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 relleno y haciéndolo fluir hacia la unión. El metal de relleno tiene un punto de fusión más bajo que las piezas metálicas adyacentes.
El calor para la soldadura fuerte se puede proporcionar 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 relleno. La soldadura fuerte por inducción está demostrando ser la mejor opción para un número cada vez mayor de aplicaciones de ensamblaje.
“La soldadura fuerte por inducción es mucho más segura que la soldadura fuerte con soplete, más rápida que la soldadura fuerte en horno y más repetible que ambas”, afirmó Steve Anderson, gerente de ciencias de campo y pruebas de Fusion Inc., una empresa integradora con 88 años de experiencia en Willoughby, Ohio. Said se especializa en diversos métodos de ensamblaje, incluida la soldadura fuerte. “Además, la soldadura fuerte 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 trabajar metales y fabricar herramientas. Las fresas se fabrican uniendo piezas en bruto 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 separada puede contener 144 piezas en bruto y portaherramientas.
“Un robot SCARA de cuatro ejes toma un asa de la bandeja, la coloca en el dispensador de pasta de soldadura y la carga en el nido de pinzas”, explica Anderson. “A continuación, el robot toma una pieza bruta de la bandeja y la coloca en el extremo del vástago, al que se pega. La soldadura fuerte por inducción se realiza mediante una bobina eléctrica que envuelve verticalmente las dos piezas y lleva el metal de aportación de plata a una temperatura de líquido de 1305 °F. Una vez alineado y enfriado el componente de la rebaba, se expulsa a través de un conducto de descarga y se recoge para su posterior procesamiento”.
El uso de la soldadura fuerte por inducción para ensamblajes está aumentando, principalmente porque crea una fuerte conexión entre dos piezas metálicas y porque es muy eficaz para unir materiales diferentes. Las preocupaciones medioambientales, la tecnología mejorada y las aplicaciones no tradicionales también están obligando a los ingenieros de fabricación a analizar más de cerca la soldadura fuerte por inducción.
La soldadura fuerte 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 fuerte, 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 gastos.
La demanda de aire acondicionado por parte de los consumidores en las décadas de 1960 y 1970 creó nuevas aplicaciones para la soldadura fuerte por inducción. De hecho, la soldadura fuerte en masa de aluminio a fines de la década de 1970 dio lugar a muchos de los componentes que se encuentran en los sistemas de aire acondicionado de los 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 de soldadura por inducción estándar consta de tres componentes: la fuente de alimentación, el cabezal de trabajo con la bobina de inducción y el enfriador o sistema de enfriamiento.
La fuente de alimentación está conectada al cabezal de trabajo y las bobinas están diseñadas a medida para ajustarse alrededor de la junta. Los inductores pueden estar hechos de varillas sólidas, cables flexibles, palanquillas mecanizadas o impresos en 3D a partir de aleaciones de cobre en polvo. Sin embargo, por lo general, está hecho de tubos de cobre huecos, a través de los cuales fluye agua por varias razones. Una es mantener la bobina fría contrarrestando el calor reflejado por las piezas durante el proceso de soldadura fuerte. El agua que fluye también evita la acumulación de calor en las bobinas debido a la presencia frecuente de corriente alterna y la transferencia de calor ineficiente resultante.
“A veces se coloca un concentrador de flujo en la bobina para fortalecer el campo magnético en uno o más puntos de la unión”, explica Holland. “Estos concentradores pueden ser de tipo laminado, compuestos por aceros eléctricos delgados apilados 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 del ciclo al llevar más energía a áreas específicas de la unión con mayor rapidez, mientras que mantiene otras áreas más frías”.
Antes de posicionar piezas metálicas para la soldadura fuerte por inducción, el operador debe configurar adecuadamente los niveles de frecuencia y potencia del sistema. La frecuencia puede variar de 5 a 500 kHz, cuanto mayor sea la frecuencia, más rápido se calentará la superficie.
Las fuentes de alimentación a menudo son 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 energía y demorar hasta 5 minutos en soldarse.
“Como regla general, los componentes más pequeños consumen menos energía, pero requieren frecuencias más altas, como de 100 a 300 kilohercios”, explicó Bausch. “En cambio, los componentes más grandes requieren más energía y frecuencias más bajas, generalmente por debajo de los 100 kilohercios”.
Independientemente de su tamaño, las piezas metálicas deben colocarse correctamente antes de fijarlas. Se debe tener cuidado de mantener un espacio estrecho entre los metales base para permitir la acción capilar adecuada del metal de relleno que fluye. Las juntas a tope, traslapadas y traslapadas a tope son la mejor forma de garantizar este espacio libre.
Se aceptan los accesorios tradicionales o autofijables. Los accesorios estándar deben estar hechos de materiales menos conductores, como acero inoxidable o cerámica, y tocar los componentes lo menos posible.
Al diseñar piezas con costuras entrelazadas, recalcado, depresiones o moleteados, se puede lograr la autofijación sin necesidad de soporte mecánico.
Luego se limpian las juntas con una esmeril o solvente para eliminar contaminantes como aceite, grasa, óxido, sarro y suciedad. Este paso mejora aún más la acción capilar del metal de relleno fundido que se desplaza a través de las superficies adyacentes de la junta.
Después de que las piezas están correctamente colocadas y limpiadas, el operador aplica un compuesto para juntas (generalmente una pasta) a la unión. El compuesto es una mezcla de metal de relleno, fundente (para evitar la oxidación) y un aglutinante que mantiene unidos el metal y el fundente antes de fundirse.
Los metales de relleno y fundentes utilizados en la soldadura fuerte están formulados para soportar temperaturas más altas que los utilizados en la soldadura blanda. Los metales de relleno utilizados para la soldadura fuerte se funden a temperaturas de al menos 842 F y son más fuertes cuando se enfrían. Incluyen aleaciones de aluminio-silicio, cobre, cobre-plata, latón, bronce, oro-plata, plata y níquel.
Luego, el operador coloca la bobina de inducción, que viene en una variedad de diseños. Las bobinas helicoidales tienen forma circular u ovalada y rodean completamente la pieza, mientras que las bobinas de horquilla (o pinza) están ubicadas a cada lado de la unión y las bobinas de canal se enganchan a la pieza. Otras bobinas incluyen diámetro interno (ID), ID/diámetro externo (OD), tipo panqueque, abiertas y de múltiples posiciones.
El calor uniforme es esencial para conexiones soldadas de alta calidad. Para lograr esto, el operador debe asegurarse de que la distancia vertical entre cada bucle de la bobina de inducción sea pequeña y que la distancia de acoplamiento (ancho del espacio entre el diámetro exterior y el interior de la bobina) permanezca uniforme.
A continuación, el operador enciende la energía para comenzar el proceso de calentamiento de la unión. Esto implica transferir rápidamente corriente alterna de frecuencia intermedia o alta desde una fuente de energía 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 relleno, permitiéndole fluir y humedecer la superficie de la pieza metálica, creando una unión fuerte. Utilizando bobinas multiposición, este proceso se puede realizar en varias piezas simultáneamente.
Se recomienda la limpieza final e inspección de cada componente soldado. Lavar las piezas con agua calentada al menos a 120 F eliminará los residuos de fundente y cualquier sarro formado durante la soldadura. La pieza debe sumergirse en agua después de que el metal de relleno se haya solidificado pero el conjunto aún esté caliente.
Dependiendo de la pieza, la inspección mínima puede ser seguida por pruebas destructivas y no destructivas. Los métodos de END incluyen inspección visual y radiográfica, así como pruebas de fugas y de estanqueidad. Los métodos de pruebas destructivas comunes son las pruebas metalográficas, de pelado, de tracción, de corte, de fatiga, de transferencia y de torsión.
“La soldadura fuerte 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. Cuando no, se presiona”.
Eldec fabrica una amplia gama de fuentes de alimentación para soldadura fuerte por inducción, como la línea de frecuencia intermedia ECO LINE MF, disponible en varias configuraciones para adaptarse mejor a cada aplicación. Estas fuentes de alimentación están disponibles en potencias que van de 5 a 150 kW y frecuencias de 8 a 40 Hz. Todos los modelos pueden equiparse con una función de refuerzo de potencia que permite al operador aumentar la capacidad nominal de servicio continuo del 100 % en un 50 % adicional en 3 minutos. Otras características clave incluyen control de temperatura por pirómetro, registrador de temperatura e interruptor de encendido 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 varias industrias utilizan cada vez más la soldadura fuerte por inducción para ensamblar piezas. Bausch señala a los fabricantes de equipos automotrices, aeroespaciales, médicos y de minería como los mayores usuarios de los equipos de soldadura fuerte por inducción de Ambrell.
“El número de componentes de aluminio soldados por inducción en la industria automotriz continúa aumentando debido a las iniciativas de reducción de peso”, señala Bausch. “En el sector aeroespacial, el níquel y otros tipos de almohadillas de desgaste se suelen soldar a las palas de los reactores. Ambas industrias también sueldan por inducción diversos accesorios de tubería de acero”.
Los seis sistemas EasyHeat de Ambrell tienen un rango de frecuencia de 150 a 400 kHz y son ideales para la soldadura fuerte por inducción de piezas pequeñas de diversas geometrías. Los compactos (0112 y 0224) ofrecen control de potencia con una resolución de 25 vatios; los modelos de la serie LI (3542, 5060, 7590, 8310) ofrecen control con una resolución de 50 vatios.
Ambas series tienen un cabezal de trabajo removible hasta 10 pies de la fuente de energía. Los controles del panel frontal del sistema son programables, lo que permite al usuario final definir hasta cuatro perfiles de calentamiento diferentes, cada uno con hasta cinco pasos de tiempo y potencia. El control de energía remoto está disponible para entrada de contacto o analógica, o puerto de datos serial opcional.
“Nuestros principales clientes para la soldadura fuerte por inducción son fabricantes de piezas que contienen algo de carbono o piezas de gran masa con un alto porcentaje de hierro”, explica Rich Cukelj, Gerente de Desarrollo de Negocios de Fusión. “Algunas de estas empresas prestan servicios a las industrias automotriz y aeroespacial, mientras que otras fabrican pistolas, 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. Estas piezas varían en tamaño de 2 a 14 pulgadas cuadradas.
“Cada sistema incluye 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 inspección, utilizando cámaras de visión o equipos de medición láser, o realizando pruebas de tracción para garantizar uniones soldadas de alta calidad”.
Los fabricantes utilizan las fuentes de alimentación ECO LINE estándar de eldec para una variedad de aplicaciones de soldadura por inducción, como rotores y ejes con ajuste térmico o unión de carcasas de motores, dijo Holland. Más recientemente, se utilizó un modelo de 100 kW de este generador en una aplicación de piezas grandes que involucraba la soldadura de anillos de circuito de cobre a conexiones de tomas de cobre para generadores de represas hidroeléctricas.
Eldec también fabrica fuentes de alimentación MiniMICO portátiles que se pueden mover fácilmente por la fábrica con un rango de frecuencia de 10 a 25 kHz. Hace dos años, un fabricante de tubos de intercambiadores de calor para automóviles utilizó MiniMICO para soldar por inducción los codos de retorno a cada tubo. Una persona hizo toda la soldadura y tomó menos de 30 segundos ensamblar cada tubo.
Jim es un editor senior en ASSEMBLY con más de 30 años de experiencia editorial. Antes de unirse a ASSEMBLY, Camillo fue ingeniero de gestión de proyectos, editor de la Association for Equipment Engineering Journal y Milling Journal. Jim tiene un título en inglés de la Universidad DePaul.
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