高周波ろう付け

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どのオプションを選択するかは、通常、実績のあるテクノロジーと特定のアプリケーションを一致させるものです。

ろう付けも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。 フィラー金属は、隣接する金属部品よりも低い融点を持っています。

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供給できます。 高周波ろう付け中、誘導コイルは磁場を生成し、母材を加熱してフィラー金属を溶かします。 ますます多くの組み立て用途では、高周波ろう付けが最良の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本拠を置く創業 88 年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 Steve Anderson 氏は述べています。ろう付けを含むいくつかの組み立て方法を専門としています。 「さらに、高周波ろう付けははるかに簡単です。他の 2 つの方法と比べて、実際に必要なのは標準的な電気だけです。」

数年前、Fusion は金属加工や工具製造に使用される 10 種類の超硬バーを組み立てるための完全自動化された 6 ステーションの機械を開発しました。 バリは、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接合することによって作られます。 生産速度は 1 時間あたり 250 個の部品で、個別の部品トレイには 144 個のブランクとシャンクが保持されます。

「4 軸のスカラ ロボットがトレイからシャンクを取り出し、ペースト ディスペンサーに渡し、それを治具ネストにロードします」とアンダーソン氏は説明します。 「ロボットはトレイからブランクを取り出し、貼り付けられたシャンクの端に置きます。高周波ろう付けは、2 つの部品を垂直に取り囲む電気コイルで実行され、銀のフィラー金属を 1,305 F の液相線温度にします。アセンブリは位置合わせされて冷却され、排出シュートを介して排出され、さらなる処理のために収集されます。」

高周波ろう付けは 2 つの金属部品間に強力な接合を形成することと、異なる材料を接合するのに非常に効果的であるため、組み立てに高周波ろう付けの使用が増加しています。 環境への懸念、技術の向上、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についてさらに詳しく検討する必要に迫られています。

誘導加熱の概念 (電磁気を利用する) 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が、誘導ろう付けは 1950 年代から存在していました。 手持ち式トーチがろう付けに使用される最初の熱源であり、1920 年代には炉がそれに続きました。 炉ベースの方法は、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、高周波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、今日の自動車用空調システムに使用される多くのアセンブリが誕生しました。

「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、inTEST 社の傘下である Ambrell Corp. の営業マネージャー、リック・バウシュ氏は述べています。「また、エネルギーの無駄がなく、周囲の空気の増加もほとんどなく、より効率的です」温度。"

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、標準の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、誘導コイルが取り付けられたワークヘッド、チ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囲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。 しかし、多くの場合、それは中空の銅管で作られており、いくつかの理由で水が中を流れます。 1 つは、ろう付け中に部品からの反射熱を相殺し、コイルを低温に保つことです。 また、水を流すことにより、交流電流が頻繁に流れることでコイル内に熱が発生し、その結果生じる非効率的な熱伝達が防止されます。

「ジョイント内の 1 つまたは複数の点で磁場を強化するために、コイル上に磁束集中装置が配置されることがあります」と Holland 氏は説明します。 「このコンセントレータには、薄い電磁鋼板をしっかりと積み重ねた積層タイプと、粉末状の強磁性材料と誘電体結合を高圧下で圧縮したフェロトロンとがあります。どちらのコンセントレータを使用する利点も、サイクルを短縮できることです。」関節の特定の領域により多くのエネルギーをより速く誘導し、他の領域を低温に保つことで、時間を短縮します。」

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。 周波数は 5 ～ 500 キロヘルツの範囲であり、周波数が高いほど表面加熱の速度がより激しくなります。

電源は通常、数百キロワットの電力を生成できます。 ただし、手のひらサイズの部品を 10 ～ 15 秒以内にろう付けするのに必要な電力は、わずか 1 ～ 5 キロワットです。 対照的に、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、部品が小さいほど消費電力は少なくなりますが、100 ～ 300 キロヘルツなどの高い周波数が必要になります」とバウシュ氏は言います。 「これとは逆に、大きな部品はより低い周波数、通常は 100 キロヘルツ未満でより多くの電力を必要とします。」

サイズに関係なく、金属部品は固定する前に適切な位置に配置する必要があります。 流れる溶加材の適切な毛細管現象を可能にするために、母材間に緊密な隙間を維持するように注意する必要があります。 このクリアランスを確保するには、バットジョイント、ラップジョイント、およびバットラップジョイントが最適な方法です。

従来の固定方法または自己固定方法が許容されます。 標準の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成し、アセンブリとの接触をできるだけ少なくする必要があります。

機械的サポートの必要性を排除する自己固定は、噛み合い縫い目、スエージング、ディンプル、またはローレット加工を備えた部品を設計することによって実現できます。

次に、ジョイントをヤメパッドまたは溶剤で洗浄し、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、溶融フィラー金属が接合部の隣接する表面を通って引き込まれる毛細管現象がさらに強化されます。

部品が適切に固定され、洗浄された後、オペレータは接合コンパウンド (通常はペースト) を接合部に塗布します。 このコンパウンドは、溶加材、フラックス（酸化を防ぐため）、および溶融前に金属とフラックスを保持するバインダーの混合物です。

ろう付けに使用される金属フィラーとフラックスは、はんだ付けに使用されるものよりも高い温度に耐えられるように配合されています。 ろう付け用の金属フィラーは少なくとも 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、ニッケル合金が含まれます。

次に、オペレーターは誘導コイルの位置を決めます。誘導コイルにはさまざまな設計があります。 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 (またはトング) コイルはジョイントの両側に配置され、チャネル コイルは部品にかかります。 その他のコイルには、内径 (ID)、ID/外径 (OD)、パンケーキ、オープンエンド、マルチポジションなどがあります。

高品質のろう付け接合には均一な熱が不可欠です。 これを達成するには、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) が均一に保たれていることを確認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、接合部の加熱プロセスを開始します。 これには、電源からインダクタへの中周波または高周波交流電流の急速な伝達が含まれ、その周囲に交流磁界が生成されます。

磁場により接合部の表面に誘導電流が発生し、熱が発生してフィラー金属が溶け、溶加金属が流れて金属部品の表面を濡らし、強力な接合が得られます。 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に対して同時に実行できます。

各ろう付け部品については、最終的な洗浄と検査を行うことをお勧めします。 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酸化スケールが除去されます。 フィラーメタルが固まった後、アセンブリがまだ熱いうちに、部品を水に浸す必要があります。

部品によっては、検査は最小限で、その後に非破壊検査と破壊検査が続く場合もあります。 非破壊検査には、目視検査や X 線検査、漏れ検査や証拠検査が含まれます。 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、付与試験、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、さらなる効率と制御が得られるため、それだけの価値があります」とホランド氏は言います。 「IH では、熱が必要なときは押すだけで、必要ないときは押すだけです。」

エルデックは、各アプリケーションに最適なさまざまな構成を備えたECO LINE MF中周波ラインなど、誘導ろう付け用の電源をいくつか製造しています。 電源の定格電力範囲は 5 ～ 150 キロワット、周波数は 8 ～ 40 キロヘルツです。 すべてのモデルは、オペレーターが 100 パーセントの連続使用率を最大 3 分間さらに 50 パーセントオーバードライブできる出力ブースト機能を搭載できます。 その他の主な機能には、パイロメーター温度制御、温度ロガー、絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ パワー スイッチなどがあります。 この電源はメンテナンスをほとんど必要とせず、静かに動作し、スペースをほとんどとらないため、ワークセル コントローラー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る。

「軽量化の取り組みにより、自動車業界では高周波ろう付けされるアルミニウム部品の数が増え続けています」とバウシュ氏は述べています。 「航空宇宙では、ニッケルやその他の種類の摩耗パッドが定期的にジェットブレードにろう付けされています。両業界はまた、幅広い鋼管継手を高周波ろう付けしています。」

Ambrell の 6 つの EasyHeat システムはすべて 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高周波ろう付けに最適です。 コンパクト モデル (0112 および 0224) は、25 ワットの分解能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 ワットの分解能内で制御を提供します。

どちらのシリーズも、電源から最大 10 フィートの距離に配置できる可動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ラー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、接点入力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 ポートで使用できます。

「当社の高周波ろう付けの主な顧客は、炭素を含む部品、または鉄の割合が高い大型部品のメーカーです」と、Fusion のビジネス開発マネージャー、Rich Cukelj 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、銃器、切削工具の部品、配管の蛇口や排水管、配電用の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部品ファミリーでは、より多くの量が可能です。 これらのパーツのサイズは 2 ～ 14 平方インチの範囲になります。

「各システムには、8、10、または 12 のステーションを備えた Stelron Components Inc. のインデクサーが組み込まれています」と Cukelj 氏は説明します。 「ろう付け用のステーションもあれば、ビジョンカメラやレーザー測定装置を使用した検査用、あるいは高品質のろう付け接合を保証するための引っ張り試験用のステーションもあります。」

ホランド社によると、各メーカーは、ロータやシャフトの焼きばめや電気モーターのハウジングの接合など、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。 最近、この発電機の 100 キロワット モデルが、水力発電ダムの発電機用の銅タップ接続への銅回路リングのろう付けを含む大型部品の用途に使用されました。

Eldec は、プラント内で簡単に移動でき、周波数範囲が 10 ～ 25 キロヘルツのポータブル 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折り返し部分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は 30 秒もかかりませんでした。

Jim は ASSEMBLY の上級編集者で、30 年以上の編集経験があります。 ASSEMBLY に入社する前、Camillo は PM Engineer、Association for Facilities Engineering Journal、および Milling Journal の編集者を務めていました。 ジムはデポール大学で英語の学位を取得しています。