Почти каждый процесс сборки может выполняться несколькими способами. Для достижения наилучших результатов производитель или интегратор обычно выбирает тот вариант, который соответствует проверенной технологии для конкретного применения.
Одним из таких процессов является пайка твердым припоем. Пайка представляет собой процесс соединения металлов, при котором две или более металлических деталей соединяются путем плавления присадочного металла и заливки его в соединение. Присадочный металл имеет более низкую температуру плавления, чем соседние металлические детали.
Тепло для пайки может обеспечиваться горелками, печами или индукционными катушками. Во время индукционной пайки индукционная катушка создает магнитное поле, которое нагревает подложку, чтобы расплавить присадочный металл. Индукционная пайка оказывается лучшим выбором для растущего числа сборочных операций.
«Индукционная пайка намного безопаснее, чем пайка горелкой, быстрее, чем пайка в печи, и более воспроизводима, чем и то, и другое», — сказал Стив Андерсон, менеджер полевых и испытательных исследований в Fusion Inc., 88-летний интегратор из Уиллоуби, штат Огайо, Саид, специализируется на различных методах сборки, включая пайку. «Кроме того, индукционная пайка проще.По сравнению с двумя другими методами все, что вам действительно нужно, — это стандартное электричество».
Несколько лет назад компания Fusion разработала полностью автоматический станок с шестью позициями для сборки 10 твердосплавных борфрез для металлообработки и изготовления инструментов. Борфрезы изготавливаются путем прикрепления цилиндрических и конических заготовок из карбида вольфрама к стальному хвостовику. Производительность составляет 250 деталей в час, а отдельный лоток для деталей вмещает 144 заготовки и держатели инструмента.
«Четырехосевой робот SCARA берет ручку с лотка, подносит ее к дозатору паяльной пасты и загружает ее в гнездо захвата, — объясняет Андерсон. — Затем робот берет заготовку из лотка и кладет ее на конец стержня, к которому она приклеена.Индукционная пайка выполняется с помощью электрической катушки, которая вертикально наматывается на две детали и доводит серебряный присадочный металл до температуры ликвидуса 1305 F. После выравнивания и охлаждения жерновового компонента он выбрасывается через разгрузочный желоб и собирается для дальнейшей обработки».
Использование индукционной пайки для сборки расширяется, главным образом потому, что она создает прочное соединение между двумя металлическими деталями и потому, что она очень эффективна при соединении разнородных материалов. Экологические проблемы, усовершенствованные технологии и нетрадиционные области применения также вынуждают инженеров-технологов уделять больше внимания индукционной пайке.
Индукционная пайка существует с 1950-х годов, хотя концепция индукционного нагрева (с использованием электромагнетизма) была открыта более чем за столетие до этого британским ученым Майклом Фарадеем. Ручные горелки были первым источником тепла для пайки, за ними в 1920-х годах последовали печи. Во время Второй мировой войны методы на основе печей часто использовались для производства большого количества металлических деталей с минимальными трудозатратами и затратами.
Потребительский спрос на кондиционеры в 1960-х и 1970-х годах привел к появлению новых областей применения индукционной пайки. Фактически, массовая пайка алюминия в конце 1970-х годов привела к созданию многих компонентов, используемых в современных автомобильных системах кондиционирования воздуха.
«В отличие от пайки горелкой, индукционная пайка является бесконтактной и сводит к минимуму риск перегрева», — отмечает Рик Бауш, менеджер по продажам Ambrell Corp., inTEST.temperature».
По словам Грега Холланда, менеджера по продажам и операциям ООО «Элдек», стандартная система индукционной пайки состоит из трех компонентов. Это источник питания, рабочая головка с индукционной катушкой и охладитель или система охлаждения.
Источник питания подключается к рабочей головке, а катушки изготавливаются по индивидуальному заказу, чтобы соответствовать стыку. Индукторы могут быть изготовлены из цельных стержней, гибких кабелей, обработанных заготовок или напечатаны на 3D-принтере из порошковых медных сплавов. Однако обычно они изготавливаются из полых медных трубок, по которым течет вода по нескольким причинам. ток и, как следствие, неэффективный теплообмен.
«Иногда на катушку помещают концентратор потока для усиления магнитного поля в одной или нескольких точках перехода, — поясняет Холланд. — Такие концентраторы могут быть пластинчатого типа, состоящего из плотно уложенных друг на друга тонких электротехнических сталей, или ферромагнитных трубок, содержащих порошкообразный ферромагнитный материал и диэлектрические связи, спрессованные под высоким давлением.Используйте любой из них. Преимущество концентратора заключается в том, что он сокращает время цикла за счет более быстрой подачи большего количества энергии в определенные области сустава, сохраняя при этом другие области более холодными».
Перед размещением металлических деталей для индукционной пайки оператору необходимо правильно настроить частоту и уровни мощности системы. Частота может варьироваться от 5 до 500 кГц, чем выше частота, тем быстрее нагревается поверхность.
Источники питания часто способны производить сотни киловатт электроэнергии. Однако для пайки детали размером с ладонь за 10–15 секунд требуется всего 1–5 киловатт. Для сравнения, для крупных деталей может потребоваться мощность от 50 до 100 киловатт, а пайка занимает до 5 минут.
«Как правило, более мелкие компоненты потребляют меньше энергии, но требуют более высоких частот, например, от 100 до 300 кГц, — сказал Бауш. — Напротив, более крупные компоненты требуют большей мощности и более низких частот, обычно ниже 100 кГц».
Независимо от их размера, металлические детали должны быть правильно расположены перед креплением. Следует соблюдать осторожность, чтобы поддерживать плотный зазор между основными металлами, чтобы обеспечить надлежащее капиллярное действие стекающего присадочного металла. Соединения встык, внахлест и встык внахлест являются лучшим способом обеспечения этого зазора.
Допустимы традиционные или самофиксирующиеся приспособления. Стандартные приспособления должны быть изготовлены из менее проводящих материалов, таких как нержавеющая сталь или керамика, и должны как можно меньше касаться компонентов.
При проектировании деталей с блокирующими швами, обжимкой, углублениями или накатками можно добиться самофиксации без необходимости механической поддержки.
Затем швы очищают наждачной бумагой или растворителем для удаления загрязняющих веществ, таких как масло, жир, ржавчина, окалина и грязь. Этот шаг еще больше усиливает капиллярное действие расплавленного присадочного металла, втягивающегося через прилегающие поверхности шва.
После того, как детали правильно установлены и очищены, оператор наносит шовный герметик (обычно в виде пасты) на стык. Компаунд представляет собой смесь присадочного металла, флюса (для предотвращения окисления) и связующего вещества, которое скрепляет металл и флюс перед расплавлением.
Присадочные металлы и флюсы, используемые при пайке, разработаны так, чтобы выдерживать более высокие температуры, чем те, которые используются при пайке. Припои, используемые для пайки, плавятся при температуре не менее 842 F и становятся прочнее при охлаждении. К ним относятся алюминий-кремний, медь, медь-серебро, латунь, бронза, золото-серебро, серебро и никелевые сплавы.
Затем оператор размещает индукционную катушку, которая бывает различных конструкций. Спиральные катушки имеют круглую или овальную форму и полностью окружают деталь, в то время как вилочные (или клещевые) катушки расположены с каждой стороны соединения, а канальные катушки зацепляются за деталь. Другие катушки включают внутренний диаметр (ID), внутренний диаметр / внешний диаметр (OD), блинообразную, открытую и многопозиционную.
Равномерный нагрев необходим для высококачественных паяных соединений. Для этого оператор должен убедиться, что расстояние по вертикали между каждым контуром индукционной катушки невелико, а расстояние соединения (ширина зазора от наружного диаметра катушки до внутреннего диаметра) остается одинаковым.
Затем оператор включает питание, чтобы начать процесс нагрева соединения. Это включает в себя быструю передачу переменного тока средней или высокой частоты от источника питания к индуктору для создания вокруг него переменного магнитного поля.
Магнитное поле индуцирует ток на поверхности соединения, который выделяет тепло для расплавления присадочного металла, позволяя ему течь и смачивать поверхность металлической детали, создавая прочную связь. Используя многопозиционные катушки, этот процесс можно выполнять на нескольких деталях одновременно.
Рекомендуется окончательная очистка и проверка каждого паяемого компонента. Промывка деталей водой, нагретой не менее чем до 120 F, удалит остатки флюса и любую накипь, образовавшуюся во время пайки. Деталь следует погружать в воду после того, как присадочный металл затвердеет, но сборка еще горячая.
В зависимости от детали за минимальным контролем могут следовать неразрушающие и разрушающие испытания. Методы неразрушающего контроля включают визуальный и радиографический осмотр, а также проверку на утечку и контрольные испытания. Распространенными разрушающими методами испытаний являются металлографические испытания, испытания на отрыв, растяжение, сдвиг, усталость, перенос и кручение.
«Индукционная пайка требует больших первоначальных капиталовложений, чем метод с горелкой, но она того стоит, потому что вы получаете дополнительную эффективность и контроль», — сказал Холланд. «При индукционной пайке, когда вам нужно тепло, вы просто нажимаете.Когда вы этого не делаете, вы нажимаете».
Eldec производит широкий спектр источников питания для индукционной пайки, например, линейку промежуточных частот ECO LINE MF, которая доступна в различных конфигурациях для наилучшего соответствия каждому применению. Эти источники питания доступны с номинальной мощностью от 5 до 150 кВт и частотами от 8 до 40 Гц. регистратор температуры и выключатель питания на биполярных транзисторах с изолированным затвором. Эти расходные материалы требуют минимального обслуживания, работают бесшумно, занимают мало места и легко интегрируются с контроллерами рабочих ячеек.
Производители в нескольких отраслях все чаще используют индукционную пайку для сборки деталей. Бауш указывает на производителей автомобильного, аэрокосмического, медицинского и горнодобывающего оборудования как на крупнейших пользователей оборудования для индукционной пайки Ambrell.
«Количество алюминиевых компонентов, припаянных с помощью индукционной пайки, в автомобильной промышленности продолжает расти благодаря инициативам по снижению веса, — отмечает Бауш. — В аэрокосмической отрасли никелевые и другие типы износостойких накладок часто припаиваются к лопастям реактивных двигателей.Обе отрасли также используют индукционную пайку различных фитингов для стальных труб».
Все шесть систем EasyHeat от Ambrell работают в диапазоне частот от 150 до 400 кГц и идеально подходят для индукционной пайки мелких деталей различной геометрии. Компактные модели (0112 и 0224) обеспечивают регулирование мощности с разрешением 25 Вт;модели серии LI (3542, 5060, 7590, 8310) обеспечивают управление с разрешением в пределах 50 Вт.
Обе серии имеют съемную рабочую головку на расстоянии до 10 футов от источника питания. Элементы управления на передней панели системы являются программируемыми, что позволяет конечному пользователю определить до четырех различных профилей нагрева, каждый из которых имеет до пяти ступеней времени и мощности. Дистанционное управление мощностью доступно для контактного или аналогового ввода или дополнительного последовательного порта данных.
«Нашими основными заказчиками индукционной пайки являются производители деталей, содержащих некоторое количество углерода, или крупногабаритных деталей, содержащих большое количество железа, — объясняет Рич Кукель, менеджер по развитию бизнеса Fusion.
Fusion продает специализированные роторные системы, которые могут производить индукционную пайку от 100 до 1000 деталей в час. По словам Кукеля, более высокая производительность возможна для одного типа детали или для определенной серии деталей. Размеры этих деталей варьируются от 2 до 14 квадратных дюймов.
«Каждая система содержит индексатор от Stelron Components Inc. с 8, 10 или 12 рабочими станциями, — объясняет Кукель. — Некоторые рабочие станции используются для пайки, в то время как другие используются для проверки с использованием видеокамер или лазерного измерительного оборудования или для проведения испытаний на растяжение для обеспечения высокого качества паяных соединений».
По словам Холланда, производители используют стандартные источники питания ELdec ECO LINE для различных операций индукционной пайки, таких как термоусадочная посадка роторов и валов или соединение корпусов двигателей. Совсем недавно модель этого генератора мощностью 100 кВт использовалась для изготовления крупных деталей, включавших пайку медных контурных колец с медными отводами для генераторов плотин гидроэлектростанций.
Eldec также производит портативные источники питания MiniMICO, которые можно легко перемещать по заводу в диапазоне частот от 10 до 25 кГц. Два года назад производитель автомобильных трубок теплообменников использовал MiniMICO для индукционной пайки возвратных колен к каждой трубе. Всю пайку выполнял один человек, и на сборку каждой трубки уходило менее 30 секунд.
Джим является старшим редактором ASSEMBLY с более чем 30-летним редакционным опытом. До прихода в ASSEMBLY Камилло был инженером по управлению проектами, редактором журнала Association for Equipment Engineering Journal и Milling Journal. Джим имеет степень по английскому языку в Университете ДеПола.
Отправьте запрос на предложение (RFP) поставщику по вашему выбору и нажмите кнопку с подробным описанием ваших потребностей.
Просмотрите наш справочник покупателя, чтобы найти поставщиков всех типов сборочных технологий, машин и систем, поставщиков услуг и торговых организаций.
Метод «бережливое производство + шесть сигм» десятилетиями приводил к непрерывным усилиям по совершенствованию, но его недостатки стали очевидными. Сбор данных является трудоемким и может собирать только небольшие выборки. Теперь данные можно собирать в течение длительного периода времени и в нескольких местах за небольшую часть стоимости старых ручных методов.
Роботы дешевле и проще в использовании, чем когда-либо. Эта технология доступна даже для малых и средних производителей. Послушайте эксклюзивную панельную дискуссию с участием руководителей четырех ведущих американских поставщиков робототехники: ATI Industrial Automation, Epson Robots, FANUC America и Universal Robots.