Hầu hết mọi quy trình lắp ráp đều có thể được thực hiện theo nhiều cách. Phương án mà nhà sản xuất hoặc nhà tích hợp lựa chọn để đạt kết quả tốt nhất thường là phương án kết hợp công nghệ đã được chứng minh với ứng dụng cụ thể.
Hàn thiếc là một trong những quy trình như vậy. Hàn thiếc là một quy trình nối kim loại trong đó hai hoặc nhiều chi tiết kim loại được nối với nhau bằng cách nung chảy kim loại phụ và cho chảy vào mối nối. Kim loại phụ có điểm nóng chảy thấp hơn so với các chi tiết kim loại liền kề.
Nhiệt lượng để hàn có thể được cung cấp bởi đèn khò, lò nung hoặc cuộn cảm ứng. Trong quá trình hàn cảm ứng, cuộn cảm ứng tạo ra từ trường làm nóng chất nền để làm tan chảy kim loại phụ. Hàn cảm ứng đang chứng tỏ là lựa chọn tốt nhất cho ngày càng nhiều ứng dụng lắp ráp.
“Hàn bằng cảm ứng an toàn hơn nhiều so với hàn bằng đèn khò, nhanh hơn so với hàn bằng lò nung và cho kết quả lặp lại tốt hơn cả hai phương pháp kia,” ông Steve Anderson, quản lý bộ phận khoa học thử nghiệm và hiện trường tại Fusion Inc., một công ty tích hợp có lịch sử 88 năm ở Willoughby, Ohio, chuyên về nhiều phương pháp lắp ráp, bao gồm cả hàn. Ông nói thêm: “Hơn nữa, hàn bằng cảm ứng dễ dàng hơn. So với hai phương pháp kia, tất cả những gì bạn cần chỉ là nguồn điện tiêu chuẩn.”
Vài năm trước, Fusion đã phát triển một máy tự động hoàn toàn sáu trạm để lắp ráp 10 mũi khoan cacbua dùng trong gia công kim loại và chế tạo dụng cụ. Các mũi khoan được tạo ra bằng cách gắn các phôi cacbua vonfram hình trụ và hình nón vào một thân thép. Tốc độ sản xuất là 250 chi tiết mỗi giờ, và khay chứa chi tiết riêng biệt có thể chứa 144 phôi và giá đỡ dụng cụ.
“Robot SCARA bốn trục lấy một tay cầm từ khay, đưa nó đến bộ phận phân phối keo hàn và đặt vào ổ kẹp,” Anderson giải thích. “Sau đó, robot lấy một mảnh phôi từ khay và đặt nó vào đầu của phần thân cần hàn. Quá trình hàn cảm ứng được thực hiện bằng cách sử dụng một cuộn dây điện quấn theo chiều dọc quanh hai bộ phận và làm nóng kim loại bạc đến nhiệt độ nóng chảy là 1.305 độ F. Sau khi chi tiết được căn chỉnh và làm nguội, nó được đẩy ra qua một máng dẫn và được thu gom để xử lý tiếp.”
Việc sử dụng phương pháp hàn cảm ứng để lắp ráp đang ngày càng tăng, chủ yếu là vì nó tạo ra mối nối chắc chắn giữa hai chi tiết kim loại và rất hiệu quả trong việc ghép nối các vật liệu khác nhau. Những lo ngại về môi trường, công nghệ được cải tiến và các ứng dụng phi truyền thống cũng đang buộc các kỹ sư sản xuất phải xem xét kỹ hơn về phương pháp hàn cảm ứng.
Hàn cảm ứng đã xuất hiện từ những năm 1950, mặc dù khái niệm gia nhiệt cảm ứng (sử dụng điện từ) đã được nhà khoa học người Anh Michael Faraday phát hiện hơn một thế kỷ trước đó. Đèn khò cầm tay là nguồn nhiệt đầu tiên được sử dụng để hàn, sau đó là lò nung vào những năm 1920. Trong Thế chiến II, các phương pháp sử dụng lò nung thường được dùng để sản xuất số lượng lớn các bộ phận kim loại với chi phí và nhân công tối thiểu.
Nhu cầu của người tiêu dùng đối với điều hòa không khí trong những năm 1960 và 1970 đã tạo ra những ứng dụng mới cho phương pháp hàn cảm ứng. Trên thực tế, việc hàn nhôm hàng loạt vào cuối những năm 1970 đã tạo ra nhiều linh kiện được tìm thấy trong các hệ thống điều hòa không khí ô tô ngày nay.
“Không giống như hàn bằng đèn khò, hàn cảm ứng không tiếp xúc và giảm thiểu nguy cơ quá nhiệt,” Rick Bausch, giám đốc bán hàng của Ambrell Corp., nhận xét.
Theo Greg Holland, giám đốc bán hàng và vận hành tại eldec LLC, một hệ thống hàn cảm ứng tiêu chuẩn bao gồm ba thành phần. Đó là bộ nguồn, đầu làm việc với cuộn cảm ứng và bộ làm mát hoặc hệ thống làm mát.
Nguồn điện được kết nối với đầu làm việc và các cuộn dây được thiết kế riêng để vừa khít xung quanh mối nối. Cuộn cảm có thể được làm từ thanh đặc, dây cáp mềm, phôi gia công hoặc in 3D từ hợp kim đồng dạng bột. Tuy nhiên, thông thường nó được làm bằng ống đồng rỗng, trong đó nước chảy vì một số lý do. Một là để giữ cho cuộn dây mát bằng cách chống lại nhiệt lượng phản xạ từ các bộ phận trong quá trình hàn. Nước chảy cũng ngăn ngừa sự tích tụ nhiệt trong cuộn dây do sự hiện diện thường xuyên của dòng điện xoay chiều và sự truyền nhiệt không hiệu quả dẫn đến.
“Đôi khi, một bộ tập trung từ thông được đặt trên cuộn dây để tăng cường từ trường tại một hoặc nhiều điểm trong mối nối,” Holland giải thích. “Các bộ tập trung như vậy có thể thuộc loại nhiều lớp, bao gồm các tấm thép điện mỏng được xếp chồng chặt chẽ với nhau, hoặc các ống sắt từ chứa vật liệu sắt từ dạng bột và chất kết dính điện môi được nén dưới áp suất cao. Lợi ích của bộ tập trung là nó làm giảm thời gian chu kỳ bằng cách đưa nhiều năng lượng hơn vào các khu vực cụ thể của mối nối nhanh hơn, đồng thời giữ cho các khu vực khác mát hơn.”
Trước khi định vị các chi tiết kim loại để hàn cảm ứng, người vận hành cần thiết lập đúng tần số và công suất của hệ thống. Tần số có thể dao động từ 5 đến 500 kHz, tần số càng cao thì bề mặt càng nóng nhanh.
Các bộ nguồn thường có khả năng tạo ra hàng trăm kilowatt điện. Tuy nhiên, việc hàn một chi tiết nhỏ bằng lòng bàn tay trong 10 đến 15 giây chỉ cần từ 1 đến 5 kilowatt. Ngược lại, các chi tiết lớn hơn có thể cần từ 50 đến 100 kilowatt điện và mất đến 5 phút để hàn.
“Nhìn chung, các linh kiện nhỏ hơn tiêu thụ ít điện năng hơn, nhưng yêu cầu tần số cao hơn, chẳng hạn như từ 100 đến 300 kilohertz,” Bausch nói. “Ngược lại, các linh kiện lớn hơn yêu cầu nhiều điện năng hơn và tần số thấp hơn, thường dưới 100 kilohertz.”
Bất kể kích thước, các chi tiết kim loại cần được định vị chính xác trước khi được bắt vít. Cần chú ý duy trì khe hở nhỏ giữa các kim loại cơ bản để cho phép hiện tượng mao dẫn thích hợp của kim loại hàn chảy. Các mối nối giáp mí, chồng mí và giáp mí chồng mí là cách tốt nhất để đảm bảo khe hở này.
Các loại ổ cắm truyền thống hoặc tự lắp đặt đều được chấp nhận. Các loại ổ cắm tiêu chuẩn nên được làm bằng vật liệu dẫn điện kém hơn như thép không gỉ hoặc gốm sứ, và hạn chế tối đa việc tiếp xúc với các bộ phận.
Bằng cách thiết kế các bộ phận có đường nối lồng vào nhau, dập định hình, rãnh lõm hoặc khía, có thể đạt được khả năng tự cố định mà không cần đến sự hỗ trợ cơ học.
Sau đó, các mối nối được làm sạch bằng giấy nhám hoặc dung môi để loại bỏ các chất bẩn như dầu, mỡ, rỉ sét, cặn bám và bụi bẩn. Bước này giúp tăng cường hơn nữa hiện tượng mao dẫn của kim loại nóng chảy, giúp nó tự hút qua các bề mặt liền kề của mối nối.
Sau khi các chi tiết được đặt đúng vị trí và làm sạch, người vận hành sẽ bôi một lớp hợp chất trám (thường là dạng sệt) lên mối nối. Hợp chất này là hỗn hợp gồm kim loại phụ, chất trợ dung (để ngăn ngừa quá trình oxy hóa) và chất kết dính giúp giữ kim loại và chất trợ dung lại với nhau trước khi nóng chảy.
Kim loại phụ và chất trợ dung dùng trong hàn thiếc được pha chế để chịu được nhiệt độ cao hơn so với kim loại dùng trong hàn thiếc thông thường. Kim loại phụ dùng cho hàn thiếc nóng chảy ở nhiệt độ ít nhất 842°F (khoảng 300°C) và cứng hơn khi nguội. Chúng bao gồm hợp kim nhôm-silicon, đồng, đồng-bạc, đồng thau, đồng thiếc, vàng-bạc, bạc và niken.
Sau đó, người vận hành sẽ định vị cuộn cảm ứng, loại cuộn này có nhiều kiểu dáng khác nhau. Cuộn xoắn ốc có hình tròn hoặc hình bầu dục và bao quanh hoàn toàn chi tiết cần gia công, trong khi cuộn hình nĩa (hoặc hình kẹp) được đặt ở mỗi bên của mối nối và cuộn hình rãnh móc vào chi tiết. Các loại cuộn khác bao gồm Đường kính trong (ID), ID/Đường kính ngoài (OD), hình dẹt, hình hở và đa vị trí.
Nhiệt độ phân bố đều là yếu tố thiết yếu để tạo ra các mối hàn chất lượng cao. Để làm được điều này, người vận hành cần đảm bảo khoảng cách thẳng đứng giữa mỗi vòng cuộn cảm ứng nhỏ và khoảng cách ghép nối (chiều rộng khe hở từ đường kính ngoài đến đường kính trong của cuộn dây) luôn đồng đều.
Tiếp theo, người vận hành bật nguồn để bắt đầu quá trình làm nóng mối nối. Quá trình này bao gồm việc truyền nhanh dòng điện xoay chiều tần số trung bình hoặc cao từ nguồn điện đến cuộn cảm để tạo ra từ trường xoay chiều xung quanh nó.
Từ trường tạo ra dòng điện trên bề mặt mối hàn, sinh nhiệt làm tan chảy kim loại phụ, cho phép nó chảy và làm ướt bề mặt của chi tiết kim loại, tạo ra mối hàn chắc chắn. Bằng cách sử dụng cuộn dây đa vị trí, quá trình này có thể được thực hiện trên nhiều chi tiết cùng một lúc.
Nên tiến hành làm sạch và kiểm tra lần cuối từng chi tiết đã hàn. Rửa các chi tiết bằng nước được làm nóng đến ít nhất 120°F (49°C) sẽ loại bỏ cặn chất trợ hàn và bất kỳ lớp vảy nào hình thành trong quá trình hàn. Chi tiết nên được nhúng vào nước sau khi kim loại phụ đã đông cứng nhưng cụm chi tiết vẫn còn nóng.
Tùy thuộc vào chi tiết, việc kiểm tra sơ bộ có thể được tiếp nối bằng các phương pháp kiểm tra không phá hủy và phá hủy. Các phương pháp kiểm tra không phá hủy bao gồm kiểm tra bằng mắt thường và chụp X-quang, cũng như kiểm tra rò rỉ và thử nghiệm độ kín. Các phương pháp kiểm tra phá hủy phổ biến là kiểm tra cấu trúc kim loại, bóc tách, kéo, cắt, mỏi, chuyển giao và xoắn.
“Hàn bằng cảm ứng đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu lớn hơn so với phương pháp dùng đèn khò, nhưng điều đó đáng giá vì bạn có được hiệu quả và khả năng kiểm soát tốt hơn,” Holland nói. “Với cảm ứng, khi cần nhiệt, bạn chỉ cần nhấn. Khi không cần, bạn cũng nhấn.”
Eldec sản xuất nhiều loại nguồn điện cho hàn cảm ứng, chẳng hạn như dòng tần số trung gian ECO LINE MF, có nhiều cấu hình khác nhau để phù hợp nhất với từng ứng dụng. Các nguồn điện này có công suất từ ​​5 đến 150 kW và tần số từ 8 đến 40 Hz. Tất cả các mẫu đều có thể được trang bị tính năng tăng công suất cho phép người vận hành tăng công suất hoạt động liên tục 100% thêm 50% trong vòng 3 phút. Các tính năng chính khác bao gồm điều khiển nhiệt độ bằng nhiệt kế hồng ngoại, bộ ghi nhiệt độ và công tắc nguồn transistor lưỡng cực cổng cách điện. Các thiết bị tiêu hao này yêu cầu ít bảo trì, hoạt động êm ái, kích thước nhỏ gọn và dễ dàng tích hợp với bộ điều khiển trạm làm việc.
Các nhà sản xuất trong nhiều ngành công nghiệp đang ngày càng sử dụng phương pháp hàn cảm ứng để lắp ráp các bộ phận. Bausch chỉ ra rằng các nhà sản xuất ô tô, hàng không vũ trụ, thiết bị y tế và thiết bị khai thác mỏ là những người sử dụng thiết bị hàn cảm ứng Ambrell nhiều nhất.
“Số lượng các linh kiện nhôm được hàn bằng phương pháp hàn cảm ứng trong ngành công nghiệp ô tô tiếp tục tăng do các sáng kiến ​​giảm trọng lượng,” Bausch chỉ ra. “Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, niken và các loại vật liệu chống mài mòn khác thường được hàn vào cánh quạt phản lực. Cả hai ngành công nghiệp này cũng sử dụng phương pháp hàn cảm ứng cho nhiều loại phụ kiện đường ống thép khác nhau.”
Tất cả sáu hệ thống EasyHeat của Ambrell đều có dải tần số từ 150 đến 400 kHz và lý tưởng cho việc hàn cảm ứng các chi tiết nhỏ có hình dạng khác nhau. Các mẫu nhỏ gọn (0112 và 0224) cung cấp khả năng điều khiển công suất với độ phân giải trong vòng 25 watt; các mẫu trong dòng LI (3542, 5060, 7590, 8310) cung cấp khả năng điều khiển với độ phân giải trong vòng 50 watt.
Cả hai dòng sản phẩm đều có đầu làm việc có thể tháo rời, hoạt động ở khoảng cách lên đến 3 mét so với nguồn điện. Các nút điều khiển trên bảng điều khiển phía trước của hệ thống có thể lập trình, cho phép người dùng cuối xác định tối đa bốn cấu hình gia nhiệt khác nhau, mỗi cấu hình có tối đa năm bước điều chỉnh thời gian và công suất. Chức năng điều khiển nguồn từ xa có sẵn thông qua đầu vào tiếp điểm hoặc analog, hoặc cổng dữ liệu nối tiếp tùy chọn.
“Khách hàng chính của chúng tôi đối với phương pháp hàn cảm ứng là các nhà sản xuất linh kiện có chứa carbon, hoặc các linh kiện khối lượng lớn có hàm lượng sắt cao,” Rich Cukelj, Giám đốc Phát triển Kinh doanh của Fusion giải thích. “Một số công ty phục vụ ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ, trong khi những công ty khác sản xuất súng, cụm dụng cụ cắt gọt, vòi và ống thoát nước, hoặc khối phân phối điện và cầu chì.”
Fusion bán các hệ thống quay tùy chỉnh có khả năng hàn cảm ứng từ 100 đến 1.000 chi tiết mỗi giờ. Theo Cukelj, năng suất cao hơn có thể đạt được đối với một loại chi tiết duy nhất hoặc một loạt các chi tiết cụ thể. Kích thước của các chi tiết này dao động từ 2 đến 14 inch vuông.
“Mỗi hệ thống bao gồm một bộ định vị từ Stelron Components Inc. với 8, 10 hoặc 12 trạm làm việc,” Cukelj giải thích. “Một số trạm làm việc được sử dụng để hàn, trong khi những trạm khác được sử dụng để kiểm tra, sử dụng camera quan sát hoặc thiết bị đo laser, hoặc thực hiện các thử nghiệm kéo để đảm bảo các mối hàn chất lượng cao.”
Ông Holland cho biết, các nhà sản xuất sử dụng bộ nguồn ECO LINE tiêu chuẩn của eldec cho nhiều ứng dụng hàn cảm ứng khác nhau, chẳng hạn như ghép nối rôto và trục bằng phương pháp co nhiệt, hoặc nối vỏ động cơ. Gần đây hơn, một mẫu máy phát điện 100 kW này đã được sử dụng trong một ứng dụng sản xuất các bộ phận lớn, liên quan đến việc hàn các vòng mạch đồng vào các đầu nối ren đồng cho máy phát điện đập thủy điện.
Eldec cũng sản xuất các bộ nguồn MiniMICO di động có thể dễ dàng di chuyển xung quanh nhà máy với dải tần từ 10 đến 25 kHz. Hai năm trước, một nhà sản xuất ống trao đổi nhiệt ô tô đã sử dụng MiniMICO để hàn cảm ứng các khuỷu nối hồi lưu vào mỗi ống. Một người thực hiện toàn bộ quá trình hàn, và chỉ mất chưa đến 30 giây để lắp ráp mỗi ống.
Jim là biên tập viên cấp cao tại ASSEMBLY với hơn 30 năm kinh nghiệm biên tập. Trước khi gia nhập ASSEMBLY, Camillo là kỹ sư quản lý dự án, biên tập viên của Tạp chí Kỹ thuật Thiết bị và Tạp chí Gia công phay. Jim có bằng cử nhân tiếng Anh từ Đại học DePaul.
Gửi yêu cầu đề xuất (RFP) đến nhà cung cấp mà bạn lựa chọn và nhấp vào nút để nêu chi tiết nhu cầu của bạn.
Hãy xem hướng dẫn dành cho người mua của chúng tôi để tìm các nhà cung cấp tất cả các loại công nghệ lắp ráp, máy móc và hệ thống, nhà cung cấp dịch vụ và các tổ chức thương mại.
Phương pháp Lean Six Sigma đã thúc đẩy các nỗ lực cải tiến liên tục trong nhiều thập kỷ, nhưng những hạn chế của nó đã trở nên rõ ràng. Việc thu thập dữ liệu tốn nhiều công sức và chỉ có thể thu thập được các mẫu nhỏ. Hiện nay, dữ liệu có thể được thu thập trong thời gian dài và ở nhiều địa điểm với chi phí thấp hơn nhiều so với các phương pháp thủ công cũ.
Robot hiện nay rẻ hơn và dễ sử dụng hơn bao giờ hết. Công nghệ này dễ dàng tiếp cận ngay cả với các nhà sản xuất vừa và nhỏ. Hãy lắng nghe cuộc thảo luận độc quyền này với sự tham gia của các giám đốc điều hành từ bốn nhà cung cấp robot hàng đầu của Mỹ: ATI Industrial Automation, Epson Robots, FANUC America và Universal Robots.