Nästan varje monteringsprocess kan utföras på flera sätt. Det alternativ som en tillverkare eller integratör väljer för bästa resultat är vanligtvis ett som matchar en beprövad teknik med en specifik applikation.
Lödning är en sådan process. Lödning är en metallfogningsprocess där två eller flera metalldelar sammanfogas genom att smälta tillsatsmaterial och låta det flyta in i fogen. Tillsatsmaterialet har en lägre smältpunkt än de intilliggande metalldelarna.
Värmen för lödning kan tillhandahållas av brännare, ugnar eller induktionsspolar. Vid induktionslödning skapar en induktionsspole ett magnetfält som värmer upp substratet för att smälta tillsatsmaterialet. Induktionslödning visar sig vara det bästa valet för ett växande antal monteringsapplikationer.
”Induktionslödning är mycket säkrare än brännarlödning, snabbare än ugnslödning och mer repeterbar än båda”, säger Steve Anderson, chef för fält- och testvetenskap på Fusion Inc., en 88-årig integratör i Willoughby, Ohio Said, som specialiserar sig på en mängd olika monteringsmetoder, inklusive lödning. ”Dessutom är induktionslödning enklare. Jämfört med de andra två metoderna behöver du bara vanlig elektricitet.”
För några år sedan utvecklade Fusion en helautomatisk maskin med sex stationer för montering av 10 hårdmetallfilar för metallbearbetning och verktygstillverkning. Filarna tillverkas genom att cylindriska och koniska volframkarbidämnen fästs på ett stålskaft. Produktionshastigheten är 250 delar per timme, och det separata delfacket rymmer 144 ämnen och verktygshållare.
”En fyraxlig SCARA-robot tar ett handtag från brickan, presenterar det för lödpastdispensern och laddar det i gripdonet”, förklarar Anderson. ”Roboten tar sedan en bit ämne från brickan och placerar den på änden av skaftet som den limmas till. Induktionslödning utförs med hjälp av en elektrisk spole som lindas vertikalt runt de två delarna och bringar silverfyllnadsmetallen till en liquidustemperatur på 1 305 F. Efter att skärkomponenten är justerad och kyld, matas den ut genom en utloppsränna och samlas in för vidare bearbetning.”
Användningen av induktionslödning för montering ökar, främst för att det skapar en stark koppling mellan två metalldelar och för att det är mycket effektivt för att sammanfoga olika material. Miljöhänsyn, förbättrad teknik och icke-traditionella tillämpningar tvingar också tillverkningsingenjörer att titta närmare på induktionslödning.
Induktionslödning har funnits sedan 1950-talet, även om konceptet med induktionsvärme (med hjälp av elektromagnetism) upptäcktes mer än ett sekel tidigare av den brittiska vetenskapsmannen Michael Faraday. Handbrännare var den första värmekällan för lödning, följt av ugnar på 1920-talet. Under andra världskriget användes ofta ugnsbaserade metoder för att tillverka stora mängder metalldelar med minimal arbetskraft och kostnad.
Konsumenternas efterfrågan på luftkonditionering på 1960- och 1970-talen skapade nya tillämpningar för induktionslödning. Faktum är att masslödningen av aluminium i slutet av 1970-talet resulterade i många av de komponenter som finns i dagens luftkonditioneringssystem för bilar.
”Till skillnad från lödning med brännare är induktionslödning beröringsfri och minimerar risken för överhettning”, konstaterar Rick Bausch, försäljningschef för Ambrell Corp., inTEST.temperature.”
Enligt Greg Holland, försäljnings- och driftschef på eldec LLC, består ett vanligt induktionslödningssystem av tre komponenter. Dessa är strömförsörjningen, arbetshuvudet med induktionsspolen och kylaren eller kylsystemet.
Strömförsörjningen är ansluten till arbetshuvudet och spolarna är specialdesignade för att passa runt skarven. Induktorer kan tillverkas av solida stänger, flexibla kablar, maskinbearbetade ämnen eller 3D-printas från pulveriserade kopparlegeringar. Vanligtvis är den dock gjord av ihåliga kopparrör, genom vilka vatten flödar av flera anledningar. En är att hålla spolen sval genom att motverka värmen som reflekteras av delarna under lödningsprocessen. Det strömmande vattnet förhindrar också värmeuppbyggnad i spolarna på grund av den frekventa närvaron av växelström och den resulterande ineffektiva värmeöverföringen.
”Ibland placeras en flödeskoncentrator på spolen för att förstärka magnetfältet vid en eller flera punkter i övergången”, förklarar Holland. ”Sådana koncentratorer kan vara av laminattyp, bestående av tunna elektriska stål tätt staplade tillsammans, eller ferromagnetiska rör som innehåller pulveriserat ferromagnetiskt material och dielektriska bindningar komprimerade under högt tryck. Använd antingen Fördelen med koncentratorn är att den minskar cykeltiden genom att föra mer energi till specifika områden i fogen snabbare, samtidigt som andra områden hålls svalare.”
Innan metalldelar placeras för induktionslödning måste operatören ställa in systemets frekvens- och effektnivåer korrekt. Frekvensen kan variera från 5 till 500 kHz, ju högre frekvens, desto snabbare värms ytan upp.
Strömförsörjning kan ofta producera hundratals kilowatt elektricitet. Att löda en handflatstor del på 10 till 15 sekunder kräver dock bara 1 till 5 kilowatt. Som jämförelse kan stora delar kräva 50 till 100 kilowatt effekt och ta upp till 5 minuter att löda.
"Som en allmän regel använder mindre komponenter mindre ström, men kräver högre frekvenser, såsom 100 till 300 kilohertz", sa Bausch. "Däremot kräver större komponenter mer ström och lägre frekvenser, vanligtvis under 100 kilohertz."
Oavsett storlek måste metalldelar placeras korrekt innan de fästs. Var noga med att hålla ett tätt mellanrum mellan basmetallerna för att möjliggöra korrekt kapillärverkan av det flytande tillsatsmaterialet. Stumfogar, överlappningsfogar och stumöverlappningsfogar är det bästa sättet att säkerställa detta spelrum.
Traditionella eller självfixerande armaturer är acceptabla. Standardarmaturer bör vara tillverkade av mindre ledande material som rostfritt stål eller keramik, och vidröra komponenterna så lite som möjligt.
Genom att konstruera delar med sammankopplade sömmar, pressning, fördjupningar eller räfflor kan självfixering uppnås utan behov av mekaniskt stöd.
Fogarna rengörs sedan med en smärgelputs eller lösningsmedel för att avlägsna föroreningar som olja, fett, rost, glödskal och smuts. Detta steg förstärker ytterligare kapillärverkan hos den smälta fyllnadsmetallen som drar sig själv genom de intilliggande ytorna av fogen.
När delarna är ordentligt monterade och rengjorda applicerar operatören en fogmassa (vanligtvis en pasta) på fogen. Fogmassan är en blandning av tillsatsmaterial, flussmedel (för att förhindra oxidation) och ett bindemedel som håller ihop metallen och flussmedlet innan det smälter.
Tillsatsmaterial och flussmedel som används vid lödning är formulerade för att motstå högre temperaturer än de som används vid lödning. Tillsatsmaterial som används vid lödning smälter vid temperaturer på minst 842 F och är starkare när de kyls. De inkluderar aluminium-kisel, koppar, koppar-silver, mässing, brons, guld-silver, silver och nickellegeringar.
Operatören placerar sedan induktionsspolen, som finns i en mängd olika utföranden. Spiralformade spolar är cirkulära eller ovala i formen och omger hela delen, medan gaffelspolar (eller tångspolar) är placerade på varje sida av fogen och kanalspolar hakar fast på delen. Andra spolar inkluderar innerdiameter (ID), ID/ytterdiameter (OD), pannkaksspolar, öppna spolar och flerpositionsspolar.
Jämn värme är avgörande för högkvalitativa lödda anslutningar. För att göra detta måste operatören se till att det vertikala avståndet mellan varje induktionsspolslinga är litet och att kopplingsavståndet (spaltbredden från spolens ytterdiameter till innerdiameter) förblir jämnt.
Därefter slår operatören på strömmen för att påbörja processen att värma upp fogen. Detta innebär att snabbt överföra mellan- eller högfrekvent växelström från en strömkälla till en induktor för att skapa ett alternerande magnetfält runt den.
Magnetfältet inducerar en ström på fogens yta, vilket genererar värme som smälter tillsatsmaterialet, vilket gör att det kan flyta och väta ytan på metalldelen, vilket skapar en stark bindning. Med hjälp av flerpositionsspolar kan denna process utföras på flera delar samtidigt.
Slutrengöring och inspektion av varje lödd komponent rekommenderas. Tvättning av delarna med vatten uppvärmt till minst 49 °C tar bort flussrester och eventuella glödspån som bildats under lödningen. Delen bör doppas i vatten efter att tillsatsmaterialet har stelnat, men aggregatet är fortfarande varmt.
Beroende på detaljen kan minimal inspektion följas av oförstörande och destruktiv provning. OFP-metoder inkluderar visuell och radiografisk inspektion, samt läckage- och säkerhetsprovning. Vanliga destruktiva provningsmetoder är metallografisk, skalnings-, drag-, skjuv-, utmattnings-, överförings- och torsionsprovning.
”Induktionslödning kräver en större initial kapitalinvestering än brännarmetoden, men det är värt det eftersom du får extra effektivitet och kontroll”, sa Holland. ”Med induktion trycker du bara när du behöver värme. När du inte behöver det trycker du.”
Eldec tillverkar ett brett utbud av strömkällor för induktionslödning, såsom ECO LINE MF mellanfrekvenslinjen, som finns i olika konfigurationer för att bäst passa varje applikation. Dessa strömförsörjningar finns i effektklasser från 5 till 150 kW och frekvenser från 8 till 40 Hz. Alla modeller kan utrustas med en effektökningsfunktion som gör det möjligt för operatören att öka 100 % kontinuerlig drift med ytterligare 50 % inom 3 minuter. Andra viktiga funktioner inkluderar pyrometertemperaturkontroll, temperaturregistrering och strömbrytare med isolerad grindtransistor. Dessa förbrukningsvaror kräver lite underhåll, är tystgående, har ett litet fotavtryck och är enkelt integrerade med arbetscellsstyrenheter.
Tillverkare inom flera branscher använder i allt högre grad induktionslödning för att montera delar. Bausch pekar på tillverkare av fordons-, flyg-, medicinsk utrustning och gruvutrustning som de största användarna av Ambrell induktionslödningsutrustning.
”Antalet induktionslödda aluminiumkomponenter inom bilindustrin fortsätter att öka på grund av viktminskningsinitiativ”, påpekar Bausch. ”Inom flyg- och rymdsektorn löds ofta nickel och andra typer av slitplattor till strålblad. Båda industrierna induktionslöder även olika stålrördelar.”
Alla sex av Ambrells EasyHeat-system har ett frekvensområde på 150 till 400 kHz och är idealiska för induktionslödning av små delar med olika geometrier. Kompaktmodellerna (0112 och 0224) erbjuder effektreglering inom 25 watts upplösning; modellerna i LI-serien (3542, 5060, 7590, 8310) erbjuder reglering inom 50 watts upplösning.
Båda serierna har ett avtagbart arbetshuvud upp till 3 meter från strömkällan. Systemets frontpanelkontroller är programmerbara, vilket gör det möjligt för slutanvändaren att definiera upp till fyra olika värmeprofiler, var och en med upp till fem tids- och effektsteg. Fjärrstyrning av strömmen finns tillgänglig för kontakt- eller analog ingång, eller valfri seriell dataport.
”Våra huvudkunder för induktionslödning är tillverkare av delar som innehåller en del kol, eller stora delar som innehåller en hög andel järn”, förklarar Rich Cukelj, Fusion Business Development Manager. ”Vissa av dessa företag betjänar fordons- och flygindustrin, medan andra tillverkar pistoler, skärverktygsaggregat, VVS-kranar och avlopp, eller kraftdistributionsblock och säkringar.”
Fusion säljer specialanpassade rotationssystem som kan induktionslöda 100 till 1 000 delar per timme. Enligt Cukelj är högre utbyten möjliga för en enskild typ av del eller för en specifik serie av delar. Dessa delar varierar i storlek från 2 till 14 kvadrattum.
”Varje system innehåller en indexerare från Stelron Components Inc. med 8, 10 eller 12 arbetsstationer”, förklarar Cukelj. ”Vissa arbetsstationer används för lödning, medan andra används för inspektion, med hjälp av visionskameror eller lasermätningsutrustning, eller för att utföra dragprov för att säkerställa högkvalitativa lödda fogar.”
Tillverkare använder eldecs standard ECO LINE-strömförsörjning för en mängd olika induktionslödningsapplikationer, såsom krymppassning av rotorer och axlar, eller sammanfogning av motorhus, sa Holland. På senare tid användes en 100 kW-modell av denna generator i en stor delapplikation som involverade lödning av kopparkretsringar till kopparkrananslutningar för vattenkraftsdammgeneratorer.
Eldec tillverkar även bärbara MiniMICO-strömförsörjningar som enkelt kan flyttas runt i fabriken med ett frekvensområde på 10 till 25 kHz. För två år sedan använde en tillverkare av värmeväxlarrör för bilar MiniMICO för att induktionslöda returböjar till varje rör. En person utförde all lödning, och det tog mindre än 30 sekunder att montera varje rör.
Jim är seniorredaktör på ASSEMBLY med över 30 års redaktionell erfarenhet. Innan Camillo började på ASSEMBLY var han PM Engineer, redaktör för Association for Equipment Engineering Journal och Milling Journal. Jim har en examen i engelska från DePaul University.
Skicka in en offertförfrågan (RFP) till en leverantör du väljer och klicka på en knapp som beskriver dina behov
Bläddra i vår köpguide för att hitta leverantörer av alla typer av monteringsteknik, maskiner och system, tjänsteleverantörer och branschorganisationer.
Lean Six Sigma har drivit kontinuerliga förbättringar i årtionden, men dess brister har blivit uppenbara. Datainsamling är arbetsintensiv och kan bara fånga små stickprov. Data kan nu samlas in över långa tidsperioder och på flera platser till en bråkdel av kostnaden för äldre manuella metoder.
Robotar är billigare och enklare att använda än någonsin. Den här tekniken är lättillgänglig även för små och medelstora tillverkare. Lyssna på den här exklusiva paneldiskussionen med chefer från fyra av Amerikas främsta robotleverantörer: ATI Industrial Automation, Epson Robots, FANUC America och Universal Robots.