Casi todos los procesos de ensamblaje se pueden llevar a cabo de varias maneras. La opción que elige un fabricante o integrador para obtener los mejores resultados suele ser aquella que combina una tecnología comprobada con una aplicación específica.
La soldadura fuerte es uno de esos procesos. La soldadura fuerte es un proceso de unión de metales en el que dos o más piezas metálicas se unen fundiendo el metal de aporte y haciéndolo fluir hacia la unión. El metal de aporte tiene un punto de fusión más bajo que las piezas metálicas adyacentes.
El calor para la soldadura fuerte puede ser proporcionado por sopletes, hornos o bobinas de inducción. Durante la soldadura fuerte por inducción, una bobina de inducción crea un campo magnético que calienta el sustrato para derretir el metal de aporte. La soldadura fuerte por inducción está demostrando ser la mejor opción para un número creciente de aplicaciones de ensamblaje.
“La soldadura fuerte por inducción es mucho más segura que la soldadura fuerte con soplete, más rápida que la soldadura fuerte en horno y más repetible que ambas”, dijo Steve Anderson, gerente de campo y ciencia de prueba en Fusion Inc., un integrador de 88 años en Willoughby, Ohio Said, se especializa en una variedad de métodos de ensamblaje, incluida la soldadura fuerte. “Además, la soldadura fuerte por inducción es más fácil.En comparación con los otros dos métodos, todo lo que realmente necesita es electricidad estándar”.
Hace algunos años, Fusion desarrolló una máquina completamente automática de seis estaciones para ensamblar 10 fresas de carburo para la fabricación de herramientas y metalurgia. Las fresas se fabrican uniendo piezas en bruto cilíndricas y cónicas de carburo de tungsteno a un vástago de acero. La tasa de producción es de 250 piezas por hora, y la bandeja de piezas separadas puede contener 144 piezas en bruto y portaherramientas.
“Un robot SCARA de cuatro ejes toma un mango de la bandeja, lo presenta al dispensador de pasta de soldadura y lo carga en el nido de pinzas”, explica Anderson. “El robot luego toma un trozo de la bandeja y lo coloca en el extremo del vástago al que está pegado.La soldadura fuerte por inducción se realiza usando una bobina eléctrica que envuelve verticalmente las dos partes y lleva el metal de aporte de plata a una temperatura de liquidus de 1,305 F. Después de alinear y enfriar el componente de la rebaba, se expulsa a través de un conducto de descarga y se recolecta para su posterior procesamiento”.
El uso de la soldadura fuerte por inducción para el ensamblaje está aumentando, principalmente porque crea una fuerte conexión entre dos piezas metálicas y porque es muy eficaz para unir materiales diferentes. Las preocupaciones ambientales, la tecnología mejorada y las aplicaciones no tradicionales también están obligando a los ingenieros de fabricación a observar más de cerca la soldadura fuerte por inducción.
La soldadura fuerte por inducción ha existido desde la década de 1950, aunque el concepto de calentamiento por inducción (usando electromagnetismo) fue descubierto más de un siglo antes por el científico británico Michael Faraday. Las antorchas manuales fueron la primera fuente de calor para la soldadura fuerte, seguidas por los hornos en la década de 1920. Durante la Segunda Guerra Mundial, los métodos basados ​​en hornos se usaban con frecuencia para fabricar grandes cantidades de piezas de metal con mano de obra y gastos mínimos.
La demanda de aire acondicionado por parte de los consumidores en las décadas de 1960 y 1970 creó nuevas aplicaciones para la soldadura fuerte por inducción. De hecho, la soldadura fuerte masiva de aluminio a fines de la década de 1970 resultó en muchos de los componentes que se encuentran en los sistemas de aire acondicionado para automóviles de hoy.
“A diferencia de la soldadura fuerte con soplete, la soldadura fuerte por inducción es sin contacto y minimiza el riesgo de sobrecalentamiento”, señala Rick Bausch, gerente de ventas de Ambrell Corp., inTEST.temperature.
Según Greg Holland, gerente de ventas y operaciones de eldec LLC, un sistema de soldadura fuerte por inducción estándar consta de tres componentes. Estos son la fuente de alimentación, el cabezal de trabajo con la bobina de inducción y el enfriador o sistema de enfriamiento.
La fuente de alimentación está conectada al cabezal de trabajo y las bobinas están diseñadas a la medida para encajar alrededor de la junta. Los inductores pueden estar hechos de varillas sólidas, cables flexibles, palanquillas maquinadas o impresos en 3D a partir de aleaciones de cobre en polvo. Sin embargo, por lo general, está hecho de tubería de cobre hueca, a través de la cual fluye el agua por varias razones. Una es mantener la bobina fría al contrarrestar el calor reflejado por las piezas durante el proceso de soldadura fuerte. corriente y la transferencia de calor ineficiente resultante.
“A veces, se coloca un concentrador de flujo en la bobina para fortalecer el campo magnético en uno o más puntos de la unión”, explica Holland. “Dichos concentradores pueden ser del tipo laminado, que consisten en aceros eléctricos delgados apilados juntos, o tubos ferromagnéticos que contienen material ferromagnético en polvo y enlaces dieléctricos comprimidos a alta presión.Use cualquiera El beneficio del concentrador es que reduce el tiempo del ciclo al llevar más energía a áreas específicas de la articulación más rápido, mientras mantiene otras áreas más frías”.
Antes de colocar las piezas metálicas para la soldadura fuerte por inducción, el operador debe configurar correctamente la frecuencia y los niveles de potencia del sistema. La frecuencia puede oscilar entre 5 y 500 kHz; cuanto mayor sea la frecuencia, más rápido se calentará la superficie.
Las fuentes de alimentación a menudo son capaces de producir cientos de kilovatios de electricidad. Sin embargo, soldar una pieza del tamaño de la palma de la mano en 10 a 15 segundos requiere solo de 1 a 5 kilovatios. En comparación, las piezas grandes pueden requerir de 50 a 100 kilovatios de potencia y tomar hasta 5 minutos para soldar.
“Como regla general, los componentes más pequeños usan menos energía, pero requieren frecuencias más altas, como de 100 a 300 kilohercios”, dijo Bausch. “En contraste, los componentes más grandes requieren más energía y frecuencias más bajas, generalmente por debajo de los 100 kilohercios”.
Independientemente de su tamaño, las piezas metálicas deben colocarse correctamente antes de sujetarlas. Se debe tener cuidado de mantener un espacio estrecho entre los metales base para permitir la acción capilar adecuada del metal de aporte que fluye. Las juntas a tope, traslapadas y traslapadas a tope son la mejor manera de garantizar este espacio libre.
Son aceptables los tradicionales o los de autofijación. Los accesorios estándar deben estar hechos de materiales menos conductores, como acero inoxidable o cerámica, y tocar los componentes lo menos posible.
Mediante el diseño de piezas con costuras entrelazadas, estampados, depresiones o moleteados, se puede lograr la autofijación sin necesidad de soporte mecánico.
Luego, las juntas se limpian con una almohadilla de esmeril o solvente para eliminar contaminantes como aceite, grasa, óxido, escamas y mugre. Este paso mejora aún más la acción capilar del metal de aporte fundido que se arrastra a través de las superficies adyacentes de la junta.
Después de que las piezas estén correctamente asentadas y limpias, el operador aplica un compuesto para juntas (generalmente una pasta) a la junta. El compuesto es una mezcla de metal de aporte, fundente (para evitar la oxidación) y un aglutinante que mantiene el metal y el fundente juntos antes de derretirse.
Los metales de aporte y los fundentes que se usan en la soldadura fuerte están formulados para resistir temperaturas más altas que los que se usan en la soldadura blanda. Los metales de aporte que se usan para la soldadura fuerte se derriten a temperaturas de al menos 842 F y son más fuertes cuando se enfrían. Incluyen aluminio-silicio, cobre, cobre-plata, latón, bronce, oro-plata, plata y aleaciones de níquel.
Luego, el operador coloca la bobina de inducción, que viene en una variedad de diseños. Las bobinas helicoidales tienen forma circular u ovalada y rodean completamente la pieza, mientras que las bobinas de horquilla (o pinza) están ubicadas a cada lado de la junta y las bobinas de canal se enganchan en la pieza. Otras bobinas incluyen diámetro interior (ID), ID/diámetro exterior (OD), panqueque, abierto y multiposición.
El calor uniforme es esencial para las conexiones soldadas de alta calidad. Para hacer esto, el operador debe asegurarse de que la distancia vertical entre cada bucle de la bobina de inducción sea pequeña y que la distancia de acoplamiento (ancho del espacio entre el diámetro exterior y el interior de la bobina) permanezca uniforme.
Luego, el operador enciende la energía para comenzar el proceso de calentamiento de la junta. Esto implica transferir rápidamente corriente alterna de frecuencia intermedia o alta desde una fuente de energía a un inductor para crear un campo magnético alterno a su alrededor.
El campo magnético induce una corriente en la superficie de la unión, que genera calor para derretir el metal de aporte, lo que permite que fluya y humedezca la superficie de la pieza metálica, creando una unión fuerte. Con bobinas de varias posiciones, este proceso se puede realizar en varias piezas simultáneamente.
Se recomienda la limpieza final y la inspección de cada componente soldado. El lavado de las piezas con agua calentada a por lo menos 120 F eliminará los residuos de fundente y cualquier sarro formado durante la soldadura fuerte. La pieza debe sumergirse en agua después de que el metal de aporte se haya solidificado pero el ensamblaje aún esté caliente.
Dependiendo de la pieza, la inspección mínima puede ir seguida de pruebas no destructivas y destructivas. Los métodos NDT incluyen inspección visual y radiográfica, así como pruebas de estanqueidad y prueba. Los métodos de prueba destructivos comunes son las pruebas metalográficas, de pelado, de tracción, de corte, de fatiga, de transferencia y de torsión.
“La soldadura fuerte por inducción requiere una inversión de capital inicial mayor que el método del soplete, pero vale la pena porque obtiene eficiencia y control adicionales”, dijo Holland. “Con la inducción, cuando necesita calor, simplemente presiona.Cuando no lo haces, presionas”.
Eldec fabrica una amplia gama de fuentes de alimentación para soldadura fuerte por inducción, como la línea de frecuencia intermedia ECO LINE MF, que está disponible en varias configuraciones para adaptarse mejor a cada aplicación. Estas fuentes de alimentación están disponibles en rangos de potencia que van de 5 a 150 kW y frecuencias de 8 a 40 Hz. Todos los modelos pueden equiparse con una función de aumento de potencia que permite al operador aumentar la clasificación de servicio continuo al 100 % en un 50 % adicional en 3 minutos. Otras características clave incluyen control de temperatura por pirómetro, registrador de temperatura e interruptor de alimentación de transistor bipolar de compuerta aislada. Estos consumibles requieren poco mantenimiento, funcionan silenciosamente, ocupan poco espacio y se integran fácilmente con los controladores de celdas de trabajo.
Los fabricantes de varias industrias utilizan cada vez más la soldadura fuerte por inducción para ensamblar piezas. Bausch señala a los fabricantes de equipos médicos, aeroespaciales, automotrices y de minería como los mayores usuarios de los equipos de soldadura fuerte por inducción de Ambrell.
“La cantidad de componentes de aluminio soldados por inducción en la industria automotriz continúa aumentando debido a las iniciativas de reducción de peso”, señala Bausch. “En el sector aeroespacial, el níquel y otros tipos de almohadillas de desgaste a menudo se sueldan en las palas de los aviones.Ambas industrias también sueldan por inducción varios accesorios de tubería de acero”.
Los seis sistemas EasyHeat de Ambrell tienen un rango de frecuencia de 150 a 400 kHz y son ideales para la soldadura fuerte por inducción de piezas pequeñas de diversas geometrías. Los compactos (0112 y 0224) ofrecen control de potencia con una resolución de 25 vatios;los modelos de la serie LI (3542, 5060, 7590, 8310) ofrecen control con una resolución de 50 vatios.
Ambas series tienen un cabezal de trabajo extraíble a una distancia de hasta 10 pies de la fuente de alimentación. Los controles del panel frontal del sistema son programables, lo que permite al usuario final definir hasta cuatro perfiles de calefacción diferentes, cada uno con hasta cinco pasos de tiempo y potencia. El control remoto de potencia está disponible para contacto o entrada analógica, o puerto de datos en serie opcional.
"Nuestros principales clientes para la soldadura fuerte por inducción son los fabricantes de piezas que contienen algo de carbono o piezas de gran masa que contienen un alto porcentaje de hierro", explica Rich Cukelj, Gerente de Desarrollo de Negocios de Fusión. "Algunas de estas empresas atienden a las industrias automotriz y aeroespacial, mientras que otras fabrican pistolas, ensamblajes de herramientas de corte, grifos y drenajes de plomería, o bloques de distribución de energía y fusibles".
Fusion vende sistemas rotativos personalizados que pueden soldar por inducción de 100 a 1000 piezas por hora. Según Cukelj, es posible obtener mayores rendimientos para un solo tipo de pieza o para una serie específica de piezas. Estas piezas varían en tamaño de 2 a 14 pulgadas cuadradas.
“Cada sistema contiene un indexador de Stelron Components Inc. con 8, 10 o 12 estaciones de trabajo”, explica Cukelj. “Algunas estaciones de trabajo se usan para soldadura fuerte, mientras que otras se usan para inspección, con cámaras de visión o equipos de medición láser, o para realizar pruebas de tracción para garantizar uniones soldadas de alta calidad”.
Los fabricantes utilizan las fuentes de alimentación ECO LINE estándar de eldec para una variedad de aplicaciones de soldadura fuerte por inducción, como rotores y ejes de ajuste por contracción, o unión de carcasas de motores, dijo Holland. Más recientemente, se utilizó un modelo de 100 kW de este generador en una aplicación de piezas grandes que implicaba la soldadura fuerte de anillos de circuitos de cobre a conexiones de tomas de cobre para generadores de represas hidroeléctricas.
Eldec también fabrica fuentes de alimentación portátiles MiniMICO que se pueden mover fácilmente por la fábrica con un rango de frecuencia de 10 a 25 kHz. Hace dos años, un fabricante de tubos intercambiadores de calor para automóviles usó MiniMICO para soldar por inducción los codos de retorno de cada tubo. Una persona hizo todo el proceso de soldadura fuerte y tomó menos de 30 segundos ensamblar cada tubo.
Jim es editor sénior en ASSEMBLY con más de 30 años de experiencia editorial. Antes de unirse a ASSEMBLY, Camillo fue ingeniero PM, editor de Association for Equipment Engineering Journal y Milling Journal. Jim tiene una licenciatura en inglés de la Universidad DePaul.
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