終熱狀態；並釐清在感應加熱系統的設計中，必須採取哪些措施以提升製程效能，並確保達到預期的溫度分布，從而協助優化技術性的開創性構想。

以電腦模擬活塞半件的 Spinduction™ 焊接為例。此焊接工藝結合了摩擦焊接與感應壓力焊接 [1]。該工藝的一大優勢在於，即使在極低的旋轉速度下，仍能產生始終如一且無瑕疵的焊縫；其旋轉速度遠低於摩擦焊接所需的最低鍛造速度，且飛邊突出量極少或完全沒有。

感應預熱是這項技術的關鍵環節，因為它提供了超過 95% 的焊接能量輸入。感應加熱能快速且高效地提供所需的熱量輸入。能否達到所需的溫度均勻性，對於該製程能否成功運作至關重要。零件加熱完成後，感應線圈會在幾分之一秒內迅速收回，隨後兩片活塞半體會被快速壓合在一起。

上圖顯示了有限元素網格（右側）以及使用 30 kHz 對活塞上下兩半進行感應預熱時的溫度分布變化（左側）。總加熱時間為 6 秒。一種創新的感應線圈設計概念，使退回時間縮短至不到 1 秒。

下圖顯示了模擬感應預熱系統右半部內部溫度變化情況的放大圖。

參考文獻
1. V. Rudnev、D. Loveless、C. Ribeiro、J. Boomis，《運用電腦建模實現卓越的感應加熱設計》，《工業加熱》（Industrial Heating），2009年8月，第43-47頁。
2. V. Rudnev 等，《感應加熱手冊》，Marcel Dekker 出版社，紐約，2003年，800頁。
3. V. Rudnev，《熱加工與鍍層前之感應加熱模擬》，收錄於《ASM 手冊》第 22B 卷：金屬製程模擬，主編 D.U. Furrer 與 S.L. Semiatin，ASM International，2010 年，第 475-500 頁。