نقش الکترود در جوشکاری مقاومتی نقطه ای (نقطه جوش)

رابطه الکترود نقطه جوش و قطر جوش (دکمه جوش)

در جوش نقطه ای شدت جریان در سطحی که میان دو الکترود مسی قرار می‌گیرد، متمرکز می شود، از این رو جوش با قطر نوک الکترود نقطه جوش ارتباط دارد.

مقاومت برشی در جوش باید به اندازه ای باشد که در اثر نیروی کششی از محل جوش گسیختگی ایجاد نشود. در صورت گسیختگی، محل آن دور تا دور نقطه جوش خواهد بود.

روشی که امروزه برای تعیین قطر نوک الکترود به کار می رود، و در صنایع نیز پذیرفته شده است، همانند روابط ساق پرچ و ضخامت ورق است. در پرچ کاری رابطه بین ساق پرچ و ضخامت ورق به این صورت است که در آن قطر ساق پرچ = d _{r و}

ضخامت یکی از ورق ها = t میشود.

d _{r = 1/2√t}

نکته ای که در مورد پرچ و نقطه جوش وجود دارد این است که در پرچ ورق ها را سوراخ می کنند که این امر باعث تضعیف آن می شود، در صورتی که در نقطه جوش این ضعف وجود ندارد و رابطه را بصورت t = √ d_e  در نظر می‌گیرند.

قطر نوک الکترود = d_e

ضخامت ورق=  t

d_{e = (0./1+2t)}

جنس الکترود نقطه جوش

در جوش مقاومتی (نقطه جوش) سطح تماس بین الکترود و ورق دارای اهمیت ویژه ای است. در عمل نمیتوان الکترود را صاف و مسطح در نظر گرفت از نظر مکانیکی ضعیف خواهد شد. به این دلیل نوک الکترودها را برای اینکه سطح تماس کمتر باشد، با زاویه ۳۰ درجه می تراشند و نیز برای جلوگیری از تمرکز حرارت در نوک الکترود، آن را از مس یا آلیاژهای آن انتخاب می کنند. از طرفی، از یک سیستم خنک کننده مانند آب بهره می گیرند.

الکترودها بر مبنای سه عامل عمده و اساسی ساخته می شوند و به کار می روند:

الف – انتقال شدت جریان از الکترود به قطعه کار بدون اینکه حرارت زیادی میان آنها ایجاد شود

ب – اعمال فشار از طریق نوک الکترود به قطعه کار بدون اینکه تغییر شکلی پیش آید

ج – انتقال گرما از ورق بدون اینکه حرارت زیادی در نوک الکترود ایجاد شود.

برای اینکه الکترود بتواند شرایط گفته شده را داشته باشد، فلز آن بایستی هادی بسیار خوبی در برابر جریان الکتریسیته و حرارت باشد، بعلاوه باید بتواند بدون تغییر شکل، در برابر نیروی فشاری در درجه های حرارت ایجاد شده مقاومت کند.

فلزاتی که برای ساختن الکترود جوش نقطه ای به کار می روند عبارتند از:

• مس خالص تجاری
• آلیاژ مس و کادمیم
• آلیاژ مس و کروم
• آلیاژ مس و تنگستن

۱ – مس خالص تجاری: در ساختن بعضی از الکترودها از مس خالص تجاری که بر روی آن کار شده است استفاده می کنند، به این ترتیب که سختی آن را از طریق عملیات مکانیکی افزایش می دهند. این نوع الکترودها از نظر هدایت الکتریسیته و حرارت، هادی بسیار خوبی هستند ولی از نظر مکانیکی ضعیف اند. به ویژه در کارهای متوالی حرارت تغییر شکل می دهند. این نوع الکترودها در جوشکاری فلزاتی مانند آلومینیم و آلیاژهای آن کاربرد دارند و سختی آنها در حدود ۹۰DPH است.

۲ – الکترودهای آلیاژ مس-کادمیم: این نوع الکترود محتوی ۱ درصد کادمیم است که از مس خالص سخت تر است اما تا حدودی مقاومت الکتریکی آن افزایش و ضریب هدایت حرارتی آن کاهش یافته است. سختی این نوع الکترودها را از راه عملیات مکانیکی به ۱۱۰DPH می رسانند.

۳ – آلیاژ مس-کروم: این نوع الکترود از الکترود از الکترودهای قبل سخت تر است و می تواند در زیر فشار تا درجه حرارت ۴۵۰ درجه سانتی گراد مقاومت کند. قیمت این نوع الکترودها نسبت به انواع دیگر بسیار بیشتر است ولی عمر الکترود (تعداد نقطه جوش را که می توان با آن انجام داد)، در نظر بگیریم، تفاوت قیمت به این ترتیب از میان می رود.

۴ – آلیاژ مس-برلیوم: این نوع الکترود از نوع قبلی مقاوم تر بوده و می تواند زیر فشار تا ۱۰۰۰ کیلوگرم درجه حرارت ۵۰۰C مقاومت کند قیمت این نوع الکترود نیست به حالت قبل تا ۵۰% بسته بوده اما از لحاظ طول عمر تقریبا تا ۲ برابر حالت قبل کارایی داشته، از این نوع الکترود در جهت انواع فولاد با ضخامت ها بالا متوان استفاده کرد.

مشخصات الکترودهای متفاوت

۵ – آلیاژ مس-تنگستن: این الکترود سخت ترین نوع الکترود است که در صنعت از آن استفاده می شود. باید توجه داشت که معمولا جنس کل الکترود از آلیاژ مس و تنگستن نبوده و فقط قسمت سر (نوک الکترود) آن را از آلیاژ مس- تنگستن ساخته و به تنه جوش داده شده است. سختی قسمت سر بین DPH 280-180 است ولی قابلیت هدایت حرارتی و الکتریکی آن کاهش یافته است، از این رو، در کارهای عمومی کاربرد ندارد. در جدول قبل مشخصات عمومی الکترودها نشان داده شده است.

قسمت های اصلی الکترود جوشکاری نقطه ای

یک الکترود جوشکاری نقطه ای ۴ قسمت اصلی دارد:

• وجه رویی
• پایه
• انتها یا محل اتصال
• سیستم سرد کننده

• وجه رویی

وجه رویی الکترود قسمتی است که با قطعه تماس دارد. طراحی آن به ترکیب، ضخامت و شکل هندسی قطعات جوش بستگی دارد. در مقابل، شکل هندسی وجه رویی الکترود، دانسیته جریان و فشار را در منطقه جوش تعیین می کند. شکل۲۱ سطح رویی الکترود استاندارد RWMA  را نشان می دهد. انواع شعاعی، گنبدی و مسطح، متداول‌ترین انواع هستند. الکترود مسطح برای حداقل کردن اثر روی سطح، یا به دست آمدن بالانس حرارتی به کار می رود.

وجه رویی می تواند مانند اشکال A , B, C, E, F شکل ۲۱ هم مرکز با محور الکترود باشد، یا مانند شکل ۲۱D  غیر هم مرکز باشد، یا مانند شکل۲۲ با محور زاویه داشته باشد. شکل۲۳ الکترودهایی را نشان می دهد که در جوشکاری نزدیک گوشه ها یا قسمت های دور از دسترس دیگر به کار می رود.

• پایه

پایه الکترود باید سطح مقطع کافی برای تحمل نیروی فشاری الکترود و محل جریان جوش را داشته باشد. پایه  می تواند مستقیم باشد که در شکل ۲۱ نشان داده شده است، یا مانند شکل ۲۴ خم شده باشد. قطرهای استاندارد پایه در شکل ۲۱ نشان داده شده است.

• محل اتصال

اتصالات نخی در جایی به کار می روند که نیروی الکترود زیاد موجب سختی استفاده از الکترودهای باریک می شود یا محل قرارگیری الکترود بحرانی است. الکترودهای نخی معمول، در شکل ۲۵ نشان داده شده اند.

الکترودهای پایه مستقیم برای انتقال نیروهای فشاری زیاد جوشکاری به خصوص در قطر ۴/۳ و ۷/۸ in به کار می روند. الکترود به صورت مکانیکی توسط یک کوپل در جای خود نگه داشته می شود که در شکل۲۶ مشاهده می شود.

• سرد شدن

در صورت امکان، الکترودهای جوشکاری نقطه ای باید دارای یک سیستم سردکننده داخلی در نزدیکی وجه خارجی جوش باشند. این مورد باید طوری طراحی شود که لوله های ورودی آب در اطراف لوله قرار داشته باشند. لوله باید طوری قرار گیرد که آب سرد کننده در جهت عکس نوک الکترود حرکت کند. در اکثر موارد، لوله جزئی از نگه دارنده الکترود است. الکترودهای خم شده در این مورد استثنا هستند. در جایی که سرد کردن داخلی مقدور نباشد، سرد کردن خارجی الکترودها مورد نیاز خواهد بود. شکل۲۷ سیستم خنک کننده الکترود را نشان می دهد.

الکترودهای دو تکه ای

الکترودهای دو تکه ای به صورت کلاهک های نر و ماده وجود دارند که در شکل ۲۸ نشان داده شده است.

این نوع الکترودها با پایه مستقیم و خم شده وجود دارند. استفاده از این طراحی الکترود اقتصادی است. هزینه نگهداری کلاهک ها کمتر است زیرا فقط خود کلاهک تعویض می شود. از سوی دیگر مقاومت سطح تماس کلاهک و نگه دارنده الکترود می توانند موجب گرم شدن و فرسایش الکترود شود. این موارد در هر کاربرد در نظر گرفته شوند تا ارجحیت یا عدم ارجحیت آن نسبت به طرح یک تکه ای مشخص شود.

روش های ساخت الکترودها

الکترودهای مستقیم از ماشین کاری میله های کار سرد شده ساخته می شوند. الکترودهای خم شده را می توان با شکل دادن سرد الکترودهای مستقیم از طریق فورج یا ریخته گری بدست آورد. فورج یا ریخته گری معمولا در جایی به کار می رود که شکل مورد نظر را نمی توان با شکل دادن سرد بدست آورد. بیشتر الکترود های خمیده شکل دهی سرد می شوند زیرا مزایایی بر دیگر روش ها دارد که عبارتند از:

• خواص فیزیکی و شیمیایی بهتر میله پس از کشش سرد
• قرار دادن لوله آب در مجرای سرد کردن، قبل از شکل دهی
• هزینه تولید کمتر

نگهداری الکترودها

سطح الکترود جوشکاری نقطه ای در تماس با قطعه است. این سطح تماس با قارچی شدن بزرگتر شده و دانسیته جریان و فشار کاهش می یابد. در نتیجه جوش کوچکتر می شود. الکترود مقداری فلز از قسمت جوش بر میدارد. مقدار کم این فلز برداشته شده مشکلی ایجاد نمی کند اما اگر این مقدار قابل توجه باشد، الکترودها بیش از حد گرم می شوند و قارچی شدن سریع تر اتفاق می افتد. قبل از نیاز الکترودها به تعمیر نمی توان پیش بینی نمود که برای چند جوش می توان از آنها استفاده کرد. کنترل کردن دوره ای کیفیت جوش و شکل الکترود می تواند تعداد جوش انجام شده را قبل از نیاز به تعمیر الکترود تعیین کند. برنامه ریزی برای تعمیر الکترودها باید طوری انجام شود که کیفیت قطعه حفظ شود.

پیشنهادات زیر می تواند در استفاده صحیح از الکترودهای جوشکاری نقطه ای مفید واقع گردد:

• استفاده از الکترودهای استاندارد و نگه دارنده در صورت امکان
• استفاده از مواد ساخت الکترود مناسب برای کاربرد مورد نظر
• سرد شدن کافی آب و چرخش آب در جهت صحیح نسبت به الکترودها
• جهت گیری صحیح الکترودها، الکترودها باید نسبت به دیگر قطعات زاویه مناسب داشته باشند
• استفاده از ابزار لاستیکی مانند چکش در نصب الکترود در محل مورد نظر و ابزارهای مناسب برای خارج کردن الکترود از دستگاه
• تنظیم و ترکیب صحیح دستگاه، الکترودها باید قبل از برقراری جریان حداقل ضربه را به قطعه وارد کنند و باید تا زمان قطع جریان اتصال خود را با آن حفظ کنند

خواص و شناسایی

الکترودهای جوشکاری نقطه ای شامل ۲ استاندارد هستند:

• ANSI/RWMA: بولتن شماره ۱۶، استانداردهای جوشکاری مقاومتی، چاپ شده توسط انجمن تولید جوش مقاومتی.
• SAE HS-J1156 /A WS D .86: استاندارد الکترودهای جوش نقطه ای مقاومتی خودکار، چاپ شده توسط انجمن جوش آمریکا جامعه مهندسین اتوماسیون.

این استانداردها یک سیستم کدگذاری ارائه می کنند که طراحی الکترودهای استاندارد مختلف از این طریق مقدور است. این کدها شکل دماغه، دسته آلیاژی، اندازه پایه و طول را مشخص می کنند. روش هایی نیز ارائه شدهه است که شکل خمیدگی الکترود، وجوه خاص در آن و الکترودهای کلاهکی را نیز مشخص می کند.

نگهدارنده الکترود

الکترودها توسط نگه دارنده ها به دستگاه جوش نقطه ای متصل می شوند. طرح های مختلفی برای نگه دارنده ها وجود دارد که برای کاربرد معین انتخاب می شوند. نگه دارنده ها توسط گیره به بازوهای دستگاه جوش متصل می شوند. بیشتر نگه دارنده ها دارای قسمی برای عبور آب سرد کننده می باشند و برخی نیز دارای خارج کننده الکترود ها هستند.

سه طرح اصلی برای ساخت نگه دارنده ها وجود دارد:

• مستقیم
• قوس دار(دو خم)
• متعادل کننده جهت با قابلیت تنظیم

این سه نوع اصلی دارای طرح و اندازه استاندارد برای به کارگیری در دستگاه های جوش نقطه ای هستند. ضمن آن که قوانین طراحی برای ساخت نگه دارنده های خاص نیز وجود دارد.

سه نوع نگهدارنده استاندارد در انواع خارج کننده و غیر خارج کننده وجود دارد. نگه دارنده های مستقیم از هر دو نوع در شکل ۲۹ نشان داده شده است.

نوع خارج کننده الکترود بوسیله ضربه سر خارج کننده یا چکش خارج میشود. در نوع غیر خارج کننده taper الکترود با چرخش الکترود آزاد می شود. نگه دارنده ها با طول ها و قطرهای مختلفی در دسترس هستند. نگه دارنده های قوس دار و متعادل کننده جهت با سر ۹۰ درجه و ۳۰ درجه ساخته می شوند که در شکل ۳۰ نشان داده شده است. نگه دارنده با اینرسی کم با یک فنر برای حرکت سریع نیز به کار می رود.

نگه دارنده های چند تایی الکترود نیز برای انجام هم زمان چند جوش نقطه ای به طور موازی وجود دارند. این نگه دارنده ها دارای سیستم برابرسازی نیروی فنری، مکانیکی و یا هیدرولیکی می باشند. از آنجا که جوش در مدارهای موازی انجام میگیرد، تقسیم مناسب جریان به هر جوش به مقاومت هر مسیر بستگی دارد. مسیری که کمترین امپدانس را دارد جریان بیشتری عبور خواهد داد و اندازه جوش می تواند با مقدار جریان تغییر کند.

الکترود و اندازه دکمه جوش

تمرکز جریان الکتریکی بوسیله سطح تماس بین الکترود و کار انجام می شود. استحکام برشی دکمه جوش باید به اندازه ای باشد که اگر تحت تنش قرار گرفت شکست در منطقه اطراف دکمه در ورق ایجاد شود. قطر الکترود و ضخامت ورق نیز باید مناسب انتخاب شوند، در عمل بین قطر الکترود، ضخامت ورق و پارامترهای دیگر وابطی وجود دارد که با کمک جداول راهنما مشخص و به کار برده می شوند. باید در نظر داشت که به علت پیچیدگی در اطراف جوش تنش اعمال شده بر روی جوش (تحت نیرو) کاملا تنش برشی نیست و در این حالت نرمی و انعطاف پذیری ورق بر روی خواص جوش اثر دارد. معیار مفید از نرمی و انعطاف پذیری جوش نسبت به استحکام کششی عرضی مربوط به استحکام برشی آن ورق می باشد که برای ماکزیمم نرمی این مقدار معادل ۱ و برای حالت تردی حدود صفر است. این نکته در مورد جوشکاری فلزات حساس در مقابل سخت شدن حائز اهمیت است.

سطح تماس بین دو الکترود و قطعه کار اهمیت زیادی دارد. معمولا الکترود را به صورت یک میله استوانه ای با قطر مورد نظر نمی سازند، بلکه با قطر بزرگتر ساخته و نوک آن را با زاویه ۳۰ درجه به صورت مخروطی می تراشند، که نوک آن بنابر موقعیت کار به شکل ها و طرح های مختلف ساخته می شود.

نیاز به هدایت الکتریکی و حرارتی بالا همراه با خواص استحکامی و مقاومت سایشی خوب در درجه حرارت کار موجب شده تا جنس الکترود و شکل و اندازه آن مورد توجه قرار گیرد و درست انتخاب شود. افزایش فشار بر روی الکترودها علاوه بر اینکه موجب تماس بهتر دو سطح و پایین آمدن مقاومت الکتریکی تماسی می شود، گاه باعث شکسته شدن لایه اکسیدی سطحی نیز خواهد شد. از نظر کلی نیروی فشاری بالا بر روی الکترود مطلوب است ولی در جوشکاری فلزات با مقاومت الکتریکی کم اعمال نیروی زیاد چندان جالب نخواهد بود زیرا باید مقاومتی در بین دو ورق در موضع جوش وجود داشته باشد تا حرارت لازم ایجاد شود. از طرف دیگر نیروی زیاد باعث اثرگذاری روی سطح ظاهری ورق در موضع جوش و احتمالا تغییر شکل الکترود نیز خواهد شد. نیروی وارده معمولا برای چند سیکل پس از قطع شدن جریان الکتریکی نگاه داشته شده و اندکی نیز افزایش می یابد و سپس رها می شود.

انتخاب الکترود متناسب با ضخامت ورق از طریق منحنی هایی که روابط بین شدت جریان و استحکام جوش نقطه ای را نشان می دهند، انجام می شود. همچنین به کمک روابط ساده ای می توان شدت جریان و زمان موثر برای جوش را تعیین کرد، بعنوان مثال یکی از این روابط تجربی برای فولاد معمولی بصورت زیر است که در آن زمان ۱۰ سیکل (جریان متناوب با فرکانس ۵۰ سیکل در ثانیه) فرض شده است.

d = چگالی جریان الکتریکی (میلی متر مربع/ آمپر)

۷۱۸/۲ = e

۴۸۰ =k  عدد ثابت

t= ضخامت ورق (میلی متر)

D=۱۹۲+ke^-t