基于计算机建模的卓越感应加热设计

计算机数值建模是成功设计感应加热系统的重要因素。感应加热是电磁学、传热和冶金现象的复杂结合，涉及众多因素。传热和电磁学具有非线性特征且密切相关，因为被加热金属的物理性能在很大程度上取决于温度和磁场强度。 冶金现象也是温度、加热强度、冷却强度、化学成分、初始微观结构及其他因素的非线性函数。计算机建模能够预测各种相互关联且非线性的因素如何影响工件的过渡和最终热状态，并指明在感应加热系统设计中必须采取哪些措施，以提高工艺效率、确保达到预期的温度分布，从而有助于优化技术创新理念。

以活塞半件的Spinduction™焊接计算机建模为例。该焊接工艺结合了摩擦焊接和感应压力焊接[1]。该工艺的一大优势在于，即使在极低的旋转速度下，也能产生始终无瑕疵的焊缝；其旋转速度远低于摩擦焊接的最低锻造速度，且飞边突出量极小或完全没有。

感应预热是该技术的关键环节，因为它提供了超过95%的焊接能量输入。感应加热能够快速、高效地提供所需的热输入。能否达到所需的温度均匀性，对工艺的成功实施至关重要。工件加热完成后，感应线圈会在几分之一秒内迅速收回，随后两个活塞半体被快速压合在一起。

上图显示了有限元网格（右侧）以及使用30 kHz对活塞上下两半进行感应预热时的温度分布变化（左侧）。总加热时间为6秒。一种新型感应线圈设计使得退磁时间缩短至不到1秒。

下图显示了建模的感应预热系统右半部分内部温度变化的放大图。

参考文献
1. V. Rudnev、D. Loveless、C. Ribeiro、J. Boomis，《利用计算机建模实现卓越的感应加热设计》，《工业加热》，2009年8月，第43-47页。
2. V. Rudnev 等，《感应加热手册》，Marcel Dekker出版社，纽约，2003年，800页。
3. V. Rudnev，《热加工与涂层前的感应加热仿真》，《ASM手册》第22B卷：金属工艺仿真，D.U. Furrer和S.L. Semiatin主编，ASM International，2010年，第475-500页。