Понимание точечной и шовной сварки: методы, применение и оборудование

Контактная точечная сварка (RSW): обзор процесса

Контактная точечная сварка — это процесс, при котором прилегающие поверхности нахлесточного соединения соединяются путем приложения давления и тепла, вырабатываемого электрическим сопротивлением. Вырабатываемое тепло концентрируется в месте сварки противоположными электродами, которые изготовлены из сплава на основе меди или комбинации меди и вольфрама: сплавы на основе меди широко используются из-за их высокой степени проводимости, в то время как комбинации меди и вольфрама обеспечивают лучшую стойкость к истиранию и износу в тех областях применения, которые считаются сложными.

Электроды в основном контролируют качество и размер сварного шва. Хотя круглая форма на кончике электрода является наиболее часто используемой формой, другие конструкции, такие как шестиугольные и квадратные наконечники, были разработаны для специальных целей. Другие электроды имеют внутренние каналы водяного охлаждения, которые помогают уменьшить их нагрев во время сварки, тем самым увеличивая срок их службы.

Широкое применение контактной точечной сварки находит в таких отраслях, как автомобилестроение, где для одного кузова автомобиля требуется около 10,000 XNUMX отдельных точечных сварных швов. Другие общие области применения включают бытовую технику, металлическую мебель и аналогичные изделия из листового металла. Ее распространенность в массовом производстве подчеркивает ее экономическую и промышленную значимость, поскольку только мировое производство автомобилей достигает десятков миллионов в год.

Оборудование для точечной сварки

Существует три основных типа оборудования для точечной сварки: машины с качающимся рычагом, прессовые сварочные аппараты и переносные точечные сварочные пистолеты. Каждый из них лучше всего подходит для определенного применения.

Точечные сварочные аппараты с качающимся рычагом (например, показанный ниже) широко использовались при работе с относительно небольшими заготовками. Конфигурация включает фиксированный нижний электрод и плавающий верхний электрод, установленный на качающемся рычаге. Движение верхнего электрода контролируется ножной педалью, с помощью которой оператор может поднимать или опускать его, чтобы приступить к работе через процедуру загрузки и выгрузки. Например, такие аппараты применимы для легких режимов работы, а современные типы часто включают программируемые элементы управления для управления силой и током во время цикла сварки.

                   Машина с коромыслом

Для более крупных и тяжелых заготовок лучшим выбором являются прессовые точечные сварочные аппараты. Это стационарные машины, в которых вертикальный пресс, приводимый в действие пневматически или гидравлически, используется для перемещения верхнего электрода по прямой линии. Такая конструкция позволяет применять более высокие усилия и выполнять более сложные циклы сварки, что делает их незаменимыми для крупномасштабных промышленных применений.

В ситуациях, когда нецелесообразно использовать стационарные машины точечной сварки для обработки больших и тяжелых деталей, эффективным решением являются ручные переносные устройства. Легкие инструменты оснащены противолежащими электродами, размещенными в зажимном механизме, что позволяет человеку или промышленному роботу легко маневрировать ими. Переносные пистолеты подключаются к системам питания и управления с помощью гибких кабелей и шлангов с возможностью включения водяного охлаждения для электродов. Их адаптивность также делает их краеугольными камнями на заводах по сборке автомобилей, широко используемых для сварки кузовов автомобилей — часто под управлением робота.

Процесс точечной сварки

Процесс точечной сварки состоит из серии событий, называемых циклом сварки, и включает в себя вставку детали, приложение силы, контроль времени сварки и охлаждение. Каждый шаг в цикле важен для получения прочного и надежного шва. Шаги в цикле точечной сварки показаны на рисунке ниже.

Сварочный цикл 
1. Погружение деталей и первичный контакт
Металлические детали помещаются между двумя медными электродами. Затем эти электроды слегка соприкасаются с поверхностью металлов, приложив к ним некоторое давление. На микроскопическом уровне поверхность металлов никогда не бывает гладкой; следовательно, первоначально могут соприкасаться только пики. В таких точках при приложении адекватного контактного давления оксидный слой разрушается и образуется несколько мостиков металл-металл. График сварки обеспечивает достаточно времени для того, чтобы усилие электрода достигло 95% от предполагаемого усилия сварки до начала протекания тока, что гарантирует последовательность и точность.

2. Подача сварочного тока
Когда необходимое давление достигнуто, через электроды в течение очень короткого периода времени пропускается сильный электрический ток. В то время как прохождение тока через объемный металл распространяется на большую площадь, на границе, где металлы соприкасаются друг с другом, ток протекает через металлические мостики, и плотность тока в этой точке становится очень высокой. Плотность тока в этой точке создает достаточно тепла, чтобы расплавить металлические мостики.

Когда эти начальные мосты плавятся и разрушаются, другие пики на металлических поверхностях вступают в контакт друг с другом, образуя новые мосты. Сопротивление расплавленного металла выше по сравнению с вновь образованными мостами, и ток смещается к вновь образованным путям. Процесс перехода от одного моста к другому повторяется до тех пор, пока не расплавится весь интерфейс и не образуется крупинка.

Энергия, поступающая в точку сварки, зависит от сопротивления материала, величины тока и времени сварки. Должен быть баланс; слишком мало энергии, поступающей в точку сварки, приводит к неполному расплавлению, что делает сварной шов слабым; избыток энергии вызывает переплавление, вплоть до выброса расплавленного материала, иногда прокалывая отверстие в соединении.

3. Охлаждение и затвердевание

После прекращения тока в течение короткого времени сохраняется сила электрода, чтобы расплавленный металл мог остыть и затвердеть под давлением. В большинстве сварочных систем электроды имеют отверстия для охлаждающей жидкости, которые ускоряют это охлаждение путем локального охлаждения заготовки.

К концу этого этапа процесса образуется круглый стержень диаметром от 4 до 7 миллиметров. Такой стержень обеспечит прочное соединение без сварного шва с обеих сторон листа, сохраняя структурную целостность и внешний вид поверхности заготовки.

Контактная шовная сварка (RSEW)

Сварка швом сопротивлением (RSEW) — это более совершенная вариация контактной точечной сварки, в которой стержневые электроды заменяются вращающимися колесами, как показано на рисунке ниже. Такое расположение обеспечивает ряд перекрывающихся сварных швов в нахлесточном соединении и гарантирует прочные, герметичные швы. Сварка швом сопротивлением широко используется при изготовлении резервуаров и изготовлении автомобильных глушителей и других сборных контейнеров из листового металла. Она по-прежнему остается очень важным процессом соединения при изготовлении прочных, герметичных компонентов для многих отраслей промышленности.

Основные детали процесса

Операция сварки швов обычно выполняется непрерывно, и швы должны быть прямыми или иметь равномерную кривизну из-за проблем, возникающих с острыми углами и разрывами. Для позиционирования заготовок и предотвращения коробления, что является основной проблемой сварки швов, требуются приспособления.
Три варианта сварки непрерывным движением (непрерывная сварка, точечная сварка роликами и непрерывная шовная сварка) графически представлены на рисунке ниже.

Эти методы раскрывают гибкость процесса:

Сварка непрерывным движением: Это основной процесс, в котором электродные колеса вращаются непрерывно с постоянной скоростью, а сварочный ток пульсирует с регулярными интервалами. Таким образом, перекрывающиеся сварные точки создаются за счет синхронизации для получения однородного и прочного шва.
Точечная сварка сопротивлением качения: Это подразумевает введение зазоров между сварными точками посредством снижения частоты импульсов сварочного тока. Таким образом, вдоль шва создаются прерывистые сварные точки, которые лучше всего подходят там, где требуется меньшая непрерывность сварки.
Сварка непрерывным швом: В этом варианте сварочный ток непрерывный, поэтому получается полностью непрерывный шов по всей длине стыка.
Другой метод, сварка прерывистым движением, циклически останавливает колесо электрода для выполнения сварных швов. Колесо вращается между остановками, и, следовательно, расстояние между сварными точками может создавать узоры, подобные тем, что показаны на рисунках a) и b) выше.

Оборудование и охлаждение

Машины для сварки швов похожи на прессовые точечные сварочные аппараты, за исключением того, что их электроды имеют форму колеса, а не стержня. Охлаждение также необходимо при RSEW для предотвращения чрезмерного нагрева как заготовки, так и электродных дисков. Это можно сделать, направляя воду на верхнюю и нижнюю сторону поверхностей заготовки, прилегающих к электродным дискам.

Краткое сравнение точечной и шовной сварки