اصول کلی جوشکاری مقاومتی
۱-۱-تعریف فرآیند جوشکاری مقاومتی
در روش های جوشکاری مقاومتی، اتصال دو سطح توسط حرارت و فشار تواما انجام می گیرد. فلزات به دلیل مقاومت الکتریکی در اثر عبور جریان الکتریکی گرم شده و حتی به حالت ذوب نیز می رسند که طبق قانون ژول، حرارت حاصل با رابطه زیر تعیین می شود:
Q=KRI²t
Q: حرارت (ژول)
K: ضریب ثابت معادل ۱
R: مقاومت (اهم)
I: شدت جریان (آمپر)
t: زمان(ثانیه)
به عبارت دیگر در فرآیندهای قوس الکتریکی، حرارت بر روی کار به وسیله هدایت و تشعشع توزیع می شود اما در فرآیندهای جوشکاری مقاومتی، حرارت در عرض داخلی و سطح مشترک دو ورق در موضع اتصال در اثر عبور جریان الکتریکی تولید و منتشر می شود. جریان الکتریکی مذکور از طریق الکترودها و تماس آنها به سطح کار منتقل و یا از طریق ایجاد حوزه مغناطیسی احاطه شده در اطراف کار به قطعه القاء می شود. هر چند هر دو روش بر اساس حرارت مقاومتی پایه گذاری شده اند، اما معمولا نوع اول به فرآیند جوشکاری مقاومتی و نوع دوم فرآیند جوشکاری القائی مرسوم شده است.
فاکتورهای شدت جریان و زمان از طریق دستگاه جوش قابل کنترل هستند، اما مقاومت الکتریکی به عوامل مختلف از جمله:
- جنس و ضخامت قطعه کار
- فشار بین الکترودها
- اندازه، شکل و جنس الکترودها
- چگونگی سطح کار یعنی صافی و تمیزی آن بستگی دارد.
انواع مختلف روش های جوشکاری مقاومتی، به روش ایجاد مقاومت موضعی بالا و تمرکز حرارت در نقطه مورد نظر ارتباط دارد، ولی به هر حال تماس فیزیکی بین الکترودهای ناقل جریان الکتریکی و قسمت هایی که باید متصل شوند نیز مورد نیاز است.
برای ایجاد مهره جوش، باید درجه حرارت در مواد جوشکاری شونده افزایش یابد. تغییرات درجه حرارت از رابطه زیر حاصل می شود:
T=Q/m.c∆
که در آن :
m = جرم ماده ای که گرم میشود.
c = گرمای ویژه(j/kg.k)
∆T= تغییرات دما
میباشد.
۱-۲- انواع جوشکاری مقاومتی
مطابق شکل انواع فرآیندهای جوشکاری مقاومتی به شرح زیر میباشد :
- جوشکاری نقطه ای
- جوشکاری سربه سر
- جوشکاری نواری یا درزی
- جوشکاری پیش طرحی یا زائده ای
۱-۳- متغیرهای جوشکاری مقاومتی
متغیرهای جوشکاری مقاومتی عبارتند از :
- جریان
- زمان جوشکاری
- نیروی فشاری الکترودها بر قطعه کار
- خصوصیت دستگاه جوشکاری
- نوع و شرایط دستگاه
- شرایط الکترودها و بازوها
- شرایط سطحی مواد
۱-۴- مزایای جوشکاری مقاومتی
مزایای جوشکاری مقاومتی عبارتند از:
- نرخ سریع تولید
- عدم نیاز به فلز پر کننده
- تجهیزات نیمه اتوماتیک
- امکان انجام عملیات جوشکاری با اپراتورهای نیمه ماهر
- جوشکاری فلزات متشابه و غیر متشابه
- کیفیت بالای جوش
- اعوجاج کمتر قطعات جوشکاری شده
۱-۵- معایب جوشکاری مقاومتی
- هزینه بالای تجهیزات
- کنترل و نگهداری تجهیزات توسط افراد ماهر
- آماده سازی سطحی ویژه در بعضی موارد
- عدم امکان جوشکاری مقاطع با ضخامت های بالا
۱-۶- کاربردها
جوشکاری مقاومتی در موارد زیر استفاده می شود:
- اتصال میله ها، لوله ها، ورق ها، تیوپ ها
- ساخت تیوپ ها و ابزار آلات فلزی
- جوشکاری قسمت های مختلف هواپیماها و اتومبیل ها
- ساخت ابزار برش
- ساخت باک سوخت اتومبیل ها و بارکش ها
- ساخت کانتینرها و سیم ها
باتوجه به نکات فوق می توان:
- فولادهای معمولی: فولاد معمولی را میتوان بدون مشکل خاصی، جوش مقاومتی داد.
- فولاد سختی پذیر: چون این نوع فولاد در الکترود سیستم آبگرد وجود دارد، محل جوش و احیانا اطراف آن سریع سرد شده و ترد و شکننده می شود و گاه لازم است عملیات حرارتی آنیل کردن بر روی آن انجام شود.
- فولادهای زنگ نزن: فولادهای فریتی و مارتنزیتی کمتر با این روش جوش داده می شوند. اما فولادهای آستنیتی پایدار و ناپایدار را به راحتی می توان از طریق جوش مقاومتی اتصال داد، به ویژه این که هدایت حرارتی و الکتریکی کمتری نسبت به فولادهای معمولی دارند و سیکل جوش باید در زمان کوتاه تری انجام شود. البته از نظر مقاومت خوردگی محل جوش و اطراف آن مسائل مهمی وجود دارد که هنوز هم تحقیقات زیادی را به خود اختصاص داده است.
- فولادهای پوشش داده شده: فولادهایی هستند که با مواد مختلف و روش های گوناگون پوشش داده می شوند. پوشش قلع، روی و یا رنگ از آن جمله اند. در مورد پوشش انواع رنگ که اغلب هادی جریان الکتریکی نیستند، باید حتما محل جوش از رنگ تمیز شود. اما فولادهای گالوانیزه شده و پوشش قلع نیز غیر قابل جوشکاری مقاومتی هستند، ولی به علت نقطه ذوب پایین این پوشش ها، مقداری از آنها در محل و اطراف موضع جوش از بین می روند و از نظر عمل محافظت ضعیف می شوند و مقداری هم به الکترود می چسبند که در نتیجه در مورد تمیز کردن نوک الکترودها در این مواقع دقت بیشتری لازم است. البته مخلوط شدن این مواد از قبیل قلع و روی به مذاب جوش سبب تردی جوش نیز می شود که در مواقعی که نیاز به استحکام و انعطاف پذیری معینی باشد، باید سطوح تماس دو ورق را تمیز کرد. گاهی لازم شرایط فشار و آمپر نیز تغییر کند.
- فلزات غیرآهنی، آلیاژهای آلومینیوم، آلومینیوم- منیزیم و آلومینیوم – منگنز قابل جوشکاری مقاومتی هستند مشروط بر آنکه سطح اکسیدی محل جوش تمیز شده و ظرفیت دستگاه جوش به اندازه کافی باشد. آلیاژهای آلومینیوم- مس، برنج و برنز برای این نوع جوشکاری مناسب نیستند. مس به علت هدایت الکتریکی و حرارتی بالا، به دستگاه با ظرفیت خیلی بالا و الکترودهای سطح سخت و یا تنگستن نیازمند است و معمولا ورق های ضخامت بالاتر از ۶/۱ میلی متر را با روش های دیگر جوشکاری اتصال می دهند. و آلیاژهای نیکل شبیه فولادهای زنگ نزن هستند.
۱-۷- اصول جوشکاری مقاومتی
دو عامل اصلی و تعیین کننده در جوشکاری مقاومتی عبارتند از:
- تولید گرما در نقطه ای که دو قطعه به هم متصل می شوند.
- به کار بردن فشار در محلی که اتصال جوش شکل می گیرد.
۱-۷-۱- گرما
گرما(H) در جوشکاری مقاومتی در نتیجه عبور کردن یک جریان الکتریکی زیاد (KA100-3) و ولتاژ(۲۵Volt)، از میان دو قطعه که با هم در تماس هستند، مطابق فرمول:
H=KRI²t
ایجاد می شود(شکل ۲ تغییرات درجه حرارت و مقاومت را در قسمت های مختلف یک جوش مقاومتی نشان می دهد).
در فرمول بالا :
H: گرمای تولید شده بر حسب ژول
t: مدت زمان کسری(از ثانیه تا چند ثانیه) عبور جریان از قطعات
I: جریان
R: مقاومت بر حسب اهم
۱-۷-۲- جریان
در جوشکاری مقاومتی جریان جوشکاری کافی جهت گرم کردن قطعات و رسیدن به حالت پلاستیک لازم است. معمولا جریان از یک ترانسفورماتور Step-down بدست می آید. از آن جایی که دانستیه جریان افزایش می یابد، زمان جوشکاری می تواند به طور موثری، بدون اینکه سطوح تماس الکترود از بیش گرم شوند، کاهش یابد. هنگامی که جریان جوشکاری افزایش می یابد، در مهره جوش نیروی شکست اتصال جوشکاری شده افزایش می یابد.
۱-۷-۳- مقاومت (R)
مقاومت کلی سیستم بین الکترودها متشکل از:
- مقاومت قطعه کار R۱
- مقاومت اتصال بین الکترودها و قطعه کار R۲
- مقاومت بین سطوح دو قطعه فلز که باید به هم جوشکاری شوند R۳
R۱بستگی به طبیعت ذاتی ماده و ضخامت آن دارد، به عبارت دیگر غیر قابل تغییر است. اگر ماده مقاومت الکتریکی پایینی داشته باشد، مانند آلومینیوم، می توان از جریان بالایی جهت ایجاد جوش و درجه حرارت مناسب برای جوشکاری استفاده کرد.
R۲ مقاومت تماس بین الکترود و قطعه کار است که در حالات زیر می توان حداقل باشد:
الف: تمیز نگهداشتن نوک یا سطح الکترود و سطح قطعه کار
ب: استفاده از الکترودهای جوشکاری با مواد با هدایت بالا، مانند آلیاژهای Cu-Cd یا Cr-Cu
ج: کنترل شکل و اندازه سطح الکترودها
د: استفاده از فشار بین الکترودها و قطعه کار
R۳ مقاومت بین سطوح دو قطعه که با کیفیت سطح تغییر می کند. سطوحی که تمیز نشده اند و دارای آلودگی هستند، مقاومت زیادی را در برابر عبور جریان ایجاد می کنند. سطوح صاف و براق و فشار الکترود بالا، مقاومت R۳ را کاهش می دهند. از گرم شدن بیش از حد الکترودها با استفاده از سیستم آبگرد می توان جلوگیری کرد.
۱-۷-۴- زمان (t)
چهار دوره زمانی در دستگاه جوشکاری مقاومتی در طی سیکل جوشکاری عبارتند از:
- مدت زمان برقراری فشار
- زمان جوشکاری
- زمان نگهداری
- زمان خاموشی
- مدت زمان برقراری فشار: فاصله زمانی ایجاد فشار اولیه الکترود روی قطعه کار و ایجاد جریان اولیه جهت جوشکاری در طی این دوره زمانی الکترود بالایی در تماس با قطعه کار قرار می گیرد و نیروی فشاری الکترود اعمال می شود. در پایان این زمان، جریان جوشکاری برقرار می گردد.
- زمان جوشکاری: در طی این دوره زمانی، جریان جوشکاری در مدار برقرار می شود. جریان از الکترود عبور کرده، وارد دو قطعه کار می شود و از آن عبور کرده و در نهایت از الکترود دوم خارج می گردد.
- زمان نگهداری: زمانی است که نیرو به محل جوشکاری بعد از قطع جریان همچنان اعمال می شود.
- زمان خاموشی: فاصله زمانی از خاتمه زمان نگهداری تا شروع دوره زمانی برای سیکل بعدی جوشکاری است.
در دستگاه جوش مقاومتی اتوماتیک تمامی این دوره های زمانی بصورت خودکار کنترل می شود در حالی که در دستگاه های غیر اتوماتیک تنها زمان جوشکاری به صورت اتوماتیک کنترل می شود و دوره های زمانی دیگر بوسیله اپراتور تنظیم می گردد. زمان جوشکاری بوسیله استفاده از یک زمان سنج الکترونیکی مناسب کنترل می شود.
منبع : مجموعه ۱ : فرآیند ها و تجهیزات جوشکاری مقاومتی مرکز پژوهشی و مهندسی جوش ایران