Vrijwel elk assemblageproces kan op verschillende manieren worden uitgevoerd. De optie die een fabrikant of integrator kiest voor de beste resultaten is meestal een combinatie van een beproefde technologie en een specifieke toepassing.
Solderen is een voorbeeld van zo'n proces. Solderen is een metaalverbindingsproces waarbij twee of meer metalen onderdelen met elkaar worden verbonden door een vulmetaal te smelten en in de verbinding te laten vloeien. Het vulmetaal heeft een lager smeltpunt dan de aangrenzende metalen onderdelen.
De warmte voor het solderen kan worden geleverd door branders, ovens of inductiespoelen. Bij inductiesolderen wekt een inductiespoel een magnetisch veld op dat het substraat verwarmt om het vulmetaal te smelten. Inductiesolderen blijkt de beste keuze te zijn voor een groeiend aantal assemblageprocessen.
"Inductiesolderen is veel veiliger dan solderen met een brander, sneller dan solderen in een oven en betrouwbaarder dan beide," aldus Steve Anderson, manager veld- en testwetenschap bij Fusion Inc., een 88 jaar oud integratorbedrijf in Willoughby, Ohio. Said is gespecialiseerd in diverse montagemethoden, waaronder solderen. "Bovendien is inductiesolderen eenvoudiger. In vergelijking met de andere twee methoden heb je eigenlijk alleen standaard elektriciteit nodig."
Enkele jaren geleden ontwikkelde Fusion een volledig automatische machine met zes stations voor het assembleren van 10 hardmetalen frezen voor metaalbewerking en gereedschapsproductie. De frezen worden gemaakt door cilindrische en conische wolfraamcarbide blanks aan een stalen schacht te bevestigen. De productiesnelheid bedraagt ​​250 onderdelen per uur en de aparte onderdelenlade biedt plaats aan 144 blanks en gereedschapshouders.
“Een vierassige SCARA-robot pakt een handvat van de lade, presenteert het aan de soldeerpasta-dispenser en plaatst het in de grijper,” legt Anderson uit. “De robot pakt vervolgens een stuk blanco materiaal van de lade en plaatst het op het uiteinde van de schacht waaraan het wordt vastgelijmd. Inductiesolderen wordt uitgevoerd met behulp van een elektrische spoel die verticaal om de twee onderdelen heen loopt en het zilversoldeer tot een liquidustemperatuur van 760 °C brengt. Nadat het braamvrije onderdeel is uitgelijnd en afgekoeld, wordt het via een afvoergoot afgevoerd en verzameld voor verdere verwerking.”
Het gebruik van inductiesolderen voor assemblage neemt toe, voornamelijk omdat het een sterke verbinding creëert tussen twee metalen onderdelen en omdat het zeer effectief is bij het verbinden van verschillende materialen. Milieuoverwegingen, verbeterde technologie en niet-traditionele toepassingen dwingen productie-ingenieurs er ook toe om inductiesolderen nader te bekijken.
Inductiesolderen bestaat al sinds de jaren 50, hoewel het concept van inductieverwarming (met behulp van elektromagnetisme) al meer dan een eeuw eerder werd ontdekt door de Britse wetenschapper Michael Faraday. Handbranders waren de eerste warmtebron voor solderen, gevolgd door ovens in de jaren 20. Tijdens de Tweede Wereldoorlog werden ovenmethoden veelvuldig gebruikt om grote hoeveelheden metalen onderdelen te produceren met minimale arbeid en kosten.
De vraag naar airconditioning in de jaren zestig en zeventig leidde tot nieuwe toepassingen voor inductiesolderen. Zo resulteerde het massaal solderen van aluminium eind jaren zeventig in veel van de onderdelen die we tegenwoordig in auto-airconditioningsystemen aantreffen.
"In tegenstelling tot solderen met een brander, is inductiesolderen contactloos en minimaliseert het het risico op oververhitting", aldus Rick Bausch, verkoopmanager bij Ambrell Corp., inTEST.temperature.
Volgens Greg Holland, verkoop- en operationeel manager bij eldec LLC, bestaat een standaard inductiesoldeersysteem uit drie componenten: de voeding, de werkkop met de inductiespoel en de koeler of het koelsysteem.
De voeding is aangesloten op de werkkop en de spoelen zijn op maat gemaakt om rond de verbinding te passen. Inductoren kunnen worden gemaakt van massieve staven, flexibele kabels, bewerkte blokken of 3D-geprint van koperlegeringen in poedervorm. Meestal zijn ze echter gemaakt van holle koperen buizen, waar water doorheen stroomt om verschillende redenen. Een daarvan is om de spoel koel te houden door de warmte die door de onderdelen tijdens het soldeerproces wordt weerkaatst tegen te gaan. Het stromende water voorkomt ook warmteophoping in de spoelen als gevolg van de frequente aanwezigheid van wisselstroom en de daaruit voortvloeiende inefficiënte warmteoverdracht.
"Soms wordt een fluxconcentrator op de spoel geplaatst om het magnetische veld op een of meer punten in de verbinding te versterken", legt Holland uit. "Dergelijke concentratoren kunnen van het laminaattype zijn, bestaande uit dunne, strak op elkaar gestapelde lagen elektrisch staal, of ferromagnetische buizen met ferromagnetisch poeder en diëlektrische bindmiddelen die onder hoge druk zijn samengeperst. Het voordeel van de concentrator is dat deze de cyclustijd verkort door sneller meer energie naar specifieke delen van de verbinding te brengen, terwijl andere delen koeler blijven."
Voordat metalen onderdelen voor inductiesolderen worden gepositioneerd, moet de operator de frequentie en het vermogen van het systeem correct instellen. De frequentie kan variëren van 5 tot 500 kHz; hoe hoger de frequentie, hoe sneller het oppervlak opwarmt.
Voedingen kunnen vaak honderden kilowatt aan elektriciteit produceren. Het solderen van een onderdeel ter grootte van een handpalm duurt echter slechts 1 tot 5 kilowatt en duurt 10 tot 15 seconden. Ter vergelijking: voor grotere onderdelen kan 50 tot 100 kilowatt aan vermogen nodig zijn en kan het solderen tot 5 minuten duren.
"Over het algemeen verbruiken kleinere componenten minder stroom, maar vereisen ze hogere frequenties, zoals 100 tot 300 kilohertz", aldus Bausch. "Grotere componenten daarentegen verbruiken meer stroom en hebben lagere frequenties nodig, doorgaans onder de 100 kilohertz."
Ongeacht hun grootte moeten metalen onderdelen correct gepositioneerd worden voordat ze bevestigd worden. Er moet zorgvuldig op gelet worden dat er een kleine opening tussen de basismetalen aanwezig is, zodat het vulmetaal goed kan uitharden door middel van capillaire werking. Stompe, overlappende en stompe-overlappende verbindingen zijn de beste manier om deze speling te garanderen.
Traditionele of zelfbevestigende armaturen zijn acceptabel. Standaardarmaturen dienen gemaakt te zijn van minder geleidende materialen zoals roestvrij staal of keramiek, en de componenten zo min mogelijk aan te raken.
Door onderdelen te ontwerpen met in elkaar grijpende naden, persverbindingen, inkepingen of kartels, kan zelfbevestiging worden bereikt zonder dat mechanische ondersteuning nodig is.
De voegen worden vervolgens gereinigd met schuurpapier of een oplosmiddel om verontreinigingen zoals olie, vet, roest, aanslag en vuil te verwijderen. Deze stap verbetert de capillaire werking van het gesmolten vulmetaal, waardoor het zich door de aangrenzende oppervlakken van de voeg heen trekt.
Nadat de onderdelen goed op hun plaats zitten en gereinigd zijn, brengt de operator een voegmiddel (meestal een pasta) aan op de verbinding. Dit voegmiddel is een mengsel van vulmetaal, vloeimiddel (om oxidatie te voorkomen) en een bindmiddel dat het metaal en het vloeimiddel bij elkaar houdt voordat het smelt.
De vulmetalen en vloeimiddelen die bij hardsolderen worden gebruikt, zijn zo samengesteld dat ze hogere temperaturen kunnen weerstaan ​​dan die welke bij zachtsolderen worden gebruikt. Vulmetalen die voor hardsolderen worden gebruikt, smelten bij temperaturen van ten minste 400 °C en worden sterker na afkoeling. Voorbeelden hiervan zijn aluminium-silicium, koper, koper-zilver, messing, brons, goud-zilver, zilver en nikkellegeringen.
De operator positioneert vervolgens de inductiespoel, die verkrijgbaar is in verschillende uitvoeringen. Spiraalvormige spoelen zijn cirkelvormig of ovaal en omsluiten het onderdeel volledig, terwijl vorkspoelen (of tangspoelen) aan weerszijden van de verbinding zijn geplaatst en kanaalspoelen aan het onderdeel vastklikken. Andere spoeltypen zijn onder andere binnendiameter (ID), binnendiameter/buitendiameter (OD), platte spoelen, open spoelen en spoelen met meerdere posities.
Gelijkmatige warmteverdeling is essentieel voor hoogwaardige soldeerverbindingen. Om dit te bereiken, moet de operator ervoor zorgen dat de verticale afstand tussen elke inductiespoel klein is en dat de koppelingsafstand (de afstand tussen de buitendiameter en de binnendiameter van de spoel) uniform blijft.
Vervolgens schakelt de operator de stroom in om het verwarmingsproces van de verbinding te starten. Dit houdt in dat een wisselstroom met een gemiddelde of hoge frequentie snel van een stroombron naar een inductor wordt geleid om een ​​wisselend magnetisch veld eromheen te creëren.
Het magnetische veld induceert een stroom op het oppervlak van de verbinding, waardoor warmte ontstaat die het vulmetaal doet smelten. Hierdoor kan het metaal vloeien en het oppervlak van het metalen onderdeel bevochtigen, wat een sterke verbinding creëert. Door gebruik te maken van spoelen met meerdere posities kan dit proces gelijktijdig op meerdere onderdelen worden uitgevoerd.
Het wordt aanbevolen om elk gesoldeerd onderdeel grondig te reinigen en te inspecteren. Door de onderdelen te wassen met water van minimaal 50 °C (120 °F) worden fluxresten en eventuele aanslag die tijdens het solderen is ontstaan, verwijderd. Het onderdeel moet in water worden ondergedompeld nadat het vulmetaal is gestold, maar het geheel nog heet is.
Afhankelijk van het onderdeel kan een minimale inspectie worden gevolgd door niet-destructief en destructief onderzoek. NDT-methoden omvatten visuele en röntgeninspectie, evenals lek- en drukproeven. Gangbare destructieve testmethoden zijn metallografisch onderzoek, afpelproeven, trekproeven, schuifproeven, vermoeiingsproeven, overdrachtsproeven en torsieproeven.
"Inductiesolderen vereist weliswaar een grotere investering vooraf dan de brandermethode, maar het is de moeite waard vanwege de extra efficiëntie en controle", aldus Holland. "Bij inductie hoef je alleen maar te drukken als je warmte nodig hebt. En als je geen warmte nodig hebt, druk je ook gewoon."
Eldec produceert een breed scala aan stroombronnen voor inductiesolderen, zoals de ECO LINE MF middenfrequentielijn, die verkrijgbaar is in verschillende configuraties om optimaal aan elke toepassing te voldoen. Deze voedingen zijn verkrijgbaar met vermogens van 5 tot 150 kW en frequenties van 8 tot 40 Hz. Alle modellen kunnen worden uitgerust met een vermogensboostfunctie waarmee de gebruiker het continue vermogen van 100% binnen 3 minuten met nog eens 50% kan verhogen. Andere belangrijke kenmerken zijn pyrometrische temperatuurregeling, temperatuurregistratie en een vermogensschakelaar met geïsoleerde gate-bipolaire transistor. Deze verbruiksartikelen vereisen weinig onderhoud, werken stil, hebben een compact formaat en kunnen eenvoudig worden geïntegreerd met werkcelcontrollers.
Fabrikanten in diverse sectoren maken steeds vaker gebruik van inductiesolderen voor de assemblage van onderdelen. Bausch wijst op fabrikanten van auto-, ruimtevaart-, medische apparatuur- en mijnbouwapparatuur als de grootste afnemers van Ambrell inductiesolderapparatuur.
"Het aantal inductief gesoldeerde aluminium componenten in de auto-industrie blijft toenemen vanwege initiatieven om het gewicht te verminderen", aldus Bausch. "In de lucht- en ruimtevaartsector worden nikkel en andere soorten slijtplaten vaak aan straalmotorbladen gesoldeerd. Beide industrieën solderen ook diverse stalen buisfittingen met behulp van inductielassen."
Alle zes EasyHeat-systemen van Ambrell hebben een frequentiebereik van 150 tot 400 kHz en zijn ideaal voor inductiesolderen van kleine onderdelen met diverse geometrieën. De compacte modellen (0112 en 0224) bieden vermogensregeling met een resolutie van 25 watt; de modellen in de LI-serie (3542, 5060, 7590, 8310) bieden regeling met een resolutie van 50 watt.
Beide series hebben een verwijderbare werkkop die tot 3 meter van de stroombron verwijderd kan worden. De bedieningselementen op het voorpaneel van het systeem zijn programmeerbaar, waardoor de gebruiker tot vier verschillende verwarmingsprofielen kan definiëren, elk met maximaal vijf tijd- en vermogensstappen. Bediening op afstand is mogelijk via contact- of analoge ingang, of een optionele seriële datapoort.
"Onze belangrijkste klanten voor inductiesolderen zijn fabrikanten van onderdelen die koolstof bevatten, of grote onderdelen met een hoog ijzergehalte", legt Rich Cukelj, Business Development Manager bij Fusion, uit. "Sommige van deze bedrijven zijn actief in de auto- en luchtvaartindustrie, terwijl anderen wapens, snijgereedschappen, kranen en afvoeren voor sanitair, of stroomverdeelblokken en zekeringen maken."
Fusion verkoopt op maat gemaakte roterende systemen waarmee 100 tot 1000 onderdelen per uur inductief gesoldeerd kunnen worden. Volgens Cukelj zijn hogere opbrengsten mogelijk voor één type onderdeel of voor een specifieke serie onderdelen. Deze onderdelen variëren in grootte van 2 tot 14 vierkante inch.
"Elk systeem bevat een indexeerder van Stelron Components Inc. met 8, 10 of 12 werkstations", legt Cukelj uit. "Sommige werkstations worden gebruikt voor solderen, terwijl andere worden gebruikt voor inspectie, met behulp van camera's of lasermeetapparatuur, of voor het uitvoeren van trekproeven om de kwaliteit van de gesoldeerde verbindingen te garanderen."
Fabrikanten gebruiken de standaard ECO LINE-voedingen van eldec voor diverse inductiesoldeerprocessen, zoals het krimpen van rotors en assen, of het verbinden van motorbehuizingen, aldus Holland. Onlangs werd een 100 kW-model van deze generator gebruikt voor een grootschalige toepassing waarbij koperen circuitringen aan koperen aftakkingen voor generatoren van waterkrachtcentrales werden gesoldeerd.
Eldec produceert ook draagbare MiniMICO-voedingen die gemakkelijk in de fabriek verplaatst kunnen worden en een frequentiebereik hebben van 10 tot 25 kHz. Twee jaar geleden gebruikte een fabrikant van warmtewisselaarbuizen voor de auto-industrie MiniMICO om retourbochten aan elke buis te solderen met behulp van inductielassen. Eén persoon deed al het solderen en het duurde minder dan 30 seconden om elke buis te monteren.
Jim is senior redacteur bij ASSEMBLY en heeft meer dan 30 jaar redactionele ervaring. Voordat hij bij ASSEMBLY kwam, was Camillo PM Engineer en redacteur van de Association for Equipment Engineering Journal en Milling Journal. Jim heeft een graad in Engelse taal- en letterkunde van DePaul University.
Dien een offerteaanvraag (RFP) in bij een leverancier naar keuze en klik op een knop om uw behoeften te specificeren.
Raadpleeg onze kopersgids om leveranciers te vinden van alle soorten montagetechnologie, machines en systemen, dienstverleners en brancheorganisaties.
Lean Six Sigma stimuleert al decennialang continue verbetering, maar de tekortkomingen ervan zijn aan het licht gekomen. Gegevensverzameling is arbeidsintensief en kan slechts kleine steekproeven omvatten. Nu kunnen gegevens over langere perioden en op meerdere locaties worden verzameld tegen een fractie van de kosten van oudere, handmatige methoden.
Robots zijn goedkoper en gebruiksvriendelijker dan ooit. Deze technologie is nu ook beschikbaar voor kleine en middelgrote fabrikanten. Luister naar deze exclusieve paneldiscussie met leidinggevenden van vier van Amerika's grootste leveranciers van robotica: ATI Industrial Automation, Epson Robots, FANUC America en Universal Robots.