Presque tous les processus d'assemblage peuvent être réalisés de plusieurs manières. L'option qu'un fabricant ou un intégrateur choisit pour obtenir les meilleurs résultats est généralement celle qui associe une technologie éprouvée à une application spécifique.
Le brasage est l'un de ces processus. Le brasage est un processus d'assemblage de métaux dans lequel deux ou plusieurs pièces métalliques sont assemblées en faisant fondre du métal d'apport et en le faisant couler dans le joint. Le métal d'apport a un point de fusion inférieur à celui des pièces métalliques adjacentes.
La chaleur nécessaire au brasage peut être fournie par des torches, des fours ou des bobines d'induction. Lors du brasage par induction, une bobine d'induction crée un champ magnétique qui chauffe le substrat pour faire fondre le métal d'apport. Le brasage par induction s'avère être le meilleur choix pour un nombre croissant d'applications d'assemblage.
« Le brasage par induction est beaucoup plus sûr que le brasage au chalumeau, plus rapide que le brasage au four et plus reproductible que les deux », a déclaré Steve Anderson, responsable des sciences de terrain et des essais chez Fusion Inc., un intégrateur de 88 ans basé à Willoughby, dans l'Ohio, spécialisé dans diverses méthodes d'assemblage, dont le brasage. « De plus, le brasage par induction est plus simple. Comparé aux deux autres méthodes, il suffit d'une alimentation électrique standard. »
Il y a quelques années, Fusion a développé une machine entièrement automatique à six stations pour l'assemblage de 10 fraises en carbure pour le travail des métaux et la fabrication d'outils. Les fraises sont fabriquées en fixant des ébauches cylindriques et coniques en carbure de tungstène sur une tige en acier. La cadence de production est de 250 pièces par heure et le plateau de pièces séparé peut contenir 144 ébauches et porte-outils.
« Un robot SCARA à quatre axes prend une poignée sur le plateau, la présente au distributeur de pâte à braser et la charge dans le logement de la pince », explique Anderson. « Le robot prend ensuite une pièce brute sur le plateau et la place à l'extrémité de la tige, où elle est collée. Le brasage par induction est réalisé à l'aide d'une bobine électrique qui entoure verticalement les deux pièces et porte le métal d'apport d'argent à une température de liquidus de 640 °C. Une fois la pièce de bavure alignée et refroidie, elle est éjectée par une goulotte d'évacuation et récupérée pour un traitement ultérieur. »
L'utilisation du brasage par induction pour l'assemblage augmente, principalement parce qu'il crée une connexion solide entre deux pièces métalliques et parce qu'il est très efficace pour assembler des matériaux différents. Les préoccupations environnementales, l'amélioration de la technologie et les applications non traditionnelles obligent également les ingénieurs de fabrication à examiner de plus près le brasage par induction.
Le brasage par induction existe depuis les années 1950, bien que le concept de chauffage par induction (utilisant l'électromagnétisme) ait été découvert plus d'un siècle auparavant par le scientifique britannique Michael Faraday. Les chalumeaux manuels ont été la première source de chaleur pour le brasage, suivis des fours dans les années 1920. Pendant la Seconde Guerre mondiale, les méthodes basées sur les fours étaient fréquemment utilisées pour fabriquer de grandes quantités de pièces métalliques avec un minimum de main-d'œuvre et de dépenses.
La demande des consommateurs en matière de climatisation dans les années 1960 et 1970 a créé de nouvelles applications pour le brasage par induction. En fait, le brasage en masse de l'aluminium à la fin des années 1970 a donné naissance à de nombreux composants que l'on retrouve dans les systèmes de climatisation automobile d'aujourd'hui.
« Contrairement au brasage au chalumeau, le brasage par induction est sans contact et minimise le risque de surchauffe », note Rick Bausch, directeur des ventes d'Ambrell Corp., inTEST.temperature. »
Selon Greg Holland, directeur des ventes et des opérations chez eldec LLC, un système de brasage par induction standard se compose de trois composants. Il s'agit de l'alimentation électrique, de la tête de travail avec la bobine d'induction et du refroidisseur ou du système de refroidissement.
L'alimentation électrique est connectée à la tête de travail et les bobines sont conçues sur mesure pour s'adapter autour du joint. Les inducteurs peuvent être fabriqués à partir de tiges solides, de câbles flexibles, de billettes usinées ou imprimés en 3D à partir d'alliages de cuivre en poudre. Habituellement, cependant, il est constitué de tubes de cuivre creux, à travers lesquels l'eau circule pour plusieurs raisons. L'une consiste à garder la bobine froide en neutralisant la chaleur réfléchie par les pièces pendant le processus de brasage. L'eau qui coule empêche également l'accumulation de chaleur dans les bobines en raison de la présence fréquente de courant alternatif et du transfert de chaleur inefficace qui en résulte.
« Parfois, un concentrateur de flux est placé sur la bobine pour renforcer le champ magnétique en un ou plusieurs points de la jonction », explique Holland. « Ces concentrateurs peuvent être de type laminé, constitués de fines tôles d'acier électrique étroitement empilées, ou de tubes ferromagnétiques contenant un matériau ferromagnétique en poudre et des liaisons diélectriques comprimées sous haute pression. L'avantage du concentrateur est qu'il réduit le temps de cycle en apportant plus d'énergie à des zones spécifiques de la jonction plus rapidement, tout en gardant les autres zones plus froides. »
Avant de positionner les pièces métalliques pour le brasage par induction, l'opérateur doit régler correctement les niveaux de fréquence et de puissance du système. La fréquence peut varier de 5 à 500 kHz, plus la fréquence est élevée, plus la surface chauffe rapidement.
Les alimentations électriques sont souvent capables de produire des centaines de kilowatts d'électricité. Cependant, le brasage d'une pièce de la taille d'une paume en 10 à 15 secondes ne nécessite que 1 à 5 kilowatts. En comparaison, les grandes pièces peuvent nécessiter 50 à 100 kilowatts de puissance et prendre jusqu'à 5 minutes à braser.
« En règle générale, les composants plus petits consomment moins d'énergie, mais nécessitent des fréquences plus élevées, de 100 à 300 kilohertz », explique Bausch. « En revanche, les composants plus grands nécessitent plus d'énergie et des fréquences plus basses, généralement inférieures à 100 kilohertz. »
Quelle que soit leur taille, les pièces métalliques doivent être positionnées correctement avant d'être fixées. Il faut veiller à maintenir un espace serré entre les métaux de base pour permettre une bonne capillarité du métal d'apport en écoulement. Les joints bout à bout, à recouvrement et à recouvrement bout à bout sont le meilleur moyen de garantir ce jeu.
Les fixations traditionnelles ou auto-fixantes sont acceptables. Les fixations standard doivent être fabriquées à partir de matériaux moins conducteurs tels que l'acier inoxydable ou la céramique, et toucher les composants le moins possible.
En concevant des pièces avec des coutures imbriquées, des estampages, des dépressions ou des moletages, l'auto-fixation peut être obtenue sans avoir besoin de support mécanique.
Les joints sont ensuite nettoyés avec un tampon émeri ou un solvant pour éliminer les contaminants tels que l'huile, la graisse, la rouille, le tartre et la saleté. Cette étape améliore encore l'action capillaire du métal d'apport en fusion qui se tire à travers les surfaces adjacentes du joint.
Une fois les pièces correctement installées et nettoyées, l'opérateur applique un composé à joint (généralement une pâte) sur le joint. Le composé est un mélange de métal d'apport, de flux (pour éviter l'oxydation) et d'un liant qui maintient le métal et le flux ensemble avant la fusion.
Les métaux d'apport et les flux utilisés dans le brasage sont formulés pour résister à des températures plus élevées que ceux utilisés dans la soudure. Les métaux d'apport utilisés pour le brasage fondent à des températures d'au moins 842 °F et sont plus résistants une fois refroidis. Ils comprennent les alliages aluminium-silicium, cuivre, cuivre-argent, laiton, bronze, or-argent, argent et nickel.
L'opérateur positionne ensuite la bobine d'induction, qui existe dans une variété de modèles. Les bobines hélicoïdales sont de forme circulaire ou ovale et entourent complètement la pièce, tandis que les bobines à fourche (ou à pince) sont situées de chaque côté du joint et les bobines à canal s'accrochent à la pièce. D'autres bobines incluent le diamètre intérieur (ID), le diamètre intérieur/extérieur (OD), la crêpe, l'ouverture et la multi-position.
Une chaleur uniforme est essentielle pour des connexions brasées de haute qualité. Pour ce faire, l'opérateur doit s'assurer que la distance verticale entre chaque boucle de bobine d'induction est petite et que la distance de couplage (largeur de l'espace entre le diamètre extérieur et le diamètre intérieur de la bobine) reste uniforme.
Ensuite, l'opérateur met l'appareil sous tension pour commencer le processus de chauffage du joint. Cela implique de transférer rapidement un courant alternatif de fréquence intermédiaire ou élevée d'une source d'alimentation à un inducteur pour créer un champ magnétique alternatif autour de celui-ci.
Le champ magnétique induit un courant sur la surface du joint, ce qui génère de la chaleur pour faire fondre le métal d'apport, lui permettant de s'écouler et de mouiller la surface de la pièce métallique, créant ainsi une liaison solide. Grâce à des bobines multi-positions, ce processus peut être effectué sur plusieurs pièces simultanément.
Un nettoyage final et une inspection de chaque composant brasé sont recommandés. Le lavage des pièces avec de l'eau chauffée à au moins 120 °F éliminera les résidus de flux et tout tartre formé pendant le brasage. La pièce doit être immergée dans l'eau une fois que le métal d'apport s'est solidifié mais que l'assemblage est encore chaud.
Selon la pièce, une inspection minimale peut être suivie d'essais non destructifs et destructifs. Les méthodes CND comprennent l'inspection visuelle et radiographique, ainsi que les tests d'étanchéité et d'étanchéité. Les méthodes d'essais destructifs courantes sont les essais métallographiques, de pelage, de traction, de cisaillement, de fatigue, de transfert et de torsion.
« Le brasage par induction nécessite un investissement initial plus important que la méthode au chalumeau, mais il en vaut la peine car il offre une efficacité et un contrôle accrus », a déclaré Holland. « Avec l'induction, quand on a besoin de chaleur, il suffit d'appuyer. Sinon, on appuie. »
Eldec fabrique une large gamme de sources d'alimentation pour le brasage par induction, comme la gamme de fréquence intermédiaire ECO LINE MF, disponible dans différentes configurations pour s'adapter au mieux à chaque application. Ces alimentations sont disponibles dans des puissances nominales allant de 5 à 150 kW et des fréquences de 8 à 40 Hz. Tous les modèles peuvent être équipés d'une fonction d'augmentation de puissance qui permet à l'opérateur d'augmenter la puissance nominale continue à 100 % de 50 % supplémentaires en 3 minutes. D'autres caractéristiques clés comprennent le contrôle de la température du pyromètre, l'enregistreur de température et l'interrupteur d'alimentation du transistor bipolaire à grille isolée. Ces consommables nécessitent peu d'entretien, fonctionnent silencieusement, ont un faible encombrement et s'intègrent facilement aux contrôleurs de cellules de travail.
Les fabricants de plusieurs secteurs industriels utilisent de plus en plus le brasage par induction pour assembler des pièces. Bausch désigne les fabricants d'équipements automobiles, aérospatiaux, médicaux et miniers comme les plus grands utilisateurs d'équipements de brasage par induction Ambrell.
« Le nombre de composants en aluminium brasés par induction dans l'industrie automobile continue d'augmenter grâce aux initiatives d'allègement », souligne Bausch. « Dans le secteur aéronautique, le nickel et d'autres types de plaquettes d'usure sont souvent brasés sur les aubes de réacteurs. Ces deux industries brasent également par induction divers raccords de tuyauterie en acier. »
Les six systèmes EasyHeat d'Ambrell ont une gamme de fréquences de 150 à 400 kHz et sont idéaux pour le brasage par induction de petites pièces de différentes géométries. Les compacts (0112 et 0224) offrent un contrôle de puissance avec une résolution de 25 watts ; les modèles de la série LI (3542, 5060, 7590, 8310) offrent un contrôle avec une résolution de 50 watts.
Les deux séries disposent d'une tête de travail amovible jusqu'à 10 pieds de la source d'alimentation. Les commandes du panneau avant du système sont programmables, permettant à l'utilisateur final de définir jusqu'à quatre profils de chauffage différents, chacun avec jusqu'à cinq étapes de temps et de puissance. Le contrôle de l'alimentation à distance est disponible pour une entrée de contact ou analogique, ou un port de données série en option.
« Nos principaux clients pour le brasage par induction sont les fabricants de pièces contenant du carbone ou de pièces de grande taille contenant un pourcentage élevé de fer », explique Rich Cukelj, responsable du développement commercial de Fusion. « Certaines de ces entreprises travaillent pour les secteurs de l'automobile et de l'aérospatiale, tandis que d'autres fabriquent des pistolets, des outils de coupe, des robinets et des canalisations de plomberie, ou encore des blocs de distribution électrique et des fusibles. »
Fusion vend des systèmes rotatifs personnalisés qui peuvent braser par induction de 100 à 1 000 pièces par heure. Selon Cukelj, des rendements plus élevés sont possibles pour un seul type de pièce ou pour une série spécifique de pièces. Ces pièces varient en taille de 2 à 14 pouces carrés.
« Chaque système est équipé d'un indexeur Stelron Components Inc. avec 8, 10 ou 12 postes de travail », explique Cukelj. « Certains postes sont utilisés pour le brasage, tandis que d'autres servent à l'inspection, à l'aide de caméras de vision ou d'équipements de mesure laser, ou à la réalisation d'essais de traction pour garantir des joints brasés de haute qualité. »
Les fabricants utilisent les alimentations électriques standard ECO LINE d'eldec pour une variété d'applications de brasage par induction, telles que le rétrécissement des rotors et des arbres ou l'assemblage des carters de moteur, a déclaré Holland. Plus récemment, un modèle de 100 kW de ce générateur a été utilisé dans une application de pièces de grande taille qui impliquait le brasage d'anneaux de circuit en cuivre sur des connexions de prises en cuivre pour les générateurs de barrages hydroélectriques.
Eldec fabrique également des alimentations portables MiniMICO qui peuvent être facilement déplacées dans l'usine avec une gamme de fréquences de 10 à 25 kHz. Il y a deux ans, un fabricant de tubes d'échangeurs de chaleur automobiles a utilisé MiniMICO pour braser par induction les coudes de retour de chaque tube. Une seule personne a effectué tout le brasage et il a fallu moins de 30 secondes pour assembler chaque tube.
Jim est rédacteur en chef chez ASSEMBLY avec plus de 30 ans d'expérience éditoriale. Avant de rejoindre ASSEMBLY, Camillo était ingénieur PM, rédacteur en chef de l'Association for Equipment Engineering Journal et du Milling Journal. Jim est titulaire d'un diplôme d'anglais de l'Université DePaul.
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