Quasi ogni processo di assemblaggio può essere eseguito in diversi modi. L'opzione che un produttore o un integratore sceglie per ottenere i migliori risultati è solitamente quella che abbina una tecnologia collaudata a una specifica applicazione.
La brasatura è uno di questi processi. La brasatura è un processo di giunzione dei metalli in cui due o più parti metalliche vengono unite fondendo un metallo d'apporto e facendolo fluire nella giunzione. Il metallo d'apporto ha un punto di fusione inferiore rispetto alle parti metalliche adiacenti.
Il calore per la brasatura può essere fornito da torce, forni o bobine a induzione. Durante la brasatura a induzione, una bobina a induzione crea un campo magnetico che riscalda il substrato per fondere il metallo d'apporto. La brasatura a induzione si sta dimostrando la scelta migliore per un numero crescente di applicazioni di assemblaggio.
"La brasatura a induzione è molto più sicura della brasatura a fiamma, più veloce della brasatura in forno e più ripetibile di entrambe", ha affermato Steve Anderson, responsabile della ricerca e sviluppo sul campo presso Fusion Inc., un'azienda di integrazione con 88 anni di storia a Willoughby, Ohio, specializzata in diversi metodi di assemblaggio, tra cui la brasatura. "Inoltre, la brasatura a induzione è più semplice. Rispetto agli altri due metodi, tutto ciò di cui si ha bisogno è la normale corrente elettrica."
Alcuni anni fa, Fusion ha sviluppato una macchina completamente automatica a sei stazioni per l'assemblaggio di 10 frese in carburo per la lavorazione dei metalli e la fabbricazione di utensili. Le frese sono realizzate fissando dei semilavorati cilindrici e conici in carburo di tungsteno a un gambo in acciaio. La velocità di produzione è di 250 pezzi all'ora e il vassoio separato per i pezzi può contenere 144 semilavorati e portautensili.
"Un robot SCARA a quattro assi preleva un'impugnatura dal vassoio, la presenta al dispenser di pasta saldante e la carica nel nido di presa", spiega Anderson. "Il robot preleva quindi un pezzo grezzo dal vassoio e lo posiziona sull'estremità del gambo a cui viene incollato. La brasatura a induzione viene eseguita utilizzando una bobina elettrica che avvolge verticalmente le due parti e porta il metallo d'apporto d'argento a una temperatura di liquidus di 700 °C. Dopo che il componente con la bava è stato allineato e raffreddato, viene espulso attraverso uno scivolo di scarico e raccolto per l'ulteriore lavorazione."
L'utilizzo della brasatura a induzione per l'assemblaggio è in aumento, principalmente perché crea un forte legame tra due parti metalliche ed è molto efficace nell'unire materiali diversi. Anche le preoccupazioni ambientali, il miglioramento della tecnologia e le applicazioni non tradizionali stanno spingendo gli ingegneri di produzione a esaminare più attentamente la brasatura a induzione.
La brasatura a induzione esiste dagli anni '50, sebbene il concetto di riscaldamento a induzione (che utilizza l'elettromagnetismo) sia stato scoperto più di un secolo prima dallo scienziato britannico Michael Faraday. Le prime fonti di calore per la brasatura furono le torce a mano, seguite dai forni negli anni '20. Durante la seconda guerra mondiale, i metodi basati sui forni furono spesso utilizzati per produrre grandi quantità di componenti metallici con manodopera e costi minimi.
La crescente domanda di aria condizionata da parte dei consumatori negli anni '60 e '70 ha portato alla creazione di nuove applicazioni per la brasatura a induzione. Infatti, la brasatura di massa dell'alluminio alla fine degli anni '70 ha dato origine a molti dei componenti presenti negli attuali sistemi di climatizzazione per autoveicoli.
"A differenza della brasatura a fiamma, la brasatura a induzione è senza contatto e riduce al minimo il rischio di surriscaldamento", osserva Rick Bausch, responsabile vendite di Ambrell Corp., inTEST.temperature."
Secondo Greg Holland, responsabile vendite e operazioni presso eldec LLC, un sistema standard di brasatura a induzione è composto da tre componenti: l'alimentatore, la testa di lavoro con la bobina di induzione e il sistema di raffreddamento.
L'alimentatore è collegato alla testa di lavoro e le bobine sono progettate su misura per adattarsi al giunto. Gli induttori possono essere realizzati con barre solide, cavi flessibili, billette lavorate o stampati in 3D da leghe di rame in polvere. Solitamente, tuttavia, sono realizzati con tubi di rame cavi, attraverso i quali scorre acqua per diversi motivi. Uno di questi è mantenere la bobina fredda contrastando il calore riflesso dai pezzi durante il processo di brasatura. Il flusso d'acqua impedisce inoltre l'accumulo di calore nelle bobine dovuto alla frequente presenza di corrente alternata e al conseguente inefficiente trasferimento di calore.
"A volte, per intensificare il campo magnetico in uno o più punti della giunzione, si posiziona un concentratore di flusso sulla bobina", spiega Holland. "Tali concentratori possono essere del tipo laminato, costituiti da sottili strati di acciaio elettrico strettamente sovrapposti, oppure tubi ferromagnetici contenenti materiale ferromagnetico in polvere e legami dielettrici compressi ad alta pressione. Il vantaggio del concentratore è che riduce i tempi di ciclo portando più energia in aree specifiche della giunzione più rapidamente, mantenendo al contempo le altre aree più fredde."
Prima di posizionare i pezzi metallici per la brasatura a induzione, l'operatore deve impostare correttamente la frequenza e la potenza del sistema. La frequenza può variare da 5 a 500 kHz; maggiore è la frequenza, più velocemente si riscalda la superficie.
Gli alimentatori sono spesso in grado di produrre centinaia di kilowatt di elettricità. Tuttavia, per brasare un componente delle dimensioni di un palmo in 10-15 secondi sono necessari solo 1-5 kilowatt. Al contrario, i componenti di grandi dimensioni possono richiedere da 50 a 100 kilowatt di potenza e impiegare fino a 5 minuti per essere brasati.
"In linea generale, i componenti più piccoli consumano meno energia, ma richiedono frequenze più elevate, come quelle comprese tra 100 e 300 kilohertz", ha affermato Bausch. "Al contrario, i componenti più grandi richiedono più energia e frequenze più basse, in genere inferiori a 100 kilohertz."
Indipendentemente dalle loro dimensioni, i componenti metallici devono essere posizionati correttamente prima di essere fissati. È necessario prestare attenzione a mantenere uno spazio ridotto tra i metalli di base per consentire una corretta azione capillare del materiale d'apporto fuso. I giunti testa a testa, a sovrapposizione e testa a sovrapposizione sono il modo migliore per garantire questo spazio.
Sono accettabili sia i fissaggi tradizionali che quelli autofilettanti. I fissaggi standard devono essere realizzati con materiali meno conduttivi, come acciaio inossidabile o ceramica, e devono entrare in contatto con i componenti il ​​meno possibile.
Progettando componenti con giunture ad incastro, stampaggi, incavi o zigrinature, è possibile ottenere l'autofissazione senza bisogno di supporto meccanico.
Le giunzioni vengono quindi pulite con una spugnetta abrasiva o un solvente per rimuovere contaminanti come olio, grasso, ruggine, incrostazioni e sporcizia. Questo passaggio migliora ulteriormente l'azione capillare del metallo d'apporto fuso, che si diffonde attraverso le superfici adiacenti della giunzione.
Dopo che i componenti sono stati posizionati e puliti correttamente, l'operatore applica un composto per giunti (di solito una pasta) al giunto. Il composto è una miscela di metallo d'apporto, flussante (per prevenire l'ossidazione) e un legante che tiene insieme il metallo e il flussante prima della fusione.
I materiali d'apporto e i flussi utilizzati nella brasatura sono formulati per resistere a temperature più elevate rispetto a quelli impiegati nella saldatura. I materiali d'apporto utilizzati per la brasatura fondono a temperature di almeno 842 °F (400 °C) e risultano più resistenti una volta raffreddati. Tra questi figurano leghe di alluminio-silicio, rame, rame-argento, ottone, bronzo, oro-argento, argento e nichel.
L'operatore posiziona quindi la bobina a induzione, disponibile in diverse tipologie. Le bobine elicoidali hanno forma circolare o ovale e avvolgono completamente il pezzo, mentre le bobine a forcella (o a pinza) si trovano su entrambi i lati del giunto e le bobine a canale si agganciano al pezzo. Altre tipologie di bobine includono quelle per diametro interno (ID), ID/diametro esterno (OD), a disco, aperte e multiposizione.
Per ottenere saldature di alta qualità, è essenziale un riscaldamento uniforme. A tal fine, l'operatore deve assicurarsi che la distanza verticale tra le spire della bobina a induzione sia ridotta e che la distanza di accoppiamento (larghezza dell'intercapedine tra il diametro esterno e quello interno della bobina) rimanga uniforme.
In seguito, l'operatore accende l'alimentazione per avviare il processo di riscaldamento del giunto. Questo processo prevede il trasferimento rapido di corrente alternata a frequenza media o alta da una fonte di alimentazione a un induttore per creare un campo magnetico alternato attorno ad esso.
Il campo magnetico induce una corrente sulla superficie del giunto, che genera calore per fondere il materiale d'apporto, permettendogli di fluire e bagnare la superficie del componente metallico, creando un legame forte. Utilizzando bobine multiposizione, questo processo può essere eseguito su più pezzi contemporaneamente.
Si raccomanda la pulizia finale e l'ispezione di ogni componente brasato. Il lavaggio dei pezzi con acqua riscaldata ad almeno 120 °F (49 °C) rimuoverà i residui di flussante e qualsiasi scaglia formatasi durante la brasatura. Il pezzo deve essere immerso in acqua dopo che il materiale d'apporto si è solidificato, ma quando l'assemblaggio è ancora caldo.
A seconda del componente, un'ispezione minima può essere seguita da controlli non distruttivi e distruttivi. I metodi di controllo non distruttivo includono l'ispezione visiva e radiografica, nonché prove di tenuta e di resistenza. I metodi di controllo distruttivo più comuni sono le prove metallografiche, di pelatura, di trazione, di taglio, di fatica, di trasferimento e di torsione.
"La brasatura a induzione richiede un investimento iniziale maggiore rispetto al metodo a cannello, ma ne vale la pena perché offre maggiore efficienza e controllo", ha affermato Holland. "Con l'induzione, quando serve calore, basta premere. Quando non serve, si preme di nuovo."
Eldec produce una vasta gamma di alimentatori per la brasatura a induzione, come la linea a media frequenza ECO LINE MF, disponibile in diverse configurazioni per adattarsi al meglio a ogni applicazione. Questi alimentatori sono disponibili con potenze da 5 a 150 kW e frequenze da 8 a 40 Hz. Tutti i modelli possono essere dotati di una funzione di boost di potenza che consente all'operatore di incrementare la potenza nominale di lavoro continuo del 100% di un ulteriore 50% in 3 minuti. Altre caratteristiche principali includono il controllo della temperatura tramite pirometro, il registratore di temperatura e l'interruttore di potenza a transistor bipolare a gate isolato (IGBT). Questi materiali di consumo richiedono poca manutenzione, funzionano silenziosamente, hanno un ingombro ridotto e si integrano facilmente con i controllori delle celle di lavoro.
I produttori di diversi settori utilizzano sempre più la brasatura a induzione per assemblare i componenti. Bausch indica i produttori di automobili, aerospaziali, di apparecchiature mediche e di attrezzature minerarie come i maggiori utilizzatori delle apparecchiature di brasatura a induzione Ambrell.
"Il numero di componenti in alluminio brasati a induzione nell'industria automobilistica continua ad aumentare a causa delle iniziative di riduzione del peso", sottolinea Bausch. "Nel settore aerospaziale, i cuscinetti di usura in nichel e di altri materiali vengono spesso brasati alle pale dei jet. Entrambi i settori utilizzano anche la brasatura a induzione per diversi raccordi di tubi in acciaio."
Tutti e sei i sistemi EasyHeat di Ambrell hanno una gamma di frequenza da 150 a 400 kHz e sono ideali per la brasatura a induzione di piccoli componenti di varie geometrie. I modelli compatti (0112 e 0224) offrono un controllo della potenza con una risoluzione di 25 watt; i modelli della serie LI (3542, 5060, 7590, 8310) offrono un controllo con una risoluzione di 50 watt.
Entrambe le serie sono dotate di una testa di lavoro rimovibile posizionabile fino a 3 metri dalla fonte di alimentazione. I comandi sul pannello frontale del sistema sono programmabili e consentono all'utente finale di definire fino a quattro profili di riscaldamento diversi, ciascuno con un massimo di cinque livelli di tempo e potenza. Il controllo remoto dell'alimentazione è disponibile tramite ingresso a contatto o analogico, oppure tramite porta dati seriale opzionale.
"I nostri principali clienti per la brasatura a induzione sono i produttori di componenti contenenti carbonio, oppure di componenti di grandi dimensioni con un'alta percentuale di ferro", spiega Rich Cukelj, responsabile dello sviluppo commerciale di Fusion. "Alcune di queste aziende operano nei settori automobilistico e aerospaziale, mentre altre producono armi, assemblaggi di utensili da taglio, rubinetti e scarichi idraulici, blocchi di distribuzione di energia e fusibili."
Fusion vende sistemi rotativi personalizzati in grado di brasare a induzione da 100 a 1.000 pezzi all'ora. Secondo Cukelj, è possibile ottenere rese più elevate per un singolo tipo di pezzo o per una serie specifica di pezzi. Le dimensioni di questi pezzi variano da 2 a 14 pollici quadrati.
"Ogni sistema contiene un indicizzatore della Stelron Components Inc. con 8, 10 o 12 postazioni di lavoro", spiega Cukelj. "Alcune postazioni di lavoro vengono utilizzate per la brasatura, mentre altre sono impiegate per l'ispezione, tramite telecamere o apparecchiature di misurazione laser, oppure per eseguire prove di trazione al fine di garantire giunzioni brasate di alta qualità."
I produttori utilizzano gli alimentatori standard ECO LINE di eldec per una varietà di applicazioni di brasatura a induzione, come il montaggio a caldo di rotori e alberi o la giunzione di carter motore, ha affermato Holland. Più recentemente, un modello da 100 kW di questo generatore è stato utilizzato in un'applicazione di grandi dimensioni che prevedeva la brasatura di anelli di circuito in rame su connessioni di derivazione in rame per generatori di dighe idroelettriche.
Eldec produce anche alimentatori portatili MiniMICO che possono essere facilmente spostati all'interno dello stabilimento, con una gamma di frequenza da 10 a 25 kHz. Due anni fa, un produttore di tubi per scambiatori di calore per autoveicoli ha utilizzato MiniMICO per brasare a induzione i gomiti di ritorno di ciascun tubo. Una sola persona si è occupata di tutta la brasatura e l'assemblaggio di ciascun tubo ha richiesto meno di 30 secondi.
Jim è un redattore senior di ASSEMBLY con oltre 30 anni di esperienza editoriale. Prima di entrare in ASSEMBLY, Camillo è stato PM Engineer, redattore dell'Association for Equipment Engineering Journal e del Milling Journal. Jim ha conseguito una laurea in inglese presso la DePaul University.
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