Введение
Точечная сварка (или сварка сопротивлением) — это тип электрической сварки сопротивлением, используемый для сварки различных листовых металлических изделий, посредством процесса, в котором соприкасающиеся поверхности металла соединяются теплом, выделяющимся при сопротивлении электрическому току. В процессе используются два профилированных электрода из медного сплава для концентрации сварочного тока в небольшом "пятне" и одновременного сжатия листов. Заготовки удерживаются вместе под давлением, создаваемым электродами. Обычно толщина листов находится в определенном диапазоне. Пропускание большого тока через пятно расплавляет металл и формирует сварное соединение. Преимуществом точечной сварки является возможность подачи большого количества энергии в пятно за очень короткое время (примерно 10–100 миллисекунд). Это позволяет проводить сварку без чрезмерного нагрева остальной части листа. Количество тепла (энергии), подаваемого в пятно, определяется сопротивлением между электродами, а также величиной и продолжительностью тока. Количество энергии выбирается с учетом свойств материала листа, его толщины и типа электродов. Недостаточное количество энергии не расплавит металл или приведет к некачественному сварному шву. Избыточное количество энергии расплавит слишком много металла, выбросит расплавленный материал и приведет к образованию отверстия вместо сварного шва. Еще одна особенность точечной сварки заключается в том, что энергия, подаваемая в пятно, может контролироваться для обеспечения надежных сварных соединений.
Spot welding (or resistance spot welding) is a type of electric resistance welding used to weld various sheet metal products, through a process in which contacting metal surface points are joined by the heat obtained from resistance to electric current. The process uses two shaped copper alloy electrodes to concentrate welding current into a small "spot" and to simultaneously clamp the sheets together. Work pieces are held together under pressure exerted by electrodes. Typically the sheets are in the thickness range. Forcing a large current through the spot will melt the metal and form the weld. The attractive feature of spot welding is that a large amount of energy can be delivered to the spot in a very short time (approximately 10–100 milliseconds). This permits the welding to occur without excessive heating of the remainder of the sheet. The amount of heat (energy) delivered to the spot is determined by the resistance between the electrodes and the magnitude and duration of the current. The amount of energy is chosen to match the sheet's material properties, its thickness, and type of electrodes. Applying too little energy will not melt the metal or will make a poor weld. Applying too much energy will melt too much metal, eject molten material, and make a hole rather than a weld. Another feature of spot welding is that the energy delivered to the spot can be controlled to produce reliable welds.
Процесс и оборудование
Точечная сварка включает в себя три этапа; первый из которых заключается в поднесении электродов к поверхности металла и приложении небольшого давления. Затем на короткое время подается ток от электродов, после чего ток отключается, но электроды остаются на месте для охлаждения материала. Время сварки варьируется от 0,01 до 0,63 секунды в зависимости от толщины металла, силы прижима электродов и диаметра самих электродов. Оборудование, используемое в процессе точечной сварки, состоит из держателей электродов и самих электродов. Держатели электродов служат механизмом для надежной фиксации электродов и также поддерживают дополнительные водяные шланги, которые охлаждают электроды во время сварки. Методы крепления держателей электродов включают в себя лопаточный тип, облегченный, универсальный и с обычным смещением. Электроды обычно изготавливаются из сплава с низким электрическим сопротивлением, как правило, меди, и имеют различные формы и размеры в зависимости от области применения. Два свариваемых материала называются заготовками и должны обладать электропроводностью. Ширина заготовок ограничена длиной дуги сварочного аппарата и обычно варьируется от… Толщина заготовок может варьироваться от… После отключения тока от заготовки она охлаждается через отверстия для охлаждающей жидкости в центре электродов. В качестве охлаждающих жидкостей в механизмах точечной сварки могут использоваться как вода, так и раствор солей. В случае точечной сварки сопротивлением выделяют две основные части инструментальной системы, характеристики которых принципиально влияют на весь процесс: сварочная головка (пистолет) и ее тип, а также размер и форма электродов. В тех случаях, когда конструкция сварочной головки должна быть максимально жесткой из-за высоких прикладываемых усилий (например, при сварке толстых материалов), широко используется сварочная головка C-типа. Помимо высокой жесткости, такая конструкция обеспечивает высокую гибкость инструмента, поскольку движение электродов происходит по одной прямой. В отличие от C-типа, так называемая конструкция X-типа обеспечивает меньшую жесткость, однако рабочее пространство при этом значительно больше, чем у C-типа, поэтому такая конструкция широко распространена при обработке тонких и плоских деталей (например, при изготовлении пола или крыши автомобиля). Однако она предлагает меньшую гибкость в плане оснастки, поскольку траектории движения электродов не коллинеарны (как кончики ножниц), поэтому следует использовать электроды с куполообразной рабочей поверхностью. Электроды, используемые при точечной сварке, могут значительно различаться в зависимости от области применения. Каждый тип электрода имеет свое назначение. Электроды с радиусной рабочей поверхностью используются для высокотемпературной сварки, электроды с усеченной рабочей поверхностью – для сварки под высоким давлением, эксцентрические электроды – для сварки углов, электроды со смещенным эксцентриком – для доступа в углы и небольшие пространства, и, наконец, электроды со смещенной усеченной рабочей поверхностью – для доступа к самой заготовке.
After the current is removed from the workpiece, it is cooled via the coolant holes in the center of the electrodes. Both water and a brine solution may be used as coolants in spot welding mechanisms. In the case of resistance spot welding, there are two main parts of the tooling system, the features of which fundamentally influence the whole process: the gun and its type, and the size and shape of the electrode. In such application, where the gun layout should be as rigid as possible due to the high applying forces (e. g. welding of thick materials), the C type gun is widely used. As well as the high resulting rigidity, this arrangement leads to a high tooling flexibility, as the motion of the electrodes is collinear. Unlike the C type, the so called X type arrangement provides less rigidity, although the reachable workspace is far larger than with the C type, thus this layout is very common, where thin and flat objects are being processed (e. g. manufacturing of floor pan or roof panel). However, it offers less flexibility in terms of tooling, because the paths of the moving electrodes are not collinear (like the tips of a scissor), so a dome shaped electrode tip should be used. Electrodes used in spot welding can vary greatly with different applications. Each tool style has a different purpose. Radius style electrodes are used for high heat applications, electrodes with a truncated tip for high pressure, eccentric electrodes for welding corners, offset eccentric tips for reaching into corners and small spaces, and finally offset truncated for reaching into the workpiece itself.
Характеристики
Процесс точечной сварки имеет тенденцию упрочнять материал, вызывая его деформацию. Это снижает предел усталости материала и может приводить к его растяжению, а также отпуску. К физическим последствиям точечной сварки относятся внутренние трещины, поверхностные трещины и некачественный внешний вид. Трещина вокруг сварного ядра будет расширяться под воздействием внешней нагрузки или усталости, что приведет к иному типу разрушения. На химические свойства металла, подверженные изменениям, влияют внутреннее сопротивление и его коррозионная стойкость. Время сварки часто очень короткое, что может создавать проблемы с электродами – они не успевают достаточно быстро перемещаться, чтобы удерживать материал в зажатом состоянии. Для решения этой проблемы в контроллерах сварки используется двойной импульс. Во время первого импульса электрод может не обеспечить качественный контакт для сварки. Первый импульс размягчает металл. Во время паузы между импульсами электроды сближаются, обеспечивая лучший контакт. При точечной сварке большой электрический ток индуцирует сильное магнитное поле, и взаимодействие между током и магнитным полем создает мощное магнитное силовое поле, которое заставляет расплавленный металл двигаться с высокой скоростью, до 0,5 м/с. Таким образом, распределение тепловой энергии при точечной сварке может существенно изменяться из-за быстрого движения расплавленного металла. Это быстрое движение можно наблюдать с помощью высокоскоростной съемки. Основной точечный сварочный аппарат состоит из источника питания, накопителя энергии (например, батареи конденсаторов), переключателя, сварочного трансформатора и электродов. Накопитель энергии позволяет аппарату выдавать высокие мгновенные уровни мощности. Если требования к мощности невелики, накопитель энергии не требуется. Переключатель направляет накопленную энергию в сварочный трансформатор. Трансформатор понижает напряжение и повышает ток. Важная особенность трансформатора заключается в том, что он снижает величину тока, которую должен выдерживать переключатель. Сварочные электроды являются частью вторичной цепи трансформатора. Также имеется панель управления, которая управляет переключателем и может контролировать напряжение или ток на электродах. Сопротивление, с которым сталкивается сварочный аппарат, является сложным. Оно включает сопротивление вторичной обмотки, кабелей и электродов. Также присутствует контактное сопротивление между электродами и заготовкой, сопротивление самих заготовок и контактное сопротивление между ними. В начале сварки контактное сопротивление обычно велико, поэтому большая часть начальной энергии рассеивается именно там. Это тепло и сила прижима смягчают и сглаживают материал в зоне контакта электрода и заготовки, улучшая контакт (то есть снижая контактное сопротивление). Следовательно, большая часть электрической энергии поступает в заготовку и в зону соединения двух деталей. По мере подачи электрической энергии в зону сварки и повышения температуры электроды и заготовка отводят тепло. Цель состоит в том, чтобы подать достаточно энергии для расплавления части материала в зоне сварки, не расплавляя всю зону целиком. Периферия зоны сварки отводит много тепла, поддерживая более низкую температуру. Внутри зоны сварки отвод тепла меньше, поэтому она расплавляется первой. Если сварочный ток подается слишком долго, вся зона расплавляется, материал вытекает или разрушается, и "сварка" превращается в отверстие. Напряжение, необходимое для сварки, зависит от сопротивления свариваемого материала, толщины листа и желаемого размера ядра. При сварке распространенной комбинации, такой как сталь толщиной 1,0 + 1,0 мм, напряжение между электродами в начале сварки составляет около 1,5 В, но может снизиться до 1 В к концу сварки. Это снижение напряжения обусловлено уменьшением сопротивления из-за плавления заготовки. Напряжение холостого хода трансформатора выше, обычно в диапазоне от 5 до 22 В. Сопротивление зоны сварки изменяется по мере ее нагрева и расплавления. Современное сварочное оборудование может контролировать и регулировать процесс сварки в реальном времени, обеспечивая стабильность сварного шва. Оборудование может контролировать различные параметры во время сварки, такие как ток, напряжение, мощность или энергия. Размеры сварочных аппаратов варьируются от 5 до 500 кВА. Микроточечные сварочные аппараты, используемые в различных отраслях промышленности, могут быть уменьшены до 1,5 кВА или меньше для прецизионной сварки. Во время процесса сварки часто происходит разбрызгивание расплавленных капель металла (искр). Точечная сварка не создает яркой дуги, поэтому не требуется защита от ультрафиолетового излучения. OSHA требует использования прозрачных защитных экранов или очков для защиты от разбрызгивания, но не требует использования фильтрующих линз.
Приложения
Точечная сварка обычно используется при сварке определенных типов листового металла, сварной проволочной сетки или металлической сетки. Более толстый металл сложнее сваривать точечно, поскольку тепло легче распространяется по окружающему металлу. Точечную сварку легко узнать на многих изделиях из листового металла, например, на металлических ведрах. Алюминиевые сплавы можно сваривать точечно, но их значительно более высокая теплопроводность и электропроводность требуют более высоких сварочных токов. Это требует более крупных, мощных и дорогих сварочных трансформаторов. Пожалуй, наиболее распространенное применение точечной сварки – автомобильная промышленность, где она практически повсеместно используется для сварки листового металла при изготовлении кузова автомобиля. Точечные сварочные аппараты могут быть полностью автоматизированы, и многие промышленные роботы на сборочных линиях являются точечными сварщиками (другое основное применение роботов – покраска). Точечная сварка также используется в ортодонтической клинике, где небольшое оборудование для точечной сварки применяется при изменении размера металлических "кольцевых банд", используемых в ортодонтии. Другое применение – точечная сварка контактных пластин к никель-кадмиевым, никель-металлгидридным или литий-ионным элементам аккумуляторов для изготовления аккумуляторных батарей. Элементы соединяются точечной сваркой тонкими никелевыми пластинами к клеммам аккумулятора. Точечная сварка позволяет избежать перегрева аккумулятора, который может возникнуть при обычной пайке. При хорошем проектировании всегда необходимо обеспечивать достаточный доступ. Соединяемые поверхности должны быть свободны от загрязнений, таких как окалина, масло и грязь, для обеспечения качественных сварных швов. Толщина металла, как правило, не влияет на качество сварки.
Модификации
Проекционная сварка — это разновидность точечной сварки, в которой сварка локализуется посредством приподнятых участков, или выступов, на одной или обеих свариваемых деталях. Тепло концентрируется на выступах, что позволяет сваривать более толстые детали или уменьшать расстояние между сварными швами. Выступы также могут использоваться для позиционирования деталей. Проекционная сварка часто применяется для сварки шпилек, гаек и других резьбовых деталей к металлическим листам. Она также часто используется для соединения перекрещивающихся проволок и прутков. Это высокопроизводительный процесс, и можно организовать выполнение нескольких проекционных сварных швов посредством соответствующего проектирования и оснастки.