La saldatura a resistenza (RW) comprende una gamma di tecniche di saldatura per fusione che raggiungono la coalescenza attraverso una miscela di calore e pressione. Il calore viene prodotto in corrispondenza della giunzione che deve essere saldata tramite resistenza elettrica al flusso di corrente. Gli elementi principali della saldatura a resistenza sono visualizzati nella figura seguente per il metodo più popolare del gruppo, un'operazione di saldatura a punti a resistenza. I componenti sono le parti da saldare (spesso parti in lamiera), due elettrodi opposti, un modo per premere le parti tra gli elettrodi e una fonte di alimentazione CA in grado di applicare una corrente controllata. Nella saldatura a punti, il processo crea una zona fusa tra i due componenti nota come nocciolo di saldatura.
La saldatura a resistenza non richiede gas di protezione, flusso o metallo di riempimento come la saldatura ad arco, e gli elettrodi che trasportano l'energia elettrica non sono consumabili. La saldatura a resistenza è classificata come saldatura a fusione poiché le superfici di contatto si fondono praticamente invariabilmente quando viene applicato calore. Ci sono però alcune eccezioni. Per impedire la fusione, alcune tecniche di saldatura basate sul riscaldamento a resistenza impiegano temperature inferiori ai punti di fusione dei metalli di base.
Il processo di saldatura a resistenza coinvolge diverse variabili chiave, come le proprietà dell'elettrodo, la corrente di saldatura, la forza dell'elettrodo e la durata della corrente. La saldatura a resistenza è un processo di saldatura efficace e rapido poiché richiede una corrente che può essere da dieci a cento volte maggiore di quella della saldatura ad arco, sebbene il tempo di saldatura effettivo sia solitamente inferiore a un secondo.
Fonte di energia e generazione di calore in RW
Nella saldatura a resistenza (RW), la resistenza del circuito, il flusso di corrente e la durata dell'applicazione di corrente influiscono tutti sull'energia termica richiesta per la saldatura. La seguente espressione matematica rappresenta questa relazione:
H = io2 Rt
dove �� è il calore generato in joule (per convertire in Btu, dividere per 1055); �� è la corrente in ampere; �� è la resistenza elettrica in ohm; e �� è il tempo in secondi.
I processi di saldatura a resistenza spesso coinvolgono correnti molto elevate (da 5000 a 20,000 A) con tensioni relativamente basse (solitamente inferiori a 10 V). Nella maggior parte delle procedure, la durata della corrente (t) è piccola; ad esempio, in un'operazione di saldatura a punti standard, potrebbe durare da 0.1 a 0.4 secondi. Poiché la resistenza in RW è molto bassa (circa 0.0001 V) e la parte al quadrato nell'equazione sopra amplifica l'effetto della corrente, viene impiegata una corrente elevata. La combinazione delle resistenze dei pezzi in lavorazione, degli elettrodi, delle resistenze di contatto tra gli elettrodi e i pezzi in lavorazione e della resistenza di contatto delle superfici di alimentazione determina una resistenza nel circuito di saldatura. Pertanto, viene prodotto calore in ciascuna di queste zone di resistenza elettrica. Poiché il sito preferito della saldatura è sulle superfici di contatto, è ottimale che abbiano la resistenza maggiore nella somma. L'utilizzo di metalli come il rame, che hanno resistività estremamente basse, riduce la resistenza degli elettrodi. Per disperdere il calore prodotto lì, gli elettrodi vengono spesso raffreddati con acqua. Le resistenze delle parti in lavorazione sono determinate dallo spessore della parte e dalle resistività dei metalli di base. Le dimensioni, la forma e le aree di contatto dell'elettrodo, così come le condizioni della superficie (come la scala dell'elettrodo e la pulizia delle superfici di lavoro), determinano le resistenze di contatto tra gli elettrodi e le parti.
In definitiva, la finitura superficiale, le condizioni igieniche, l'area di contatto e la pressione influenzano tutti la resistenza delle superfici di contatto. Non dovrebbero esserci impurità che tengano separate le superfici di contatto, come vernice, olio o sporcizia.
La pressione è importante quanto il calore per il successo della saldatura a resistenza. Nella saldatura a resistenza (RW), lo scopo principale della pressione è quello di premere insieme le superfici di contatto per ottenere la coalescenza una volta raggiunta la temperatura di saldatura corretta e di forzare il contatto tra le due superfici di lavoro e gli elettrodi prima che venga applicata la corrente.
Vantaggi e svantaggi della saldatura a resistenza
La saldatura a resistenza è un'opzione comune per le applicazioni industriali grazie ai suoi numerosi vantaggi. La sua efficienza e velocità, che consentono grandi ritmi di produzione, sono due vantaggi principali. I metalli d'apporto non sono necessari per il processo e, poiché il calore è localizzato, ci sono meno possibilità che i componenti adiacenti si pieghino. La saldatura a resistenza è eccellente anche per l’automazione, il che la rende perfetta per la produzione su larga scala. Poiché il calore può essere regolato con precisione, le saldature risultanti sono robuste, esatte e precise. Questo approccio è anche più conveniente perché richiede meno lavoro di finitura e meno energia rispetto a molti altri, ed è più sicuro di molti altri perché non emette fumi o scintille.
La saldatura a resistenza presenta tuttavia diversi svantaggi. Alcune operazioni potrebbero avere difficoltà a procurarsi le attrezzature necessarie perché spesso sono costose e specializzate. Limita i tipi di metalli che possono essere saldati lavorando solo con materiali che hanno un'elevata resistenza elettrica. A causa del calore confinato, i pezzi di grandi dimensioni sono difficili da saldare e l'allineamento accurato dei componenti è essenziale per evitare giunzioni deboli. L'espansione o la contrazione irregolare dei materiali indotta dal calore può portare a distorsioni, che possono potenzialmente rappresentare un problema. La saldatura a resistenza è ancora una tecnologia utile in molti contesti produttivi, nonostante queste difficoltà.
Principali processi di saldatura a resistenza
I tre principali processi di saldatura a resistenza di importanza commerciale sono la saldatura a punti a resistenza (RSW), la saldatura continua a resistenza (RSEW) e la saldatura a proiezione (RPW).
Saldatura a punti a resistenza (RSW)
La saldatura a punti a resistenza (RSW) è il metodo più comune nella sua categoria ed è ampiamente utilizzata nella produzione di massa di elettrodomestici, automobili, mobili in metallo e altri prodotti in lamiera. L'importanza economica della saldatura a punti a resistenza diventa chiara se si considera che la carrozzeria media di un'auto ha circa 10,000 punti di saldatura e che la produzione annua di automobili raggiunge decine di milioni in tutto il mondo.
La saldatura a punti a resistenza (RSW) è un metodo di RW in cui elettrodi opposti fondono le superfici di contatto di un giunto a sovrapposizione in un'unica posizione. Questo metodo viene applicato ai componenti in lamiera con uno spessore pari o inferiore a 3 mm (0.125 pollici) quando non è necessario un assieme ermetico. Per unire i componenti viene utilizzata una sequenza di saldature a punti. Sebbene gli elettrodi rotondi siano la forma di elettrodo più frequente, è possibile utilizzare anche forme quadrate, esagonali e di altro tipo, la punta dell'elettrodo determina la dimensione e la forma del punto di saldatura.
Il pezzetto di saldatura risultante ha solitamente un diametro compreso tra 5 e 10 mm (0.2 e 0.4 pollici) e i metalli di base sono leggermente oltre il pezzetto, dove si estende la zona interessata dal calore. La resistenza della saldatura dovrebbe essere paragonabile al metallo circostante se prodotta correttamente. La figura seguente illustra i passaggi coinvolti in un ciclo di saldatura a punti.
Per realizzare gli elettrodi RSW vengono utilizzate due categorie principali di materiali: leghe a base di rame e composizioni di metalli refrattari, come rame e tungsteno. La maggiore resistenza all'usura del secondo gruppo è ben nota. Nella saldatura a punti, come nella maggior parte dei processi di produzione, gli utensili invecchiano gradualmente con l'uso. Gli elettrodi sono realizzati con passaggi interni di raffreddamento ad acqua, se possibile. La saldatura a punti può essere eseguita con una varietà di utensili e tecniche grazie al suo ampio utilizzo industriale. L'apparato è costituito da pistole per saldatura a punti portatili e da macchine per saldatura a punti a pressa e a bilanciere. Le saldatrici a punti a bilanciere includono un elettrodo superiore che è mobile e può essere sollevato e abbassato per facilitare il lavoro di carico e scarico. L'elettrodo inferiore rimane fermo. L'elettrodo superiore è fissato a un bilanciere, da cui il nome, il cui movimento è gestito dal pedale del lavoratore.
La forza e la corrente durante tutto il ciclo di saldatura possono essere controllate mediante programmazione in apparecchiature moderne. Le saldatrici a punti con presse sono pensate per lavori più pesanti. Una pressa verticale azionata da energia idraulica o pneumatica produce un movimento rettilineo per l'elettrodo superiore. È possibile utilizzare forze maggiori grazie all'azione della pressa e in genere è possibile programmare cicli di saldatura complicati utilizzando i controlli. Il compito viene trasferito ai due tipi di macchine precedenti, che sono entrambe saldatrici a punti fisse. È difficile trasferire e posizionare la parte in macchinari fissi per compiti voluminosi e pesanti. Le pistole portatili per saldatura a punti sono disponibili in una gamma di dimensioni e combinazioni adatte a queste situazioni. Questi dispositivi sono costituiti da due elettrodi opposti tenuti all'interno di un meccanismo a pinza. Poiché ogni oggetto è leggero, sia un robot industriale che un lavoratore umano possono afferrarlo e azionarlo. Cavi elettrici flessibili e tubi dell'aria vengono utilizzati per collegare il cannone alla propria fonte di alimentazione e controllo. Se necessario, è possibile utilizzare anche un tubo dell'acqua per fornire il raffreddamento ad acqua degli elettrodi. La saldatura a punti delle carrozzerie delle automobili è un compito comune per le pistole di saldatura a punti mobili negli stabilimenti di assemblaggio di automobili. Sebbene gli esseri umani utilizzino ancora alcune di queste armi, i robot industriali sono ora la tecnologia preferita.
Saldatura continua a resistenza (RSEW)
La saldatura continua a resistenza (RSEW) è una tecnica che produce una sequenza di saldature a punti sovrapposte lungo un giunto sovrapposto utilizzando ruote rotanti anziché elettrodi a forma di bastoncino come nella saldatura a punti. Questa procedura, mostrata nella figura seguente, viene spesso impiegata nella produzione di contenitori in lamiera, marmitte per automobili e serbatoi di benzina perché produce giunti a tenuta d'aria. Sebbene la saldatura a punti e la RSEW siano essenzialmente identiche, la RSEW comporta una complessità aggiuntiva a causa degli elettrodi a ruota e dell'aspetto continuo dell'operazione.
Il funzionamento continuo in RSEW significa che le cuciture devono essere lungo una linea diritta o uniformemente curva, poiché spigoli vivi e discontinuità possono rappresentare delle sfide. Inoltre, la deformazione delle parti costituisce una preoccupazione maggiore, poiché necessitano di dispositivi per mantenere i pezzi in posizione e ridurre al minimo la distorsione.
L'applicazione della corrente di saldatura e il movimento delle ruote degli elettrodi in RSEW determinano la distanza tra i pezzetti di saldatura. Nella tecnica più popolare, chiamata saldatura a movimento continuo, la spaziatura appropriata tra i punti di saldatura viene ottenuta pulsando periodicamente la corrente mentre le ruote girano a velocità costante. Le aree di saldatura sovrapposte sono generalmente il risultato di questa configurazione. D'altra parte, un processo noto come saldatura a punti a rullo consente la comparsa di spazi tra i punti di saldatura se la frequenza della corrente viene ridotta. In alternativa, è possibile ottenere un cordone di saldatura continuo mantenendo una corrente di saldatura costante. La figura seguente mostra queste variazioni.
Un'altra variante RSEW è la saldatura a moto intermittente, in cui ogni punto di saldatura è prodotto dall'arresto regolare della ruota dell'elettrodo. La spaziatura tra le aree di saldatura è determinata dal movimento della ruota tra gli arresti, con conseguenti modelli simili a quelli nelle Figure (a) e (b) sopra.
Mentre le ruote per elettrodi vengono utilizzate al posto degli elettrodi a forma di bastoncino, le saldatrici continue sono simili alle saldatrici a punti del tipo a pressione. Durante la RSEW è spesso necessario il raffreddamento del pezzo e dei portaelettrodi. Per ottenere questo raffreddamento, l'acqua viene solitamente diretta sulla parte superiore e inferiore delle superfici del pezzo in lavorazione in prossimità delle ruote degli elettrodi.
Saldatura a proiezione di resistenza (RPW)
La saldatura a proiezione di resistenza (RPW) è un processo di saldatura a resistenza in cui la coalescenza avviene in piccoli punti di contatto predeterminati sulle parti da unire. Questi punti di contatto possono essere proiezioni, rilievi o giunzioni localizzate che sono integrate nelle parti stesse. Ad esempio, quando si uniscono due componenti in lamiera, il componente superiore può essere costruito con bordi incassati che entrano in contatto per primi con il componente inferiore, come mostrato nella figura sottostante. Le riduzioni dei costi derivanti dalla saldatura possono bilanciare la procedura di rilievi, nonostante l'aspetto che ciò accresca il costo della parte.
La saldatura a proiezione di resistenza è disponibile in due varianti, illustrate nella figura sottostante. Una variante consente alla RPW di collegare in modo permanente elementi di fissaggio con proiezioni sagomate o lavorate a macchina a una lamiera o piastra, semplificando le future procedure di assemblaggio. Per la fabbricazione di articoli in filo saldato come carrelli della spesa, griglie per stufe e recinti in filo metallico, viene impiegata un'altra versione nota come saldatura a filo incrociato. Le superfici di contatto dei fili tondi fungono da proiezioni in questo processo, aiutando a localizzare il calore di resistenza necessario per la saldatura.
Altre operazioni di saldatura a resistenza
Oltre alle principali procedure di saldatura a resistenza precedentemente trattate, rientrano in questa categoria e dovrebbero essere riconosciuti anche i seguenti metodi alternativi: saldatura flash (FW), saldatura rovesciata (UW), saldatura a percussione (PEW) e resistenza ad alta frequenza saldatura (HFRW).
Saldatura flash (FW)
La saldatura a scintillio (FW) viene utilizzata prevalentemente per le giunzioni di testa. Il processo prevede l'avvicinamento delle superfici da saldare e il loro riscaldamento fino alla fusione tramite corrente elettrica. A seconda del grado di contatto superficiale, questo processo comporta la formazione di un arco, a volte indicato come lampeggiamento. FW è quindi occasionalmente incluso nel gruppo della saldatura ad arco. Le superfici vengono costrette insieme per produrre la saldatura dopo il riscaldamento, che spesso richiede lavorazioni aggiuntive per garantire dimensioni del giunto coerenti. FW viene utilizzato in processi economici ed ad alta velocità, tra cui il collegamento delle estremità dei cavi nella trafilatura e la saldatura di testa di nastri di acciaio nei laminatoi.
Saldatura rovesciata (UW)
Similmente alla FW, la saldatura ricalcata (UW) combina le fasi di riscaldamento e pressatura in un unico ciclo di processo. A differenza di FW, UW si riscalda semplicemente grazie alla resistenza elettrica sulle superfici di contatto, arco non incluso. Una volta raggiunta una temperatura inferiore al punto di fusione, le superfici di contatto si uniscono sotto una maggiore pressione, il che provoca un disturbo dei materiali nella regione di contatto. Sebbene UW condivida diverse applicazioni con FW, come l'unione di fili, tubi e condotti, non è esattamente una tecnica di saldatura per fusione come alcune delle altre menzionate.
Saldatura a percussione (PEW)
Simile alla FW, la saldatura a percussione (PEW) utilizza cicli di saldatura incredibilmente brevi, tra uno e dieci millisecondi, nel suo funzionamento. Quando l'energia elettrica viene rilasciata bruscamente tra le superfici che devono essere unite, si verifica un rapido riscaldamento. I componenti vengono quindi fusi insieme applicando una forza di percussione. Per applicazioni elettroniche in cui dimensioni compatte e componenti adiacenti sensibili al calore sono essenziali, il riscaldamento localizzato della PEW è perfetto.
Saldatura a resistenza ad alta frequenza (HFRW)
La corrente alternata ad alta frequenza viene utilizzata nella saldatura a resistenza ad alta frequenza (HFRW) per riscaldare le superfici metalliche prima che venga applicata una forza di sconvolgimento per completare la saldatura. Questa tecnica, che opera a frequenze comprese tra 10 e 500 kHz, garantisce che l'effetto pelle della corrente ad alta frequenza concentri il calore sul giunto di saldatura. In una procedura comparabile chiamata saldatura a induzione ad alta frequenza (HFIW), una bobina di induzione viene utilizzata per creare corrente invece di stabilire un contatto elettrico diretto. Per lavori di saldatura continui, come l'unione delle giunture longitudinali di tubi e tubi metallici, sono adatti HFRW e HFIW. Queste tecniche sono utili per una varietà di processi industriali grazie alla loro capacità di produrre saldature uniformi e di alta qualità in situazioni di produzione ad alta velocità.
Referenze
Groover, MP, 2010. Fondamenti della produzione moderna: materiali, processi e sistemi. 4a ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
