Почти каждый процесс сборки можно осуществить несколькими способами. Для достижения наилучших результатов производитель или интегратор обычно выбирает тот вариант, который соответствует проверенной технологии конкретному применению.
Пайка — один из таких процессов. Пайка — это процесс соединения металлов, при котором две или более металлических деталей соединяются путем расплавления присадочного металла и его затекания в соединение. Присадочный металл имеет более низкую температуру плавления, чем соседние металлические детали.
Тепло для пайки может подаваться горелками, печами или индукционными катушками. Во время индукционной пайки индукционная катушка создает магнитное поле, которое нагревает подложку для расплавления присадочного металла. Индукционная пайка оказывается наилучшим выбором для все большего числа сборочных применений.
«Индукционная пайка намного безопаснее, чем пайка горелкой, быстрее, чем пайка в печи, и более воспроизводима, чем обе», — сказал Стив Андерсон, менеджер по полевым и испытательным работам в Fusion Inc., 88-летний интегратор из Уиллоуби, штат Огайо. Саид специализируется на различных методах сборки, включая пайку. «Кроме того, индукционная пайка проще. По сравнению с двумя другими методами, все, что вам действительно нужно, — это стандартное электричество».
Несколько лет назад компания Fusion разработала полностью автоматический шестипозиционный станок для сборки 10 твердосплавных фрез для металлообработки и изготовления инструментов. Фрезы изготавливаются путем прикрепления цилиндрических и конических заготовок из карбида вольфрама к стальному стержню. Производительность составляет 250 деталей в час, а отдельный лоток для деталей вмещает 144 заготовки и держатели инструментов.
«Четырехосевой робот SCARA берет ручку из лотка, подносит ее к дозатору паяльной пасты и загружает в гнездо захвата», — объясняет Андерсон. «Затем робот берет кусок заготовки из лотка и помещает его на конец хвостовика, к которому он приклеен. Индукционная пайка выполняется с использованием электрической катушки, которая вертикально оборачивается вокруг двух деталей и доводит серебряный присадочный металл до температуры ликвидуса 1305 F. После того, как заусенец выровнен и охлажден, он выталкивается через разгрузочный желоб и собирается для дальнейшей обработки».
Использование индукционной пайки для сборки растет, главным образом потому, что она создает прочное соединение между двумя металлическими деталями и очень эффективна при соединении разнородных материалов. Экологические проблемы, усовершенствованные технологии и нетрадиционные области применения также заставляют инженеров-технологов более внимательно присмотреться к индукционной пайке.
Индукционная пайка существует с 1950-х годов, хотя концепция индукционного нагрева (с использованием электромагнетизма) была открыта более чем за столетие до этого британским ученым Майклом Фарадеем. Первым источником тепла для пайки были ручные горелки, за которыми в 1920-х годах последовали печи. Во время Второй мировой войны методы, основанные на использовании печей, часто применялись для производства больших объемов металлических деталей с минимальными трудозатратами и затратами.
Потребительский спрос на кондиционеры в 1960-х и 1970-х годах создал новые области применения индукционной пайки. Фактически, массовая пайка алюминия в конце 1970-х годов привела к появлению многих компонентов, которые можно найти в современных автомобильных системах кондиционирования воздуха.
«В отличие от пайки горелкой, индукционная пайка является бесконтактной и сводит к минимуму риск перегрева», — отмечает Рик Бауш, менеджер по продажам компании Ambrell Corp., inTEST.temperature.
По словам Грега Холланда, менеджера по продажам и операциям компании eldec LLC, стандартная система индукционной пайки состоит из трех компонентов. Это источник питания, рабочая головка с индукционной катушкой и охладитель или система охлаждения.
Источник питания подключается к рабочей головке, а катушки специально спроектированы для размещения вокруг соединения. Индукторы могут быть изготовлены из цельных стержней, гибких кабелей, обработанных заготовок или напечатаны на 3D-принтере из порошковых медных сплавов. Однако обычно они изготавливаются из полых медных трубок, через которые протекает вода по нескольким причинам. Одна из них — сохранение холода катушки путем противодействия теплу, отражаемому деталями во время процесса пайки. Текущая вода также предотвращает накопление тепла в катушках из-за частого присутствия переменного тока и, как следствие, неэффективной теплопередачи.
«Иногда на катушку помещают концентратор потока для усиления магнитного поля в одной или нескольких точках соединения», — объясняет Холланд. «Такие концентраторы могут быть слоистого типа, состоящими из тонких электротехнических сталей, плотно сложенных вместе, или ферромагнитных трубок, содержащих порошкообразный ферромагнитный материал и диэлектрические связи, сжатые под высоким давлением. Используйте любой из них. Преимущество концентратора в том, что он сокращает время цикла, быстрее подавая больше энергии в определенные области соединения, при этом сохраняя другие области более холодными».
Перед позиционированием металлических деталей для индукционной пайки оператору необходимо правильно настроить частоту и уровень мощности системы. Частота может находиться в диапазоне от 5 до 500 кГц, чем выше частота, тем быстрее нагревается поверхность.
Источники питания часто способны вырабатывать сотни киловатт электроэнергии. Однако для пайки детали размером с ладонь за 10–15 секунд требуется всего лишь 1–5 киловатт. Для сравнения, для крупных деталей может потребоваться от 50 до 100 киловатт мощности, а на пайку может уйти до 5 минут.
«Как правило, меньшие компоненты потребляют меньше энергии, но требуют более высоких частот, например, от 100 до 300 килогерц», — сказал Бауш. «Напротив, более крупные компоненты требуют большей энергии и более низких частот, обычно ниже 100 килогерц».
Независимо от размера металлические детали необходимо правильно расположить перед креплением. Необходимо следить за тем, чтобы между основными металлами оставался узкий зазор, обеспечивающий капиллярное действие текущего присадочного металла. Стыковые, нахлесточные и стыковые нахлесточные соединения являются наилучшим способом обеспечения такого зазора.
Допускаются традиционные или самофиксирующиеся крепления. Стандартные крепления должны быть изготовлены из материалов с меньшей проводимостью, таких как нержавеющая сталь или керамика, и как можно меньше соприкасаться с компонентами.
Благодаря проектированию деталей с соединительными швами, выемками, углублениями или насечками можно добиться самофиксации без необходимости использования механической поддержки.
Затем соединения очищаются наждачной бумагой или растворителем для удаления загрязнений, таких как масло, смазка, ржавчина, окалина и грязь. Этот шаг дополнительно усиливает капиллярное действие расплавленного присадочного металла, который протягивается через прилегающие поверхности соединения.
После того, как детали правильно установлены и очищены, оператор наносит на соединение герметик (обычно пасту). Этот герметик представляет собой смесь присадочного металла, флюса (для предотвращения окисления) и связующего вещества, которое удерживает металл и флюс вместе до расплавления.
Присадочные металлы и флюсы, используемые при пайке, разработаны так, чтобы выдерживать более высокие температуры, чем те, которые используются при пайке. Присадочные металлы, используемые при пайке, плавятся при температуре не менее 842 F и становятся прочнее при охлаждении. К ним относятся алюминиево-кремниевые, медные, медно-серебряные, латунные, бронзовые, золото-серебряные, серебряные и никелевые сплавы.
Затем оператор позиционирует индукционную катушку, которая может иметь различную конструкцию. Спиральные катушки имеют круглую или овальную форму и полностью охватывают деталь, в то время как вилочные (или клещевые) катушки располагаются с каждой стороны соединения, а канальные катушки цепляются за деталь. Другие катушки включают катушки внутреннего диаметра (ID), катушки внутреннего/внешнего диаметра (OD), блинчатые, открытые и многопозиционные.
Равномерный нагрев имеет решающее значение для высококачественных паяных соединений. Для этого оператору необходимо убедиться, что вертикальное расстояние между каждым витком индукционной катушки мало, а расстояние соединения (ширина зазора от внешнего диаметра катушки до внутреннего) остается одинаковым.
Затем оператор включает питание, чтобы начать процесс нагрева соединения. Это включает в себя быструю передачу переменного тока средней или высокой частоты от источника питания к индуктору для создания вокруг него переменного магнитного поля.
Магнитное поле индуцирует ток на поверхности соединения, который генерирует тепло для расплавления присадочного металла, позволяя ему течь и смачивать поверхность металлической детали, создавая прочное соединение. Используя многопозиционные катушки, этот процесс можно выполнять на нескольких деталях одновременно.
Рекомендуется окончательная очистка и осмотр каждого паяного компонента. Промывание деталей водой, нагретой не менее чем до 120 F, удалит остатки флюса и окалину, образовавшуюся во время пайки. Деталь следует погрузить в воду после того, как присадочный металл затвердеет, но сборка еще горячая.
В зависимости от детали за минимальной проверкой могут следовать неразрушающие и разрушающие испытания. Методы неразрушающего контроля включают визуальный и радиографический контроль, а также испытания на герметичность и контрольные испытания. Распространенными методами разрушающего контроля являются металлографические испытания, испытания на отслаивание, растяжение, сдвиг, усталость, перенос и кручение.
«Индукционная пайка требует больших начальных капиталовложений, чем метод с использованием горелки, но это того стоит, поскольку вы получаете дополнительную эффективность и контроль», — сказал Холланд. «При индукционной пайке, когда вам нужно тепло, вы просто нажимаете. Когда вам это не нужно, вы нажимаете».
Eldec производит широкий ассортимент источников питания для индукционной пайки, например, линию промежуточной частоты ECO LINE MF, которая доступна в различных конфигурациях для оптимального соответствия каждому применению. Эти источники питания доступны в диапазоне мощности от 5 до 150 кВт и частот от 8 до 40 Гц. Все модели могут быть оснащены функцией повышения мощности, которая позволяет оператору увеличить 100% непрерывную номинальную нагрузку еще на 50% в течение 3 минут. Другие ключевые функции включают контроль температуры пирометром, регистратор температуры и силовой выключатель на биполярном транзисторе с изолированным затвором. Эти расходные материалы требуют минимального обслуживания, работают бесшумно, занимают мало места и легко интегрируются с контроллерами рабочих ячеек.
Производители в ряде отраслей промышленности все чаще используют индукционную пайку для сборки деталей. Bausch указывает на производителей автомобильной, аэрокосмической, медицинской техники и горнодобывающего оборудования как на крупнейших пользователей оборудования Ambrell для индукционной пайки.
«Количество индукционно-паянных алюминиевых компонентов в автомобильной промышленности продолжает расти из-за инициатив по снижению веса», — отмечает Бауш. «В аэрокосмической отрасли никель и другие типы износостойких накладок часто припаиваются к лопастям реактивных двигателей. Обе отрасли также занимаются индукционной пайкой различных стальных трубных фитингов».
Все шесть систем EasyHeat компании Ambrell имеют диапазон частот от 150 до 400 кГц и идеально подходят для индукционной пайки небольших деталей различной геометрии. Компактные модели (0112 и 0224) обеспечивают регулировку мощности с разрешением 25 Вт; модели серии LI (3542, 5060, 7590, 8310) обеспечивают регулировку с разрешением 50 Вт.
Обе серии имеют съемную рабочую головку на расстоянии до 10 футов от источника питания. Элементы управления на передней панели системы программируются, что позволяет конечному пользователю определять до четырех различных профилей нагрева, каждый из которых может иметь до пяти шагов по времени и мощности. Дистанционное управление мощностью доступно для контактного или аналогового входа или дополнительного последовательного порта данных.
«Наши основные клиенты в сфере индукционной пайки — это производители деталей, содержащих некоторое количество углерода, или крупногабаритных деталей, содержащих высокий процент железа», — объясняет Рич Кукель, менеджер по развитию бизнеса Fusion. «Некоторые из этих компаний обслуживают автомобильную и аэрокосмическую промышленность, в то время как другие производят оружие, режущие инструменты, водопроводные краны и сливы или блоки распределения питания и предохранители».
Fusion продает индивидуальные роторные системы, которые могут производить индукционную пайку со скоростью от 100 до 1000 деталей в час. По словам Чукеля, более высокая производительность возможна для одного типа детали или для определенной серии деталей. Размеры таких деталей варьируются от 2 до 14 квадратных дюймов.
«Каждая система содержит индексатор от Stelron Components Inc. с 8, 10 или 12 рабочими станциями», — объясняет Чукель. «Некоторые рабочие станции используются для пайки, в то время как другие — для проверки с использованием видеокамер или лазерного измерительного оборудования или для проведения испытаний на растяжение для обеспечения высокого качества паяных соединений».
Холланд сообщил, что производители используют стандартные блоки питания ECO LINE компании Eldec для различных задач индукционной пайки, таких как горячая посадка роторов и валов или соединение корпусов двигателей. Совсем недавно модель этого генератора мощностью 100 кВт использовалась для крупногабаритной пайки, включающей пайку медных колец цепи с медными соединениями ответвлений для генераторов гидроэлектростанций.
Eldec также производит портативные блоки питания MiniMICO, которые можно легко перемещать по заводу с диапазоном частот от 10 до 25 кГц. Два года назад производитель трубок автомобильных теплообменников использовал MiniMICO для индукционной пайки обратных колен к каждой трубке. Всю пайку выполнял один человек, а сборка каждой трубки занимала менее 30 секунд.
Джим — старший редактор ASSEMBLY с более чем 30-летним опытом работы в редакции. До прихода в ASSEMBLY Камилло был инженером по управлению проектами, редактором журналов Association for Equipment Engineering Journal и Milling Journal. Джим получил степень по английскому языку в Университете Де Поля.
Отправьте запрос на предложение (RFP) поставщику по вашему выбору и нажмите кнопку, подробно описав ваши потребности.
Просмотрите наш справочник покупателя, чтобы найти поставщиков всех типов сборочных технологий, машин и систем, поставщиков услуг и торговые организации.
Lean Six Sigma на протяжении десятилетий способствовала непрерывному совершенствованию, но ее недостатки стали очевидны. Сбор данных — трудоемкий процесс, позволяющий охватить лишь небольшие выборки. Теперь данные можно собирать в течение длительных периодов времени и в разных местах, что значительно дешевле, чем при использовании старых ручных методов.
Роботы стали дешевле и проще в использовании, чем когда-либо. Эта технология доступна даже для малых и средних производителей. Послушайте эту эксклюзивную панельную дискуссию с участием руководителей четырех ведущих поставщиков робототехники в Америке: ATI Industrial Automation, Epson Robots, FANUC America и Universal Robots.