Casi todos los procesos de ensamblaje pueden llevarse a cabo de varias maneras. La opción que un fabricante o integrador elige para obtener los mejores resultados suele ser aquella que combina una tecnología probada con una aplicación específica.
La soldadura fuerte es uno de esos procesos. La soldadura fuerte es un proceso de unión de metales en el que dos o más piezas metálicas se unen fundiendo un metal de aporte y haciéndolo fluir hacia la junta. El metal de aporte tiene un punto de fusión más bajo que las piezas metálicas adyacentes.
El calor para la soldadura fuerte puede proporcionarse mediante sopletes, hornos o bobinas de inducción. Durante la soldadura fuerte por inducción, una bobina de inducción crea un campo magnético que calienta el sustrato para fundir el metal de aportación. La soldadura fuerte por inducción está demostrando ser la mejor opción para un número creciente de aplicaciones de ensamblaje.
“La soldadura por inducción es mucho más segura que la soldadura con soplete, más rápida que la soldadura en horno y más reproducible que ambas”, afirmó Steve Anderson, gerente de ciencia de campo y pruebas en Fusion Inc., una empresa integradora con 88 años de trayectoria en Willoughby, Ohio. La empresa se especializa en diversos métodos de ensamblaje, incluida la soldadura. “Además, la soldadura por inducción es más sencilla. En comparación con los otros dos métodos, solo se necesita electricidad estándar”.
Hace unos años, Fusion desarrolló una máquina totalmente automática de seis estaciones para ensamblar 10 fresas de carburo para el trabajo de metales y la fabricación de herramientas. Las fresas se fabrican uniendo piezas cilíndricas y cónicas de carburo de tungsteno a un vástago de acero. La tasa de producción es de 250 piezas por hora, y la bandeja de piezas independiente puede contener 144 piezas y portaherramientas.
“Un robot SCARA de cuatro ejes toma una pieza de la bandeja, la coloca en el dispensador de pasta de soldadura y la introduce en la pinza”, explica Anderson. “Luego, el robot toma una pieza en bruto de la bandeja y la coloca en el extremo del vástago al que se adhiere. La soldadura por inducción se realiza mediante una bobina eléctrica que se enrolla verticalmente alrededor de las dos piezas y eleva la temperatura del metal de relleno de plata a 1305 °F (890 °C). Una vez que la pieza se alinea y enfría, se expulsa a través de una rampa de descarga y se recoge para su posterior procesamiento”.
El uso de la soldadura por inducción para el ensamblaje está en aumento, principalmente porque crea una conexión fuerte entre dos piezas metálicas y porque es muy eficaz para unir materiales diferentes. Las preocupaciones medioambientales, la mejora de la tecnología y las aplicaciones no tradicionales también están obligando a los ingenieros de fabricación a examinar más de cerca la soldadura por inducción.
La soldadura por inducción existe desde la década de 1950, aunque el concepto de calentamiento por inducción (mediante electromagnetismo) fue descubierto más de un siglo antes por el científico británico Michael Faraday. Los sopletes manuales fueron la primera fuente de calor para la soldadura, seguidos por los hornos en la década de 1920. Durante la Segunda Guerra Mundial, los métodos basados ​​en hornos se utilizaron con frecuencia para fabricar grandes cantidades de piezas metálicas con un mínimo de mano de obra y coste.
La demanda de aire acondicionado por parte de los consumidores en las décadas de 1960 y 1970 creó nuevas aplicaciones para la soldadura por inducción. De hecho, la soldadura masiva de aluminio a finales de la década de 1970 dio como resultado muchos de los componentes que se encuentran en los sistemas de aire acondicionado para automóviles actuales.
“A diferencia de la soldadura fuerte con soplete, la soldadura fuerte por inducción no requiere contacto y minimiza el riesgo de sobrecalentamiento”, señala Rick Bausch, gerente de ventas de Ambrell Corp., en TEST.temperature.”
Según Greg Holland, gerente de ventas y operaciones de eldec LLC, un sistema estándar de soldadura por inducción consta de tres componentes: la fuente de alimentación, el cabezal de trabajo con la bobina de inducción y el enfriador o sistema de refrigeración.
La fuente de alimentación está conectada al cabezal de trabajo y las bobinas están diseñadas a medida para ajustarse a la junta. Los inductores pueden estar hechos de varillas sólidas, cables flexibles, lingotes mecanizados o impresos en 3D a partir de aleaciones de cobre en polvo. Sin embargo, por lo general, se fabrican con tubos huecos de cobre por los que fluye agua por varias razones. Una de ellas es mantener la bobina fría contrarrestando el calor reflejado por las piezas durante el proceso de soldadura. El agua en circulación también evita la acumulación de calor en las bobinas debido a la frecuente presencia de corriente alterna y la consiguiente transferencia de calor ineficiente.
«En ocasiones, se coloca un concentrador de flujo en la bobina para reforzar el campo magnético en uno o más puntos de la unión», explica Holland. «Estos concentradores pueden ser de tipo laminado, compuestos por finas láminas de acero eléctrico apiladas firmemente, o tubos ferromagnéticos que contienen material ferromagnético en polvo y enlaces dieléctricos comprimidos a alta presión. La ventaja del concentrador es que reduce el tiempo de ciclo al dirigir más energía a áreas específicas de la unión con mayor rapidez, manteniendo otras áreas más frías».
Antes de colocar las piezas metálicas para la soldadura por inducción, el operario debe ajustar correctamente la frecuencia y los niveles de potencia del sistema. La frecuencia puede oscilar entre 5 y 500 kHz; cuanto mayor sea la frecuencia, más rápido se calentará la superficie.
Las fuentes de alimentación suelen ser capaces de producir cientos de kilovatios de electricidad. Sin embargo, soldar una pieza del tamaño de la palma de la mano en 10 a 15 segundos requiere solo de 1 a 5 kilovatios. En comparación, las piezas grandes pueden requerir de 50 a 100 kilovatios de potencia y tardar hasta 5 minutos en soldarse.
“Por regla general, los componentes más pequeños consumen menos energía, pero requieren frecuencias más altas, como de 100 a 300 kilohercios”, dijo Bausch. “En cambio, los componentes más grandes requieren más energía y frecuencias más bajas, normalmente por debajo de los 100 kilohercios”.
Independientemente de su tamaño, las piezas metálicas deben colocarse correctamente antes de fijarlas. Es importante mantener una separación mínima entre los metales base para permitir una correcta acción capilar del metal de aportación. Las uniones a tope, solapadas y solapadas a tope son la mejor manera de garantizar esta separación.
Se aceptan los sistemas tradicionales o de autoajuste. Los accesorios estándar deben estar fabricados con materiales menos conductores, como acero inoxidable o cerámica, y deben tocar los componentes lo menos posible.
Mediante el diseño de piezas con costuras entrelazadas, recalcados, hendiduras o moleteados, se puede lograr la autofijación sin necesidad de soporte mecánico.
A continuación, las juntas se limpian con una almohadilla de esmeril o un disolvente para eliminar contaminantes como aceite, grasa, óxido, incrustaciones y suciedad. Este paso mejora aún más la acción capilar del metal de aportación fundido, que se desplaza a través de las superficies adyacentes de la junta.
Una vez que las piezas estén correctamente colocadas y limpias, el operario aplica un compuesto para juntas (normalmente una pasta) a la junta. Este compuesto es una mezcla de metal de aportación, fundente (para evitar la oxidación) y un aglutinante que mantiene unidos el metal y el fundente antes de fundirse.
Los metales de aportación y fundentes utilizados en la soldadura fuerte están formulados para soportar temperaturas más altas que los utilizados en la soldadura blanda. Los metales de aportación utilizados para la soldadura fuerte se funden a temperaturas de al menos 490 °C y son más resistentes cuando se enfrían. Entre ellos se incluyen aleaciones de aluminio-silicio, cobre, cobre-plata, latón, bronce, oro-plata, plata y níquel.
A continuación, el operario coloca la bobina de inducción, que se presenta en diversos diseños. Las bobinas helicoidales tienen forma circular u ovalada y rodean completamente la pieza, mientras que las bobinas de horquilla (o pinza) se ubican a cada lado de la junta y las bobinas de canal se enganchan a la pieza. Otros tipos de bobinas incluyen las de diámetro interior (DI), DI/diámetro exterior (DE), planas, abiertas y multiposición.
Para obtener conexiones soldadas de alta calidad, es fundamental un calentamiento uniforme. Para ello, el operario debe asegurarse de que la distancia vertical entre cada espira de la bobina de inducción sea pequeña y de que la distancia de acoplamiento (ancho del espacio entre el diámetro exterior e interior de la bobina) permanezca uniforme.
A continuación, el operario enciende la alimentación para comenzar el proceso de calentamiento de la articulación. Esto implica transferir rápidamente una corriente alterna de frecuencia intermedia o alta desde una fuente de alimentación a un inductor para crear un campo magnético alterno a su alrededor.
El campo magnético induce una corriente en la superficie de la unión, que genera calor para fundir el metal de aportación, permitiendo que fluya y humedezca la superficie de la pieza metálica, creando una unión fuerte. Mediante bobinas multiposición, este proceso se puede realizar en varias piezas simultáneamente.
Se recomienda la limpieza e inspección final de cada componente soldado. Lavar las piezas con agua calentada a al menos 49 °C (120 °F) eliminará los residuos de fundente y cualquier incrustación formada durante la soldadura. La pieza debe sumergirse en agua después de que el metal de aporte se haya solidificado, pero cuando el conjunto aún esté caliente.
Según la pieza, tras una inspección mínima se pueden realizar ensayos no destructivos y destructivos. Los métodos de ensayos no destructivos incluyen la inspección visual y radiográfica, así como las pruebas de estanqueidad y resistencia. Los métodos de ensayos destructivos más comunes son los ensayos metalográficos, de pelado, de tracción, de cizallamiento, de fatiga, de transferencia y de torsión.
“La soldadura por inducción requiere una mayor inversión inicial que el método con soplete, pero vale la pena porque se obtiene mayor eficiencia y control”, dijo Holland. “Con la inducción, cuando se necesita calor, simplemente se presiona. Y cuando no, también se presiona”.
Eldec fabrica una amplia gama de fuentes de alimentación para soldadura por inducción, como la línea de frecuencia intermedia ECO LINE MF, disponible en diversas configuraciones para adaptarse a cada aplicación. Estas fuentes de alimentación están disponibles con potencias de 5 a 150 kW y frecuencias de 8 a 40 Hz. Todos los modelos pueden equiparse con una función de aumento de potencia que permite al operador incrementar la capacidad de funcionamiento continuo al 100 % en un 50 % adicional en 3 minutos. Otras características clave incluyen control de temperatura mediante pirómetro, registrador de temperatura e interruptor de potencia con transistor bipolar de puerta aislada. Estos consumibles requieren poco mantenimiento, funcionan silenciosamente, ocupan poco espacio y se integran fácilmente con los controladores de celdas de trabajo.
Los fabricantes de diversos sectores utilizan cada vez más la soldadura por inducción para ensamblar piezas. Bausch señala a los fabricantes de automóviles, aeroespaciales, de equipos médicos y de equipos mineros como los mayores usuarios de los equipos de soldadura por inducción de Ambrell.
«El número de componentes de aluminio soldados por inducción en la industria automotriz sigue aumentando debido a las iniciativas de reducción de peso», señala Bausch. «En el sector aeroespacial, las almohadillas de desgaste de níquel y otros tipos se sueldan a menudo a las palas de los motores a reacción. Ambas industrias también sueldan por inducción diversos accesorios de tuberías de acero».
Los seis sistemas EasyHeat de Ambrell tienen un rango de frecuencia de 150 a 400 kHz y son ideales para la soldadura por inducción de piezas pequeñas de diversas geometrías. Los modelos compactos (0112 y 0224) ofrecen un control de potencia con una resolución de 25 vatios; los modelos de la serie LI (3542, 5060, 7590, 8310) ofrecen un control con una resolución de 50 vatios.
Ambas series cuentan con un cabezal de trabajo extraíble que puede ubicarse a una distancia de hasta 3 metros de la fuente de alimentación. Los controles del panel frontal del sistema son programables, lo que permite al usuario final definir hasta cuatro perfiles de calefacción diferentes, cada uno con hasta cinco pasos de tiempo y potencia. El control remoto de la alimentación está disponible para entrada analógica o por contacto, o mediante un puerto de datos serie opcional.
“Nuestros principales clientes para la soldadura por inducción son fabricantes de piezas que contienen algo de carbono, o piezas de gran masa que contienen un alto porcentaje de hierro”, explica Rich Cukelj, gerente de desarrollo comercial de Fusion. “Algunas de estas empresas prestan servicios a las industrias automotriz y aeroespacial, mientras que otras fabrican armas, conjuntos de herramientas de corte, grifos y desagües de plomería, o bloques de distribución de energía y fusibles”.
Fusion vende sistemas rotativos personalizados que pueden soldar por inducción de 100 a 1000 piezas por hora. Según Cukelj, es posible obtener mayores rendimientos para un solo tipo de pieza o para una serie específica de piezas. El tamaño de estas piezas oscila entre 2 y 14 pulgadas cuadradas.
“Cada sistema contiene un indexador de Stelron Components Inc. con 8, 10 o 12 estaciones de trabajo”, explica Cukelj. “Algunas estaciones de trabajo se utilizan para la soldadura fuerte, mientras que otras se utilizan para la inspección, mediante cámaras de visión o equipos de medición láser, o para realizar pruebas de tracción para garantizar uniones soldadas de alta calidad”.
Según Holland, los fabricantes utilizan las fuentes de alimentación estándar ECO LINE de eldec para diversas aplicaciones de soldadura por inducción, como el ajuste por contracción de rotores y ejes, o la unión de carcasas de motores. Más recientemente, se utilizó un modelo de 100 kW de este generador en una aplicación de piezas grandes que consistía en soldar anillos de circuitos de cobre a conexiones de derivación de cobre para generadores de presas hidroeléctricas.
Eldec también fabrica fuentes de alimentación portátiles MiniMICO que se pueden trasladar fácilmente por la fábrica y que tienen un rango de frecuencia de 10 a 25 kHz. Hace dos años, un fabricante de tubos para intercambiadores de calor de automóviles utilizó MiniMICO para soldar por inducción los codos de retorno de cada tubo. Una sola persona realizó toda la soldadura y se tardó menos de 30 segundos en ensamblar cada tubo.
Jim es editor sénior en ASSEMBLY y cuenta con más de 30 años de experiencia editorial. Antes de incorporarse a ASSEMBLY, Camillo fue ingeniero de gestión de proyectos y editor de la revista Association for Equipment Engineering Journal y de la revista Milling Journal. Jim tiene una licenciatura en inglés de la Universidad DePaul.
Envíe una solicitud de propuesta (RFP) al proveedor de su elección y haga clic en un botón detallando sus necesidades.
Consulte nuestra guía del comprador para encontrar proveedores de todo tipo de tecnología de ensamblaje, máquinas y sistemas, proveedores de servicios y organizaciones comerciales.
Lean Six Sigma ha impulsado los esfuerzos de mejora continua durante décadas, pero sus deficiencias se han hecho evidentes. La recopilación de datos requiere mucha mano de obra y solo permite obtener muestras pequeñas. Ahora es posible recopilar datos durante largos períodos de tiempo y en múltiples ubicaciones a una fracción del costo de los métodos manuales antiguos.
Los robots son más económicos y fáciles de usar que nunca. Esta tecnología está al alcance incluso de pequeños y medianos fabricantes. Escuche este exclusivo panel de discusión con ejecutivos de cuatro de los principales proveedores de robótica de Estados Unidos: ATI Industrial Automation, Epson Robots, FANUC America y Universal Robots.