Brasagem de alumínio por indução com assistência de computador

Brasagem de alumínio por indução está a tornar-se cada vez mais comum na indústria. Um exemplo típico é a soldadura de vários tubos ao corpo de um permutador de calor para automóveis. O bobina de aquecimento por indução A bobina mais utilizada para este tipo de processo é a bobina não envolvente, que pode ser designada por bobina "em ferradura". Nestas bobinas, o campo magnético e a distribuição das correntes de Foucault resultantes são inerentemente tridimensionais. Nestas aplicações, há problemas com a qualidade das juntas e a consistência dos resultados de peça para peça. Para resolver um desses problemas para um grande fabricante de automóveis, foi utilizado o programa de simulação por computador Flux3D para o estudo e otimização do processo. A otimização incluiu a alteração da configuração da bobina de indução e do controlador de fluxo magnético. As novas bobinas de indução, que foram validadas experimentalmente num laboratório, produzem peças com juntas de melhor qualidade em vários locais de produção.

Cada automóvel necessita de vários permutadores de calor diferentes (núcleos de aquecimento, evaporadores, condensadores, radiadores, etc.) para arrefecimento do grupo motopropulsor, ar condicionado, arrefecimento do óleo, etc. Atualmente, a grande maioria dos permutadores de calor dos automóveis de passageiros é feita de alumínio ou de ligas de alumínio. Mesmo que o mesmo motor seja utilizado em vários modelos de automóveis, as ligações podem variar devido a diferentes disposições sob o capot. Por esta razão, é prática comum dos fabricantes de peças fabricarem vários corpos básicos de permutadores de calor e, em seguida, anexarem diferentes conectores numa operação secundária.

Os corpos dos permutadores de calor consistem normalmente em aletas, tubos e cabeçalhos de alumínio soldados num forno. Após a brasagem, os permutadores de calor são personalizados para o modelo de automóvel em causa, através da fixação de depósitos de nylon ou, mais frequentemente, de diferentes tubos de alumínio com blocos de ligação. Estes tubos são fixados por soldadura MIG, por chama ou por brasagem por indução. No caso da brasagem, é necessário um controlo muito preciso da temperatura devido à pequena diferença entre as temperaturas de fusão e de brasagem do alumínio (20-50 C, dependendo da liga, do metal de adição e da atmosfera), à elevada condutividade térmica do alumínio e à curta distância de outras juntas soldadas numa operação anterior.

Aquecimento por indução é um método comum para soldar vários tubos às cabeças dos permutadores de calor. A figura 1 é uma imagem de um brasagem por indução configuração para a brasagem de um tubo a um tubo numa cabeça de permutador de calor. Devido aos requisitos de aquecimento preciso, a face da bobina de indução deve estar muito próxima da junta a ser soldada. Por conseguinte, não pode ser utilizada uma bobina cilíndrica simples, uma vez que a peça não pode ser removida depois de a junta ser soldada.

Existem dois estilos principais de bobinas de indução utilizadas para a brasagem destas juntas: indutores do tipo "clamshell" e "ferradura-pino". Os indutores "Clamshell" são semelhantes aos indutores cilíndricos, mas abrem-se para permitir a remoção de peças. Os indutores em "ferradura" têm a forma de uma ferradura para carregar a peça e são essencialmente duas bobinas em gancho em lados opostos da junta.

A vantagem de usar um indutor "Clamshell" é que o aquecimento é mais uniforme na circunferência e relativamente fácil de prever. A desvantagem de um indutor "Clamshell" é que o sistema mecânico necessário é mais complicado e os contactos de alta corrente são relativamente pouco fiáveis.

Os indutores "em ferradura" produzem padrões de calor 3-D mais complicados do que os "Clamshells". A vantagem de um indutor do tipo "Horseshoe-hairpin" é que o manuseamento da peça é simplificado.

A simulação por computador optimiza a brasagem

Um grande fabricante de permutadores de calor estava a ter problemas de qualidade com a brasagem da junta mostrada na Fig. 1, utilizando um indutor em forma de ferradura. A junta de brasagem era boa para a maioria das peças, mas o aquecimento era totalmente diferente para algumas peças, resultando numa profundidade de junta insuficiente, juntas frias e metal de enchimento a subir pela parede do tubo devido ao sobreaquecimento local. Mesmo com o teste de cada trocador de calor para detetar vazamentos, algumas peças ainda apresentavam vazamentos nessa junta em serviço. O Centre for Induction Technology Inc. foi contratado para analisar e resolver o problema.

A fonte de alimentação utilizada para o trabalho tem uma frequência variável de 10 a 25 kHz e uma potência nominal de 60 kW. No processo de brasagem, um operador instala um anel de metal de enchimento na extremidade do tubo e insere o tubo no interior do tubo. Um permutador de calor é colocado numa plataforma especial e deslocado para o interior do indutor em ferradura.

Toda a área de brasagem é pré-fluxada. A frequência utilizada para aquecer a peça é tipicamente de 12 a 15 kHz, e o tempo de aquecimento é de cerca de 20 segundos. O nível de potência é programado com uma redução linear no final do ciclo de aquecimento. Um pirómetro ótico desliga a potência quando a temperatura no lado posterior da junta atinge um valor predefinido.

Existem muitos factores que podem causar a inconsistência que o fabricante estava a sentir, tais como a variação dos componentes da junta (dimensões e posição) e o contacto elétrico e térmico instável e variável (no tempo) entre o tubo, a tubagem, o anel de enchimento, etc. Alguns fenómenos são inerentemente instáveis e pequenas variações destes factores podem causar diferentes dinâmicas de processo. Por exemplo, o anel de metal de enchimento aberto pode desenrolar-se parcialmente sob as forças electromagnéticas, e a extremidade livre do anel pode ser sugada para trás por forças capilares ou permanecer não fundida. Os factores de ruído são difíceis de reduzir ou eliminar, e a solução para o problema exigia o aumento da robustez do processo total. A simulação por computador é uma ferramenta eficaz para analisar e otimizar o processo.

Durante a avaliação do processo de brasagem, foram observadas fortes forças electrodinâmicas. No momento em que a energia é ligada, a bobina em ferradura sofre claramente uma expansão devido a uma aplicação súbita de força eletrodinâmica. Assim, o indutor foi tornado mecanicamente mais forte, incluindo a incorporação de uma placa adicional de fibra de vidro (G10) que liga as raízes de duas bobinas em forma de gancho. A outra demonstração da presença de forças electrodinâmicas foi a deslocação do metal de adição fundido para longe das áreas próximas das espiras de cobre, onde o campo magnético é mais forte. Num processo normal, o metal de adição distribui-se uniformemente à volta da junta devido às forças capilares e à gravidade, ao contrário de um processo anormal em que o metal de adição pode escorrer para fora da junta ou deslocar-se para cima ao longo da superfície do tubo.

Porque brasagem de alumínio por indução é um processo muito complicado, não é possível esperar uma simulação exacta de toda a cadeia de fenómenos mutuamente acoplados (electromagnéticos, térmicos, mecânicos, hidrodinâmicos e metalúrgicos). O processo mais importante e controlável é a geração de fontes de calor electromagnéticas, que foram analisadas utilizando o programa Flux 3D. Devido à natureza complexa do processo de brasagem por indução, foi utilizada uma combinação de simulação computorizada e experiências para a conceção e otimização do processo.

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