ほぼすべての組み立てプロセスは、いくつかの方法で実行できます。メーカーやインテグレーターが最良の結果を得るために選択するオプションは、通常、実証済みのテクノロジーを特定のアプリケーションに適合させるものです。
ろう付けはそのようなプロセスの 1 つです。ろう付けは、金属フィラーを溶かして接合部に流し込むことによって 2 つ以上の金属部品を接合する金属接合プロセスです。金属フィラーは、隣接する金属部品よりも融点が低くなります。
ろう付けのための熱は、トーチ、炉、または誘導コイルによって提供できます。誘導ろう付け中、誘導コイルは磁場を生成し、基板を加熱して金属フィラーを溶かします。高周波ろう付けは、ますます多くの組み立て用途に最適な選択肢であることが証明されています。
「高周波ろう付けは、トーチろう付けよりもはるかに安全で、炉ろう付けよりも速く、両方よりも再現性が高いです」と、オハイオ州ウィロビーにある88歳のインテグレーターであるFusion Inc.のフィールドおよびテストサイエンスのマネージャーであるスティーブ・アンダーソン氏は述べています。同氏は、ろう付けを含むさまざまな組み立て方法を専門としています。」さらに、高周波ろう付けは簡単です。他の 2 つの方法と比較して、実際に必要なのは標準的な電力だけです。」
数年前、Fusion は、金属加工および工具製造用に 10 個の超硬バーを組み立てるための全自動 6 ステーション機械を開発しました。バーは、円筒形および円錐形のタングステンカーバイドブランクをスチールシャンクに取り付けることによって作成されます。生産速度は 1 時間あたり 250 個の部品で、別個の部品トレイには 144 個のブランクと工具ホルダーを保持できます。
「4 軸スカラ ロボットがトレイからハンドルを取り出し、それをはんだペースト ディスペンサーに渡し、グリッパー ネストにロードします。」とアンダーソン氏は説明します。「次に、ロボットはトレイからブランク片を取り出し、接着されるシャンクの端に置きます。高周波ろう付けは、2 つの部品の周りを垂直に巻き付ける電気コイルを使用して実行され、銀フィラー金属を 1,305 °F の液相線温度にします。バリ部品は位置合わせされて冷却された後、排出シュートから排出され、さらなる処理のために収集されます。」
高周波ろう付けが 2 つの金属部品間に強力な接続を生み出すことと、異なる材料を接合するのに非常に効果的であるため、組み立てにおける高周波ろう付けの使用が増加しています。また、環境への懸念、技術の向上、および従来とは異なる用途により、製造エンジニアは高周波ろう付けをより詳しく検討する必要に迫られています。
高周波ろう付けは 1950 年代から存在していましたが、誘導加熱 (電磁気を使用) の概念は英国の科学者マイケル ファラデーによって 1 世紀以上前に発見されました。ハンドトーチがろう付け用の最初の熱源であり、1920 年代には炉が続きました。第二次世界大戦中、最小限の労力と費用で大量の金属部品を製造するために、炉を使用した方法が頻繁に使用されました。
1960 年代と 1970 年代のエアコンに対する消費者の需要により、誘導ろう付けの新しい用途が生まれました。実際、1970 年代後半のアルミニウムの大量ろう付けにより、今日の自動車用エアコン システムに使用されているコンポーネントの多くが誕生しました。
「トーチろう付けとは異なり、高周波ろう付けは非接触であり、過熱のリスクを最小限に抑えます」とアンブレル社の営業マネージャー、リック・バウシュ氏はTEST.温度で述べています。
eldec LLC の販売および運用マネージャーである Greg Holland 氏によると、標準的な誘導ろう付けシステムは 3 つのコンポーネントで構成されています。これらは、電源、誘導コイルを備えた作業ヘッド、およびクーラーまたは冷却システムです。
電源はワークヘッドに接続され、コイルはジョイントの周りにフィットするようにカスタム設計されています。インダクタは、中実ロッド、フレキシブルケーブル、機械加工されたビレット、または粉末銅合金から 3D プリントして作成できます。ただし、通常、インダクタは中空の銅管で作られており、いくつかの理由で水が流れます。1 つは、ろう付けプロセス中に部品から反射される熱を打ち消してコイルを冷たく保つためです。また、流れる水は、頻繁に使用される熱交換器によるコイル内の熱の蓄積を防ぎます。電流が流れ、その結果として非効率的な熱伝達が発生します。
「接合部の 1 つ以上の点での磁場を強化するために、コイル上に磁束集中器が配置されることもあります」とホランド氏は説明します。このような集中器は、薄い電磁鋼板をしっかりと積み重ねた積層タイプのものや、粉末強磁性材料と高圧下で圧縮された誘電体結合を含む強磁性チューブで構成されるものがあります。どちらかを使用してください。コンセントレーターの利点は、より多くのエネルギーをより速くジョイントの特定の領域に送り込み、他の領域を低温に保つことでサイクル タイムを短縮できることです。」
高周波ろう付け用に金属部品を配置する前に、オペレータはシステムの周波数と電力レベルを適切に設定する必要があります。周波数の範囲は 5 ～ 500 kHz で、周波数が高いほど表面の加熱が速くなります。
多くの場合、電源は数百キロワットの電力を生成できます。しかし、手のひらサイズの部品を 10 ～ 15 秒でろう付けするには、わずか 1 ～ 5 キロワットしか必要としません。これに対し、大きな部品の場合は 50 ～ 100 キロワットの電力が必要となり、ろう付けには最大 5 分かかります。
「一般に、小型のコンポーネントは消費電力が少なくなりますが、100～300キロヘルツなどのより高い周波数が必要です。対照的に、大型のコンポーネントはより多くの電力とより低い周波数、通常は100キロヘルツ未満を必要とします。」とバウシュ氏は述べています。
サイズに関係なく、金属部品は固定する前に正しく配置する必要があります。流動するフィラーメタルによる適切な毛細管現象を可能にするために、母材金属間の隙間をしっかりと維持するように注意する必要があります。この隙間を確保するには、突合せ継手、重ね継手、および突合せ重ね継手が最適な方法です。
従来の固定具または自己固定具が許容されます。標準的な固定具は、ステンレス鋼やセラミックなどの導電性の低い材料で作られ、コンポーネントへの接触をできるだけ少なくする必要があります。
噛み合う継ぎ目、かしめ、くぼみ、またはローレットを備えた部品を設計することにより、機械的サポートを必要とせずに自己固定を実現できます。
次に、接合部をヤメパッドまたは溶剤で洗浄して、油、グリース、錆、スケール、汚れなどの汚染物質を除去します。このステップにより、接合部の隣接する表面を通して溶融フィラー金属自体を引っ張る毛細管現象がさらに強化されます。
部品が適切に取り付けられ、洗浄された後、オペレータはジョイント コンパウンド (通常はペースト) をジョイントに塗布します。このコンパウンドは、溶加材、フラックス (酸化を防ぐため)、および溶解前に金属とフラックスを保持する結合剤の混合物です。
ろう付けに使用される溶加材とフラックスは、はんだ付けに使用されるものよりも高い温度に耐えるように配合されています。ろう付けに使用される溶加材は、少なくとも 842 °F の温度で溶け、冷却すると強度が高まります。これらには、アルミニウム - シリコン、銅、銅 - 銀、真鍮、青銅、金 - 銀、銀、ニッケル合金などがあります。
次に、オペレータはさまざまなデザインの誘導コイルを配置します。ヘリカル コイルは円形または楕円形で部品を完全に取り囲みますが、フォーク (またはピンサー) コイルはジョイントの両側に配置され、チャネル コイルが部品に引っ掛けられます。その他のコイルには、内径 (ID)、ID/外径 (OD)、パンケーキ、オープン、およびマルチポジションがあります。
高品質のろう付け接続には均一な熱が不可欠です。これを行うには、オペレータは各誘導コイル ループ間の垂直距離が小さく、結合距離 (コイルの外径から内径までのギャップ幅) が均一に保たれるようにする必要があります。
次に、オペレータは電源をオンにして、接合部を加熱するプロセスを開始します。これには、電源からインダクタに中周波または高周波の交流電流を急速に伝達して、その周囲に交流磁場を生成することが含まれます。
磁場により接合部の表面に電流が誘導され、熱が発生してフィラーメタルが溶け、金属フィラーが流れて金属部品の表面を濡らし、強力な結合が形成されます。マルチポジションコイルを使用すると、このプロセスを複数の部品で同時に実行できます。
各ろう付け部品の最終洗浄と検査をお勧めします。少なくとも 120 F に加熱した水で部品を洗浄すると、フラックス残留物やろう付け中に形成されたスケールが除去されます。ろう付け金属が固まった後、部品は水に浸す必要がありますが、アセンブリはまだ熱いです。
部品に応じて、最小限の検査の後に、非破壊検査や破壊検査を行うことができます。NDT 方法には、目視検査や X 線検査のほか、漏れ試験や耐力試験が含まれます。一般的な破壊試験方法には、金属組織検査、剥離試験、引張試験、せん断試験、疲労試験、転移試験、およびねじり試験があります。
「高周波ろう付けには、トーチ法よりも多額の先行投資が必要ですが、効率と制御がさらに向上するため、それだけの価値があります。」とホランド氏は言います。「高周波ろう付けでは、熱が必要なときにプレスするだけで済みます。」そうでないときは、押します。」
エルデックは、ECO LINE MF 中間周波ラインなどの誘導ろう付け用の幅広い電源を製造しており、各用途に最適なさまざまな構成で利用できます。これらの電源は、定格電力 5 ～ 150 kW、周波数 8 ～ 40 Hz で入手可能です。すべてのモデルに、オペレータが 100% の連続使用定格を 3 分以内にさらに 50% 増加できるパワーブースト機能を装備することができます。その他の主な機能には、パイロメーター温度制御、温度レコーダーなどがあります。これらの消耗品はメンテナンスがほとんど必要なく、静かに動作し、設置面積が小さく、ワークセル コントローラと簡単に統合できます。
いくつかの業界のメーカーでは、部品の組み立てに高周波ろう付けの使用が増えています。バウシュ氏は、アンブレルの高周波ろう付け装置の最大のユーザーとして、自動車、航空宇宙、医療機器、鉱山機械のメーカーを挙げています。
「自動車業界では、軽量化の取り組みにより、誘導ろう付けされたアルミニウム部品の数が増え続けています」とバウシュ氏は指摘します。「航空宇宙分野では、ニッケルやその他のタイプの摩耗パッドがジェットブレードにろう付けされることがよくあります。どちらの業界も、さまざまな鋼管継手の誘導ろう付けを行っています。」
Ambrell の EasyHeat システム 6 つすべては 150 ～ 400 kHz の周波数範囲を備えており、さまざまな形状の小型部品の誘導ろう付けに最適です。コンパクト (0112 および 0224) は 25 ワットの分解能以内で電力制御を提供します。LI シリーズのモデル (3542、5060、7590、8310) は、50 ワット分解能以内の制御を提供します。
どちらのシリーズも、電源から最大 10 フィート離れた位置に取り外し可能なワークヘッドを備えています。システムのフロント パネル コントロールはプログラム可能で、エンド ユーザーは最大 4 つの異なる加熱プロファイルを定義でき、それぞれに最大 5 つの時間と電力ステップを設定できます。リモート電源制御は、接点またはアナログ入力、またはオプションのシリアル データ ポートで利用できます。
「当社の高周波ろう付けの主な顧客は、炭素を含む部品、または鉄を高い割合で含む大型部品のメーカーです。」とフュージョン事業開発マネージャーのリッチ・クケルジ氏は説明します。「これらの企業の中には、自動車産業や航空宇宙産業にサービスを提供している企業もあれば、銃、切削工具アセンブリ、配管のタップや排水管、または配電ブロックやヒューズを製造している企業もあります。」
Fusion は、1 時間あたり 100 ～ 1,000 個の部品を高周波ろう付けできるカスタム回転システムを販売しています。Cukelj 氏によると、単一タイプの部品または特定の一連の部品については、より高い歩留まりが可能です。これらの部品のサイズは 2 ～ 14 平方インチの範囲です。
「各システムには、8、10、または 12 個のワークステーションを備えた Stelron Components Inc. のインデクサーが含まれています。」と Cukelj 氏は説明します。「一部のワークステーションはろう付けに使用されますが、その他のワークステーションは、ビジョン カメラやレーザー測定装置を使用した検査、または高品質のろう付け接合を確保するための引張試験の実行に使用されます。」
ホランド氏によると、メーカーは、ローターやシャフトの焼きばめやモーターハウジングの結合など、さまざまな誘導ろう付け用途にeldecの標準ECO LINE電源を使用しているという。さらに最近では、この発電機の100kWモデルが、水力発電ダム発電機の銅タップ接続に銅回路リングをろう付けする大型部品の用途に使用されたという。
エルデックは、10 ～ 25 kHz の周波数範囲で工場内を簡単に移動できるポータブル MiniMICO 電源も製造しています。2 年前、自動車用熱交換器チューブのメーカーは、MiniMICO を使用して各チューブのリターン エルボを誘導ろう付けしました。1 人がすべてのろう付けを行い、各チューブの組み立てに 30 秒もかかりませんでした。
Jim は、30 年以上の編集経験を持つ ASSEMBLY の上級編集者です。ASSEMBLY に入社する前は、PM エンジニアであり、Association for Equipment Engineering Journal および Milling Journal の編集者でした。Jim は、デポール大学で英語の学位を取得しています。
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