Практически любой процесс сборки может быть выполнен несколькими способами. Как правило, производитель или интегратор выбирает для достижения наилучших результатов тот вариант, который сочетает проверенную технологию с конкретным применением.
Пайка — один из таких процессов. Пайка — это процесс соединения металлов, при котором две или более металлических детали соединяются путем расплавления припоя и его заполнения места соединения. Припой имеет более низкую температуру плавления, чем соседние металлические детали.
Нагрев для пайки может осуществляться с помощью горелок, печей или индукционных катушек. Во время индукционной пайки индукционная катушка создает магнитное поле, которое нагревает подложку, расплавляя припой. Индукционная пайка становится все более распространенным методом для различных сборочных работ.
«Индукционная пайка намного безопаснее, чем пайка горелкой, быстрее, чем пайка в печи, и обеспечивает более воспроизводимые результаты, чем обе предыдущие», — сказал Стив Андерсон, менеджер по полевым и испытательным работам в компании Fusion Inc., 88-летней интеграторской фирме из Уилоуби, штат Огайо. Он специализируется на различных методах сборки, включая пайку. «Кроме того, индукционная пайка проще. По сравнению с двумя другими методами, все, что вам действительно нужно, — это обычное электричество».
Несколько лет назад компания Fusion разработала полностью автоматизированный шестипозиционный станок для сборки 10 твердосплавных фрез для металлообработки и инструментального производства. Фрезы изготавливаются путем прикрепления цилиндрических и конических заготовок из карбида вольфрама к стальному хвостовику. Производительность составляет 250 деталей в час, а отдельный лоток для деталей вмещает 144 заготовки и держателя инструмента.
«Четырехосевой робот SCARA берет ручку из лотка, подает ее в дозатор паяльной пасты и загружает в гнездо захвата», — объясняет Андерсон. «Затем робот берет заготовку из лотка и помещает ее на конец хвостовика, к которому она приклеивается. Индукционная пайка выполняется с помощью электрической катушки, которая вертикально обматывается вокруг двух деталей и доводит припой серебра до температуры ликвидуса 1305 °F. После выравнивания и охлаждения детали с заусенцами она 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 соображения, усовершенствованные технологии и нетрадиционные области применения также заставляют инженеров-технологов внимательнее изучать индукционную пайку.
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 расходами.
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 созданию многих компонентов, которые используются в современных автомобильных системах кондиционирования воздуха.
«В отличие от пайки горелкой, индукционная пайка является бесконтактной и минимизирует риск перегрева», — отмечает Рик Бауш, менеджер по продажам компании Ambrell Corp.
По словам Грега Холланда, менеджера по продажам и операциям компании eldec LLC, стандартная система индукционной пайки состоит из трех компонентов: источника питания, рабочей головки с индукционной катушкой и охладителя или системы охлаждения.
Источник питания подключается к рабочей головке, а катушки изготавливаются по индивидуальному заказу, чтобы точно соответствовать соединению. Индукторы могут быть изготовлены из цельных стержней, гибких кабелей, обработанных заготовок или напечатаны на 3D-принтере из порошковых медных сплавов. Однако обычно он изготавливается из полых медных трубок, через которые протекает вода по нескольким причинам. Одна из них — охлаждение катушки за счет противодействия теплу, отражаемому деталями во время процесса пайки. Протекающая вода также предотвращает накопление тепла в катушках из-за частого присутствия переменного тока и, как следствие, неэффективной теплопередачи.
«Иногда на катушку устанавливается концентратор магнитного потока для усиления магнитного поля в одной или нескольких точках соединения», — объясняет Холланд. «Такие концентраторы могут быть ламинированными, состоящими из тонких электротехнических сталей, плотно сложенных друг на друга, или ферромагнитными трубками, содержащими порошкообразный ферромагнитный материал и диэлектрические связи, сжатые под высоким давлением. Преимущество концентратора заключается в том, что он сокращает время цикла, быстрее направляя больше энергии в определенные области соединения, при этом поддерживая более низкую температуру в других областях».
Перед размещением металлических деталей для индукционной пайки оператору необходимо правильно установить частоту и мощность системы. Частота может варьироваться 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 1-5 киловатт. Для сравнения, для крупных деталей может потребоваться от 50 до 100 киловатт мощности, а пайка может занять до 5 минут.
«Как правило, более мелкие компоненты потребляют меньше энергии, но требуют более высоких частот, например, от 100 до 300 килогерц, — сказал Бауш. — Напротив, более крупные компоненты требуют большей мощности и более низких частот, обычно ниже 100 килогерц».
Независимо от размера, металлические детали необходимо правильно расположить перед креплением. Следует позаботиться о поддержании плотного зазора между основными металлами, чтобы обеспечить надлежащее капиллярное действие текучего присадочного металла. Стыковые, нахлесточные и стыковые нахлесточные соединения — лучший способ обеспечить этот зазор.
Допускаются традиционные или самозакрепляющиеся светильники. Стандартные светильники должны быть изготовлены из менее проводящих материалов, таких как нержавеющая сталь или керамика, и как можно меньше соприкасаться с компонентами.
Благодаря использованию деталей с взаимозацепляющимися швами, обжимом, углублениями или накаткой, можно добиться самофиксации без необходимости механической поддержки.
Затем швы очищаются наждачной бумагой или растворителем для удаления таких загрязнений, как масло, смазка, ржавчина, окалина и грязь. Этот этап дополнительно усиливает капиллярное действие расплавленного присадочного металла, который проникает через прилегающие поверхности шва.
После того, как детали правильно установлены и очищены, оператор наносит на соединение шпатлевку (обычно пасту). Штрево представляет собой смесь присадочного металла, флюса (для предотвращения окисления) и связующего вещества, которое удерживает металл и флюс вместе до расплавления.
Припои и флюсы, используемые при пайке, разработаны таким образом, чтобы выдерживать более высокие температуры, чем те, которые используются при обычной пайке. Припои, используемые для пайки, плавятся при температуре не ниже 842 °F (380 °C) и становятся прочнее при охлаждении. К ним относятся сплавы алюминия и кремния, меди, меди и серебра, латуни, бронзы, золота и серебра, серебра и никеля.
Затем оператор устанавливает индукционную катушку, которая выпускается в различных вариантах. Спиральные катушки имеют круглую или овальную форму и полностью окружают деталь, в то время как вилкообразные (или клещевидные) катушки расположены по обе стороны от соединения, а канальные катушки крепятся к детали. К другим типам катушек относятся катушки с внутренним диаметром (ID), с внутренним/внешним диаметром (OD), плоские, открытые и многопозиционные.
Для получения высококачественных паяных соединений крайне важен равномерный нагрев. Для этого оператору необходимо обеспечить небольшое вертикальное расстояние между витками индукционной катушки и равномерное расстояние между контактами (ширина зазора от внешнего до внутреннего диаметра катушки).
Далее 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, расплавляющее присадочный металл, позволяя ему растекаться и смачивать поверхность металлической детали, создавая прочное соединение. Используя многопозиционные катушки, этот процесс может выполняться одновременно на нескольких деталях.
Рекомендуется окончательная очистка и осмотр каждой спаянной детали. Промывка деталей водой, нагретой не менее до 120°F (49°C), удалит остатки флюса и окалину, образовавшуюся во время пайки. Деталь следует погружать в воду после того, как припой затвердеет, но сборка еще горячая.
В зависимости от детали, после минимального осмотра могут проводиться неразрушающие и разрушающие испытания. Методы неразрушающего контроля включают визуальный и рентгенографический осмотр, а также испытания на герметичность и прочность. Распространенными методами разрушающих испытаний являются металлографический контроль, испытания на отслаивание, растяжение, сдвиг, усталость, перенос и кручение.
«Индукционная пайка требует больших первоначальных капиталовложений, чем пайка горелкой, но это того стоит, потому что вы получаете дополнительную эффективность и контроль», — сказал Холланд. «При индукционной пайке, когда вам нужен нагрев, вы просто нажимаете. Когда он не нужен, вы тоже нажимаете».
Компания Eldec производит широкий ассортимент источников питания для индукционной пайки, таких как среднечастотная линия ECO LINE MF, которая доступна в различных конфигурациях для оптимального соответствия каждому применению. Эти источники питания выпускаются с номинальной мощностью от 5 до 150 кВт и частотой от 8 до 40 Гц. Все модели могут быть оснащены функцией повышения мощности, которая позволяет оператору увеличить номинальную мощность в режиме непрерывной работы на 50% в течение 3 минут. Другие ключевые особенности включают пирометрический контроль температуры, регистратор температуры и силовой переключатель на биполярном транзисторе с изолированным затвором. Эти расходные материалы требуют минимального технического обслуживания, работают бесшумно, имеют компактные размеры и легко интегрируются с контроллерами рабочих ячеек.
Производители в ряде отраслей все чаще используют индукционную пайку для сборки деталей. Бауш указывает на производителей автомобильной, аэрокосмической, медицинской и горнодобывающей техники как на крупнейших потребителей оборудования для индукционной пайки Ambrell.
«В автомобильной промышленности количество алюминиевых компонентов, спаянных индукционным методом, продолжает расти благодаря инициативам по снижению веса», — отмечает Бауш. «В аэрокосмической отрасли к лопаткам реактивных двигателей часто припаивают никелевые и другие износостойкие накладки. В обеих отраслях также используют индукционную пайку для различных стальных трубных фитингов».
Все шесть систем EasyHeat от Ambrell имеют частотный диапазон 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 до 25 Вт; модели серии LI (3542, 5060, 7590, 8310) обеспечивают регулировку с разрешением до 50 Вт.
Обе серии имеют съемную рабочую головку, расположенную на расстоянии до 3 метров от источника питания. Элементы управления на передней панели системы программируемы, что позволяет пользователю задавать до четырех различных профилей нагрева, каждый из которых имеет до пяти шагов по времени и мощности. Дистанционное управление питанием доступно через контактный или аналоговый вход, а также через дополнительный последовательный порт данных.
«Нашими основными клиентами в сфере индукционной пайки являются производители деталей, содержащих углерод, или крупногабаритных деталей с высоким содержанием железа», — объясняет Рич Кукель, менеджер по развитию бизнеса компании Fusion. — «Некоторые из этих компаний обслуживают автомобильную и аэрокосмическую отрасли, в то время как другие производят оружие, режущие инструменты, сантехнические краны и сливы, а также распределительные блоки и предохранители».
Компания Fusion продает изготовленные на заказ роторные системы, способные производить индукционную пайку от 100 до 1000 деталей в час. По словам Кукеля, более высокая производительность возможна для одного типа деталей или для конкретной серии деталей. Размер этих деталей варьируется от 2 до 14 квадратных дюймов.
«Каждая система включает в себя индексатор от компании Stelron Components Inc. с 8, 10 или 12 рабочими станциями», — объясняет Кукель. «Некоторые рабочие станции используются для пайки, а другие — для контроля качества с помощью камер машинного зрения или лазерного измерительного оборудования, а также для проведения испытаний на растяжение, чтобы гарантировать высокое качество паяных соединений».
По словам Холланда, производители используют стандартные источники питания ECO LINE от eldec для различных задач индукционной пайки, таких как термоусадочная посадка роторов и валов или соединение корпусов двигателей. Совсем недавно модель этого генератора мощностью 100 кВт была использована в крупномасштабном производстве деталей, включавшем пайку медных колец цепи к медным отводам для генераторов гидроэлектростанций.
Компания Eldec также производит портативные источники питания MiniMICO, которые легко перемещать по заводу, с частотным диапазоном от 10 до 25 кГц. Два года назад производитель трубок для автомобильных теплообменников использовал MiniMICO для индукционной пайки возвратных патрубков к каждой трубке. Пайку выполнял один человек, и на сборку каждой трубки уходило менее 30 секунд.
Джим — старший редактор журнала ASSEMBLY с более чем 30-летним опытом работы в редакционной сфере. До прихода в ASSEMBLY Камилло был инженером-проектировщиком, редактором журналов Association for Equipment Engineering Journal и Milling Journal. Джим имеет степень бакалавра английского языка Университета ДеПола.
Отправьте запрос на коммерческое предложение (RFP) выбранному вами поставщику и, нажав кнопку, подробно опишите свои потребности.
Ознакомьтесь с нашим руководством для покупателей, чтобы найти поставщиков всех типов сборочных технологий, машин и систем, поставщиков услуг и торговые организации.
Методология Lean Six Sigma десятилетиями способствовала непрерывному совершенствованию, но её недостатки стали очевидны. Сбор данных трудоёмок и позволяет получать лишь небольшие выборки. Теперь же данные можно собирать в течение длительных периодов времени и в нескольких местах, что обходится значительно дешевле, чем при использовании старых ручных методов.
Роботы стали дешевле и проще в использовании, чем когда-либо. Эта технология легкодоступна даже для малых и средних предприятий. Послушайте эксклюзивную панельную дискуссию с участием руководителей четырех ведущих американских поставщиков робототехники: ATI Industrial Automation, Epson Robots, FANUC America и Universal Robots.