induction_heating

 

 لحیم کاری سخت القائی در برابر لحیم کاری سخت تحت خلأ 

شرکت های زیادی وجود دارند که از کوره های خلأ (Vacuum Furnace) برای فرایند لحیم کاری سخت (Brazing) استفاده می کنند، همچنین از تجهیزات لحیم کاری سخت القائی برای اتصال برخی قطعات به منظور تولید قطعه نهایی بهره می-گیرند. در این مقاله مروری بر فرایند لحیم کاری سخت القایی می شود و این که چگونه می توان در کارگاه برای برآورده کردن نیازهای اتصال و تولید محصول از آن استفاده کرد.

در این جا با زبان ساده فرایند لحیم کاری سخت القائی تشریح می شود. از این رو، اکثر دانشجویان، اساتید و صاحبان کارگاه-های کوچک می توانند مخاطب این مقاله باشند.

در شکل 1 نمونه ای از تجهیزات گرمایش القائی که منطقه کوچکی از میله فلزی در داخل یک کویل مسی حرارت داده می شود (آب در داخل لوله ها جریان دارد تا کویل مسی را خنک کند) نشان داده شده است. 

 

induction_heating_1

شکل 1: کویل القائی مورد استفاده برای حرارت دادن یک قطعه فلزی.

دلایل استفاده از فرایند القائی عبارت است از:
1-عدم نیاز به حرارت دادن کل قطعه تا دمای لحیم کاری سخت. عملیات لحیم کاری سخت فقط بر بخش کوچکی از قطعه انجام می شود. در لحیم کاری سخت کوره ای کل قطعه حرارت داده می شود، لذا لحیم کاری سخت القائی گزینه بسیار خوبی برای حرارت دادن منطقه مورد نظر برای اتصال دهی است. از این رو، در زمان و هزینه صرفه جویی می شود.
2-با توجه به این که فقط بخش موردنیاز گرم می شود، حرارت زیاد باعث آسیب به سایر بخش های قطعه نمی شود.
3-شاید بتوان قطعات بسیار بزرگ را در داخل کوره قرار داد، ولیکن با روش گرمایش القائی می توان قطعات را به طور موضعی گرم کرد.

 

چگونه گرمایش القائی کار می کند؟

به شکل 1 توجه کنید، برای اهداف گرمایش القائی(Induction Heating)، جریان الکتریکی به شدت متغیر از طریق کویل مسی عبور می کند و باعث مقدار زیادی حرارت در داخل میله فلزی عمودی می شود که در داخل کویل القائی قرار داده شده است. برای درک بهتر لازم است تا فرایند گرمایش داخلی میله فلزی با گرم شدن مواد غذایی در داخل یک مایکروفر با امواج میکرومتری مقایسه شود. غذا در داخل مایکروفر از طریق حرارت خارجی گرم می شود، ولیکن در گرمایش القایی حرارت در داخل قطعه تولید می شود.

در روش مشابه، لحیم کاری سخت القائی باعث می شود قطعات فلزی که در داخل کویل های القائی قرار گرفته اند، به جای این که با تابش خارجی حرارت بر سطح قطعه (مثل کوره خلأ) یا از طریق القاء حرارت به قطعه از طریق گاز گرم شده در محفظه آب بند لحیم کاری سخت شوند، از داخل گرم شوند. با این مقدمه بهتر است طرز کار لحیم کاری سخت القائی بررسی شود.

 

قانون دست راست

همانطور که بسیاری از افراد می دانند، قانون دست راست یک راهنما برای فهم رابطه بین شار الکتریسیته از طریق یک رسانا و حوزه الکترومغناطیسی مرتبط است که اطراف رسانا به دلیل شار الکتریکی ایجاد می شود. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، انگشت شصت در جهت جریان الکتریکی فلز رسانا است و چهار انگشت دست راست نشان دهنده جریان شار میدان الکترومغناطیسی ایجاد شده اطراف رسانا می باشد.

 

Induction_heating_3

شکل 2: قانون دست راست نشان دهنده رابطه بین شار جریان سراسر یک رسانا و میدان الکترومغناطیسی تولید شده اطراف آن.

 

مس فلزی است که هدایت الکتریکی و حرارتی بسیار زیادی دارد. به همین دلیل، کویل­های القائی از مس ساخته می­شوند.

از قانون دست راست در لحیم­کاری سخت القائی استفاده می­شود. شکل 3 نشان می­دهد که مقطع عرضی کویل القائی 4 حلقه دارد. کویل از لوله مسی توخالی ساخته شده که با آب خنک می­شود. هنگامی که تجهیزات القائی برای لحیم­کاری سخت روشن می­شود جریان الکتریکی به کویل فرستاده می­شود و میدان الکترومغناطیسی اطراف حله­های کویل ایجاد می­شود. برای میدان الکترومغناطیسی نشان داده شده در شکل 3، شار الکتریکی به سمت خارج صفحه به سمت چپ هر حلقه کویل است و اطراف هر حلقه به طور پیوسته حرکت می­کند و سپس در حال دور شدن از خارج صفحه به سمت راست هر حلقه است. نکته: تمرکز زیاد میدان شار الکترومغناطیسی در مرکز کویل است که ناشی از این پدیده می­باشد. برای به تصویر کشیدن این پدیده از قانون دست راست (قرار دادن انگشت شصت در جهت شار جریان) اطراف هر حلقه استفاده می­شود به نحوی که منحنی­های آن از سمت چپ به سمت راست باشد.

 

induction_brazing_1

شکل 3: نموداری از میدان الکترومغناطیسی اطراف کویل مسی بر اساس قانون دست راست.

 

در حالت واقعی، اگر یک میله فولادی در مرکز کویل قرار گیرد، میدان الکترومغناطیسی اطراف لوله مسی باعث واکنش در میله فولادی می شود. از یک روش بسیار ساده برای فهم بهتر مبانی گرمایش/لحیم کاری سخت القائی استفاده می شود. اگر میدان الکترومغنطیسی اطراف لوله مسی باشد، حوزه های مغناطیسی در میله فولادی به وجود می آید تا با خطوط میدان الکترومغناطیسی در آن منطقه منطبق شود. اکنون چه اتفاقی می افتد هنگامی که جریان الکتریکی از طریق کویل مسی جاری می شود و به طور ناگهانی معکوس می شود؟ حوزه های مغناطیسی در فولاد، باید در جهت مخالف جهت گیری مجدد کنند تا با قطبیت میدان الکترومغناطیسی معکوس هم جهت شوند و سپس هنگامی که این پدیده اتفاق می افتد، اگر جریان الکتریکی مجددا برعکس شود حوزه های مغناطیس در فولاد دوباره باید در جهت میدان تغییریافته و مجددا جهت گیری کند و ... . هنگامی که این اتفاق می افتد، اصطکاک در فولاد ایجاد می شود. برای تصور این موضوع، یک آبمیوه پالمپ دار را در نظر بگیرید که به آرامی در دستانتان عقب و جلو می کنید. سپس با افزایش فرکانس عقب و جلو کردن، متوجه خواهید شد که پالمپ گرم تر خواهد شد که به دلیل افزایش اصطکاک بین پالمپ ها است.

در حالت مشابه، در لحیم کاری سخت/گرمایش القائی، شار جریان مستقیم الکتریسیته در فرکانس های زیاد تغییر می کند تا اصطکاک بیشتری در فلز ایجاد شود. شار جریان مستقیم متغیر جهت را چند مرتبه بر ثانیه تغیری نمی دهد، اما در عوض چند صدبار بر ثانیه تغییر می کند که می تواند میزان زیادی حرارت داخل فولاد ایجاد کند که به دلیل اصطکاک است. کاملا روشن است، توانایی یک فلز به مقاومت یا هدایت حرارت (ناشی از این اصطکاک) موضوع مهم در تصمیم گیری است. اگر لحیم-کاری سخت/حرارت دهی القائی برای نیازهای کاربردی خاص حیاتی باشد، فلز با هدایت ضعیف، اصطکاک بالاتری تولید می-کند. بنابراین، فولاد سریع تر از مس یا آلومینیوم گرم می شود، زیرا فولاد هادی بسیار ضعیف انرژی حرارتی یا الکتریسیته است، در حالی که مس و آلومینیوم هادی بهتری هستند. میزان زیادی انرژی برای ایجاد اصطکاک کافی در قطعات مسی و آلومینیومی لازم است تا آن ها از طریق حرارت القائی لحیم کاری سخت شوند.

 

متغیرهای لحیم کاری سخت القائی
با فرض این که گرمایش القائی یکی از گرینه های لحیم کاری سخت قابل اجراء باشد، باید 6 مورد مهم در نظر گرفته شود:


1-فاصله بین کویل ها

: این به فاصله عمودی بین هر حلقه از کویل القائی (Induction Coil) مربوط است (شکل 1). اگر فاصله عمودی بین هر حلقه نسبتا کم باشد (همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است)، میله فولادی در داخل کویل ها قرار گرفته شده به طور یکنواخت حرارت داده می شود. به هر حال، اگر فاصله عمودی هر حلقه زیاد باشد (شکل 4)، الگوی حرارت دهی از نوع باربر پل (Barber-Pole)  بر فولاد ایجاد می شود. بنابراین، اگر به حرارت دهی یکنواخت نیاز باشد، فاصله بین کویل ها باید کم باشد.

 

induction_brazing_22

شکل 4: فاصله گذاری کویل در حرارت دهی یکنواخت بسیار مهم است. اگر حلقه های کویل در فاصله دور (شکل سمت چگ) باشند، الگوی حرارت دهی باربر-پل ایجاد می شود.

 

2-فاصله کویل تا قطعه (فاصله جفت­شدگی):

فاصله بین قطر خارجی قطعه و قطر داخلی کویل مسی به فاصله جفت­شدگی موسوم است. این موضوع در شکل 5 نشان داده شده است.

نکته آن که الگوی حرارت­دهی (الگوهای تیره در شکل 5)، همچنین خط افقی در وسط میله نشان دهنده اتصالی است که باید لحیم­کاری سخت شود. هنگامی که فاصله جفت­شدگی کم باشد، الگوی حرارت­دهی بر سطح میله متمرکز می­شود و به داخل میله به طور عمیق نفوذ نمی­کند. بنابراین، لبه­های خارجی اتصال لحیم­کاری بسیار داغ می­شود، اما داخل اتصال سرد باقی می­ماند. به هر حال، فاصله جفت­شدگی بیشتر باعث می­شود سطح میله به سرعت گرم نشود و عمق قطعه به سرعت گرم شود. این برای لحیم­کاری سخت بسیار مفید است، زیرا حرارت بیشتر به عمق نفوذ می­کند و کل اتصال لحیم­کاری سخت به طور مناسب گرم شود.

تا حد امکان باید فاصله جفت­شدگی اطراف اتصال لحیم­کاری سخت یکنواخت باشد!

لازم است تا فاصله جفت­شدگی حین گرمایش/لحیم­کاری سخت القائی به دقت کنترل شود، زیرا بر حرارت­دهی فلز داخل کویل القائی تاثیر می­گذارد. اگر فاصله از یک طرف نزدیک و از طرف دیگر زیاد باشد، حرارت­دهی قطعه فلزی یکنواخت نخواهد بود و می­تواند به سرعت و راحتی منجر به حرارت­دهی بیش از حد سطوح در سمت فاصله کمتر شود و سمت دیگر که فاصله زیادی دارد، سرد باقی بماند.  این به ذوب غیریکنواخت فلز پُرکننده لحیم­کاری سخت همچنین جریان غیریکنواخت فلز پُرکننده در اتصال منجر می­شود.

بهترین روش استفاده از نصب غیرخودکار هنگام لحیم­کاری سخت القائی است، به نحوی که قطعه­ای که لحیم­کاری می­شود به طور مکانیکی آویزان کرده و آرام داخل کویل پایین آورده می­شود. این روش قطعه را در مرکز کویل قرار می­دهد.

 

induction_brazing_222

شکل 5: فاصله جفت شدن یعنی فاصله بین قطر خارجی قعه و قطر داخلی خود کویل القائی.

 

3-تنظیم فرکانس
تنظیم فرکانس ماشین القائی ساده است، اما چگونه فرکانس جهت شار الکتریکی معکوس می شود؟
جریان متناوب (AC) در فرکانس 60 چرخه (در یک ماشین لحیم کاری سخت القائی بیشتر است) در مرتبه چند 10 هزار بار بر ثانیه تغییر می کند. لازم به ذکر است که در فرکانس بالاتر، نرخ حرارت دهی سطحی بالاتری خواهد داشت. این برای لحیم-کاری سخت ممکن است خوب باشد، به هدایت حرارتی فلزی که اتصال دهی می شود بستگی دارد. میزان فرکانس انتخاب شده با آزمایش تعیین می شود، بنابراین، محدوده فرکانس مطلوب برای طراحی عملی و موادی که به هم متصل می شوند باید بهینه-سازی شود.

 

4-توان ماشین القائی

در لحیم­کاری سخت القائی قطعات بزرگ باید از توان بیشتری استفاده کرد تا در مدت زمان مناسب قطعه به طور کامل گرم شود. برای قطعات کوچک، یک ماشین با توان kW 5-1 کافی است تا در زمان مناسب به دمای مطلوب برسد. چرخه لحیم­کاری سخت القائی ممکن است در محدوده 15 ثانیه تا چند دقیقه باشد. همانطور که می­دانید چرخه لحیم­کاری سخت القائیی کوتاه­تر از لحیم­کاری سخت در کوره است.

برای لحیم­کاری سخت القائی قطعات بزرگ به دستگاه­های با توان بیشتر نیاز است. این دستگاه ممکن است نرخ توان حدود kW 10 تا kW 50 یا بالاتر برای تامین توان الکتریکی کافی برای لحیم­کاری سخت قطعات بزرگ داشته باشند.

 

5-طراحی کویل
طراحی یک کویل مناسب برای قطعات موضوع ساده ای نمی باشد. همیشه باید در ساخت کویل با سازنده دستگاه القائی مشورت کرد. هر قطعه بر اساس هندسه آن از یک طراحی خاص کویل استفاده شود. برخی مطالعات انجام شده بر طراحی های کویل در شکل 6 نشان داده شده است.
شکل 6 یک نمونه از طراحی های کویل در دسترس را نشان می دهد که امروزه در لحیم کاری سخت استفاده می شود.
شکل 7 یک طراحی کویل القائی هفت حلقه ای برای لحیم کاری سخت یک شافت فلزی با هدایت حرارتی کم در اتصال با مس با هدایت حرارتی زیاد با یک حلقه پُرکننده پایه نقره را نشان می دهد. نکته آن که شافت فلزی با هدایت حرارتی ضعیف تر در بالا با فاصله بیشتر از کویل میان دو حلقه کویل قرار داده شده است، در حالی که محل اتصال در پایین با وزن بیشتر از مس (با هدایت حرارتی بالاتر) با فاصله نزدیک تر به کویل (و با حلقه های بیشتر) قرار دارد تا امکان حرارت دهی کافی به اتصال مسی برای ذوب حلقه فلز پُرکننده لحیم سخت و انجام عمل موئینگی فراهم شود. بر اساس مثال بیان شده، با تغییر فاصله کویل و فاصله حلقه های کویل می توان قسمت های مختلف قطعه و درز اتصال را حرارت دهی کرد.

 

coil

شکل 6:  برخی از طراحی های کویل های مورد استفاده در لحیم کاری سخت القائی.

 

coil_1

شکل 7: یک کویل القائی با هفت حلقه برای اتصال دهی بین دو فلز با هدایت حرارتی متفاوت.

 

 

6-متمرکز کننده شار
میدان های الکترومغناطیسی اطراف کویل های القائی می توانند به سمت خارج در فاصله زیاد از کویل گسترش یابد، بنابراین، حرارت در مناطق غیرضروری نزدیک کویل ها لحیم کاری سخت می شود که مطلوب نمی باشد. از متمرکز کننده شار که یک ماده شبیه به بَتونه است (گاهی شامل مقداری پودر آهن) اطراف برخی از کویل های القائی مالیده می شود (شکل 8) تا میدان الکترومغناطیسی متمرکز شده به نحوی که مدار کوتاه در بتونه ایجاد شده و میدان الکترومغناطیسی از محل هایی که نباید گسترش یابد دور شود.

 

flux_flow

شکل 8: تاثیر متمرکز کننده شار بر میدان مغناطیسی.

 

جمع بندی
لحیم کاری سخت القائی یک ابزار شگفت انگیز برای لحیم کاری سخت قطعات خاص است. این روش به سرعت انجام می شود و برای قطعاتی که بزرگ هستند و در کوره قرار نمی گیرند یا شاید مناطقی دارند که حرارت دهی آن مناطق مشکلاتی ایجاد می-کند مناسب است. مبانی لحیم کاری سخت القائی نسبتا ساده است و به طور خلاصه به شرح زیر می باشد:
1-طراحی کویل مهمترین عامل در لحیم کاری سخت القائی است.
2-فاصله کویل تا قطعه باید یکنواخت باشد.
3-اطمینان از این که تجهیزات القائی توان کافی برای گرم کردن قطعات بر اساس وزن و هدایت حرارتی آن ها را داشته باشد.
4-استفاده از فرکانس القائی که امکان حرارت دادن کل منطقه اتصال را به طور موثر داشته باشد و فقط سطح خارجی اتصال را گرم نکند.