Otporno zavarivanje (RW) obuhvaća niz tehnika taljenja koje postižu koalescenciju kombinacijom topline i tlaka. Toplina se proizvodi na spoju koji se mora zavariti električnim otporom protoku struje. Glavni elementi otpornog zavarivanja prikazani su na donjoj slici za najpopularniju metodu u skupini, operaciju otpornog točkastog zavarivanja. Komponente su dijelovi koji se zavaruju (često limeni dijelovi), dvije suprotne elektrode, način pritiskanja dijelova između elektroda i izvor izmjenične struje koji može primijeniti kontroliranu struju. Kod točkastog zavarivanja, proces stvara zonu spajanja između dvije komponente poznatu kao zavareni grudnjak.
Otporno zavarivanje ne zahtijeva zaštitne plinove, fluks ili dodatni metal kao što to zahtijeva elektrolučno zavarivanje, a elektrode koje prenose električnu energiju nisu potrošne. RW se kategorizira kao taljenje jer se kontaktne površine gotovo uvijek tope kada se primijeni toplina. Međutim, postoje određene iznimke. Kako bi se spriječilo taljenje, određene tehnike zavarivanja temeljene na otpornom zagrijavanju koriste temperature niže od tališta osnovnih metala.
Proces otpornog zavarivanja uključuje nekoliko ključnih varijabli, kao što su svojstva elektrode, struja zavarivanja, sila elektrode i trajanje struje. Otporno zavarivanje je učinkovit i brz proces zavarivanja jer zahtijeva struju koja može biti deset do sto puta veća od struje elektrolučnog zavarivanja, iako je stvarno vrijeme zavarivanja obično kraće od sekunde.
Izvor energije i proizvodnja topline u RW
Kod otpornog zavarivanja (RW), otpor strujnog kruga, protok struje i duljina primjene struje utječu na toplinsku energiju potrebnu za zavarivanje. Sljedeći matematički izraz predstavlja taj odnos:
H = I2 Rt
gdje je �� generirana toplina u džulima (za pretvorbu u Btu, podijeliti s 1055); �� je struja u amperima; �� je električni otpor u omima; i �� je vrijeme u sekundama.
Postupci otpornog zavarivanja često uključuju vrlo visoke struje (5000 do 20 000 A) s relativno niskim naponima (obično ispod 10 V). U većini postupaka trajanje struje (t) je malo; na primjer, kod standardnog točkastog zavarivanja može trajati 0.1 do 0.4 sekunde. Budući da je otpor u RW vrlo nizak (oko 0.0001 V), a kvadratni dio u gornjoj jednadžbi povećava učinak struje, koristi se velika struja. Kombinacija otpora obradaka, elektroda, kontaktnih otpora između elektroda i obradaka te kontaktnog otpora površina za napajanje rezultira otporom u krugu zavarivanja. Stoga se toplina proizvodi u svakoj od ovih zona električnog otpora. Budući da je preferirano mjesto zavara na spojnim površinama, optimalno je da one imaju najveći otpor u zbroju. Korištenje metala poput bakra, koji imaju izuzetno niske otpore, smanjuje otpor elektroda. Kako bi se raspršila toplina koja se tamo proizvodi, elektrode se često hlade vodom. Otpori obratka određeni su debljinom obratka i otporima osnovnih metala. Veličina, oblik i kontaktne površine elektrode, kao i površinski uvjeti (kao što su otvrdnuće elektrode i čistoća radnih površina), određuju kontaktne otpore između elektroda i obratka.
U konačnici, završna obrada površine, higijenski uvjeti, kontaktna površina i tlak utječu na otpor na dodirnim površinama. Ne bi smjelo biti nečistoća koje bi razdvajale kontaktne površine, poput boje, ulja ili prljavštine.
Tlak je jednako važan za uspjeh otpornog zavarivanja kao i toplina. Kod otpornog zavarivanja (RW), glavna svrha tlaka je pritisnuti spojne površine kako bi se postiglo spajanje nakon što se postigne ispravna temperatura zavarivanja i prisiliti kontakt između dvije radne površine i elektroda prije primjene struje.
Prednosti i nedostaci otpornog zavarivanja
Otporno zavarivanje uobičajena je opcija za industrijske primjene zbog svojih brojnih prednosti. Njegova učinkovitost i brzina, koje omogućuju velike stope proizvodnje, dvije su glavne prednosti. Dodatni metali nisu potrebni za proces, a budući da je toplina lokalizirana, manja je vjerojatnost savijanja susjednih komponenti. Otporno zavarivanje također je izvrsno za automatizaciju, što ga čini savršenim za proizvodnju velikih razmjera. Budući da se toplina može precizno regulirati, dobiveni zavari su robusni, točni i precizni. Ovaj pristup je također isplativiji jer zahtijeva manje završnih radova i manje energije od mnogih drugih, a sigurniji je od mnogih drugih jer ne emitira isparenja ni iskre.
Međutim, otporno zavarivanje ima nekoliko nedostataka. Nekim operacijama može biti teško nabaviti potrebnu opremu jer je često skupo i specijalizirano. Ograničava vrste metala koji se mogu zavarivati radom samo s materijalima koji imaju visoki električni otpor. Zbog ograničene topline, velike komade je teško zavariti, a točno poravnanje komponenti je ključno za sprječavanje slabih spojeva. Neravnomjerno širenje ili skupljanje materijala uzrokovano toplinom može dovesti do izobličenja, što potencijalno može biti problem. Otporno zavarivanje je i dalje korisna tehnologija u mnogim proizvodnim kontekstima, unatoč tim poteškoćama.
Glavni postupci otpornog zavarivanja
Tri glavna postupka otpornog zavarivanja od komercijalne važnosti su točkasto otporno zavarivanje (RSW), otporno šavno zavarivanje (RSEW) i projektorno zavarivanje (RPW).
Otporno točkasto zavarivanje (RSW)
Točkasto zavarivanje otporom (RSW) najčešća je metoda u svojoj klasi i široko se koristi u masovnoj proizvodnji uređaja, automobila, metalnog namještaja i drugih proizvoda od lima. Ekonomski značaj točkastog zavarivanja otporom postaje jasan kada se uzme u obzir da prosječna karoserija automobila ima otprilike 10 000 točkastih zavara i da godišnja proizvodnja automobila doseže desetke milijuna diljem svijeta.
Točkasto zavarivanje otporom (RSW) je metoda RW u kojoj suprotne elektrode spajaju spojne površine preklopljenog spoja na jednom mjestu. Ova se metoda primjenjuje na limene komponente debljine 3 mm (0.125 in) ili manje kada nije potreban hermetički spoj. Za spajanje komponenti koristi se niz točkastih zavara. Iako su okrugle elektrode najčešći oblik elektrode, mogu se koristiti i kvadratni, šesterokutni i drugi oblici, no vrh elektrode određuje veličinu i oblik mjesta zavara.
Rezultirajući zavareni grumen obično je promjera između 5 i 10 mm (0.2 i 0.4 inča), a osnovni metali nalaze se malo izvan grumenčića gdje se proteže zona utjecaja topline. Čvrstoća zavara trebala bi biti usporediva s okolnim metalom ako je pravilno izveden. Sljedeća slika prikazuje korake uključene u ciklus točkastog zavarivanja.
Za izradu RSW elektroda koriste se dvije glavne kategorije materijala: legure na bazi bakra i sastavi vatrostalnih metala, poput bakra i volframa. Veća otpornost na habanje druge skupine dobro je poznata. Kod točkastog zavarivanja, kao i u većini proizvodnih procesa, alati postupno stariju s upotrebom. Elektrode se izrađuju s unutarnjim prolazima za hlađenje vodom, ako je moguće. Točkasto zavarivanje može se obaviti raznim alatima i tehnikama zbog svoje široke industrijske upotrebe. Aparat se sastoji od prijenosnih pištolja za točkasto zavarivanje, kao i strojeva za točkasto zavarivanje s prešom i klackalicom. Aparati za točkasto zavarivanje s klackalicom uključuju gornju elektrodu koja je pomična i može se podizati i spuštati radi lakšeg utovara i istovara. Donja elektroda ostaje nepomična. Gornja elektroda je pričvršćena na klackalicu - otuda i naziv - čijim se kretanjem upravlja nožnom papučicom radnika.
Sila i struja tijekom ciklusa zavarivanja mogu se kontrolirati programiranjem u modernoj opremi. Točkasti zavarivači s prešama namijenjeni su za teže poslove. Vertikalna preša pogonjena hidrauličkom ili pneumatskom snagom proizvodi pravolinijsko kretanje gornje elektrode. Veće sile mogu se koristiti zahvaljujući djelovanju preše, a komplicirani ciklusi zavarivanja obično se mogu programirati pomoću kontrola. Zadatak se prenosi na prethodna dva tipa strojeva, koji su oba stacionarni točkasti zavarivači. Izazovno je prenijeti i pozicionirati dio u stacionarne strojeve za masivne, teške zadatke. Prijenosni pištolji za točkasto zavarivanje dolaze u različitim veličinama i kombinacijama kako bi odgovarali tim situacijama. Dvije suprotne elektrode držane unutar mehanizma kliješta čine ove uređaje. Budući da je svaki predmet lagan, industrijski robot ili ljudski radnik mogu ga uhvatiti i upravljati. Fleksibilni električni kabeli i crijeva za zrak koriste se za povezivanje topa s vlastitim izvorom napajanja i upravljanja. Ako je potrebno, crijevo za vodu može se koristiti i za opskrbu vodom za hlađenje elektroda. Točkasto zavarivanje karoserija automobila uobičajen je zadatak za mobilne pištolje za točkasto zavarivanje u tvornicama za montažu automobila. Iako ljudi još uvijek upravljaju nekim od ovih pištolja, industrijski roboti sada su tehnologija izbora.
Otporno zavarivanje (RSEW)
Zavarivanje otpornim šavom (RSEW) je tehnika koja proizvodi niz preklapajućih točkastih zavara duž preklopnog spoja korištenjem rotirajućih kotača umjesto elektroda u obliku štapa kao kod točkastog zavarivanja. Ovaj postupak, koji je prikazan na slici ispod, često se koristi u proizvodnji spremnika od lima, prigušivača automobila i spremnika za benzin jer stvara hermetičke spojeve. Iako su točkasto zavarivanje i RSEW u biti identični, RSEW uključuje dodatnu složenost zbog kotača elektroda i kontinuiranog aspekta operacije.
Kontinuirani rad u RSEW-u znači da šavovi moraju biti duž ravne ili jednoliko zakrivljene linije, jer oštri kutovi i diskontinuiteti mogu predstavljati izazove. Osim toga, savijanje dijelova je veći problem, što zahtijeva pričvršćivače za držanje obratka na mjestu i minimiziranje izobličenja.
Primjena struje zavarivanja i kretanje elektrodnih kotača u RSEW-u određuju udaljenost između zavarenih zrnaca. U najpopularnijoj tehnici, nazvanoj zavarivanje kontinuiranim gibanjem, odgovarajući razmak između točkastih zavara postiže se periodičnim pulsiranjem struje dok se kotači okreću konstantnom brzinom. Preklapajuća područja zavara obično su rezultat ove konfiguracije. S druge strane, proces poznat kao točkasto zavarivanje valjcima omogućuje pojavu praznina između zavarenih mjesta ako se smanji frekvencija struje. Alternativno, kontinuirani zavar može se postići održavanjem konstantne struje zavarivanja. Donja slika prikazuje te varijacije.
Druga varijacija RSEW-a je zavarivanje s prekidima, kod kojeg se svaki točkasti zavar proizvodi redovitim zaustavljanjem elektrodnog kotača. Razmak između područja zavara određen je kretanjem kotača između zaustavljanja, što rezultira uzorcima sličnim onima na slikama (a) i (b) gore.
Dok se elektrode u obliku štapa koriste umjesto elektroda u obliku štapa, strojevi za šavno zavarivanje slični su točkastim zavarivačima s prešom. Tijekom RSEW-a često je potrebno hlađenje obratka, kao i elektroda. Voda se obično usmjerava na gornju i donju stranu površina obratka u blizini elektroda kako bi se postiglo to hlađenje.
Otporno projektijsko zavarivanje (RPW)
Zavarivanje otporom s projekcijom (RPW) je postupak zavarivanja otporom gdje se spajanje događa na malim, unaprijed određenim kontaktnim točkama na dijelovima koji se spajaju. Te kontaktne točke mogu biti izbočine, udubljenja ili lokalizirani spojevi koji su ugrađeni u same dijelove. Na primjer, prilikom spajanja dvaju limenih komponenti, gornja komponenta može biti konstruirana s udubljenim rubovima koji prvi dolaze u kontakt s donjom komponentom, kao što je prikazano na slici ispod. Smanjenje troškova zavarivanjem može uravnotežiti postupak utiskivanja, unatoč tome što naizgled povećava cijenu dijela.
Otporno zavarivanje s izbočinama dolazi u dvije varijacije, koje su prikazane na donjoj slici. Jedna varijacija omogućuje RPW-u trajno povezivanje pričvršćivača s oblikovanim ili strojno obrađenim izbočinama na lim ili ploču, što olakšava buduće postupke montaže. Za izradu zavarenih žičanih predmeta poput kolica za kupovinu, roštilja i žičanih ograda koristi se druga verzija poznata kao križno zavarivanje. Površine okruglih žica koje se dodiruju djeluju kao izbočine u ovom procesu, pomažući u lokaliziranju topline otpora potrebne za zavarivanje.
Ostale operacije otpornog zavarivanja
Uz glavne postupke otpornog zavarivanja koji su prethodno obrađeni, sljedeće alternativne metode spadaju u ovu kategoriju i treba ih također spomenuti: zavarivanje plamenom (FW), zavarivanje uzastopnim zavarivanjem (UW), udarno zavarivanje (PEW) i visokofrekventno otporno zavarivanje (HFRW).
Zavarivanje bljeskalicom (FW)
Zavarivanje bljeskanjem (FW) se pretežno koristi za sučeone spojeve. Postupak uključuje približavanje površina koje treba zavariti i zagrijavanje do točke taljenja pomoću električne struje. Ovisno o stupnju kontakta s površinom, ovaj postupak uključuje elektrolučno zavarivanje, ponekad nazivano bljeskanjem. FW se stoga povremeno ubraja u skupinu elektrolučnog zavarivanja. Površine se nakon zagrijavanja prisiljavaju jedna drugoj kako bi se stvorio zavar, što često zahtijeva dodatnu obradu kako bi se jamčile konzistentne dimenzije spoja. FW se koristi u brzim, ekonomičnim procesima, uključujući spajanje krajeva žice pri izvlačenju žice i sučeono zavarivanje čeličnih traka u valjaonicama.
Zavarivanje uzastopnim zavarivanjem (UW)
Slično FW-u, zavarivanje uzastopnim zavarivanjem (UW) kombinira faze zagrijavanja i prešanja u jedan procesni ciklus. Za razliku od FW-a, UW zagrijava samo električnim otporom na kontaktnim površinama - luk nije uključen. Nakon postizanja temperature ispod točke taljenja, kontaktne površine se spajaju pod povećanim tlakom, što uzrokuje poremećaj materijala u kontaktnom području. Iako UW dijeli nekoliko primjena s FW-om, kao što je spajanje žice, cijevi i tuba, to nije baš tehnika zavarivanja taljenjem kao neke druge spomenute.
Udarno zavarivanje (PEW)
Slično FW-u, udarno zavarivanje (PEW) koristi nevjerojatno kratke cikluse zavarivanja - između jedne i deset milisekundi. Kada se električna energija naglo oslobodi između površina koje treba spojiti, dolazi do brzog zagrijavanja. Komponente se zatim spajaju primjenom udarne sile. Za elektroničke primjene gdje su kompaktna veličina i susjedne komponente osjetljive na toplinu bitne, PEW-ovo lokalizirano zagrijavanje je savršeno.
Visokofrekventno otporno zavarivanje (HFRW)
Visokofrekventna izmjenična struja koristi se u visokofrekventnom otpornom zavarivanju (HFRW) za zagrijavanje metalnih površina prije primjene sile pritiska za završetak zavara. Ova tehnika, koja radi na frekvencijama u rasponu od 10 do 500 kHz, jamči da skin efekt visokofrekventne struje koncentrira toplinu na zavarenom spoju. U usporedivom postupku koji se naziva visokofrekventno indukcijsko zavarivanje (HFIW), indukcijska zavojnica koristi se za stvaranje struje umjesto izravnog električnog kontakta. Za kontinuirane zadatke zavarivanja, poput spajanja uzdužnih šavova metalnih cijevi, HFRW i HFIW su prikladni. Ove tehnike su korisne za razne industrijske procese zbog svoje sposobnosti da proizvedu konzistentne, visokokvalitetne zavare u brzim proizvodnim situacijama.
Reference
Groover, MP, 2010. Osnove moderne proizvodnje: Materijali, procesi i sustavi. 4. izd. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
