컴퓨터 지원을 통한 유도 알루미늄 납땜
유도 알루미늄 납땜 산업에서 점점 더 보편화되고 있습니다. 대표적인 예로 자동차 열교환기 본체에 다양한 파이프를 납땜하는 것을 들 수 있습니다. 자동차의 유도 가열 코일 이러한 유형의 프로세스에 널리 사용되는 것은 "호스슈-헤어핀" 스타일이라고 할 수 있는 비환형 코일입니다. 이러한 코일의 경우 자기장과 그에 따른 와전류 분포는 본질적으로 3차원적입니다. 이러한 애플리케이션에서는 부품 간 접합 품질과 결과의 일관성에 문제가 있습니다. 한 대형 자동차 제조업체에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 Flux3D 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 공정 연구 및 최적화를 수행했습니다. 최적화에는 유도 코일과 자속 컨트롤러 구성 변경이 포함되었습니다. 실험실에서 실험적으로 검증된 새로운 유도 코일은 여러 생산 현장에서 더 높은 품질의 접합부를 가진 부품을 생산합니다.
각 자동차에는 파워트레인 냉각, 에어컨, 오일 냉각 등을 위해 여러 가지 열교환기(히터 코어, 증발기, 콘덴서, 라디에이터 등)가 필요합니다. 오늘날 대부분의 승용차 열교환기는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어집니다. 여러 자동차 모델에 동일한 엔진이 사용되더라도 후드 아래의 레이아웃이 다르기 때문에 연결부가 다를 수 있습니다. 이러한 이유로 부품 제조업체는 여러 개의 기본 열교환기 본체를 만든 다음 2차 작업에서 다른 커넥터를 부착하는 것이 표준 관행입니다.
열교환기 본체는 일반적으로 용광로에서 함께 납땜된 알루미늄 핀, 튜브 및 헤더로 구성됩니다. 브레이징 후 열교환기는 나일론 탱크 또는 가장 일반적으로 연결 블록이 있는 다른 알루미늄 파이프를 부착하여 해당 자동차 모델에 맞게 맞춤 제작됩니다. 이 파이프는 MIG 용접, 불꽃 또는 유도 브레이징으로 부착됩니다. 브레이징의 경우 알루미늄의 용융 및 브레이징 온도 차이가 작고(합금, 필러 금속 및 대기에 따라 20-50°C) 알루미늄의 열전도율이 높으며 이전 작업에서 브레이징된 다른 조인트와의 거리가 짧기 때문에 매우 정밀한 온도 제어가 필요합니다.
인덕션 가열 는 다양한 파이프를 열교환기 헤더에 납땜하는 일반적인 방법입니다. 그림 1은 유도 납땜 열교환기 헤더의 튜브에 파이프를 납땜하기 위한 설정입니다. 정밀한 가열이 필요하기 때문에 유도 코일의 면은 납땜할 조인트에 매우 근접해야 합니다. 따라서 단순한 원통형 코일은 조인트가 납땜된 후 부품을 제거할 수 없으므로 사용할 수 없습니다.
이러한 조인트를 납땜하는 데 사용되는 두 가지 주요 인덕션 코일 스타일이 있습니다: "클램셸" 및 "호스슈-헤어핀" 스타일 인덕터입니다. "클램셸" 인덕터는 원통형 인덕터와 유사하지만 부품을 제거할 수 있도록 개방되어 있습니다. "호스슈-헤어핀" 인덕터는 부품을 적재하기 위한 말굽 모양이며 기본적으로 조인트의 반대편에 두 개의 헤어핀 코일이 있습니다.
"클램셸" 인덕터를 사용할 때의 장점은 가열의 둘레가 더 균일하고 상대적으로 예측하기 쉽다는 것입니다. "클램셸" 인덕터의 단점은 필요한 기계 시스템이 더 복잡하고 고전류 접점이 상대적으로 안정적이지 않다는 것입니다.
"호스슈 헤어핀" 인덕터는 "클램셸" 인덕터보다 더 복잡한 3D 열 패턴을 생성합니다. "호스슈 헤어핀" 스타일 인덕터의 장점은 부품 취급이 단순하다는 점입니다.
컴퓨터 시뮬레이션으로 납땜 최적화
한 대형 열교환기 제조업체는 말굽형 헤어핀 스타일 인덕터를 사용하여 그림 1에 표시된 조인트를 브레이징하는 과정에서 품질 문제를 겪고 있었습니다. 브레이징 조인트는 대부분의 부품에서 양호했지만 일부 부품에서는 가열이 완전히 달라져 국부 과열로 인해 조인트 깊이 부족, 냉간 조인트 및 필러 금속이 파이프 벽을 타고 올라가는 현상이 발생했습니다. 각 열교환기의 누출 여부를 테스트한 후에도 일부 부품은 여전히 이 조인트에서 누출이 발생했습니다. 유도 기술 센터는 이 문제를 분석하고 해결하기 위해 계약을 체결했습니다.
작업에 사용되는 전원 공급 장치는 10~25kHz의 가변 주파수와 60kW의 정격 출력을 갖습니다. 브레이징 공정에서 작업자는 파이프 끝에 필러 메탈 링을 설치하고 파이프를 튜브 내부에 삽입합니다. 열교환기를 특수 장비 위에 놓고 호스슈 인덕터 내부로 이동합니다.
전체 납땜 영역이 프리플럭스됩니다. 부품을 가열하는 데 사용되는 주파수는 일반적으로 12~15kHz이며, 가열 시간은 약 20초입니다. 전력 레벨은 가열 사이클이 끝날 때 선형 감소로 프로그래밍됩니다. 광학 고온계는 조인트 뒷면의 온도가 미리 설정된 값에 도달하면 전원을 끕니다.
조인트 구성 요소(치수 및 위치)의 변화, 튜브, 파이프, 필러 링 등의 불안정하고 가변적인 전기 및 열 접촉 등 제조업체가 경험했던 불일치를 유발할 수 있는 요인은 여러 가지가 있습니다. 일부 현상은 본질적으로 불안정하며 이러한 요소의 작은 변화로 인해 다른 공정 역학이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 열린 필러 금속 링은 전자기력에 의해 부분적으로 풀릴 수 있으며 링의 자유 끝은 모세관력에 의해 다시 빨려 들어가거나 녹지 않은 상태로 남아있을 수 있습니다. 노이즈 요인은 줄이거나 제거하기 어렵고, 이 문제를 해결하려면 전체 공정의 견고성을 높여야 합니다. 컴퓨터 시뮬레이션은 공정을 분석하고 최적화하는 데 효과적인 도구입니다.
브레이징 공정을 평가하는 동안 강한 전기 역학적 힘이 관찰되었습니다. 전원을 켜는 순간 말굽 코일은 갑작스러운 전기 역학적 힘의 적용으로 인해 확장을 분명히 경험합니다. 따라서 인덕터는 두 개의 헤어핀 코일의 뿌리를 연결하는 유리섬유(G10) 판을 추가로 통합하는 등 기계적으로 더 강하게 만들었습니다. 또 다른 전기 역학적 힘의 시연은 용융된 필러 금속이 자기장이 더 강한 구리 턴에 가까운 영역에서 멀리 이동하는 것이었습니다. 정상적인 공정에서는 필러 금속이 모세관 힘과 중력으로 인해 접합부 주변에 균일하게 분포하는 반면, 비정상적인 공정에서는 필러 금속이 접합부 밖으로 흘러나오거나 파이프 표면을 따라 위로 이동할 수 있습니다.
왜냐하면 인덕션 알루미늄 브레이징 는 매우 복잡한 프로세스이므로 상호 결합된 현상(전자기, 열, 기계, 유체역학 및 야금)의 전체 체인에 대한 정확한 시뮬레이션을 기대하는 것은 불가능합니다. 가장 중요하고 제어 가능한 프로세스는 전자기 열원의 발생으로, Flux 3D 프로그램을 사용하여 분석했습니다. 유도 납땜 공정의 복잡한 특성으로 인해 공정 설계 및 최적화를 위해 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 조합하여 사용했습니다.
