Майже кожен процес складання можна виконати кількома способами. Варіант, який виробник або інтегратор обирає для найкращих результатів, зазвичай відповідає перевіреній технології конкретному застосуванню.
Пайка є одним із таких процесів. Пайка – це процес з'єднання металу, в якому дві або більше металевих деталей з'єднуються шляхом плавлення присадочного металу та заливання його в з'єднання. Присадковий метал має нижчу температуру плавлення, ніж сусідні металеві деталі.
Тепло для паяння може бути забезпечене пальниками, печами або індукційними котушками. Під час індукційного паяння індукційна котушка створює магнітне поле, яке нагріває підкладку, щоб розплавити присадний метал. Індукційне паяння виявляється найкращим вибором для зростаючої кількості застосувань складання.
«Індукційна пайка набагато безпечніша, ніж пайка пальником, швидша, ніж пайка в печі, і більш повторювана, ніж обидва методи», — сказав Стів Андерсон, менеджер з польових та випробувальних досліджень у Fusion Inc., 88-річному інтеграторі з Віллоубі, штат Огайо, який спеціалізується на різних методах складання, включаючи пайку. «Крім того, індукційна пайка простіша. Порівняно з двома іншими методами, все, що вам дійсно потрібно, це стандартна електроенергія».
Кілька років тому компанія Fusion розробила повністю автоматичний шестипозиційний верстат для складання 10 твердосплавних борфрез для металообробки та інструментального виробництва. Борфрези виготовляються шляхом кріплення циліндричних та конічних заготовок з твердого сплаву вольфраму до сталевого хвостовика. Продуктивність виробництва становить 250 деталей на годину, а окремий лоток для деталей може вмістити 144 заготовки та тримачі інструментів.
«Чотиривісний робот SCARA бере ручку з лотка, подає її до дозатора паяльної пасти та завантажує в гніздо захоплення», – пояснює Андерсон. «Потім робот бере заготовку з лотка та розміщує її на кінці хвостовика, до якого вона приклеюється. Індукційна пайка виконується за допомогою електричної котушки, яка вертикально обмотується навколо двох деталей та доводить срібний присадний метал до температури ліквідусу 1305°F (704°C). Після вирівнювання та охолодження задирки її викидають через випускний жолоб та збирають для подальшої обробки».
Використання індукційної пайки для складання зростає, головним чином тому, що вона створює міцне з'єднання між двома металевими деталями та дуже ефективна для з'єднання різнорідних матеріалів. Екологічні проблеми, вдосконалені технології та нетрадиційні застосування також змушують інженерів-виробників уважніше розглянути індукційну пайку.
Індукційне паяння існує з 1950-х років, хоча концепцію індукційного нагрівання (з використанням електромагнетизму) відкрив понад століття тому британський вчений Майкл Фарадей. Ручні пальники були першим джерелом тепла для паяння, а потім у 1920-х роках з'явилися печі. Під час Другої світової війни методи на основі печей часто використовувалися для виготовлення великої кількості металевих деталей з мінімальними витратами праці та коштів.
Споживчий попит на кондиціонери в 1960-х і 1970-х роках створив нові способи застосування індукційної пайки. Фактично, масова пайка алюмінію наприкінці 1970-х років призвела до появи багатьох компонентів, які використовуються в сучасних автомобільних системах кондиціонування повітря.
«На відміну від паяння пальником, індукційне паяння є безконтактним і мінімізує ризик перегріву», – зазначає Рік Бауш, менеджер з продажу Ambrell Corp., в інтерв’ю inTEST.temperature.
За словами Грега Холланда, менеджера з продажу та операцій компанії eldec LLC, стандартна система індукційного паяння складається з трьох компонентів. Це блок живлення, робоча головка з індукційною котушкою та охолоджувач або система охолодження.
Джерело живлення підключено до робочої головки, а котушки спеціально розроблені для розміщення навколо з'єднання. Індуктори можуть бути виготовлені з суцільних стрижнів, гнучких кабелів, оброблених заготовок або надруковані на 3D-принтері з порошкових мідних сплавів. Зазвичай, однак, вони виготовляються з порожнистих мідних трубок, через які протікає вода з кількох причин. Одна з них - охолодження котушки шляхом протидії теплу, що відбивається деталями під час процесу паяння. Поточна вода також запобігає накопиченню тепла в котушках через часту присутність змінного струму та, як наслідок, неефективну теплопередачу.
«Іноді на котушку розміщують концентратор магнітного потоку, щоб посилити магнітне поле в одній або кількох точках з'єднання», – пояснює Голланд. «Такі концентратори можуть бути ламінатного типу, що складаються з тонких електротехнічних сталей, щільно укладених разом, або феромагнітних трубок, що містять порошкоподібний феромагнітний матеріал та діелектричні зв'язки, стиснуті під високим тиском. Використовуйте будь-який з них. Перевага концентратора полягає в тому, що він скорочує час циклу, швидше передаючи більше енергії в певні ділянки з'єднання, одночасно охолоджуючи інші ділянки».
Перед позиціонуванням металевих деталей для індукційного паяння оператору необхідно правильно встановити частоту та рівні потужності системи. Частота може коливатися від 5 до 500 кГц, чим вища частота, тим швидше нагрівається поверхня.
Джерела живлення часто здатні виробляти сотні кіловат електроенергії. Однак, для паяння деталі розміром з долоню за 10-15 секунд потрібно лише від 1 до 5 кіловат. Для порівняння, великі деталі можуть вимагати від 50 до 100 кіловат потужності та займати до 5 хвилин.
«Як правило, менші компоненти споживають менше енергії, але потребують вищих частот, таких як від 100 до 300 кілогерц», — сказав Бауш. «Натомість, більші компоненти потребують більшої потужності та нижчих частот, зазвичай нижче 100 кілогерц».
Незалежно від їхнього розміру, металеві деталі необхідно правильно розташувати перед кріпленням. Слід подбати про те, щоб між основними металами залишався щільний зазор, щоб забезпечити належну капілярну дію потоку присадного металу. Стикові, нахлесточні та стикові нахлесточні з'єднання – найкращий спосіб забезпечити цей зазор.
Традиційні або самофіксуючі є прийнятними. Стандартні світильники повинні бути виготовлені з менш провідних матеріалів, таких як нержавіюча сталь або кераміка, і якомога менше торкатися компонентів.
Завдяки проектуванні деталей із переплетеними швами, обтисками, заглибленнями або накатками можна досягти самофіксації без необхідності механічної опори.
Потім з'єднання очищають наждачним кругом або розчинником для видалення забруднень, таких як олія, мастило, іржа, окалина та бруд. Цей крок додатково посилює капілярну дію розплавленого присадного металу, який просочується через суміжні поверхні з'єднання.
Після того, як деталі належним чином встановлені та очищені, оператор наносить на з'єднання герметичну пасту (зазвичай пасту). Ця суміш являє собою суміш присадного металу, флюсу (для запобігання окисленню) та сполучної речовини, яка утримує метал і флюс разом перед плавленням.
Присадкові метали та флюси, що використовуються для паяння, розроблені таким чином, щоб витримувати вищі температури, ніж ті, що використовуються для паяння. Присадкові метали, що використовуються для паяння, плавляться за температури щонайменше 842 F (360°C) і стають міцнішими при охолодженні. До них належать алюмінієво-кремнієві, мідні, мідно-срібні, латунні, бронзові, золото-срібні, срібні та нікелеві сплави.
Потім оператор позиціонує індукційну котушку, яка буває різних конструкцій. Спіральні котушки мають круглу або овальну форму та повністю оточують деталь, тоді як вилкові (або кліщові) котушки розташовані з кожного боку з'єднання, а канальні котушки кріпляться до деталі. Інші котушки включають котушки внутрішнього діаметра (ID), внутрішнього/зовнішнього діаметра (OD), млинчасті, відкриті та багатопозиційні.
Рівномірний нагрів є важливим для високоякісних паяних з'єднань. Для цього оператор повинен забезпечити невелику вертикальну відстань між кожною петлею індукційної котушки та рівномірну відстань зчеплення (ширина зазору від зовнішнього до внутрішнього діаметра котушки).
Далі оператор вмикає живлення, щоб розпочати процес нагрівання з'єднання. Це включає швидку передачу змінного струму середньої або високої частоти від джерела живлення до індуктора для створення навколо нього змінного магнітного поля.
Магнітне поле індукує струм на поверхні з'єднання, який генерує тепло для розплавлення присадного металу, дозволяючи йому текти та змочувати поверхню металевої деталі, створюючи міцний зв'язок. Використовуючи багатопозиційні котушки, цей процес можна виконувати на кількох деталях одночасно.
Рекомендується остаточне очищення та перевірка кожного паяного компонента. Промивання деталей водою, нагрітою до температури щонайменше 120°F (59°C), видалить залишки флюсу та будь-яку окалину, що утворилася під час паяння. Деталь слід занурити у воду після того, як присадний метал затвердіє, але вузол все ще гарячий.
Залежно від деталі, мінімальний контроль може супроводжуватися неруйнівним та руйнівним контролем. Методи неруйнівного контролю включають візуальний та радіографічний контроль, а також випробування на герметичність та доказовість. Поширеними методами руйнівного контролю є металографічні випробування, випробування на відшарування, розтяг, зсув, втому, перенос та кручення.
«Індукційна пайка вимагає більших початкових капіталовкладень, ніж метод з пальником, але вона того варта, оскільки ви отримуєте додаткову ефективність і контроль», — сказав Голланд. «За допомогою індукції, коли вам потрібне тепло, ви просто натискаєте. Коли ні, ви натискаєте».
Компанія Eldec виробляє широкий асортимент джерел живлення для індукційного паяння, таких як лінійка проміжних частот ECO LINE MF, яка доступна в різних конфігураціях для найкращого задоволення потреб кожного застосування. Ці джерела живлення доступні з номінальною потужністю від 5 до 150 кВт та частотою від 8 до 40 Гц. Усі моделі можуть бути оснащені функцією підвищення потужності, яка дозволяє оператору збільшити 100% номінальний безперервний режим роботи на додаткові 50% протягом 3 хвилин. Інші ключові функції включають пірометрічний контроль температури, реєстратор температури та біполярний транзисторний вимикач живлення на ізольованому затворі. Ці витратні матеріали потребують мінімального обслуговування, працюють тихо, займають мало місця та легко інтегруються з контролерами робочих камер.
Виробники в кількох галузях промисловості все частіше використовують індукційну пайку для складання деталей. Bausch вказує на виробників автомобільної, аерокосмічної, медичної та гірничодобувної промисловості як на найбільших користувачів обладнання для індукційної пайки Ambrell.
«Кількість алюмінієвих компонентів, що паяються індукційно, в автомобільній промисловості продовжує зростати завдяки ініціативам щодо зниження ваги», – зазначає Бауш. «В аерокосмічному секторі нікель та інші типи зносостійких накладок часто паяються до лопатей струменів. В обох галузях промисловості також індукційно паяються різні сталеві трубопровідні фітинги».
Усі шість систем EasyHeat від Ambrell мають діапазон частот від 150 до 400 кГц та ідеально підходять для індукційного паяння невеликих деталей різної геометрії. Компактні моделі (0112 та 0224) пропонують керування потужністю з роздільною здатністю 25 Вт; моделі серії LI (3542, 5060, 7590, 8310) пропонують керування з роздільною здатністю 50 Вт.
Обидві серії мають знімну робочу головку, що знаходиться на відстані до 3 метрів від джерела живлення. Елементи керування на передній панелі системи програмовані, що дозволяє кінцевому користувачеві визначити до чотирьох різних профілів нагріву, кожен з яких може мати до п'яти кроків часу та потужності. Дистанційне керування потужністю доступне через контактний або аналоговий вхід, або додатковий послідовний порт даних.
«Наші основні клієнти для індукційного паяння — це виробники деталей, що містять певну кількість вуглецю, або деталей великої маси з високим відсотком заліза», — пояснює Річ Цукель, менеджер з розвитку бізнесу з плавлення. «Деякі з цих компаній обслуговують автомобільну та аерокосмічну промисловість, інші ж виготовляють пістолети, вузли ріжучого інструменту, сантехнічні крани та зливи, або блоки розподілу живлення та запобіжники».
Fusion продає роторні системи на замовлення, які можуть індукційно паяти від 100 до 1000 деталей на годину. За словами Цукеля, вища продуктивність можлива для одного типу деталі або для певної серії деталей. Розмір цих деталей коливається від 2 до 14 квадратних дюймів.
«Кожна система містить індексатор від Stelron Components Inc. з 8, 10 або 12 робочими станціями», – пояснює Цукель. «Деякі робочі станції використовуються для паяння, а інші – для інспекції з використанням камер відеоспостереження або лазерного вимірювального обладнання, або для проведення випробувань на розтягування, щоб забезпечити високоякісну паяну з’єднання».
Виробники використовують стандартні блоки живлення ECO LINE від eldec для різноманітних застосувань індукційної пайки, таких як термоусадочна посадка роторів і валів або з'єднання корпусів двигунів, сказав Холланд. Зовсім недавно модель цього генератора потужністю 100 кВт використовувалася у великому застосуванні, яке включало пайку мідних кілець контурів до мідних з'єднань відводів для генераторів гідроелектростанцій.
Eldec також виробляє портативні блоки живлення MiniMICO, які можна легко переміщувати по заводу, з діапазоном частот від 10 до 25 кГц. Два роки тому виробник автомобільних теплообмінних трубок використовував MiniMICO для індукційного паяння зворотних колін до кожної трубки. Всю пайку виконувала одна людина, і на складання кожної трубки знадобилося менше 30 секунд.
Джим — старший редактор ASSEMBLY з понад 30-річним досвідом редакційної роботи. До приходу в ASSEMBLY Камілло був інженером-програмістом, редактором журналів Association for Equipment Engineering Journal та Milling Journal. Джим має ступінь з англійської мови в Університеті ДеПола.
Надішліть запит на пропозицію (RFP) вибраному вами постачальнику та натисніть кнопку з детальним описом ваших потреб
Перегляньте наш посібник покупця, щоб знайти постачальників усіх видів монтажних технологій, машин і систем, постачальників послуг і торговельні організації.
Lean Six Sigma десятиліттями стимулювала безперервне вдосконалення, але її недоліки стали очевидними. Збір даних є трудомістким і може охоплювати лише невеликі вибірки. Тепер дані можна збирати протягом тривалих періодів часу та в кількох місцях за ціною, що значно менша, ніж у старих ручних методів.
Роботи дешевші та простіші у використанні, ніж будь-коли. Ця технологія легкодоступна навіть для малих та середніх виробників. Послухайте цю ексклюзивну панельну дискусію за участю керівників чотирьох провідних постачальників робототехніки Америки: ATI Industrial Automation, Epson Robots, FANUC America та Universal Robots.