Vrijwel elk assemblageproces kan op verschillende manieren worden uitgevoerd. De optie die een fabrikant of integrator kiest voor de beste resultaten, is doorgaans de optie die een bewezen technologie koppelt aan een specifieke toepassing.
Solderen is zo'n proces. Solderen is een metaalverbindingsproces waarbij twee of meer metalen delen worden verbonden door toevoegmetaal te smelten en dit in de verbinding te laten stromen. Het toevoegmetaal heeft een lager smeltpunt dan de aangrenzende metalen delen.
De hitte voor het solderen kan worden geleverd door branders, ovens of inductiespoelen. Bij inductiesolderen creëert een inductiespoel een magnetisch veld dat het substraat verwarmt, waardoor het toevoegmateriaal smelt. Inductiesolderen blijkt de beste keuze te zijn voor een groeiend aantal assemblagetoepassingen.
"Inductiesolderen is veel veiliger dan brandersolderen, sneller dan ovensolderen en met een hogere herhaalbaarheid dan beide", aldus Steve Anderson, manager veld- en testwetenschappen bij Fusion Inc., een 88 jaar oude integrator in Willoughby, Ohio. Said is gespecialiseerd in diverse assemblagemethoden, waaronder solderen. "Bovendien is inductiesolderen gemakkelijker. Vergeleken met de andere twee methoden heb je eigenlijk alleen standaard elektriciteit nodig."
Een paar jaar geleden ontwikkelde Fusion een volautomatische machine met zes stations voor het monteren van 10 hardmetalen frezen voor metaalbewerking en gereedschapsmakerij. De frezen worden gemaakt door cilindrische en conische hardmetalen plaatjes op een stalen schacht te bevestigen. De productiesnelheid bedraagt ​​250 onderdelen per uur en de aparte onderdelenbak kan 144 plaatjes en gereedschapshouders bevatten.
"Een vierassige SCARA-robot pakt een handvat uit de tray, presenteert het aan de soldeerpastadispenser en laadt het in het grijpernest", legt Anderson uit. "Vervolgens pakt de robot een stuk plaat uit de tray en plaatst dit op het uiteinde van de schacht waaraan het is gelijmd. Inductief solderen wordt uitgevoerd met behulp van een elektrische spoel die verticaal om de twee onderdelen wikkelt en het zilvervulmetaal op een liquidustemperatuur van 700 °C brengt. Nadat het braamcomponent is uitgelijnd en afgekoeld, wordt het via een afvoergoot uitgeworpen 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. Ook milieuoverwegingen, verbeterde technologie en niet-traditionele toepassingen dwingen productietechnici om inductiesolderen nader te bekijken.
Inductief solderen bestaat al sinds de jaren 50, hoewel het concept van inductieverhitting (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 ovengebaseerde methoden veelvuldig gebruikt om grote hoeveelheden metalen onderdelen te produceren met minimale arbeid en kosten.
De vraag van consumenten naar airconditioning in de jaren 60 en 70 zorgde voor nieuwe toepassingen voor inductiesolderen. Sterker nog, het massaal solderen van aluminium aan het eind van de jaren 70 resulteerde in veel van de componenten die we nu in de airconditioningsystemen van auto's terugvinden.
"In tegenstelling tot brander-solderen is inductie-solderen contactloos en minimaliseert het het risico op oververhitting", aldus Rick Bausch, salesmanager voor Ambrell Corp., inTEST.temperature.
Volgens Greg Holland, sales- en operationsmanager bij eldec LLC, bestaat een standaard inductiesoldeersysteem uit drie componenten. Dit zijn 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-geprinte koperlegeringen. Meestal zijn ze echter gemaakt van holle koperen buizen, waar om verschillende redenen water doorheen stroomt. Een daarvan is om de spoel koel te houden door de warmte tegen te gaan die door de onderdelen wordt teruggekaatst tijdens het soldeerproces. Het stromende water voorkomt ook dat er warmte in de spoelen opbouwt 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. "Zulke concentratoren kunnen van het laminaattype zijn, bestaande uit dunne elektrische staalsoorten die dicht op elkaar zijn gestapeld, of ferromagnetische buizen met poedervormig ferromagnetisch materiaal en diëlektrische verbindingen die onder hoge druk zijn samengeperst. Gebruik beide. Het voordeel van de concentrator is dat deze de cyclustijd verkort door sneller meer energie in 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 kilowatts aan elektriciteit opwekken. Maar voor het solderen van een onderdeel ter grootte van een handpalm in 10 tot 15 seconden is slechts 1 tot 5 kilowatt nodig. Ter vergelijking: grote onderdelen kunnen 50 tot 100 kilowatt aan vermogen vereisen en het solderen kan 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 vereisen daarentegen meer stroom en lagere frequenties, meestal onder de 100 kilohertz."
Ongeacht hun grootte moeten metalen onderdelen op de juiste manier worden geplaatst voordat ze worden bevestigd. Zorg ervoor dat er een nauwe opening tussen de basismetalen blijft, zodat het stromende vulmetaal een goede capillaire werking kan hebben. Stompe, overlappings- en stootlapverbindingen zijn de beste manier om deze speling te garanderen.
Traditionele of zelfbevestigende armaturen zijn acceptabel. Standaardarmaturen moeten gemaakt zijn van minder geleidende materialen, zoals roestvrij staal of keramiek, en moeten de onderdelen zo min mogelijk aanraken.
Door onderdelen te ontwerpen met in elkaar grijpende naden, stuiken, verdiepingen of kartels, kan zelffixatie worden bereikt zonder dat er mechanische ondersteuning nodig is.
Vervolgens worden de voegen schoongemaakt met een schuursponsje of oplosmiddel om verontreinigingen zoals olie, vet, roest, aanslag en vuil te verwijderen. Deze stap versterkt de capillaire werking van het gesmolten vulmetaal, dat door de aangrenzende oppervlakken van de voeg heen trekt.
Nadat de onderdelen op de juiste manier zijn geplaatst en gereinigd, brengt de operator een verbindingsmassa (meestal een pasta) aan op de verbinding. De massa is een mengsel van vulmetaal, vloeimiddel (om oxidatie te voorkomen) en een bindmiddel dat het metaal en het vloeimiddel bij elkaar houdt voordat ze smelten.
Vulmetalen en vloeimiddelen die bij het solderen worden gebruikt, zijn zo samengesteld dat ze hogere temperaturen kunnen weerstaan ​​dan de bij solderen gebruikte vulmetalen. Vulmetalen die bij het solderen worden gebruikt, smelten bij een temperatuur van minimaal 430 °C en zijn sterker wanneer ze worden afgekoeld. Hieronder vallen aluminium-silicium-, koper-, koper-zilver-, messing-, brons-, goud-zilver-, zilver- en nikkellegeringen.
De operator plaatst vervolgens de inductiespoel, die in verschillende ontwerpen verkrijgbaar is. Spiraalvormige spoelen zijn cirkelvormig of ovaal van vorm en omsluiten het onderdeel volledig, terwijl vork- (of tang-) spoelen zich aan weerszijden van de verbinding bevinden en kanaalspoelen aan het onderdeel worden vastgehaakt. Andere spoelen zijn onder andere binnendiameter (ID), ID/buitendiameter (OD), pannenkoekvormig, open en multi-positie.
Voor kwalitatief hoogwaardige soldeerverbindingen is een gelijkmatige hitte essentieel. Om dit te bereiken, moet de operator ervoor zorgen dat de verticale afstand tussen elke inductiespoellus klein is en dat de koppelingsafstand (spleetbreedte van de buitendiameter van de spoel) gelijkmatig blijft.
Vervolgens schakelt de operator de stroom in om het verhittingsproces van het gewricht te starten. Dit houdt in dat er snel een wisselstroom met gemiddelde of hoge frequentie van een stroombron naar een inductor wordt overgebracht, waardoor er een wisselend magnetisch veld om de inductor ontstaat.
Het magnetische veld induceert een stroom op het oppervlak van de verbinding, waardoor hitte ontstaat en het vulmetaal smelt. Hierdoor kan het vulmetaal vloeien en het oppervlak van het metalen onderdeel bevochtigen, waardoor een sterke verbinding ontstaat. Door gebruik te maken van spoelen met meerdere posities kan dit proces op meerdere onderdelen tegelijk worden uitgevoerd.
Aanbevolen wordt om elk gesoldeerd onderdeel voor het laatst schoon te maken en te inspecteren. Door de onderdelen te wassen met water dat minimaal 49°C is verhit, worden resten van het vloeimiddel en eventuele aanslag die tijdens het solderen is ontstaan, verwijderd. Nadat het vulmetaal is gestold, maar de constructie nog heet is, dient het onderdeel in water te worden ondergedompeld.
Afhankelijk van het onderdeel kan de minimale inspectie worden gevolgd door destructief en niet-destructief onderzoek. NDO-methoden omvatten visuele en radiografische inspectie, evenals lek- en bewijstesten. Veelgebruikte destructieve testmethoden zijn metallografische, pel-, trek-, schuif-, vermoeiings-, overdrachts- en torsietesten.
"Inductiesolderen vereist weliswaar een grotere initiële investering dan de brandermethode, maar het is de moeite waard omdat je de extra efficiëntie en controle krijgt", aldus Holland. "Bij inductie hoef je alleen maar te drukken als je warmte nodig hebt. Als je geen warmte nodig hebt, druk je gewoon."
Eldec produceert een breed scala aan stroombronnen voor inductiesolderen, zoals de ECO LINE MF-lijn met middenfrequentie, die leverbaar is in verschillende configuraties voor een optimale afstemming op elke toepassing. Deze voedingen zijn leverbaar in vermogens van 5 tot 150 kW en frequenties van 8 tot 40 Hz. Alle modellen kunnen worden uitgerust met een vermogensboostfunctie waarmee de gebruiker de continue bedrijfscapaciteit van 100% binnen 3 minuten met nog eens 50% kan verhogen. Andere belangrijke functies zijn onder meer een pyrometertemperatuurregeling, een temperatuurrecorder en een geïsoleerde bipolaire transistor-voedingsschakelaar. Deze verbruiksartikelen vergen weinig onderhoud, werken stil, nemen weinig ruimte in en zijn eenvoudig te integreren met werkcelcontrollers.
Fabrikanten in diverse branches gebruiken steeds vaker inductiesolderen om onderdelen te monteren. Bausch wijst de automobiel-, lucht- en ruimtevaart-, medische apparatuur- en mijnbouwapparatuurfabrikanten aan als de grootste gebruikers van Ambrell-inductiesolderen.
"Het aantal inductief gesoldeerde aluminium componenten in de auto-industrie blijft toenemen dankzij initiatieven voor gewichtsreductie", benadrukt Bausch. "In de lucht- en ruimtevaart worden nikkel en andere soorten slijtplaten vaak op straalmotoren gesoldeerd. Beide industrieën solderen ook diverse stalen buisfittingen inductief."
Alle zes EasyHeat-systemen van Ambrell hebben een frequentiebereik van 150 tot 400 kHz en zijn ideaal voor inductiesolderen van kleine onderdelen met verschillende geometrieën. De compacte modellen (0112 en 0224) bieden een vermogensregeling met een resolutie van 25 watt; de modellen in de LI-serie (3542, 5060, 7590, 8310) bieden een regeling met een resolutie van 50 watt.
Beide series beschikken over een afneembare werkkop tot op een afstand van 3 meter van de stroombron. De bedieningselementen op het voorpaneel van het systeem zijn programmeerbaar, waardoor de eindgebruiker maximaal vier verschillende verwarmingsprofielen kan definiëren, elk met maximaal vijf tijd- en vermogensstappen. Er is externe vermogensregeling beschikbaar voor contact- of analoge invoer, of optionele seriële gegevenspoort.
"Onze belangrijkste klanten voor inductiesolderen zijn fabrikanten van onderdelen die koolstof bevatten, of onderdelen met een grote massa en een hoog ijzergehalte", legt Rich Cukelj, Fusion Business Development Manager, uit. "Sommige van deze bedrijven bedienen de auto- en luchtvaartindustrie, terwijl andere pistolen, snijgereedschapssets, kranen en afvoeren, of stroomverdeelblokken en zekeringen maken."
Fusion verkoopt op maat gemaakte roterende systemen die 100 tot 1000 onderdelen per uur kunnen inductiesolderen. Volgens Cukelj zijn hogere opbrengsten mogelijk voor een enkel type onderdeel of voor een specifieke serie onderdelen. Deze onderdelen variëren in grootte van 2 tot 14 vierkante inch.
"Elk systeem bevat een indexeerapparaat 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 visioncamera's of lasermeetapparatuur, of voor het uitvoeren van trektests om hoogwaardige soldeerverbindingen te garanderen."
Fabrikanten gebruiken de standaard ECO LINE-voedingen van eldec voor uiteenlopende inductiesoldeertoepassingen, zoals het krimpen van rotoren en assen of het verbinden van motorbehuizingen, aldus Holland. Recenter werd een 100 kW-model van deze generator gebruikt in een toepassing met grote onderdelen waarbij koperen circuitringen werden gesoldeerd aan koperen aftakkingen voor generatoren van waterkrachtcentrales.
Eldec produceert ook draagbare MiniMICO-voedingen die eenvoudig door de fabriek kunnen worden verplaatst en een frequentiebereik hebben van 10 tot 25 kHz. Twee jaar geleden gebruikte een fabrikant van warmtewisselaarbuizen voor auto's MiniMICO om retourbochten op elke buis met inductie te solderen. Eén persoon voerde al het solderen uit en het duurde minder dan 30 seconden om elke buis te monteren.
Jim is senior redacteur bij ASSEMBLY en heeft meer dan 30 jaar ervaring als redacteur. Voordat hij bij ASSEMBLY kwam werken, was Camillo PM Engineer en redacteur van het Association for Equipment Engineering Journal en Milling Journal. Jim heeft een diploma Engels van DePaul University.
Dien een offerteaanvraag (RFP) in bij een leverancier van uw keuze en klik op een knop waarin u uw behoeften gedetailleerd beschrijft
Blader door onze kopersgids en vind leveranciers van alle soorten assemblagetechnologieën, machines en systemen, dienstverleners en handelsorganisaties.
Lean Six Sigma stimuleert al tientallen jaren voortdurende verbetering, maar de tekortkomingen ervan zijn duidelijk geworden. Het verzamelen van gegevens is arbeidsintensief en kan slechts kleine steekproeven opleveren. Gegevens kunnen nu 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 zelfs voor kleine en middelgrote fabrikanten gemakkelijk beschikbaar. Luister naar dit exclusieve panelgesprek met leidinggevenden van vier van Amerika's beste leveranciers van robotica: ATI Industrial Automation, Epson Robots, FANUC America en Universal Robots.