Prawie każdy proces montażu można przeprowadzić na kilka sposobów. Opcja, którą wybiera producent lub integrator w celu uzyskania najlepszych rezultatów, to zazwyczaj taka, która dopasowuje sprawdzoną technologię do konkretnego zastosowania.
Jednym z takich procesów jest lutowanie twarde. Lutowanie twarde to proces łączenia metali, w którym dwie lub więcej części metalowych zostaje ze sobą połączonych poprzez stopienie spoiwa i wlanie go do złącza. Spoiwo ma niższą temperaturę topnienia niż sąsiadujące ze sobą części metalowe.
Ciepło potrzebne do lutowania twardego może być dostarczane za pomocą palników, pieców lub cewek indukcyjnych. Podczas lutowania indukcyjnego cewka indukcyjna wytwarza pole magnetyczne, które nagrzewa podłoże i topi metal spoiwa. Lutowanie indukcyjne okazuje się najlepszym wyborem w coraz większej liczbie zastosowań montażowych.
„Lutowanie indukcyjne jest znacznie bezpieczniejsze niż lutowanie palnikiem, szybsze niż lutowanie w piecu i bardziej powtarzalne niż oba” — powiedział Steve Anderson, kierownik ds. badań terenowych i testowania w Fusion Inc., 88-letnim integratorze z Willoughby w stanie Ohio Said, specjalizującym się w różnych metodach montażu, w tym lutowaniu. „Ponadto lutowanie indukcyjne jest łatwiejsze. W porównaniu z dwiema innymi metodami, tak naprawdę potrzebujesz tylko standardowej energii elektrycznej”.
Kilka lat temu firma Fusion opracowała w pełni automatyczną sześciostanowiskową maszynę do montażu 10 frezów węglikowych do obróbki metali i wytwarzania narzędzi. Frezy powstają poprzez przymocowanie cylindrycznych i stożkowych półfabrykatów z węglika wolframu do stalowego trzonka. Szybkość produkcji wynosi 250 części na godzinę, a oddzielna taca na części może pomieścić 144 półfabrykaty i uchwyty narzędziowe.
„Czteroosiowy robot SCARA bierze uchwyt z tacy, podaje go do dozownika pasty lutowniczej i ładuje do gniazda chwytaka” — wyjaśnia Anderson. „Następnie robot bierze kawałek półfabrykatu z tacy i umieszcza go na końcu trzonu, do którego jest przyklejony. Lutowanie indukcyjne wykonuje się za pomocą cewki elektrycznej, która owija się pionowo wokół dwóch części i doprowadza spoiwo srebrne do temperatury likwidusu 1305 F. Po wyrównaniu i schłodzeniu elementu zadziorowego jest on wyrzucany przez rynnę wyładowczą i zbierany do dalszej obróbki”.
Lutowanie indukcyjne jest coraz powszechniejsze w montażu, głównie dlatego, że pozwala na uzyskanie mocnego połączenia między dwoma metalowymi częściami, a także jest bardzo skuteczne w łączeniu różnych materiałów. Obawy dotyczące ochrony środowiska, rozwój technologii i niestandardowe zastosowania również zmuszają inżynierów produkcji do bliższego przyjrzenia się lutowaniu indukcyjnemu.
Lutowanie indukcyjne znane jest od lat 50. XX wieku, chociaż koncepcję nagrzewania indukcyjnego (z wykorzystaniem elektromagnetyzmu) odkrył ponad sto lat wcześniej brytyjski naukowiec Michael Faraday. Pierwszym źródłem ciepła do lutowania były palniki ręczne, a w latach 20. XX wieku piece. Podczas II wojny światowej do produkcji dużych ilości części metalowych, przy minimalnym nakładzie pracy i kosztów, często stosowano metody wykorzystujące piece.
W latach 60. i 70. XX wieku popyt konsumentów na klimatyzację stworzył nowe zastosowania dla lutowania indukcyjnego. Masowe lutowanie aluminium pod koniec lat 70. XX wieku zaowocowało powstaniem wielu podzespołów stosowanych obecnie w samochodowych układach klimatyzacyjnych.
„W przeciwieństwie do lutowania palnikiem, lutowanie indukcyjne jest bezkontaktowe i minimalizuje ryzyko przegrzania” — zauważa Rick Bausch, kierownik sprzedaży Ambrell Corp., w TEST.temperature.
Według Grega Hollanda, kierownika ds. sprzedaży i operacji w firmie eldec LLC, standardowy system lutowania indukcyjnego składa się z trzech komponentów. Są to: źródło zasilania, głowica robocza z cewką indukcyjną oraz chłodnica lub układ chłodzenia.
Zasilacz jest podłączony do głowicy roboczej, a cewki są zaprojektowane specjalnie tak, aby pasowały do ​​złącza. Cewki indukcyjne mogą być wykonane z litych prętów, elastycznych kabli, obrabianych maszynowo kęsów lub drukowane w technologii 3D ze sproszkowanych stopów miedzi. Zazwyczaj jednak wykonuje się je z pustej rurki miedzianej, przez którą przepływa woda z kilku powodów. Jednym z nich jest utrzymanie niskiej temperatury cewki poprzez przeciwdziałanie ciepłu odbijanemu przez części podczas procesu lutowania. Przepływająca woda zapobiega również gromadzeniu się ciepła w cewkach z powodu częstej obecności prądu przemiennego i wynikającego z tego nieefektywnego transferu ciepła.
„Czasami na cewce umieszcza się koncentrator strumienia, aby wzmocnić pole magnetyczne w jednym lub kilku punktach złącza” — wyjaśnia Holland. „Takie koncentratory mogą być typu laminatowego, składającego się z cienkich stalowych elementów elektrycznych ściśle ułożonych razem lub ferromagnetycznych rur zawierających sproszkowany materiał ferromagnetyczny i wiązania dielektryczne ściskane pod wysokim ciśnieniem. Użyj albo Zaletą koncentratora jest to, że skraca czas cyklu, szybciej dostarczając więcej energii do określonych obszarów złącza, jednocześnie utrzymując inne obszary chłodniejsze”.
Przed przystąpieniem do lutowania indukcyjnego elementów metalowych operator musi prawidłowo ustawić częstotliwość i moc systemu. Częstotliwość może wynosić od 5 do 500 kHz, im wyższa częstotliwość, tym szybciej nagrzewa się powierzchnia.
Zasilacze są często w stanie wytworzyć setki kilowatów energii elektrycznej. Jednak lutowanie twarde części wielkości dłoni w ciągu 10–15 sekund wymaga zaledwie 1–5 kilowatów. Dla porównania, duże części mogą wymagać mocy od 50 do 100 kilowatów, a lutowanie twarde może trwać do 5 minut.
„Generalnie rzecz biorąc, mniejsze komponenty zużywają mniej energii, ale wymagają wyższych częstotliwości, takich jak 100 do 300 kiloherców” — powiedział Bausch. „Wręcz przeciwnie, większe komponenty wymagają większej mocy i niższych częstotliwości, zazwyczaj poniżej 100 kiloherców”.
Niezależnie od rozmiaru, części metalowe muszą zostać prawidłowo ustawione przed ich zamocowaniem. Należy zadbać o zachowanie wąskiej szczeliny między metalami bazowymi, aby umożliwić odpowiednie działanie kapilarne płynącego metalu wypełniającego. Połączenia czołowe, zakładkowe i doczołowo-zakładkowe są najlepszym sposobem na zapewnienie takiego odstępu.
Dopuszczalne są mocowania tradycyjne lub samoprzylepne. Standardowe elementy wyposażenia powinny być wykonane z materiałów o mniejszej przewodności, takich jak stal nierdzewna lub ceramika, i w jak najmniejszym stopniu dotykać podzespołów.
Dzięki projektowaniu części z zazębiającymi się szwami, wytłoczeniami, zagłębieniami lub radełkowaniami możliwe jest osiągnięcie samoczynnego zamocowania bez konieczności stosowania wsparcia mechanicznego.
Następnie spoiny są czyszczone papierem ściernym lub rozpuszczalnikiem w celu usunięcia zanieczyszczeń takich jak olej, smar, rdza, kamień i brud. Krok ten dodatkowo wzmacnia działanie kapilarne stopionego metalu wypełniającego, który przeciska się przez sąsiadujące powierzchnie spoiny.
Po prawidłowym osadzeniu i wyczyszczeniu części operator nakłada na złącze masę uszczelniającą (zazwyczaj pastę). Masa jest mieszanką metalu wypełniającego, topnika (zapobiegającego utlenianiu) oraz spoiwa, które spaja metal i topnik przed stopieniem.
Spoiwa i topniki stosowane w lutowaniu twardym są opracowane tak, aby wytrzymywały wyższe temperatury niż te stosowane w lutowaniu miękkim. Spoiwa stosowane w lutowaniu twardym topią się w temperaturze co najmniej 842 F i stają się mocniejsze po schłodzeniu. Należą do nich stopy aluminium i krzemu, miedź, miedź i srebro, mosiądz, brąz, złoto i srebro, srebro oraz stopy niklu.
Następnie operator umieszcza cewkę indukcyjną, która występuje w różnych kształtach. Cewki śrubowe mają kształt okrągły lub owalny i całkowicie otaczają część, podczas gdy cewki widełkowe (lub szczypcowe) znajdują się po obu stronach złącza, a cewki kanałowe zaczepiają się o część. Inne cewki obejmują cewki o średnicy wewnętrznej (ID), średnicy wewnętrznej/średnicy zewnętrznej (OD), typu Pancake, otwarte i wielopozycyjne.
Jednorodne ciepło jest niezbędne do uzyskania wysokiej jakości połączeń lutowanych. Aby to osiągnąć, operator musi zadbać o to, aby odległość pionowa między poszczególnymi pętlami cewki indukcyjnej była niewielka i aby odległość sprzęgania (szerokość szczeliny od średnicy zewnętrznej do wewnętrznej cewki) pozostała jednolita.
Następnie operator włącza zasilanie, aby rozpocząć proces nagrzewania złącza. Polega on na szybkim przeniesieniu prądu przemiennego o średniej lub wysokiej częstotliwości ze źródła zasilania do induktora, aby wytworzyć wokół niego zmienne pole magnetyczne.
Pole magnetyczne indukuje prąd na powierzchni złącza, co powoduje wytworzenie ciepła, które topi metal spoiwa, umożliwiając mu przepływ i zwilżenie powierzchni metalowej części, tworząc mocne połączenie. Dzięki zastosowaniu cewek wielopozycyjnych proces ten można przeprowadzać na wielu częściach jednocześnie.
Zaleca się ostateczne czyszczenie i kontrolę każdego lutowanego elementu. Mycie części wodą podgrzaną do temperatury co najmniej 120 F (59°C) usunie pozostałości topnika i ewentualną zgorzelinę, która mogła powstać podczas lutowania. Część należy zanurzyć w wodzie po stwardnieniu spoiwa, gdy cały zespół jest jeszcze gorący.
W zależności od części, po minimalnej kontroli mogą nastąpić badania nieniszczące i niszczące. Metody NDT obejmują kontrolę wizualną i radiograficzną, a także badania szczelności i szczelności. Do typowych metod badań niszczących należą badania metalograficzne, odrywanie, rozciąganie, ścinanie, zmęczenie materiału, przenoszenie i skręcanie.
„Lutowanie indukcyjne wymaga większych początkowych nakładów inwestycyjnych niż metoda palnikowa, ale warto, ponieważ zyskujesz dodatkową wydajność i kontrolę” — powiedział Holland. „W przypadku indukcji, gdy potrzebujesz ciepła, po prostu naciskasz. Gdy nie potrzebujesz, naciskasz”.
Firma Eldec produkuje szeroką gamę źródeł zasilania do lutowania indukcyjnego, takich jak linia ECO LINE MF o średniej częstotliwości, która jest dostępna w różnych konfiguracjach, aby jak najlepiej dopasować ją do każdego zastosowania. Zasilacze te są dostępne w mocach znamionowych od 5 do 150 kW i częstotliwościach od 8 do 40 Hz. Wszystkie modele mogą być wyposażone w funkcję zwiększania mocy, która umożliwia operatorowi zwiększenie 100% ciągłej wydajności o dodatkowe 50% w ciągu 3 minut. Inne kluczowe funkcje obejmują pirometr do kontroli temperatury, rejestrator temperatury i wyłącznik zasilania z izolowanym tranzystorem bipolarnym. Te materiały eksploatacyjne wymagają niewielkiej konserwacji, działają cicho, mają niewielkie wymiary i można je łatwo zintegrować ze sterownikami stanowisk roboczych.
Producenci z różnych branż coraz częściej stosują lutowanie indukcyjne do montażu części. Bausch wskazuje na producentów samochodów, lotnictwa, sprzętu medycznego i sprzętu górniczego jako największych użytkowników urządzeń do lutowania indukcyjnego Ambrell.
„Liczba aluminiowych elementów lutowanych indukcyjnie w przemyśle motoryzacyjnym stale rośnie ze względu na inicjatywy mające na celu redukcję masy” — podkreśla Bausch. „W sektorze lotniczym nikiel i inne rodzaje podkładek ciernych są często lutowane do łopatek odrzutowych. Obie branże lutują również indukcyjnie różne stalowe elementy rurowe”.
Wszystkie sześć systemów EasyHeat firmy Ambrell dysponuje zakresem częstotliwości od 150 do 400 kHz i idealnie nadaje się do lutowania indukcyjnego małych elementów o różnej geometrii. Modele kompaktowe (0112 i 0224) oferują regulację mocy z rozdzielczością 25 watów, natomiast modele z serii LI (3542, 5060, 7590, 8310) oferują regulację z rozdzielczością 50 watów.
Obie serie są wyposażone w głowicę roboczą odłączaną w odległości do 10 stóp od źródła zasilania. Elementy sterujące na przednim panelu systemu są programowalne, co pozwala użytkownikowi końcowemu zdefiniować do czterech różnych profili grzania, każdy z maksymalnie pięcioma krokami czasu i mocy. Zdalne sterowanie mocą jest dostępne za pośrednictwem wejścia stykowego lub analogowego, a także opcjonalnego portu danych szeregowych.
„Naszymi głównymi klientami lutowania indukcyjnego są producenci części zawierających pewną ilość węgla lub dużych części o dużej masie, które zawierają wysoki procent żelaza” — wyjaśnia Rich Cukelj, Fusion Business Development Manager. „Niektóre z tych firm obsługują przemysł motoryzacyjny i lotniczy, podczas gdy inne produkują broń, zespoły narzędzi skrawających, krany i odpływy hydrauliczne lub bloki rozdzielcze i bezpieczniki”.
Firma Fusion sprzedaje niestandardowe systemy obrotowe, które umożliwiają lutowanie indukcyjne od 100 do 1000 części na godzinę. Według Cukelja wyższą wydajność można uzyskać w przypadku jednego typu części lub określonej serii części. Rozmiar tych części waha się od 2 do 14 cali kwadratowych.
„Każdy system zawiera indeksator firmy Stelron Components Inc. z 8, 10 lub 12 stanowiskami roboczymi” — wyjaśnia Cukelj. „Niektóre stanowiska robocze służą do lutowania, podczas gdy inne służą do inspekcji, przy użyciu kamer wizyjnych lub sprzętu do pomiaru laserowego, lub do przeprowadzania testów rozciągania w celu zapewnienia wysokiej jakości lutowanych połączeń”.
Jak powiedział Holland, producenci wykorzystują standardowe zasilacze ECO LINE firmy Elderc do różnych zastosowań związanych z lutowaniem indukcyjnym, takich jak lutowanie termokurczliwe wirników i wałów lub łączenie obudów silników. Niedawno model tego generatora o mocy 100 kW został użyty w zastosowaniu obejmującym lutowanie dużych części, obejmującym lutowanie miedzianych pierścieni obwodów do miedzianych połączeń odczepowych generatorów zapór hydroelektrycznych.
Firma Eldec produkuje również przenośne zasilacze MiniMICO, które można łatwo przenosić w obrębie fabryki. Ich zakres częstotliwości wynosi od 10 do 25 kHz. Dwa lata temu producent rur wymienników ciepła do samochodów użył zasilaczy MiniMICO do indukcyjnego lutowania kolanek powrotnych każdej rury. Jedną osobę zajmowała się całym lutowaniem, a złożenie każdej rury zajęło mniej niż 30 sekund.
Jim jest starszym redaktorem w ASSEMBLY i ma ponad 30-letnie doświadczenie w pracy redakcyjnej. Zanim dołączył do ASSEMBLY, Camillo był inżynierem ds. projektów i redaktorem czasopism Association for Equipment Engineering Journal oraz Milling Journal. Jim uzyskał dyplom z języka angielskiego na Uniwersytecie DePaul.
Złóż wniosek o ofertę (RFP) do wybranego dostawcy i kliknij przycisk, w którym szczegółowo opiszesz swoje potrzeby
Przejrzyj nasz przewodnik kupującego, aby znaleźć dostawców wszelkiego rodzaju technologii montażowych, maszyn i systemów, usługodawców i organizacje handlowe.
Metoda Lean Six Sigma od dziesięcioleci stanowi podstawę działań na rzecz ciągłego doskonalenia, jednak jej wady stały się oczywiste. Gromadzenie danych jest pracochłonne i pozwala na gromadzenie jedynie niewielkich próbek. Obecnie dane można gromadzić przez długi czas i w wielu lokalizacjach, co stanowi ułamek kosztów w porównaniu ze starszymi, ręcznymi metodami.
Roboty są tańsze i łatwiejsze w użyciu niż kiedykolwiek. Technologia ta jest obecnie łatwo dostępna nawet dla małych i średnich producentów. Posłuchaj tej ekskluzywnej dyskusji panelowej z udziałem dyrektorów czterech największych amerykańskich dostawców robotów: ATI Industrial Automation, Epson Robots, FANUC America i Universal Robots.