Soldadura fuerte 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 de metal se unen fundiendo y haciendo fluir un metal de aporte en la unión. El metal de aporte tiene un punto de fusión más bajo que las partes metálicas adyacentes.

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 derretir el metal de aporte. Para un número creciente 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 prueba 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 fácil. En comparación con los otros dos métodos, todo lo que realmente necesita es electricidad estándar".

Hace algunos años, Fusion desarrolló una máquina de seis estaciones totalmente automatizada para ensamblar 10 tipos de fresas de carburo utilizadas para la fabricación de herramientas y metalurgia. Las fresas se fabrican uniendo piezas de carburo de tungsteno de forma cilíndrica y cónica a vástagos de acero. La tasa de producción es de 250 piezas por hora, y las bandejas de piezas separadas contienen 144 espacios en blanco y vástagos.

"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 vástago pegado. La soldadura fuerte por inducción se realiza con una bobina eléctrica que rodea verticalmente las dos partes y lleva el metal de aporte plateado a una temperatura de liquidus de 1,305 F. Después de la rebaba el ensamblaje se alinea y se enfría, 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 uniones fuertes entre dos piezas de metal y porque es muy eficaz para unir materiales diferentes. Las preocupaciones ambientales, 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 (utilizando electromagnetismo) fue descubierto más de un siglo antes por el científico inglés Michael Faraday. Los sopletes de mano fueron la primera fuente de calor utilizada para la soldadura fuerte, seguidos por los hornos en la década de 1920. El método basado en hornos se usó con frecuencia durante la Segunda Guerra Mundial 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 de aluminio de gran volumen a fines de la década de 1970 condujo a muchos ensamblajes que se encuentran en los sistemas de aire acondicionado de 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., un inTEST Co. "También es más eficiente, sin desperdicio de energía y casi sin aumento del aire ambiental temperatura."

El sistema de soldadura fuerte 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 la bobina de inducción adjunta y un enfriador o sistema de enfriamiento.

La fuente de alimentación se conecta al cabezal de trabajo y la bobina está diseñada a la medida para encajar alrededor de la junta. 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 tubería de cobre hueca, a través de la cual fluye el 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 transferencia de calor ineficiente resultante.

"A veces, se coloca un concentrador de flujo en la bobina para intensificar el campo magnético en uno o más puntos de la unión", explica Holland. "Este concentrador puede ser del tipo de laminación que consiste en piezas delgadas 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 dos concentradores es que acorta el ciclo tiempo al inducir más energía más rápido en áreas específicas de la articulación, mientras mantiene otras áreas más frescas".

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 mayor frecuencia 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, solo 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.

"Como regla general, las partes más pequeñas usan 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 la fijación. Se debe tener cuidado de mantener un espacio libre 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.

La fijación tradicional o automática es aceptable. Las luminarias estándar deben fabricarse con materiales de baja conductividad, como acero inoxidable o cerámica, y deben tener el menor contacto posible con el conjunto.

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

Luego, la junta se limpia con una almohadilla de esmeril o un solvente para eliminar contaminantes como aceite, grasa, óxido, escamas y suciedad. Este paso mejora aún más la acción capilar del metal de aporte derretido jalándose a sí mismo a través de las superficies adyacentes de la junta.

Con las piezas correctamente colocadas y limpias, el operador aplica un compuesto de unión (generalmente una pasta) a la unión. Este compuesto es una mezcla de metal de aporte, fundente (para evitar la oxidación) y aglutinante que mantiene unidos el metal y el fundente antes de la fusión.

El metal de aporte y el fundente que se usan en la soldadura fuerte están formulados para soportar temperaturas más altas que las que se usan en la soldadura blanda. Los metales de aporte para soldadura fuerte se derriten a una temperatura de al menos 842 F y son más fuertes cuando se enfrían. Incluyen aleación 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 externo (OD), panqueque, extremo abierto y posiciones múltiples.

El calor uniforme es esencial para una unión de soldadura fuerte 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.

Luego, el operador enciende la energía para comenzar el proceso de calentamiento de la junta. Esto implica la transferencia rápida de una corriente alterna de media o alta frecuencia 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 derretir el metal de aporte para que fluya y humedezca las superficies de las partes 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 la limpieza final y la inspección de cada pieza soldada. La limpieza de las piezas con agua calentada a por lo menos 120 F elimina los residuos de fundente y cualquier escala de óxido formada durante la soldadura fuerte. Las piezas deben sumergirse en agua después de que el metal de aporte se haya solidificado, pero mientras el ensamblaje 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 el examen visual y radiográfico y las 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 de capital inicial mayor que el método de soplete, pero vale la pena por la eficiencia y el control adicionales que se obtienen", dice Holland. "Con la inducción, cuando necesitas calor, simplemente presionas. Cuando no lo necesitas, presionas".

Eldec fabrica varias fuentes de alimentación para soldadura fuerte por inducción, como la línea de frecuencia media ECO LINE MF que viene en varias configuraciones para adaptarse mejor a cada aplicación. Los suministros tienen un rango de potencia nominal 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 sobrepasar el 100 % de la clasificación de servicio continuo en un 50 % adicional durante un máximo de tres minutos. Otras características clave incluyen el control de temperatura del 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 equipos automotrices, aeroespaciales, médicos y de minería como los principales usuarios de los equipos de soldadura fuerte por inducción de Ambrell.

"La cantidad de piezas de aluminio soldadas por inducción continúa aumentando en la industria automotriz debido a las iniciativas de reducción de peso", señala Bausch. "En la industria aeroespacial, el níquel y otros tipos de almohadillas de desgaste se sueldan con regularidad en las palas de los chorros. Ambas industrias también sueldan 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 dentro de una resolución de 50 vatios.

Ambas series tienen un cabezal de trabajo móvil que se puede ubicar a una distancia de hasta 10 pies de la fuente de alimentación. El controlador del panel frontal del sistema 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 remoto de energía está disponible para entradas analógicas o de contacto, o un puerto de datos en serie opcional.

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

Fusion vende sistemas rotativos personalizados que pueden soldar por inducción de 100 a 1000 piezas por hora. El mayor volumen es posible para un solo tipo de pieza o una familia específica de piezas, según Cukelj. 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 dice 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 involucraba la soldadura fuerte de un anillo de circuito de cobre a una conexión de derivación de cobre para un generador en una represa hidroeléctrica.

Eldec también fabrica la fuente de alimentación portátil MiniMICO, que se mueve fácilmente alrededor de una planta y tiene un rango de frecuencia de 10 a 25 kilohercios. Hace dos años, un fabricante de tubos 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 fuerte, y cada tubo requirió menos de 30 segundos para ensamblarse.

Jim es editor sénior 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.