Modstandssvejsning (RW) omfatter en række smeltesvejsningsteknikker, der opnår koalescens gennem en blanding af varme og tryk. Varmen produceres ved samlingen, som skal svejses ved hjælp af elektrisk modstand mod strøm. Hovedelementerne i modstandssvejsning er vist i figuren nedenfor for den mest populære metode i gruppen, en modstandspunktsvejsningsoperation. Komponenterne er de emner, der skal svejses (ofte metalpladedele), to modsatrettede elektroder, en måde at presse delene mellem elektroderne og en vekselstrømskilde, der kan påføre en kontrolleret strøm. Ved punktsvejsning skaber processen en smeltet zone mellem de to komponenter, kendt som en svejseklump.
Modstandssvejsning kræver ikke beskyttelsesgasser, flux eller tilsatsmetal som lysbuesvejsning gør, og elektroderne, der bærer den elektriske strøm, er ikke-forbrugelige. RW kategoriseres som smeltesvejsning, da de smeltende overflader næsten altid smelter, når der påføres varme. Der er dog visse undtagelser. For at forhindre smeltning anvender visse modstandsopvarmningsbaserede svejseteknikker temperaturer lavere end smeltepunkterne for basismetallerne.
Modstandssvejsningsprocessen involverer flere nøglevariabler, såsom elektrodeegenskaber, svejsestrøm, elektrodekraft og strømvarighed. Modstandssvejsning er en effektiv og hurtig svejseproces, da den kræver en strøm, der kan være ti til hundrede gange større end lysbuesvejsning, selvom den faktiske svejsetid normalt er mindre end et sekund.
Strømkilde og varmeproduktion i RW
Ved modstandssvejsning (RW) påvirker kredsløbsmodstanden, strømflowet og strømpåføringens varighed den varmeenergi, der kræves til svejsning. Følgende matematiske udtryk repræsenterer dette forhold:
H = I2 Rt
hvor �� er den genererede varme i joule (for at konvertere til Btu divideres med 1055); �� er strømmen i ampere; �� er den elektriske modstand i ohm; og �� er tiden i sekunder.
Modstandssvejsningsprocesser involverer ofte meget høje strømme (5000 til 20,000 A) med relativt lave spændinger (normalt under 10 V). I de fleste procedurer er strømvarigheden (t) lille; for eksempel kan den i en standard punktsvejsningsoperation vare 0.1 til 0.4 sekunder. Da modstanden i RW er meget lav (omkring 0.0001 V), og den kvadratiske del af ovenstående ligning forstørrer strømmens effekt, anvendes en stor strøm. Kombinationen af modstandene i emnerne, elektroderne, kontaktmodstandene mellem elektroderne og emnerne samt kontaktmodstanden på tilførselsfladerne resulterer i modstand i svejsekredsløbet. Derfor produceres der varme i hver af disse elektriske modstandszoner. Da det foretrukne sted for svejsningen er på tilførselsfladerne, er det optimalt for dem at have den største modstand i summen. Brug af metaller som kobber, der har ekstremt lave resistiviteter, reducerer elektrodernes modstand. For at sprede den varme, der produceres der, afkøles elektroderne ofte med vand. Modstandene i arbejdsdelene bestemmes af delens tykkelse og modstandene i basismetallerne. Elektrodens størrelse, form og kontaktområder samt overfladeforholdene (såsom elektrodens skala og arbejdsfladernes renhed) bestemmer kontaktmodstandene mellem elektroderne og delene.
I sidste ende påvirker overfladefinish, hygiejniske forhold, kontaktareal og tryk modstanden på de berøringsflader. Der bør ikke være urenheder, såsom maling, olie eller snavs, der kan holde kontaktfladerne adskilte.
Tryk er lige så vigtigt for succes med modstandssvejsning som varme. Ved modstandssvejsning er trykkets primære formål at presse de sammenføjende overflader sammen for at opnå koalescens, når den korrekte svejsetemperatur er nået, og at fremtvinge kontakt mellem de to arbejdsflader og elektroderne, før strømmen påføres.
Fordele og ulemper ved modstandssvejsning
Modstandssvejsning er en almindelig mulighed for industrielle anvendelser på grund af dens mange fordele. Dens effektivitet og hastighed, som muliggør store produktionshastigheder, er to hovedfordele. Tilsatsmaterialer er ikke nødvendige til processen, og fordi varmen er lokaliseret, er der mindre chance for, at tilstødende komponenter bøjer. Modstandssvejsning er også fremragende til automatisering, hvilket gør den perfekt til storskalaproduktion. Fordi varmen kan reguleres præcist, er de resulterende svejsninger robuste, præcise og præcise. Denne metode er også mere omkostningseffektiv, fordi den kræver mindre efterbehandling og mindre energi end mange andre, og den er sikrere end mange andre, fordi den ikke udsender dampe eller gnister.
Modstandssvejsning har dog adskillige ulemper. Nogle operationer kan have svært ved at få fat i det nødvendige udstyr, fordi det ofte er dyrt og specialiseret. Det begrænser de typer metaller, der kan svejses, ved kun at arbejde med materialer, der har en høj elektrisk modstand. På grund af den begrænsede varme er store emner vanskelige at svejse, og præcis komponentjustering er afgørende for at forhindre svage samlinger. Varmeinduceret ujævn udvidelse eller sammentrækning af materialer kan føre til forvrængning, hvilket potentielt kan være et problem. Modstandssvejsning er stadig en nyttig teknologi i mange fremstillingssammenhænge, på trods af disse vanskeligheder.
Vigtigste modstandssvejsningsprocesser
De tre vigtigste modstandssvejsningsprocesser af kommerciel betydning er modstandspunktsvejsning (RSW), modstandssømsvejsning (RSEW) og projektionssvejsning (RPW).
Modstandspunktsvejsning (RSW)
Modstandspunktsvejsning (RSW) er den mest almindelige metode i sin klasse og anvendes i vid udstrækning i masseproduktion af apparater, biler, metalmøbler og andre metalpladeprodukter. Den økonomiske betydning af modstandspunktsvejsning bliver tydelig, når man tager i betragtning, at et gennemsnitligt bilkarrosseri har cirka 10,000 punktsvejsninger, og at den årlige produktion af biler når op på titusindvis af millioner på verdensplan.
Modstandspunktsvejsning (RSW) er en metode til RW, hvor modstående elektroder smelter de sammenføjende overflader af en overlapningsforbindelse sammen på ét sted. Denne metode anvendes på metalpladekomponenter, der har en tykkelse på 3 mm (0.125 tommer) eller mindre, når en lufttæt samling ikke er nødvendig. En række punktsvejsninger bruges til at forbinde komponenterne. Selvom runde elektroder er den hyppigste elektrodeform, kan firkantede, sekskantede og andre former også anvendes, hvor elektrodespidsen bestemmer størrelsen og formen af svejsepunktet.
Den resulterende svejseklump er normalt mellem 5 og 10 mm (0.2 og 0.4 tommer) i diameter, og basismetallerne er lidt uden for klumpen, hvor den varmepåvirkede zone strækker sig. Svejsningens styrke bør være sammenlignelig med det omgivende metal, hvis den fremstilles korrekt. Følgende figur illustrerer de trin, der er involveret i en punktsvejsecyklus.
To primære kategorier af materialer anvendes til at fremstille RSW-elektroder: legeringer baseret på kobber og sammensætninger af ildfaste metaller, som kobber og wolfram. Den anden gruppes større slidstyrke er velkendt. Ved punktsvejsning, som i de fleste produktionsprocesser, ældes værktøjet gradvist med brug. Elektroderne er lavet med interne vandkølende passager, hvis det er muligt. Punktsvejsning kan udføres med en række forskellige værktøjer og teknikker på grund af dens omfattende industrielle anvendelse. Apparatet består af bærbare punktsvejsepistoler samt punktsvejsemaskiner i presse- og vippearmsstil. Punktsvejserne med vippearm har en øvre elektrode, der er bevægelig og kan løftes og sænkes for at lette på- og aflæsningsarbejdet. Den nedre elektrode forbliver stationær. Den øvre elektrode er fastgjort til en vippearm - deraf navnet - hvis bevægelse styres af arbejderens fodpedal.
Kraft og strøm gennem hele svejsecyklussen kan styres ved programmering i moderne udstyr. Punktsvejsere med presser er beregnet til tungere opgaver. En lodret presse, der drives af hydraulisk eller pneumatisk kraft, producerer en ligelinjet bevægelse for den øvre elektrode. Større kræfter kan bruges takket være pressefunktionen, og komplicerede svejsecyklusser kan typisk programmeres ved hjælp af styringen. Opgaven overføres til de to foregående maskintyper, som begge er stationære punktsvejsere. Det er udfordrende at overføre og placere emnet i stationære maskiner til massive, tunge opgaver. Bærbare punktsvejsepistoler findes i en række størrelser og kombinationer, der passer til disse situationer. To modstående elektroder, der holdes i en tangmekanisme, udgør disse enheder. Fordi hver genstand er let, kan enten en industrirobot eller en menneskelig arbejder gribe fat i og betjene den. Fleksible elektriske kabler og luftslanger bruges til at forbinde kanonen til dens egen strøm- og styrekilde. Om nødvendigt kan en vandslange også bruges til at levere vandkøling til elektroderne. Punktsvejsning af bilkarosserier er en almindelig opgave for mobile punktsvejsepistoler i bilmonteringsfabrikker. Selvom mennesker stadig betjener nogle af disse pistoler, er industrirobotter nu den foretrukne teknologi.
Modstandssømsvejsning (RSEW)
Resistance Seam Welding (RSEW) er en teknik, der producerer en sekvens af overlappende punktsvejsninger langs en overlapningssamling ved at anvende roterende hjul i stedet for stavformede elektroder som ved punktsvejsning. Denne procedure, som er vist i figuren nedenfor, anvendes ofte i produktionen af metalbeholdere, bildæmpere og benzintanke, fordi den producerer lufttætte samlinger. Selvom punktsvejsning og RSEW i det væsentlige er identiske, involverer RSEW yderligere kompleksitet på grund af hjulelektroderne og det kontinuerlige aspekt af operationen.
Den kontinuerlige drift i RSEW betyder, at samlingerne skal være langs en lige eller ensartet buet linje, da skarpe hjørner og diskontinuiteter kan være udfordringer. Derudover er vridning af delene en større bekymring, hvilket nødvendiggør fiksturer til at holde emnerne på plads og minimere forvrængning.
Anvendelsen af svejsestrømmen og bevægelsen af elektrodehjulene i RSEW bestemmer afstanden mellem svejseklumperne. I den mest populære teknik, kaldet kontinuerlig bevægelsessvejsning, opnås den passende afstand mellem punktsvejsninger ved periodisk at pulsere strømmen, mens hjulene roterer med en konstant hastighed. Overlappende svejseområder er typisk resultatet af denne konfiguration. På den anden side tillader en proces kendt som valsepunktsvejsning, at der opstår mellemrum mellem svejsepunkterne, hvis strømfrekvensen sænkes. Alternativt kan en kontinuerlig svejsesøm opnås ved at opretholde en konstant svejsestrøm. Figuren nedenfor viser disse variationer.
En anden RSEW-variation er intermitterende bevægelsessvejsning, hvor hver punktsvejsning produceres ved at elektrodehjulet stopper regelmæssigt. Afstanden mellem svejseområderne bestemmes af hjulets bevægelse mellem stoppene, hvilket resulterer i mønstre, der ligner dem i figur (a) og (b) ovenfor.
Mens elektrodehjul bruges i stedet for stavformede elektroder, ligner sømsvejsemaskiner punktsvejsemaskiner af pressetypen. Under RSEW er køling ofte nødvendig for emnet såvel som elektrodehjulene. Vand ledes normalt på over- og undersiden af emneoverfladerne i nærheden af elektrodehjulene for at opnå denne afkøling.
Modstandsprojektionssvejsning (RPW)
Modstandsprojektionssvejsning (RPW) er en modstandssvejsningsproces, hvor koalescens forekommer ved små, forudbestemte kontaktpunkter på de dele, der skal sammenføjes. Disse kontaktpunkter kan være fremspring, prægninger eller lokaliserede samlinger, der er indbygget i selve delene. For eksempel, når to metalpladekomponenter sammenføjes, kan den øverste komponent konstrueres med forsænkede kanter, der kommer i første kontakt med den nederste komponent, som vist i figuren nedenfor. Omkostningsbesparelserne ved svejsning kan afbalancere prægeproceduren, på trods af at det ser ud til at øge delens omkostninger.
Modstandsprojektionssvejsning findes i to varianter, som er vist i figuren nedenfor. En variant gør det muligt for RPW permanent at forbinde fastgørelseselementer med formede eller maskinbearbejdede fremspring til en plade, hvilket gør fremtidige monteringsprocedurer lettere. Til fremstilling af svejsede trådgenstande som indkøbsvogne, komfurriste og trådhegn anvendes en anden version kendt som krydstrådssvejsning. De runde trådes berøringsflader fungerer som fremspring i denne proces og hjælper med at lokalisere den modstandsvarme, der er nødvendig til svejsning.
Andre modstandssvejseoperationer
Ud over de primære modstandssvejsningsprocedurer, der tidligere er blevet dækket, falder følgende alternative metoder ind under denne kategori og bør også anerkendes: flashsvejsning (FW), stuksvejsning (UW), slagsvejsning (PEW) og højfrekvent modstandssvejsning (HFRW).
Flash-svejsning (FW)
Flashsvejsning (FW) anvendes overvejende til stumpsamlinger. Processen indebærer at bringe de overflader, der skal svejses, tæt sammen og opvarme dem til smeltepunktet ved hjælp af elektrisk strøm. Afhængigt af graden af overfladekontakt involverer denne proces lysbuedannelse, undertiden benævnt flashing. FW er derfor lejlighedsvis inkluderet i buesvejsningsgruppen. Overfladerne tvinges sammen for at producere svejsningen efter opvarmning, hvilket ofte kræver yderligere bearbejdning for at garantere ensartede samlingsdimensioner. FW anvendes i højhastigheds-, økonomiske processer, herunder tilslutning af trådender i trådtrækning og stumpsvejsning af stålbånd i valseværker.
Stiksvejsning (UW)
I lighed med FW kombinerer stuksvejsning (UW) opvarmnings- og pressefaserne i en enkelt procescyklus. I modsætning til FW opvarmes UW udelukkende ved hjælp af elektrisk modstand ved kontaktfladerne – buedannelse er ikke inkluderet. Når temperaturen når under smeltepunktet, smelter de sammenføjende overflader sammen under øget tryk, hvilket får materialerne i kontaktområdet til at forstyrres. Selvom UW deler flere anvendelser med FW, såsom sammenføjning af tråd, rør og slanger, er det ikke ligefrem en smeltesvejseteknik som nogle af de andre nævnte.
Slagsvejsning (PEW)
Ligesom FW bruger perkussionssvejsning (PEW) utroligt korte svejsecyklusser – mellem et og ti millisekunder – i sin operation. Når elektrisk energi pludselig frigives mellem overflader, der skal samles, opstår der hurtig opvarmning. Komponenterne smeltes derefter sammen ved at anvende en perkussionskraft. Til elektroniske applikationer, hvor kompakt størrelse og tilstødende komponenter, der er følsomme over for varme, er afgørende, er PEW's lokaliserede opvarmning perfekt.
Højfrekvent modstandssvejsning (HFRW)
Højfrekvent vekselstrøm anvendes i højfrekvent modstandssvejsning (HFRW) til at opvarme metaloverfladerne, før en stukkraft påføres for at afslutte svejsningen. Denne teknik, der fungerer ved frekvenser fra 10 til 500 kHz, garanterer, at den højfrekvente strøms hudeffekt koncentrerer varmen ved svejsefugen. I en sammenlignelig procedure kaldet højfrekvent induktionssvejsning (HFIW) bruges en induktionsspole til at skabe strøm i stedet for at skabe direkte elektrisk kontakt. Til kontinuerlige svejseopgaver, som f.eks. at samle de langsgående samlinger af metalrør, er HFRW og HFIW egnede. Disse teknikker er nyttige til en række industrielle processer på grund af deres evne til at producere ensartede svejsninger af høj kvalitet i højhastighedsproduktionssituationer.
Referencer
Groover, MP, 2010. Grundlæggende principper for moderne fremstilling: Materialer, processer og systemer. 4. udg. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
