Vastushitsaus (RW) kattaa useita fuusiohitsaustekniikoita, joissa koalesenssi saavutetaan lämmön ja paineen yhdistelmällä. Lämpö syntyy hitsattavassa liitoksessa sähköisen vastuksen avulla sähkövirtaa vastaan. Alla olevassa kuvassa on esitetty vastushitsauksen pääelementit ryhmän suosituimmalle menetelmälle, vastuspistehitsaukselle. Komponentit ovat hitsattavat työosat (usein ohutlevyosat), kaksi vastakkaista elektrodia, tapa puristaa osat elektrodien väliin ja vaihtovirtalähde, joka voi syöttää kontrolloitua virtaa. Pistehitsauksessa prosessi luo kahden komponentin väliin sulatetun alueen, jota kutsutaan hitsausnuggetiksi.
Vastushitsaus ei vaadi suojakaasuja, juoksutetta tai lisäainetta kuten kaarihitsaus, ja sähkötehoa kuljettavat elektrodit eivät ole kuluvia. RW luokitellaan fuusiohitsaukseksi, koska vastakkaiset pinnat sulavat käytännössä poikkeuksetta lämmön vaikutuksesta. Tiettyjä poikkeuksia on kuitenkin. Sulamisen estämiseksi tietyt vastuskuumennuspohjaiset hitsaustekniikat käyttävät lämpötiloja, jotka ovat alhaisempia kuin perusmetallien sulamispisteet.
Vastushitsausprosessi sisältää useita keskeisiä muuttujia, kuten elektrodin ominaisuudet, hitsausvirta, elektrodin voima ja virran kesto. Vastushitsaus on tehokas ja nopea hitsausprosessi, koska se vaatii kymmenestä sataan kertaa suuremman virran kuin kaarihitsaus, vaikka todellinen hitsausaika on yleensä alle sekunnin.
Virtalähde ja lämmöntuotanto RW:ssä
Vastushitsauksessa (RW) piirin resistanssi, virran kulku ja virran kohdistamisen kesto vaikuttavat kaikki hitsaukseen tarvittavaan lämpöenergiaan. Seuraava matemaattinen lauseke kuvaa tätä suhdetta:
H = Minä2 Rt
jossa �� on tuotettu lämpö jouleina (muunnettavaksi Btu-yksiköiksi jaa 1055:llä); �� on virta ampeereina; �� on sähkövastus ohmeina; ja �� on aika sekunteina.
Vastushitsausprosesseissa käytetään usein erittäin suuria virtoja (5000–20 000 A) suhteellisen pienillä jännitteillä (yleensä alle 10 V). Useimmissa menetelmissä virran kesto (t) on lyhyt; esimerkiksi tavallisessa pistehitsauksessa se voi kestää 0.1–0.4 sekuntia. Koska vastus RW:ssä on hyvin pieni (noin 0.0001 V) ja yllä olevan yhtälön neliöity osa suurentaa virran vaikutusta, käytetään suurta virtaa. Työkappaleiden, elektrodien, elektrodien ja työkappaleiden välisten kosketusvastusten sekä syöttöpintojen kosketusvastuksen yhdistelmä johtaa hitsauspiirin resistanssiin. Siksi lämpöä syntyy kussakin näistä sähkövastusvyöhykkeistä. Koska hitsauksen ensisijainen kohta on kosketuspinnoilla, on optimaalista, että niillä on suurin summaresistanssi. Metallien, kuten kuparin, käyttö, joilla on erittäin pieni resistiivisyys, vähentää elektrodien resistanssia. Jotta siellä syntyvä lämpö hajaantuisi, elektrodit jäähdytetään usein vedellä. Työkappaleen resistanssit määräytyvät kappaleen paksuuden ja perusmetallien resistiivisyyksien perusteella. Elektrodin koko, muoto ja kosketuspinta-alat sekä pintaolosuhteet (kuten elektrodin hilse ja työpintojen puhtaus) määräävät elektrodien ja kappaleiden väliset kosketusresistanssit.
Viime kädessä pinnan viimeistely, hygieniaolosuhteet, kosketuspinta-ala ja paine vaikuttavat kaikki kosketuspintojen vastukseen. Kosketuspintojen erillään pitämisessä ei tulisi olla epäpuhtauksia, kuten maalia, öljyä tai likaa.
Paine on yhtä tärkeä vastushitsauksen onnistumiselle kuin lämpö. Vastushitsauksessa (RW) paineen päätarkoitus on puristaa vastakkaisia pintoja yhteen, jotta ne yhdistyvät oikean hitsauslämpötilan saavuttamisen jälkeen, ja pakottaa työpintojen ja elektrodien välinen kosketus ennen virran kytkemistä.
Vastushitsauksen edut ja haitat
Vastushitsaus on yleinen vaihtoehto teollisissa sovelluksissa monien etujensa vuoksi. Sen tehokkuus ja nopeus, jotka mahdollistavat suuret tuotantonopeudet, ovat kaksi tärkeintä etua. Prosessissa ei tarvita lisäaineita, ja koska lämpö on paikallista, vierekkäisten komponenttien taipumisen mahdollisuus on pienempi. Vastushitsaus sopii myös erinomaisesti automatisointiin, mikä tekee siitä täydellisen laajamittaiseen valmistukseen. Koska lämpöä voidaan säätää tarkasti, tuloksena olevat hitsit ovat kestäviä, tarkkoja ja täsmällisiä. Tämä lähestymistapa on myös kustannustehokkaampi, koska se vaatii vähemmän viimeistelytyötä ja vähemmän energiaa kuin monet muut, ja se on turvallisempi kuin monet muut, koska se ei tuota höyryjä tai kipinöitä.
Vastushitsauksella on kuitenkin useita haittoja. Joillakin yrityksillä voi olla vaikeaa hankkia tarvittavia laitteita, koska se on usein kallista ja erikoistunutta. Se rajoittaa hitsattavien metallien tyyppejä, koska voidaan työskennellä vain materiaalien kanssa, joilla on suuri sähköinen vastus. Rajoitetun lämmön vuoksi suuria kappaleita on vaikea hitsata, ja komponenttien tarkka kohdistus on välttämätöntä heikkojen liitosten estämiseksi. Lämmön aiheuttama materiaalien epätasainen laajeneminen tai supistuminen voi johtaa muodonmuutoksiin, jotka voivat olla ongelma. Vastushitsaus on edelleen hyödyllinen tekniikka monissa valmistusyhteyksissä näistä vaikeuksista huolimatta.
Tärkeimmät vastushitsausprosessit
Kolme kaupallisesti tärkeää vastushitsausprosessia ovat pistehitsaus (RSW), vastussaumahitsaus (RSEW) ja käsnähitsaus (RPW).
Resistanssipistehitsaus (RSW)
Vastuspistehitsaus (RSW) on luokkansa yleisin menetelmä, ja sitä käytetään laajasti kodinkoneiden, autojen, metallihuonekalujen ja muiden ohutlevytuotteiden massatuotannossa. Vastuspistehitsauksen taloudellinen merkitys käy selväksi, kun otetaan huomioon, että keskimääräisessä auton korissa on noin 10 000 pistehitsausta ja että autojen vuosittainen tuotanto on kymmeniä miljoonia maailmanlaajuisesti.
Vastuspistehitsaus (RSW) on RW-menetelmä, jossa vastakkaiset elektrodit hitsaavat limiliitoksen vastakkaiset pinnat yhdestä kohdasta. Tätä menetelmää käytetään ohutlevykomponentteihin, joiden paksuus on 3 mm (0.125 tuumaa) tai vähemmän, kun ilmatiivistä kokoonpanoa ei tarvita. Komponentit yhdistetään pistehitsaussarjalla. Vaikka pyöreät elektrodit ovat yleisin elektrodin muoto, voidaan käyttää myös neliön, kuusikulman ja muita muotoja. Elektrodin kärki määrää hitsauspisteen koon ja muodon.
Tuloksena olevan hitsausnuggetin halkaisija on yleensä 5–10 mm, ja perusmetallit ovat hieman nuggetin ulkopuolella, missä lämpövaikutusvyöhyke ulottuu. Hitsauksen lujuuden pitäisi olla verrattavissa ympäröivään metalliin, jos se on valmistettu oikein. Seuraava kuva havainnollistaa pistehitsaussyklin vaiheita.
RSW-elektrodien valmistuksessa käytetään kahta pääasiallista materiaaliluokkaa: kuparipohjaisia seoksia ja tulenkestävien metallien, kuten kuparin ja volframin, koostumuksia. Toisen ryhmän parempi kulutuskestävyys on hyvin tunnettu. Pistehitsauksessa, kuten useimmissa tuotantoprosesseissa, työkalut vanhenevat vähitellen käytön myötä. Elektrodit valmistetaan mahdollisuuksien mukaan sisäisillä vesijäähdytyskanavilla. Pistehitsaus voidaan tehdä useilla eri työkaluilla ja tekniikoilla sen laajan teollisen käytön vuoksi. Laite koostuu kannettavista pistehitsauspistooleista sekä puristus- ja keinuviputyyppisistä pistehitsauskoneista. Keinuvipupistehitsauslaitteissa on yläelektrodi, joka on liikuteltava ja jota voidaan nostaa ja laskea lastaus- ja purkutyön helpottamiseksi. Alaelektrodi pysyy paikallaan. Yläelektrodi on kiinnitetty keinuvipuun – tästä nimi – jonka liikettä työntekijän jalkapolkimella ohjataan.
Voimaa ja virtaa koko hitsaussyklin ajan voidaan ohjata ohjelmoimalla nykyaikaisissa laitteissa. Pistehitsauslaitteet, joissa on puristimet, on tarkoitettu raskaampiin töihin. Hydraulisella tai pneumaattisella voimalla toimiva pystysuora puristin tuottaa suoraviivaisen liikkeen ylemmälle elektrodille. Puristustoiminnan ansiosta voidaan käyttää suurempia voimia, ja monimutkaisia hitsaussyklejä voidaan tyypillisesti ohjelmoida ohjaimilla. Tehtävä siirretään kahdelle edelliselle konetyypille, jotka molemmat ovat kiinteitä pistehitsauskoneita. Kappaleen siirtäminen ja sijoittaminen kiinteään koneistoon on haastavaa massiivisissa ja raskaita tehtävissä. Kannettavia pistehitsauspistooleja on saatavilla eri kokoisina ja yhdistelminä näihin tilanteisiin sopiviksi. Nämä laitteet muodostavat kaksi vastakkaista elektrodia, jotka on kiinnitetty pihtimekanismiin. Koska jokainen kappale on kevyt, joko teollisuusrobotti tai ihminen voi tarttua siihen ja käyttää sitä. Joustavia sähkökaapeleita ja ilmaletkuja käytetään tykin yhdistämiseen omaan virta- ja ohjauslähteeseen. Tarvittaessa vesiletkua voidaan käyttää myös vesijäähdytykseen elektrodeille. Autonkorien pistehitsaus on yleinen tehtävä liikkuvissa pistehitsauspistooleissa autoteollisuuden kokoonpanotehtaissa. Vaikka ihmiset käyttävät edelleen joitakin näistä pistooleista, teollisuusrobotit ovat nyt ensisijainen teknologiavalinta.
Resistanssisauman hitsaus (RSEW)
Vastussaumahitsaus (RSEW) on tekniikka, jossa tuotetaan päällekkäisiä pistehitsauksia limiliitoksen suuntaisesti käyttämällä pyöriviä pyöriä tikkumaisten elektrodien sijaan, kuten pistehitsauksessa. Tätä menetelmää, joka on esitetty alla olevassa kuvassa, käytetään usein peltisäiliöiden, auton äänenvaimentimien ja bensiinisäiliöiden valmistuksessa, koska se tuottaa ilmatiiviit liitokset. Vaikka pistehitsaus ja RSEW ovat olennaisesti identtisiä, RSEW on monimutkaisempi pyörivien elektrodien ja jatkuvan toiminnan vuoksi.
Jatkuva toiminta RSEW-menetelmässä tarkoittaa, että saumojen on oltava suoraa tai tasaisesti kaarevaa linjaa pitkin, koska terävät kulmat ja epäjatkuvuudet voivat aiheuttaa haasteita. Lisäksi osien vääntyminen on suurempi huolenaihe, mikä edellyttää kiinnittimiä työkappaleiden paikallaan pitämiseksi ja vääristymien minimoimiseksi.
Hitsausvirran kohdistaminen ja elektrodipyörien liike jatkuvassa liikehitsauksessa (RSEW) määräävät hitsausnuggetien välisen etäisyyden. Suosituimmassa tekniikassa, jota kutsutaan jatkuvaksi liikehitsaukseksi, pistehitsausten sopiva etäisyys saavutetaan pulssittamalla virtaa säännöllisesti pyörien pyöriessä vakionopeudella. Päällekkäiset hitsausalueet ovat tyypillisesti tämän kokoonpanon tulos. Toisaalta prosessi, joka tunnetaan valssipistehitsauksena, mahdollistaa rakojen muodostumisen hitsauspisteiden väliin, jos virran taajuutta pienennetään. Vaihtoehtoisesti jatkuva hitsaussauma voidaan saavuttaa pitämällä hitsausvirta vakiona. Alla oleva kuva näyttää nämä vaihtelut.
Toinen RSEW-muunnelma on jaksoittainen liikehitsaus, jossa jokainen pistehitsaus tehdään pysähtymällä elektrodipyörän säännöllisesti. Hitsausalueiden välinen etäisyys määräytyy pyörän liikkeen mukaan pysähdysten välillä, mikä johtaa kuvioihin, jotka muistuttavat yllä olevien kuvien (a) ja (b) kuvioita.
Vaikka puikkomaisten elektrodien sijasta käytetään elektrodilaikkoja, saumahitsauskoneet ovat samanlaisia kuin puristustyyppiset pistehitsauslaitteet. RSEW-menetelmässä sekä työkappale että elektrodilaikat tarvitsevat usein jäähdytystä. Jäähdytyksen aikaansaamiseksi vettä johdetaan yleensä työkappaleen pintojen ylä- ja alapuolelle elektrodilaikkojen läheisyydessä.
Vastusprojektiohitsaus (RPW)
Vastuskäshitsaus (RPW) on vastushitsausprosessi, jossa koalesenssi tapahtuu liitettävien osien pienissä, ennalta määrätyissä kosketuspisteissä. Nämä kosketuspisteet voivat olla ulokkeita, kohokuvioita tai paikallisia liitoskohtia, jotka on rakennettu itse osiin. Esimerkiksi kahta ohutlevykomponenttia yhdistettäessä yläkomponentti voidaan rakentaa upotetuilla reunoilla, jotka tulevat ensimmäisenä kosketuksiin alaosan kanssa, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty. Hitsauksen kustannussäästöt voivat tasapainottaa kohokuviointiprosessia, vaikka sen ulkonäkö lisääkin osan kustannuksia.
Vastuskäshitsausta on saatavilla kahtena muunnelmana, jotka on esitetty alla olevassa kuvassa. Yhdessä muunnelmassa käskkähitsaus voi liittää kiinnittimiä pysyvästi muotoilluilla tai koneistetuilla ulokkeilla levyyn tai levyyn, mikä helpottaa tulevia kokoonpanotoimenpiteitä. Hitsattujen lankatuotteiden, kuten ostoskärryjen, liesigrillien ja verkkoaitojen, valmistuksessa käytetään toista versiota, joka tunnetaan nimellä ristilankahitsaus. Pyöreiden lankojen kosketuspinnat toimivat tässä prosessissa ulokkeina, mikä auttaa paikallistamaan hitsauksessa tarvittavan vastuslämmön.
Muut vastushitsaustoimenpiteet
Aiemmin käsiteltyjen päävastushitsausmenetelmien lisäksi tähän kategoriaan kuuluvat seuraavat vaihtoehtoiset menetelmät, jotka tulisi myös tunnistaa: leimahdushitsaus (FW), iskuhitsaus (UW), iskuhitsaus (PEW) ja suurtaajuusvastushitsaus (HFRW).
Salamahitsaus (FW)
Pikahitsausta (PW) käytetään pääasiassa puskuliitoksiin. Prosessissa hitsattavat pinnat tuodaan lähelle toisiaan ja ne kuumennetaan sähkövirralla sulamispisteeseen. Pinnan kosketusasteesta riippuen tähän prosessiin liittyy valokaaren muodostumista, jota joskus kutsutaan myös vilkkuvaksi hitsaukseksi. PW kuuluu siksi joskus kaarihitsausryhmään. Pinnat pakotetaan yhteen hitsin muodostamiseksi kuumennuksen jälkeen, mikä vaatii usein lisätyöstöä tasaisten liitosmittojen varmistamiseksi. PW:tä käytetään nopeissa ja taloudellisissa prosesseissa, kuten langanpäiden yhdistämisessä langanvetotekniikassa ja teräsnauhojen puskuhitsauksessa valssaamoissa.
Ylläpitohitsaus (UW)
Samoin kuin FW, fuusiohitsaus (UW) yhdistää lämmitys- ja puristusvaiheet yhdeksi prosessisykliksi. Toisin kuin FW, UW lämmittää pelkästään kosketuspintojen sähköisen vastuksen avulla – valokaarta ei lasketa mukaan. Kun lämpötila alittaa sulamispisteen, vastakkaiset pinnat yhdistyvät lisääntyneen paineen alaisena, mikä aiheuttaa materiaalien häiriön kosketusalueella. Vaikka UW:llä on useita yhteisiä sovelluksia FW:n kanssa, kuten lankojen ja putkien liittäminen, se ei ole aivan fuusiohitsaustekniikka kuten jotkut muut mainitut tekniikat.
Iskuhitsaus (PEW)
Samoin kuin FW, iskuhitsaus (PEW) käyttää uskomattoman lyhyitä hitsausjaksoja – yhdestä kymmeneen millisekuntia. Kun sähköenergiaa vapautuu äkillisesti liitettävän pinnan väliin, seurauksena on nopea kuumeneminen. Komponentit hitsataan sitten yhteen iskuvoiman avulla. Elektroniikkasovelluksissa, joissa kompakti koko ja vierekkäiset lämmölle herkät komponentit ovat olennaisia, PEW:n paikallinen lämmitys on täydellinen vaihtoehto.
Korkeataajuinen vastushitsaus (HFRW)
Korkeataajuisessa vastushitsauksessa (HFRW) käytetään korkeataajuista vaihtovirtaa metallipintojen lämmittämiseen ennen kuin hitsaukseen kohdistetaan tyssäysvoima. Tämä tekniikka, joka toimii 10–500 kHz:n taajuuksilla, takaa, että korkeataajuisen virran ihovaikutus keskittää lämmön hitsausliitokseen. Vastaavassa menetelmässä, jota kutsutaan korkeataajuiseksi induktiohitsaukseksi (HFIW), käytetään induktiokelaa virran tuottamiseen suoran sähköisen kosketuksen sijaan. Jatkuviin hitsaustehtäviin, kuten metalliputkien pitkittäissaumojen liittämiseen, HFRW ja HFIW sopivat. Nämä tekniikat ovat hyödyllisiä useissa teollisissa prosesseissa, koska ne pystyvät tuottamaan tasalaatuisia ja korkealaatuisia hitsejä nopeissa valmistustilanteissa.
Viitteet
Groover, MP, 2010. Nykyaikaisen valmistuksen perusteet: materiaalit, prosessit ja järjestelmät. 4. painos. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
