Prawie każdy proces montażu można przeprowadzić na kilka sposobów. Opcja, którą wybiera producent lub integrator w celu uzyskania najlepszych wyników, 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 łączy się ze sobą 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, topiąc 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 te procesy” – powiedział Steve Anderson, kierownik ds. badań terenowych i testów w Fusion Inc., 88-letnim integratorze z Willoughby w stanie Ohio, specjalizującym się w różnych metodach montażu, w tym lutowaniu twardym. „Ponadto lutowanie indukcyjne jest łatwiejsze. W porównaniu z dwiema pozostałymi metodami, tak naprawdę wystarczy standardowy prąd elektryczny”.
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. Wydajność produkcji wynosi 250 części na godzinę, a osobna taca na części może pomieścić 144 półfabrykaty i uchwyty narzędziowe.
„Czteroosiowy robot SCARA pobiera uchwyt z tacki, podaje go do dozownika pasty lutowniczej i ładuje do gniazda chwytaka” – wyjaśnia Anderson. „Następnie robot pobiera fragment wykroju z tacki i umieszcza go na końcu trzonu, do którego jest przyklejany. Lutowanie indukcyjne odbywa się za pomocą cewki elektrycznej, która owija pionowo obie części i podgrzewa spoiwo srebrne do temperatury ciekłej 710°C. Po wyrównaniu i schłodzeniu elementu gratowego 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 i 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, wymagających minimalnego nakładu 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 systemach klimatyzacyjnych.
„W przeciwieństwie do lutowania palnikiem, lutowanie indukcyjne jest bezkontaktowe i minimalizuje ryzyko przegrzania” – zauważa Rick Bausch, kierownik ds. sprzedaży w Ambrell Corp., w artykule 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 i 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 prętów litych, elastycznych kabli, obrabianych mechanicznie prętów 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. Przepływ wody zapobiega również gromadzeniu się ciepła w cewkach na skutek częstego występowania 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, ciasno ułożonych arkuszy stali elektrotechnicznej, lub rur ferromagnetycznych zawierających sproszkowany materiał ferromagnetyczny i wiązania dielektryczne ściskane pod wysokim ciśnieniem. Zaletą koncentratora jest to, że skraca czas cyklu, dostarczając więcej energii do określonych obszarów złącza szybciej, jednocześnie utrzymując inne obszary w niższej temperaturze”.
Przed ustawieniem metalowych części do lutowania indukcyjnego 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. Natomiast lutowanie części wielkości dłoni w ciągu 10–15 sekund wymaga zaledwie 1–5 kilowatów. Dla porównania, lutowanie dużych części może wymagać 50–100 kilowatów energii, a czas lutowania może wynosić do 5 minut.
„Ogólnie rzecz biorąc, mniejsze komponenty zużywają mniej energii, ale wymagają wyższych częstotliwości, np. 100–300 kiloherców” – powiedział Bausch. „Z kolei większe komponenty wymagają większej energii i niższych częstotliwości, zazwyczaj poniżej 100 kiloherców”.
Niezależnie od rozmiaru, części metalowe muszą być prawidłowo ustawione przed ich przymocowaniem. Należy zadbać o zachowanie odpowiedniej szczeliny między metalami bazowymi, aby umożliwić prawidłowe działanie kapilarne płynącego metalu spoiwa. Połączenia czołowe, zakładkowe i doczołowo-zakładkowe są najlepszym sposobem na zapewnienie takiego szczeliny.
Dopuszczalne są mocowania tradycyjne lub samoprzylepne. Standardowe wyposażenie powinno być wykonane z materiałów o mniejszej przewodności, takich jak stal nierdzewna lub ceramika, i w jak najmniejszym stopniu stykać się z elementami.
Projektując części z zazębiającymi się szwami, wytłoczeniami, wgłębieniami lub radełkowaniami można uzyskać samoczynne mocowanie bez konieczności stosowania wsparcia mechanicznego.
Następnie złącza są czyszczone papierem ściernym lub rozpuszczalnikiem w celu usunięcia zanieczyszczeń, takich jak olej, smar, rdza, kamień i brud. Ten krok dodatkowo wzmacnia działanie kapilarne stopionego metalu wypełniającego, który przeciska się przez sąsiadujące powierzchnie złącza.
Po prawidłowym osadzeniu i oczyszczeniu części operator nakłada na złącze masę spawalniczą (zazwyczaj pastę). Masa spawalnicza to mieszanka metalu spoiwa, 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 przy 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.
Operator ustawia następnie cewkę indukcyjną, która występuje w różnych kształtach. Cewki śrubowe mają kształt okrągły lub owalny i całkowicie otaczają część, natomiast cewki widełkowe (lub szczypcowe) znajdują się po obu stronach złącza, a cewki kanałowe zaczepiają się o część. Inne cewki to cewki o średnicy wewnętrznej (ID), średnicy wewnętrznej/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 przesłaniu prądu przemiennego o średniej lub wysokiej częstotliwości ze źródła zasilania do cewki indukcyjnej w celu wytworzenia wokół niej zmiennego pola magnetycznego.
Pole magnetyczne indukuje prąd na powierzchni złącza, który generuje ciepło, które topi metal spoiwa, umożliwiając jego przepływ i zwilżenie powierzchni metalowej części, tworząc mocne połączenie. Dzięki zastosowaniu cewek wielopozycyjnych proces ten można przeprowadzić na wielu częściach jednocześnie.
Zaleca się końcowe czyszczenie i kontrolę każdego lutowanego elementu. Mycie części wodą podgrzaną do temperatury co najmniej 120 F (51°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 zapewnia dodatkową wydajność i kontrolę” – powiedział Holland. „W przypadku indukcji, kiedy potrzebujesz ciepła, po prostu naciskasz. Kiedy nie potrzebujesz, naciskasz”.
Firma Eldec produkuje szeroką gamę źródeł zasilania do lutowania indukcyjnego, takich jak linia ECO LINE MF o średniej częstotliwości, dostępnych w różnych konfiguracjach, aby jak najlepiej dopasować je 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 pozwala operatorowi zwiększyć 100% znamionową wydajność ciągłą 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, pracują 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” – zauważa Bausch. „W sektorze lotniczym nikiel i inne rodzaje nakładek ciernych są często lutowane do łopatek silników odrzutowych. Obie branże lutują również indukcyjnie różne stalowe kształtki rurowe”.
Wszystkie sześć systemów EasyHeat firmy Ambrell ma zakres 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; modele z serii LI (3542, 5060, 7590, 8310) oferują regulację z rozdzielczością 50 watów.
Obie serie są wyposażone w głowicę roboczą odłączaną 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 pomocą styku, wejścia analogowego lub opcjonalnego portu szeregowego.
„Naszymi głównymi klientami, którzy korzystają z lutowania indukcyjnego, są producenci części zawierających pewną ilość węgla lub dużych części o dużej masie, które zawierają wysoki procent żelaza” — wyjaśnia Rich Cukelj, menedżer ds. rozwoju biznesu Fusion. „Niektóre z tych firm obsługują przemysł motoryzacyjny i lotniczy, podczas gdy inne produkują broń palną, 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 twardego, podczas gdy inne służą do inspekcji, z wykorzystaniem kamer wizyjnych lub sprzętu do pomiarów laserowych, lub do przeprowadzania testów rozciągania w celu zapewnienia wysokiej jakości lutowanych połączeń”.
Producenci wykorzystują standardowe zasilacze ECO LINE firmy eldec do różnych zastosowań związanych z lutowaniem indukcyjnym, takich jak lutowanie termokurczliwe wirników i wałów lub łączenie obudów silników — powiedział Holland. Niedawno model tego generatora o mocy 100 kW został użyty w zastosowaniu obejmującym lutowanie dużych części, obejmujące lutowanie miedzianych pierścieni obwodowych z miedzianymi połączeniami odczepowymi generatorów zapór hydroelektrycznych.
Firma Eldec produkuje również przenośne zasilacze MiniMICO, które można łatwo przenosić w obrębie fabryki. Mają one zakres częstotliwości od 10 do 25 kHz. Dwa lata temu producent rur wymienników ciepła do samochodów użył zasilaczy MiniMICO do indukcyjnego lutowania kolanek powrotnych każdej rury. Całe lutowanie wykonywała jedna osoba, a złożenie każdej rury zajmowało mniej niż 30 sekund.
Jim jest starszym redaktorem w ASSEMBLY i ma ponad 30 lat doświadczenia w pracy redakcyjnej. Zanim dołączył do ASSEMBLY, Camillo był inżynierem ds. zarządzania projektami oraz redaktorem naczelnym czasopism Association for Equipment Engineering Journal i 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 poradnik kupującego, aby znaleźć dostawców wszelkiego rodzaju technologii montażowych, maszyn i systemów, dostawców usług i organizacje handlowe.
Metoda Lean Six Sigma od dziesięcioleci stanowi podstawę działań mających na celu ciągłe doskonalenie, jednak jej niedociągnięcia stały się oczywiste. Gromadzenie danych jest pracochłonne i pozwala na pozyskanie jedynie niewielkich próbek. Obecnie dane można gromadzić przez długi czas i w wielu lokalizacjach, co stanowi ułamek kosztów starszych, ręcznych metod.
Roboty są tańsze i łatwiejsze w obsłudze niż kiedykolwiek. Technologia ta jest obecnie powszechnie dostępna nawet dla małych i średnich producentów. Posłuchaj tej ekskluzywnej dyskusji panelowej z udziałem dyrektorów czterech największych amerykańskich dostawców robotyki: ATI Industrial Automation, Epson Robots, FANUC America i Universal Robots.