Soldadura por inducción

Casi todos los procesos de ensamblaje se pueden realizar de varias maneras. La opción que elige un fabricante o integrador para obtener el mejor resultado suele ser la que combina una tecnología probada 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 y haciendo fluir un metal de aportación hacia la unión. El metal de aportación tiene un punto de fusión más bajo que las piezas metálicas contiguas.

El calor para la soldadura fuerte puede ser suministrado por un soplete, un horno o una bobina de inducción. Durante la soldadura fuerte por inducción, una bobina de inducción genera un campo magnético que calienta los materiales base para fundir el metal de aportación. Para un número cada vez mayor de aplicaciones de ensamblaje, la soldadura fuerte por inducción está demostrando ser la mejor opción.

"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", dice Steve Anderson, gerente de campo y ciencia de pruebas en Fusion Inc., un integrador de 88 años con sede en Willoughby, OH. que se especializa en varios métodos de ensamblaje, incluida la soldadura fuerte. “Además, la soldadura fuerte por inducción es mucho más sencilla. En comparación con los otros dos métodos, todo lo que realmente necesitas es electricidad estándar”.

Hace unos años, Fusion desarrolló una máquina de seis estaciones totalmente automatizada para ensamblar 10 tipos de fresas de carburo utilizadas para trabajar metales y fabricar herramientas. Las rebabas se fabrican uniendo piezas en bruto de carburo de tungsteno de forma cilíndrica y cónica a mangos de acero. La tasa de producción es de 250 piezas por hora y las bandejas de piezas separadas contienen 144 piezas en bruto y mangos.

"Un robot SCARA de cuatro ejes toma un vástago de la bandeja, lo presenta al dispensador de pasta y luego lo carga en el nido de accesorios", explica Anderson. “Luego, el robot toma una pieza en bruto de una bandeja y la coloca en el extremo del mango pegado. La soldadura fuerte por inducción se realiza con una bobina eléctrica que rodea verticalmente las dos partes y lleva el metal de aportación de plata a una temperatura líquida de 1305 F. Después de alinear y enfriar el conjunto de fresas, se expulsa a través de un conducto de descarga y se recoge para su posterior procesamiento. "

El uso de la soldadura fuerte por inducción para el ensamblaje está aumentando, principalmente porque crea uniones fuertes entre dos piezas metálicas y porque es muy eficaz para unir materiales diferentes. Las preocupaciones medioambientales, la mejora de la tecnología y las aplicaciones no tradicionales también están obligando a los ingenieros de fabricación a examinar más de cerca la soldadura fuerte por inducción.

La soldadura fuerte por inducción existe desde la década de 1950, aunque el concepto de calentamiento por inducción (que utiliza electromagnetismo) fue descubierto más de un siglo antes por el científico inglés Michael Faraday. Las antorchas de mano fueron la primera fuente de calor utilizada para soldar, seguidas por los hornos en la década de 1920. El método basado en hornos se utilizó con frecuencia durante la Segunda Guerra Mundial para fabricar grandes cantidades de piezas metálicas 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 de aluminio en gran volumen a finales de la década de 1970 dio lugar a muchos ensamblajes que se encuentran en los sistemas de aire acondicionado de automóviles actuales.

"A diferencia de la soldadura con soplete, la soldadura por inducción se realiza sin contacto y minimiza el riesgo de sobrecalentamiento", señala Rick Bausch, gerente de ventas de Ambrell Corp., una empresa de inTEST. "También es más eficiente, sin desperdicio de energía y casi sin aumento de aire ambiente". temperatura."

El sistema de soldadura por inducción estándar consta de tres componentes, según Greg Holland, director de ventas y operaciones de eldec LLC. Estos son la fuente de alimentación, el cabezal de trabajo con bobina de inducción adjunta y un enfriador o sistema de refrigeración.

La fuente de alimentación se conecta al cabezal de trabajo y la bobina está diseñada a medida para encajar alrededor de la articulación. El inductor puede estar hecho de varilla sólida, cable flexible, palanquilla mecanizada o impreso en 3D a partir de aleaciones de cobre en polvo. Pero, a menudo, está hecho de tubos de cobre huecos, a través de los cuales fluye agua por varias razones. Una es mantener fría la bobina compensando el calor reflejado de la pieza durante la soldadura fuerte. El agua que fluye también evita la acumulación de calor generado en el serpentín por la presencia frecuente de una corriente eléctrica alterna y la resultante transferencia de calor ineficiente.

"A veces se coloca un concentrador de flujo en la bobina para intensificar el campo magnético en uno o más puntos de la articulación", explica Holland. “Este concentrador puede ser del tipo laminación, que consiste en finas piezas de acero eléctrico apiladas muy juntas, o ferrotrón, que contiene materiales ferromagnéticos en polvo y un enlace dieléctrico que se comprimen a alta presión. El beneficio de usar cualquiera de los concentradores es que acorta el tiempo del ciclo al inducir más energía más rápidamente en áreas específicas de la articulación, 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 kilohercios, y una frecuencia más alta produce una tasa más intensa de calentamiento de la superficie.

Las fuentes de alimentación suelen ser capaces de producir varios cientos de kilovatios de electricidad. Sin embargo, sólo se necesitan de 1 a 5 kilovatios para soldar una pieza del tamaño de la palma de la mano en 10 a 15 segundos. Las piezas grandes, por el contrario, pueden requerir de 50 a 100 kilovatios y tardar hasta cinco minutos en soldarse.

"Por regla general, las piezas más pequeñas consumen menos energía pero necesitan una frecuencia más alta, como de 100 a 300 kilohercios", dice Bausch. "Lo contrario de esto es que las piezas grandes requieren más energía con una frecuencia más baja, generalmente menos de 100 kilohercios".

Independientemente de su tamaño, las piezas metálicas deben colocarse correctamente antes de su fijación. Se debe tener cuidado de mantener un espacio estrecho entre los metales base para permitir la acción capilar adecuada del metal de aportación que fluye. Las juntas a tope, traslapadas y a tope son la mejor manera de garantizar este espacio libre.

Se aceptan accesorios tradicionales o propios. Los accesorios estándar deben estar hechos de materiales poco conductores como acero inoxidable o cerámica, y deben entrar en contacto con el conjunto lo menos posible.

La autofijación, que elimina la necesidad de soporte mecánico, se puede lograr diseñando las piezas con costuras entrelazadas, estampado, hoyuelos o moleteados.

Luego se limpia la junta con una lija o un solvente para eliminar contaminantes como aceite, grasa, óxido, incrustaciones y suciedad. Este paso mejora aún más la acción capilar del metal de aportación fundido que se desplaza a través de las superficies adyacentes de la junta.

Una vez que las piezas están correctamente fijadas y limpias, el operador aplica un compuesto para juntas (normalmente una pasta) a la junta. Este compuesto es una mezcla de metal de aportación, fundente (para evitar la oxidación) y aglutinante que mantiene unidos el metal y el fundente antes de fundirse.

El metal de aportación y el fundente utilizados en la soldadura fuerte están formulados para soportar temperaturas más altas que las utilizadas en la soldadura fuerte. Los metales de aportación para soldadura fuerte se derriten a una temperatura de al menos 842 F y son más fuertes cuando se enfrían. Incluyen aleaciones de aluminio-silicio, cobre, cobre-plata, latón, bronce, oro-plata, plata y níquel.

Luego, el operador coloca la bobina de inducción, que viene en muchos diseños. Una bobina helicoidal es redonda o elíptica y rodea completamente la pieza, mientras que una bobina de horquilla (o pinza) se coloca a cada lado de la junta y una bobina de canal se engancha sobre la pieza. Otras bobinas incluyen diámetro interno (ID), ID/diámetro exterior (OD), tipo panqueque, de extremo abierto y de múltiples posiciones.

El calor uniforme es esencial para una unión soldada de alta calidad. Para lograr 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 (el ancho del espacio entre el diámetro exterior y el diámetro interior de la bobina) se mantenga uniforme.

A continuación, el operador enciende la energía para comenzar el proceso de calentamiento de la junta. Esto implica la transferencia rápida de una corriente alterna de frecuencia media o alta desde la fuente de alimentación al inductor para crear un campo magnético alterno a su alrededor.

El campo magnético genera una corriente inducida en la superficie de la junta, que genera calor para fundir el metal de aportación de modo que fluya y humedezca las superficies de las piezas metálicas, lo que da como resultado una unión fuerte. Con una bobina multiposición, este proceso se puede realizar simultáneamente en varias piezas al mismo tiempo.

Se recomienda una limpieza e inspección final para cada pieza soldada. Limpiar las piezas con agua calentada a al menos 120 F elimina los residuos de fundente y cualquier incrustación de óxido formada durante la soldadura fuerte. Las piezas deben sumergirse en agua después de que el metal de aportación se haya solidificado pero mientras el conjunto aún está caliente.

Dependiendo de la pieza, la inspección puede ser mínima y seguida de pruebas destructivas y no destructivas. Los métodos no destructivos incluyen exámenes visuales y radiográficos y pruebas de estanqueidad y estanqueidad. Los métodos de prueba destructivos comunes son el examen metalográfico y las pruebas de pelado, tensión, cizallamiento, fatiga, impartición y torsión.

"La soldadura fuerte por inducción requiere una inversión inicial de capital mayor que el método con soplete, pero vale la pena por la eficiencia y el control adicionales que se obtienen", afirma Holland. “Con la inducción, cuando necesitas calor, simplemente presionas. Cuando no lo haces, sigues adelante”.

Eldec fabrica varias fuentes de alimentación para soldadura fuerte por inducción, como la línea de media frecuencia ECO LINE MF que se presenta en varias configuraciones para adaptarse mejor a cada aplicación. Los suministros tienen un rango de potencia de 5 a 150 kilovatios con frecuencias de 8 a 40 kilohercios. Todos los modelos se pueden construir con una función de aumento de potencia que permite a los operadores sobrealimentar la clasificación de servicio continuo del 100 por ciento en un 50 por ciento adicional durante hasta tres minutos. Otras características clave incluyen control de temperatura por pirómetro, un registrador de temperatura y un interruptor de alimentación de transistor bipolar de puerta aislada. Los suministros requieren poco mantenimiento, funcionan silenciosamente, ocupan poco espacio y se integran fácilmente con un controlador de celda 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 automóviles, aeroespaciales, de dispositivos médicos y de equipos de minería como los mayores usuarios de los equipos de soldadura fuerte por inducción de Ambrell.

"El número de piezas de aluminio que se sueldan por inducción sigue aumentando en la industria del automóvil debido a las iniciativas de reducción de peso", señala Bausch. “En el sector aeroespacial, el níquel y otros tipos de almohadillas de desgaste se sueldan regularmente a las palas de los aviones. Ambas industrias también soldan por inducción una amplia gama de accesorios para tubos de acero”.

Los seis sistemas EasyHeat de Ambrell tienen un rango de frecuencia de 150 a 400 kilohercios, lo que los hace ideales para la soldadura fuerte por inducción de piezas pequeñas con diversas geometrías. Los modelos compactos (0112 y 0224) ofrecen control de potencia con una resolución de 25 vatios; Los modelos de la serie LI (3542, 5060, 7590, 8310) brindan control con una resolución de 50 vatios.

Ambas series tienen un cabezal de trabajo móvil que se puede ubicar hasta a 10 pies de la fuente de alimentación. El controlador del panel frontal de los sistemas es programable, lo que permite a los usuarios finales definir hasta cuatro perfiles de calefacción diferentes, cada uno con hasta cinco pasos de tiempo y potencia. El control de alimentación remoto está disponible para entradas analógicas o de contacto, o un puerto de datos serie opcional.

"Nuestros principales clientes de soldadura fuerte por inducción son fabricantes de piezas que contienen algo de carbono o piezas de gran masa con un alto porcentaje de hierro", explica Rich Cukelj, director de desarrollo empresarial de Fusion. "Algunas de estas empresas prestan servicios a las industrias automotriz y aeroespacial, mientras que otras fabrican armas de fuego, componentes para herramientas de corte, grifos y desagües, o bloques y fusibles para distribución eléctrica".

Fusion vende sistemas rotativos personalizados que pueden soldar por inducción de 100 a 1000 piezas por hora. Según Cukelj, el mayor volumen es posible para un solo tipo de pieza o para una familia específica de piezas. Estas piezas pueden variar en tamaño de 2 a 14 pulgadas cuadradas.

"Cada sistema incorpora un indexador de Stelron Components Inc. con ocho, 10 o 12 estaciones", explica Cukelj. "Algunas estaciones son para soldadura fuerte, mientras que otras son para inspección, utilizando una cámara de visión o un dispositivo de medición láser, o pruebas de tracción para garantizar una unión soldada de alta calidad".

Holland afirma que los fabricantes utilizan las fuentes de alimentación ECO LINE estándar de eldec para aplicaciones de soldadura fuerte por inducción tan diversas como el ajuste por contracción de rotores y ejes o la unión de carcasas de motores eléctricos. Recientemente, se utilizó un modelo de 100 kilovatios de este generador en una aplicación de piezas grandes que implicaba la soldadura fuerte de un anillo de circuito de cobre a una conexión de grifo de cobre para un generador en una presa hidroeléctrica.

Eldec también fabrica la fuente de alimentación portátil MiniMICO, que se puede trasladar fácilmente por una planta y tiene un rango de frecuencia de 10 a 25 kilohercios. Hace dos años, un fabricante de tubos de intercambiadores de calor para automóviles utilizó el MiniMICO para soldar por inducción un codo de retorno en cada tubo. Una persona hizo toda la soldadura y cada tubo requirió menos de 30 segundos para ensamblarse.

Jim es editor senior de ASSEMBLY y tiene más de 30 años de experiencia editorial. Antes de unirse a ASSEMBLY, Camillo fue editor de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal y Milling Journal. Jim tiene un título en inglés de la Universidad DePaul.