Quasi tutti i processi di assemblaggio possono essere eseguiti in diversi modi. L'opzione scelta da un produttore o da un integratore per ottenere i migliori risultati è solitamente quella che abbina una tecnologia collaudata a un'applicazione specifica.
La brasatura è uno di questi processi. La brasatura è un processo di unione dei metalli in cui due o più parti metalliche vengono unite fondendo il metallo d'apporto e facendolo scorrere nel giunto. Il metallo d'apporto ha un punto di fusione più basso 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 rivelando la scelta migliore per un numero crescente di applicazioni di assemblaggio.
"La brasatura a induzione è molto più sicura della brasatura a cannello, più veloce della brasatura in forno e più ripetibile di entrambe", ha affermato Steve Anderson, responsabile del settore tecnico e scientifico di prova presso Fusion Inc., un integratore di 88 anni di Willoughby, Ohio. Said è specializzato in una varietà di metodi di assemblaggio, inclusa la brasatura. "Inoltre, la brasatura a induzione è più semplice. Rispetto agli altri due metodi, tutto ciò che serve è la normale elettricità."
Qualche anno fa, Fusion ha sviluppato una macchina completamente automatica a sei stazioni per l'assemblaggio di 10 frese in metallo duro per la lavorazione dei metalli e la fabbricazione di utensili. Le frese vengono realizzate fissando pezzi grezzi cilindrici e conici in metallo duro 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 pezzi grezzi e portautensili.
"Un robot SCARA a quattro assi preleva un'impugnatura dal vassoio, la presenta al dosatore 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 è incollato. La brasatura a induzione viene eseguita utilizzando una bobina elettrica che avvolge verticalmente le due parti e porta il metallo d'apporto in argento a una temperatura di liquidus di 600 °C. Dopo che il componente della fresa è stato allineato e raffreddato, viene espulso attraverso uno scivolo di scarico e raccolto per ulteriori lavorazioni."
L'uso della brasatura a induzione per l'assemblaggio è in aumento, principalmente perché crea una forte connessione tra due parti metalliche e perché è molto efficace nell'unire materiali diversi. Anche le preoccupazioni ambientali, la tecnologia migliorata e le applicazioni non tradizionali stanno costringendo gli ingegneri di produzione a considerare più attentamente la brasatura a induzione.
La brasatura a induzione esiste dagli anni '50, sebbene il concetto di riscaldamento a induzione (utilizzando l'elettromagnetismo) fosse stato scoperto più di un secolo prima dallo scienziato britannico Michael Faraday. I cannelli manuali furono la prima fonte di calore per la brasatura, seguiti dai forni negli anni '20. Durante la seconda guerra mondiale, venivano spesso utilizzati metodi basati sui forni per produrre grandi quantità di parti metalliche con manodopera e costi minimi.
La domanda di aria condizionata da parte dei consumatori negli anni '60 e '70 ha creato nuove applicazioni per la brasatura a induzione. Infatti, la brasatura in massa dell'alluminio alla fine degli anni '70 ha dato vita a molti dei componenti presenti negli attuali sistemi di aria condizionata per autoveicoli.
"A differenza della brasatura a cannello, la brasatura a induzione non avviene a contatto e riduce al minimo il rischio di surriscaldamento", sottolinea Rick Bausch, responsabile vendite di Ambrell Corp., inTEST.temperature."
Secondo Greg Holland, responsabile vendite e operazioni presso eldec LLC, un sistema di brasatura a induzione standard è costituito da tre componenti: l'alimentatore, la testa di lavoro con la bobina di induzione e il refrigeratore o 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 da barre piene, cavi flessibili, billette lavorate o stampati in 3D da leghe di rame in polvere. Di solito, tuttavia, sono realizzati in tubi di rame cavi, attraverso i quali scorre l'acqua per diversi motivi. Uno è mantenere fredda la bobina contrastando il calore riflesso dalle parti durante il processo di brasatura. L'acqua che scorre impedisce anche l'accumulo di calore nelle bobine a causa della frequente presenza di corrente alternata e del conseguente trasferimento di calore inefficiente.
"A volte un concentratore di flusso viene posizionato sulla bobina per rafforzare il campo magnetico in uno o più punti della giunzione", spiega Holland. "Tali concentratori possono essere di tipo laminato, costituiti da sottili lamierini elettrici strettamente impilati, oppure da tubi ferromagnetici contenenti materiale ferromagnetico in polvere e legami dielettrici compressi ad alta pressione. Il vantaggio del concentratore è che riduce il tempo di ciclo, apportando più energia in aree specifiche della giunzione più velocemente, mantenendo al contempo le altre aree più fredde".
Prima di posizionare le parti metalliche per la brasatura a induzione, l'operatore deve impostare correttamente la frequenza e i livelli di potenza del sistema. La frequenza può variare da 5 a 500 kHz; più alta 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 pezzo delle dimensioni di un palmo di mano in 10-15 secondi sono necessari solo da 1 a 5 kilowatt. Per fare un confronto, i pezzi di grandi dimensioni possono richiedere da 50 a 100 kilowatt di potenza e impiegare fino a 5 minuti per la brasatura.
"Di norma, i componenti più piccoli consumano meno energia, ma richiedono frequenze più elevate, come da 100 a 300 kilohertz", ha affermato Bausch. "Al contrario, i componenti più grandi richiedono più potenza e frequenze più basse, in genere inferiori a 100 kilohertz".
Indipendentemente dalle dimensioni, le parti metalliche devono essere posizionate correttamente prima di essere fissate. Bisogna fare attenzione a mantenere uno spazio ridotto tra i metalli di base per consentire una corretta azione capillare del metallo d'apporto che scorre. I giunti di testa, sovrapposti e testa-sovrapposti sono il modo migliore per garantire questo spazio.
Sono accettabili quelli tradizionali o autofissanti. I dispositivi di fissaggio standard dovrebbero essere realizzati con materiali meno conduttivi, come acciaio inossidabile o ceramica, e toccare il meno possibile i componenti.
Progettando parti con cuciture ad incastro, bordature, depressioni o zigrinature, è possibile ottenere l'autofissazione senza la necessità di supporto meccanico.
I giunti vengono poi puliti con una carta vetrata o con un solvente per rimuovere contaminanti quali olio, grasso, ruggine, calcare e sporcizia. Questo passaggio migliora ulteriormente l'azione capillare del metallo d'apporto fuso che si diffonde attraverso le superfici adiacenti del giunto.
Dopo aver posizionato e pulito correttamente i componenti, l'operatore applica al giunto un composto per giunti (solitamente una pasta). Il composto è una miscela di metallo d'apporto, flusso (per prevenire l'ossidazione) e un legante che tiene insieme il metallo e il flusso prima della fusione.
I metalli d'apporto e i flussi utilizzati nella brasatura sono formulati per resistere a temperature più elevate rispetto a quelli utilizzati nella saldatura. I metalli d'apporto utilizzati per la brasatura fondono a temperature di almeno 842 °F e sono più resistenti una volta raffreddati. Tra questi rientrano leghe di alluminio-silicio, rame, rame-argento, ottone, bronzo, oro-argento, argento e nichel.
L'operatore posiziona quindi la bobina di induzione, disponibile in vari modelli. Le bobine elicoidali hanno una forma circolare oppure ovale e circondano completamente il pezzo, mentre le bobine a forcella (o a pinza) si trovano su ciascun lato del giunto e le bobine a canale si agganciano al pezzo. Altre bobine includono quelle a diametro interno (ID), ID/diametro esterno (OD), pancake, aperte e multiposizione.
Per ottenere connessioni brasate di alta qualità è essenziale un calore uniforme. Per fare ciò, l'operatore deve assicurarsi che la distanza verticale tra ciascun circuito della bobina di induzione sia ridotta e che la distanza di accoppiamento (larghezza dello spazio tra il diametro esterno e quello interno della bobina) rimanga uniforme.
Successivamente, l'operatore accende l'alimentazione per avviare il processo di riscaldamento del giunto. Ciò comporta il rapido trasferimento di corrente alternata a frequenza intermedia 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 metallo d'apporto, consentendogli di scorrere e bagnare la superficie della parte metallica, creando un legame forte. Utilizzando bobine multiposizione, questo processo può essere eseguito su più parti contemporaneamente.
Si consiglia la pulizia e l'ispezione finale di ogni componente brasato. Lavare i componenti con acqua calda almeno a 120 °F rimuoverà i residui di flusso e qualsiasi incrostazione formatasi durante la brasatura. Il componente deve essere immerso in acqua dopo che il metallo d'apporto si è solidificato, ma l'assemblaggio è ancora caldo.
A seconda del pezzo, un'ispezione minima può essere seguita da prove non distruttive e distruttive. I metodi NDT includono l'ispezione visiva e radiografica, nonché prove di tenuta e di tenuta stagna. I metodi di prova distruttivi 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 si ottengono maggiore efficienza e controllo", ha affermato Holland. "Con l'induzione, quando serve calore, basta premere. Quando non serve, si preme".
Eldec produce un'ampia gamma di generatori per la brasatura a induzione, come la linea a frequenza intermedia ECO LINE MF, disponibile in varie configurazioni per adattarsi al meglio a ciascuna applicazione. Questi generatori sono disponibili con potenze nominali da 5 a 150 kW e frequenze da 8 a 40 Hz. Tutti i modelli possono essere dotati di una funzione di aumento di potenza che consente all'operatore di aumentare il valore nominale di servizio continuo al 100% di un ulteriore 50% entro 3 minuti. Altre caratteristiche chiave includono il controllo della temperatura del pirometro, il registratore della temperatura e l'interruttore di potenza del transistor bipolare a gate isolato. Questi materiali di consumo richiedono poca manutenzione, funzionano silenziosamente, hanno un ingombro ridotto e sono facilmente integrabili con i controller delle celle di lavoro.
I produttori di diversi settori utilizzano sempre più spesso la brasatura a induzione per assemblare i componenti. Bausch indica i produttori dei settori automobilistico, aerospaziale, delle apparecchiature mediche e minerario come i maggiori utilizzatori delle apparecchiature per brasatura a induzione Ambrell.
"Il numero di componenti in alluminio brasati a induzione nell'industria automobilistica continua ad aumentare grazie alle iniziative di riduzione del peso", sottolinea Bausch. "Nel settore aerospaziale, nichel e altri tipi di pastiglie antiusura vengono spesso brasate alle pale dei jet. Entrambi i settori brasano a induzione anche vari raccordi per 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 piccole parti 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 fino a 3 metri dalla fonte di alimentazione. I controlli del pannello frontale del sistema sono programmabili, consentendo all'utente finale di definire fino a quattro diversi profili di riscaldamento, ciascuno con un massimo di cinque fasi di tempo e potenza. Il controllo remoto dell'alimentazione è disponibile per ingresso a contatto o analogico, oppure tramite porta dati seriale opzionale.
"I nostri principali clienti per la brasatura a induzione sono produttori di parti che contengono carbonio o parti di grandi dimensioni che contengono un'alta percentuale di ferro", spiega Rich Cukelj, responsabile dello sviluppo aziendale Fusion. "Alcune di queste aziende servono i settori automobilistico e aerospaziale, mentre altre producono pistole, gruppi di utensili da taglio, rubinetti e scarichi idraulici o blocchi di distribuzione dell'energia e fusibili".
Fusion vende sistemi rotanti personalizzati in grado di brasare a induzione da 100 a 1.000 pezzi all'ora. Secondo Cukelj, sono possibili 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 vengono utilizzate per l'ispezione, utilizzando telecamere o apparecchiature di misurazione laser, oppure eseguendo test di trazione per 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 serraggio a caldo di rotori e alberi o l'unione di alloggiamenti di motori, ha affermato Holland. Più di recente, un modello da 100 kW di questo generatore è stato utilizzato in un'applicazione di componenti di grandi dimensioni che prevedeva la brasatura di anelli di circuito in rame su connessioni di prese in rame per generatori di dighe idroelettriche.
Eldec produce anche alimentatori portatili MiniMICO che possono essere facilmente spostati all'interno della fabbrica, 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 ha eseguito tutta la brasatura e ci sono voluti meno di 30 secondi per assemblare ciascun tubo.
Jim è un redattore senior presso ASSEMBLY con oltre 30 anni di esperienza editoriale. Prima di entrare in ASSEMBLY, Camillo è stato ingegnere PM, redattore dell'Association for Equipment Engineering Journal e del Milling Journal. Jim ha una laurea in inglese conseguita presso la DePaul University.
Invia una richiesta di proposta (RFP) al fornitore di tua scelta e fai clic su un pulsante che descrive in dettaglio le tue esigenze
Consulta la nostra guida all'acquisto per trovare fornitori di tutti i tipi di tecnologie di assemblaggio, macchine e sistemi, fornitori di servizi e organizzazioni commerciali.
Da decenni Lean Six Sigma promuove gli sforzi di miglioramento continuo, ma i suoi limiti sono diventati evidenti. La raccolta dei dati richiede molto lavoro e può catturare solo piccoli campioni. Ora i dati possono essere catturati per lunghi periodi di tempo e in più posizioni a una frazione del costo dei vecchi metodi manuali.
I robot sono più economici e facili da usare che mai. Questa tecnologia è facilmente accessibile anche ai piccoli e medi produttori. Ascolta questa tavola rotonda esclusiva con i dirigenti di quattro dei principali fornitori di robotica americani: ATI Industrial Automation, Epson Robots, FANUC America e Universal Robots.