Quase todos os processos de montagem podem ser realizados de diversas maneiras. A opção escolhida por um fabricante ou integrador para obter os melhores resultados geralmente é aquela que combina uma tecnologia comprovada com uma aplicação específica.
A brasagem é um desses processos. A brasagem é um processo de união de metais no qual duas ou mais peças metálicas são unidas pela fusão de um metal de adição, que é então inserido na junta. O metal de adição possui um ponto de fusão mais baixo do que as peças metálicas adjacentes.
O calor para brasagem pode ser fornecido por maçaricos, fornos ou bobinas de indução. Durante a brasagem por indução, uma bobina de indução cria um campo magnético que aquece o substrato para fundir o metal de adição. A brasagem por indução está se mostrando a melhor opção para um número crescente de aplicações de montagem.
“A brasagem por indução é muito mais segura do que a brasagem com maçarico, mais rápida do que a brasagem em forno e mais repetível do que ambas”, disse Steve Anderson, gerente de ciência de campo e testes da Fusion Inc., uma integradora com 88 anos de história em Willoughby, Ohio, especializada em diversos métodos de montagem, incluindo brasagem. “Além disso, a brasagem por indução é mais fácil. Comparada aos outros dois métodos, tudo o que você realmente precisa é de eletricidade padrão.”
Há alguns anos, a Fusion desenvolveu uma máquina totalmente automática de seis estações para a montagem de 10 fresas de metal duro para usinagem e fabricação de ferramentas. As fresas são fabricadas pela fixação de tarugos cilíndricos e cônicos de metal duro a uma haste de aço. A taxa de produção é de 250 peças por hora, e a bandeja de peças separada comporta 144 tarugos e porta-ferramentas.
“Um robô SCARA de quatro eixos retira uma alça da bandeja, apresenta-a ao dispensador de pasta de solda e a carrega no compartimento de fixação”, explica Anderson. “Em seguida, o robô retira um pedaço de material bruto da bandeja e o coloca na extremidade da haste, onde será colado. A brasagem por indução é realizada utilizando uma bobina elétrica que envolve verticalmente as duas peças e leva a prata, um metal de adição, a uma temperatura de fusão de 707 °C (1305 °F). Após o alinhamento e resfriamento da peça, ela é ejetada por uma calha de descarga e coletada para processamento posterior.”
O uso da brasagem por indução na montagem está aumentando, principalmente porque cria uma forte ligação entre duas peças metálicas e porque é muito eficaz na união de materiais diferentes. Preocupações ambientais, tecnologias aprimoradas e aplicações não tradicionais também estão levando os engenheiros de produção a analisar mais atentamente a brasagem por indução.
A brasagem por indução existe desde a década de 1950, embora o conceito de aquecimento por indução (utilizando eletromagnetismo) tenha sido descoberto mais de um século antes pelo cientista britânico Michael Faraday. Maçaricos manuais foram a primeira fonte de calor para brasagem, seguidos por fornos na década de 1920. Durante a Segunda Guerra Mundial, os métodos baseados em fornos foram frequentemente usados ​​para fabricar grandes quantidades de peças metálicas com o mínimo de mão de obra e custo.
A demanda do consumidor por ar condicionado nas décadas de 1960 e 1970 criou novas aplicações para a brasagem por indução. De fato, a brasagem em massa de alumínio no final da década de 1970 resultou em muitos dos componentes encontrados nos sistemas de ar condicionado automotivos atuais.
“Ao contrário da brasagem com maçarico, a brasagem por indução é sem contato e minimiza o risco de superaquecimento”, observa Rick Bausch, gerente de vendas da Ambrell Corp., em entrevista à inTEST.temperature.”
Segundo Greg Holland, gerente de vendas e operações da eldec LLC, um sistema padrão de brasagem por indução consiste em três componentes: a fonte de alimentação, a cabeça de trabalho com a bobina de indução e o resfriador ou sistema de refrigeração.
A fonte de alimentação é conectada à cabeça de trabalho e as bobinas são projetadas sob medida para se encaixarem ao redor da junta. Os indutores podem ser feitos de barras sólidas, cabos flexíveis, tarugos usinados ou impressos em 3D a partir de ligas de cobre em pó. Normalmente, no entanto, são feitos de tubos de cobre ocos, pelos quais circula água por diversos motivos. Um deles é manter a bobina resfriada, neutralizando o calor refletido pelas peças durante o processo de brasagem. A circulação de água também evita o acúmulo de calor nas bobinas devido à presença frequente de corrente alternada e à consequente transferência de calor ineficiente.
“Às vezes, um concentrador de fluxo é colocado na bobina para fortalecer o campo magnético em um ou mais pontos da junção”, explica Holland. “Esses concentradores podem ser do tipo laminado, consistindo em finas lâminas de aço elétrico empilhadas firmemente, ou tubos ferromagnéticos contendo material ferromagnético em pó e ligações dielétricas comprimidas sob alta pressão. O benefício do concentrador é que ele reduz o tempo de ciclo, levando mais energia para áreas específicas da junta mais rapidamente, enquanto mantém outras áreas mais frias.”
Antes de posicionar as peças metálicas para brasagem por indução, o operador precisa ajustar corretamente a frequência e os níveis de potência do sistema. A frequência pode variar de 5 a 500 kHz; quanto maior a frequência, mais rápido a superfície aquece.
As fontes de alimentação geralmente são capazes de produzir centenas de quilowatts de eletricidade. No entanto, a brasagem de uma peça do tamanho da palma da mão leva de 10 a 15 segundos e requer apenas de 1 a 5 quilowatts. Em comparação, peças grandes podem exigir de 50 a 100 quilowatts de potência e levar até 5 minutos para serem brasadas.
“De forma geral, componentes menores consomem menos energia, mas exigem frequências mais altas, como de 100 a 300 quilohertz”, disse Bausch. “Em contrapartida, componentes maiores exigem mais energia e frequências mais baixas, normalmente abaixo de 100 quilohertz.”
Independentemente do tamanho, as peças metálicas precisam ser posicionadas corretamente antes de serem fixadas. Deve-se ter cuidado para manter um espaço mínimo entre os metais base, permitindo a capilaridade adequada do metal de adição. Juntas de topo, sobrepostas e topo-sobrepostas são as melhores maneiras de garantir essa folga.
Os acessórios tradicionais ou autofixantes são aceitáveis. Os acessórios padrão devem ser feitos de materiais menos condutores, como aço inoxidável ou cerâmica, e devem entrar em contato com os componentes o mínimo possível.
Ao projetar peças com encaixes, estampagens, rebaixos ou ranhuras, é possível obter a autofixação sem a necessidade de suporte mecânico.
Em seguida, as juntas são limpas com uma lixa ou solvente para remover contaminantes como óleo, graxa, ferrugem, incrustações e sujeira. Esta etapa aprimora ainda mais a ação capilar do metal de enchimento fundido, que se move através das superfícies adjacentes da junta.
Após as peças estarem devidamente encaixadas e limpas, o operador aplica um composto de juntas (geralmente uma pasta) na junta. O composto é uma mistura de metal de enchimento, fluxo (para evitar a oxidação) e um aglutinante que mantém o metal e o fluxo unidos antes da fusão.
Os metais de adição e os fluxos usados ​​na brasagem são formulados para suportar temperaturas mais altas do que os usados ​​na soldagem. Os metais de adição usados ​​para brasagem fundem a temperaturas de pelo menos 450 °C (842 °F) e são mais resistentes quando resfriados. Eles incluem ligas de alumínio-silício, cobre, cobre-prata, latão, bronze, ouro-prata, prata e níquel.
Em seguida, o operador posiciona a bobina de indução, que está disponível em diversos formatos. As bobinas helicoidais têm formato circular ou oval e envolvem completamente a peça, enquanto as bobinas em forma de garfo (ou pinça) ficam em cada lado da junta e as bobinas em forma de canal se encaixam na peça. Outros tipos de bobinas incluem as de diâmetro interno (DI), DI/diâmetro externo (DE), plana, aberta e multiposição.
O aquecimento uniforme é essencial para conexões brasadas de alta qualidade. Para isso, o operador precisa garantir que a distância vertical entre cada espira da bobina de indução seja pequena e que a distância de acoplamento (largura do espaço entre o diâmetro externo e o diâmetro interno da bobina) permaneça uniforme.
Em seguida, o operador liga a energia para iniciar o processo de aquecimento da junta. Isso envolve a transferência rápida de corrente alternada de frequência intermediária ou alta de uma fonte de energia para um indutor, a fim de criar um campo magnético alternado ao seu redor.
O campo magnético induz uma corrente na superfície da junta, que gera calor para fundir o metal de enchimento, permitindo que ele flua e molhe a superfície da peça metálica, criando uma ligação forte. Usando bobinas multiposicionais, esse processo pode ser realizado em várias peças simultaneamente.
Recomenda-se a limpeza e inspeção final de cada componente soldado. Lavar as peças com água aquecida a pelo menos 49 °C (120 °F) removerá os resíduos de fluxo e qualquer carepa formada durante a brasagem. A peça deve ser imersa em água após a solidificação do metal de adição, mas enquanto o conjunto ainda estiver quente.
Dependendo da peça, uma inspeção mínima pode ser seguida por ensaios não destrutivos e destrutivos. Os métodos de END incluem inspeção visual e radiográfica, bem como testes de estanqueidade e de compressão. Os métodos comuns de ensaio destrutivo são os ensaios metalográficos, de descascamento, de tração, de cisalhamento, de fadiga, de transferência e de torção.
“A brasagem por indução exige um investimento inicial maior do que o método com maçarico, mas vale a pena porque oferece mais eficiência e controle”, disse Holland. “Com a indução, quando você precisa de calor, basta pressionar. Quando não precisa, basta pressionar.”
A Eldec fabrica uma ampla gama de fontes de alimentação para brasagem por indução, como a linha de frequência intermediária ECO LINE MF, disponível em diversas configurações para melhor atender a cada aplicação. Essas fontes de alimentação estão disponíveis com potências que variam de 5 a 150 kW e frequências de 8 a 40 Hz. Todos os modelos podem ser equipados com um recurso de aumento de potência que permite ao operador elevar a capacidade de operação contínua de 100% em 50% em até 3 minutos. Outros recursos importantes incluem controle de temperatura por pirômetro, registrador de temperatura e chave de alimentação IGBT (transistor bipolar de porta isolada). Esses consumíveis exigem pouca manutenção, operam silenciosamente, possuem dimensões compactas e são facilmente integrados aos controladores de células de trabalho.
Fabricantes de diversos setores estão utilizando cada vez mais a brasagem por indução para a montagem de peças. A Bausch destaca os fabricantes dos setores automotivo, aeroespacial, de equipamentos médicos e de equipamentos de mineração como os maiores usuários dos equipamentos de brasagem por indução da Ambrell.
“O número de componentes de alumínio soldados por indução na indústria automotiva continua a aumentar devido às iniciativas de redução de peso”, destaca Bausch. “No setor aeroespacial, placas de desgaste de níquel e outros materiais são frequentemente soldadas às pás de turbinas a jato. Ambas as indústrias também utilizam a brasagem por indução para diversas conexões de tubos de aço.”
Todos os seis sistemas EasyHeat da Ambrell possuem uma faixa de frequência de 150 a 400 kHz e são ideais para brasagem por indução de peças pequenas com diversas geometrias. Os modelos compactos (0112 e 0224) oferecem controle de potência com resolução de 25 watts; os modelos da série LI (3542, 5060, 7590, 8310) oferecem controle com resolução de 50 watts.
Ambas as séries possuem uma cabeça de trabalho removível que pode ser posicionada a até 3 metros da fonte de alimentação. Os controles do painel frontal do sistema são programáveis, permitindo que o usuário final defina até quatro perfis de aquecimento diferentes, cada um com até cinco níveis de tempo e potência. O controle remoto de energia está disponível por contato ou entrada analógica, ou ainda por porta de dados serial opcional.
“Nossos principais clientes para brasagem por indução são fabricantes de peças que contêm algum carbono, ou peças de grande massa com alta porcentagem de ferro”, explica Rich Cukelj, Gerente de Desenvolvimento de Negócios da Fusion. “Algumas dessas empresas atendem às indústrias automotiva e aeroespacial, enquanto outras fabricam armas, conjuntos de ferramentas de corte, torneiras e ralos para encanamento, ou blocos de distribuição de energia e fusíveis.”
A Fusion vende sistemas rotativos personalizados que podem realizar brasagem por indução de 100 a 1.000 peças por hora. De acordo com Cukelj, rendimentos mais altos são possíveis para um único tipo de peça ou para uma série específica de peças. Essas peças variam em tamanho de 2 a 14 polegadas quadradas.
“Cada sistema contém um indexador da Stelron Components Inc. com 8, 10 ou 12 estações de trabalho”, explica Cukelj. “Algumas estações de trabalho são usadas para brasagem, enquanto outras são usadas para inspeção, utilizando câmeras de visão ou equipamentos de medição a laser, ou para realizar testes de tração para garantir juntas brasadas de alta qualidade.”
Segundo Holland, os fabricantes utilizam as fontes de alimentação padrão ECO LINE da eldec para diversas aplicações de brasagem por indução, como a montagem por contração de rotores e eixos ou a união de carcaças de motores. Mais recentemente, um modelo de 100 kW desse gerador foi utilizado em uma aplicação de peças de grande porte que envolvia a brasagem de anéis de circuito de cobre em conexões de derivação de cobre para geradores de barragens hidrelétricas.
A Eldec também fabrica fontes de alimentação portáteis MiniMICO que podem ser facilmente transportadas pela fábrica, com uma faixa de frequência de 10 a 25 kHz. Há dois anos, um fabricante de tubos de trocadores de calor automotivos usou o MiniMICO para soldar por indução os cotovelos de retorno em cada tubo. Uma única pessoa realizou toda a soldagem e levou menos de 30 segundos para montar cada tubo.
Jim é editor sênior da ASSEMBLY e possui mais de 30 anos de experiência editorial. Antes de ingressar na ASSEMBLY, Camillo foi Engenheiro de Gerenciamento de Projetos, editor do periódico Association for Equipment Engineering Journal e do Milling Journal. Jim é formado em Inglês pela Universidade DePaul.
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