Tubes en aluminium de brasage par induction avec chauffage par induction haute fréquence
Les nouveaux domaines d'application de chauffage par induction nécessitent d'analyser la distribution de température à l'intérieur des composants chauffés en tenant compte des structures correspondantes et des propriétés du matériau. La méthode des éléments finis (FEM) fournit un outil puissant pour effectuer de telles analyses et l'optimisation des processus de chauffage par induction grâce à des analyses et des simulations numériques électromagnétiques et thermiques couplées.
L'objectif principal de cette contribution est d'indiquer la possibilité d'appliquer la technologie de brasage par induction appropriée, sophistiquée et efficace pour la fabrication de capteurs solaires basée sur la simulation numérique et les expériences réalisées.
Description du problème
Ce travail traite de la conception des composants des capteurs solaires adaptés au processus de brasage, à savoir les parties du tube collecteur (Fig. 1a). Les tubes sont fabriqués à partir de l'alliage Al de type AW 3000 avec la composition chimique indiquée dans le tableau 1. Pour le brasage, l'alliage de type Al 104 est utilisé (tableau 2) avec le flux Braze Tec 32/80 dont les résidus ne sont pas -corrosif. L'intervalle de température entre les températures de solidus et de liquidus pour l'alliage de brasage Al 104 va de 575 ° C à 585 ° C. La température de solidus du matériau du tube est de 650 ° C.
Tableau 1 Composition chimique de l'alliage AW 3000 [wt. %]
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Cr | Al |
| 0.05-0.15 | 0.06-0.35 | max. 0.1 | 0.3-0.6 | 0.02-0.20 | 0.05-0.3 | max. 0.25 | équilibre |
Tableau 2 Composition chimique de l'alliage de brasage de type Al 104 [wt. %]
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Ti | Al |
| 11-13 | 0.6 | max. 0.3 | 0.15 | 0.1 | 0.2 | max. 0.15 | équilibre |
Le processus de brasage suppose l'application d'un chauffage par induction. Il est nécessaire de concevoir le système de chauffage par induction de manière à ce que les températures de brasage soient atteintes dans la zone de joint (métaux brasés - alliage de brasage) en même temps. De ce point de vue, une bonne sélection de la bobine d'induction, de sa géométrie et des paramètres de fonctionnement (principalement la fréquence et le courant de source) est très importante. La forme et les dimensions de la bobine d'induction en cuivre refroidie à l'eau sont illustrées à la figure 1b
L'effet des paramètres pertinents du chauffage par induction sur la distribution de température dans les pièces brasées a été évalué en utilisant la simulation numérique du chauffage par induction en appliquant le code de programme ANSYS 10.0.
Modèle de simulation
Conformément à la méthodologie de résolution des problèmes électromagnétiques et thermiques couplés par FEM à l'aide du logiciel ANSYS 10.0 [3-5], le modèle de simulation du processus de chauffage par induction pour le brasage a été développé incluant les conditions géométriques, physiques, initiales et aux limites. L'objectif principal de la simulation numérique était de définir les paramètres optimaux du chauffage par induction (la fréquence et le courant de source) pour obtenir la distribution de température requise dans la zone de formation du joint.
Le modèle 3D suggéré (Fig. 2) pour l'analyse électromagnétique se compose du modèle des tubes, de l'alliage de brasage, de la bobine d'induction refroidie à l'eau et de l'air environnant (non représenté sur la Fig. 2). Dans l'analyse thermique, seuls les tubes et l'alliage de brasage ont été pris en compte. Un détail du maillage généré à partir des éléments linéaires à 8 nœuds dans la zone de formation de joint est illustré sur la figure 2b.
Fig.2 a) Modèle géométrique pour l'analyse électromagnétique sans air ambiant et b) détail du maillage 3D généré dans la zone de formation du joint Les dépendances thermiques des propriétés électriques et thermiques de l'alliage AW 3000 et de l'alliage de brasage Al 104 ont été obtenues en utilisant JMatPro logiciel [6]. Du fait que les matériaux appliqués sont non magnétiques, leur perméabilité relative µr = 1.
La température initiale des matériaux brasés était de 20 ° C. Des contacts électriques et thermiques parfaits sur les surfaces aux limites des matériaux étaient supposés. La fréquence du courant source dans la bobine d'induction était censée être de 350 kHz. La valeur du courant source a été définie à partir de l'intervalle de 600 A à 700 A. Le refroidissement des tubes brasés par convection libre et rayonnement vers l'air à la température de 20 ° C a été pris en compte. Un coefficient de transfert thermique combiné dépendant de la température de surface des pièces brasées a été défini. Sur la figure 3, la distribution de température dans les composants brasés après l'obtention des températures requises dans la zone de joint est représentée pour les valeurs choisies des courants de source appliqués dans bobine de chauffage par induction. Le temps de 36 secondes en utilisant le courant source de 600 A semble être assez long. Le chauffage rapide appliquant le courant de source de 700 A ne peut pas être suffisant pour la fusion de l'alliage de brasage Al 104. Pour cette raison, le courant de source approximativement du niveau de 620 A à 640 A est recommandé conduisant à des temps de brasage de 25 à 27.5 secondes ……
