Förstå punkt- och sömsvetsning: Tekniker, tillämpningar och utrustning

Resistanspunktsvetsning (RSW): Processöversikt

Resistanspunktsvetsning är en process där de sammanfogande ytorna i en överlappningsfog sammanfogas genom att applicera tryck och värme som genereras av elektriskt motstånd. Den genererade värmen koncentreras vid svetsstället av de motstående elektroderna, som är tillverkade av kopparbaserad legering eller koppar-volfram-kombinationer: kopparbaserade legeringar används i stor utsträckning på grund av sin höga ledningsförmåga, medan koppar-volfram-kombinationer ger bättre motståndskraft mot nötning och slitage i de tillämpningar som anses krävande.

Elektroder styr i grunden svetsfogens kvalitet och storlek. Även om en rund form vid elektrodens spets är den vanligaste formen, har andra konstruktioner, såsom sexkantiga och fyrkantiga spetsar, utvecklats för speciella ändamål. Andra elektroder har interna vattenkylningskanaler som hjälper till att minska deras uppvärmning under svetsning, vilket ökar deras livslängd.

De breda tillämpningarna av motståndspunktsvetsning finns inom industrier som biltillverkning, där en bilkaross behöver cirka 10 000 punktsvetsar. Andra allmänna användningsområden inkluderar apparater, metallmöbler och liknande plåtprodukter. Dess utbredning i massproduktion understryker dess ekonomiska och industriella betydelse eftersom den globala bilproduktionen ensam når tiotals miljoner varje år.

Punktsvetsningsutrustning

Det finns tre huvudtyper av punktsvetsutrustning: vipparmsmaskiner, pressvarsar och bärbara punktsvetspistoler. Var och en passar bäst för en specifik tillämpning.

Punktsvetsar med vipparm (som den som visas nedan) har använts flitigt för hantering av relativt små arbetsstycken. Konfigurationen inkluderar en fast nedre elektrod och en flytande övre elektrod som bärs på en vipparm. Den övre elektrodens rörelse styrs av en fotpedal, med vilken en operatör kan höja eller sänka den för att ta sig an arbetet under lastnings- och lossningsproceduren. Till exempel är sådana maskiner lämpliga för lättare arbeten, och moderna typer inkluderar ofta programmerbara kontroller för att hantera kraft och ström under svetscykeln.

                   Vipparmsmaskin

För större och tyngre arbetsstycken är punktsvetsmaskiner av presstyp det bästa valet. Dessa är stationära maskiner där en vertikalt driven press, pneumatiskt eller hydrauliskt driven, används för att förflytta den övre elektroden i en rak linje. Denna design möjliggör applicering av högre krafter och tillgodoser mer komplexa svetscykler, vilket gör dem oumbärliga för storskaliga industriella tillämpningar.

I situationer där det är opraktiskt att använda stationära punktsvetsmaskiner för att hantera stora och tunga delar är handmanövrerade bärbara svetsar den effektiva lösningen. Lätta verktyg har motstående elektroder inrymda i en tångmekanism, vilket gör att en mänsklig arbetare eller industrirobot enkelt kan manövrera dem. Bärbara svetspistoler ansluts till kraft- och styrsystem via flexibla kablar och slangar med möjlighet att integrera vattenkylning för elektroderna. Deras anpassningsförmåga gör dem också till hörnstenar i bilmonteringsfabriker, där de används i stor utsträckning för att svetsa bilkarosser – ofta under kontroll av en robot.

Punktsvetsprocess

Punktsvetsprocessen består av en serie händelser, kallade svetscykeln, och den innefattar insättning av delar, applicering av kraft, kontroll av svetstiden och kylning. Varje steg i cykeln är viktigt för att få en stark och tillförlitlig svets. Stegen i en punktsvetscykel visas i figuren nedan.

Svetscykeln 
1. Nedsänkning av delar och primärkontakt
Metalldelarna placeras mellan två kopparelektroder. Dessa elektroder bringas sedan i lätt kontakt med metallernas yta, efter att ha applicerat ett visst tryck på dem. På mikroskopisk nivå är metallernas yta aldrig slät; därför är det bara toppar som kan råka vidröra varandra initialt. Vid sådana punkter, när tillräckligt kontakttryck appliceras, bryts oxidskiktet och några metall-mot-metall-bryggor bildas. Svetsschemat säkerställer att tillräckligt med tid ges för att elektrodkraften ska nå 95 % av den avsedda svetskraften innan strömmen börjar flyta, vilket säkerställer jämnhet och noggrannhet.

2. Applicera svetsström
När det önskade trycket har uppnåtts, passerar en hög elektrisk ström genom elektroderna under en mycket kort tidsperiod. Medan strömmens passage genom bulkmetallen sprider sig över ett stort område, vid gränssnittet där metallerna vidrör varandra, flyter strömmen genom metallbryggorna och strömtätheten vid denna punkt blir mycket hög. Strömtätheten vid denna punkt utvecklar tillräckligt med värme för att smälta metallbryggorna.

När dessa initiala bryggor smälter och kollapsar, kommer andra toppar på metallytorna i kontakt med varandra och bildar nya bryggor. Resistansen hos den smälta metallen är högre jämfört med de nybildade bryggorna, och strömmen förflyttas till de nybildade banorna. Processen att övergå från en brygga till en annan upprepas tills hela gränssnittet är smält och en nugget bildas.

Energitillförseln vid svetsstället beror på materialresistansen, strömmens storlek och svetstid. Det måste finnas en balans; för lite energitillförsel skapar ofullständig smältning, vilket ger en svag svets; överskottsenergi orsakar översmältning, till och med till att det smälta materialet stöts ut, ibland genom att ett hål genomborras genom fogen.

3. Kylning och stelning

När strömmen upphör bibehålls elektrodkraften under en kort tid så att den smälta metallen kan svalna och stelna under tryck. I de flesta svetssystem har elektroderna kylvätskehål som accelererar denna kylning genom att lokalt kyla arbetsstycket.

Vid slutet av detta processteg formas en rund nugget med en diameter på 4 till 7 millimeter. En sådan nugget säkerställer en stark fog utan svetssträngar på någon sida av plåten, vilket bibehåller arbetsstyckets strukturella integritet och ytutseende.

Motståndssömsvetsning (RSEW)

Resistansfogsvetsning (RSEW) är en mer fulländad variant av resistanspunktsvetsning där stavformade elektroder ersätts av roterande hjul, såsom illustreras i figuren nedan. Arrangemanget ger ett antal överlappande svetsar i en överlappande skarv och säkerställer starka, läckagetäta sömmar. Resistansfogsvetsning används ofta vid tillverkning av tankar och ljuddämpare för bilar och andra plåtbehållare. Det fortsätter att vara en mycket viktig sammanfogningsprocess vid tillverkning av hållbara, tätade komponenter för många industrier.

Viktiga processdetaljer

Sömsvetsning utförs vanligtvis kontinuerligt och skarvarna måste vara raka eller ha jämn krökning på grund av problemen med skarpa hörn och diskontinuiteter. Fixturer krävs för att positionera arbetsstyckena och för att förhindra skevhet, vilket är det största problemet med sömsvetsning.
De tre varianterna av RSEW (kontinuerlig rörelsesvetsning, rullpunktsvetsning och kontinuerlig sömsvetsning) representeras grafiskt i figuren nedan.

Dessa tekniker visar processens flexibilitet:

Kontinuerlig rörelsesvetsningDetta är den huvudsakliga processen där elektrodhjulen roterar kontinuerligt med konstant hastighet och svetsströmmen pulserar med jämna mellanrum. Överlappande svetsnuggets skapas således genom tidpunkten för en jämn och stark fog.
Rullmotstånd PunktsvetsningDetta innebär att mellanrum skapas mellan svetspunkterna genom att minska svetsströmmens pulsfrekvens. Således skapas intermittenta svetspunkter längs sömmen och är bäst lämpade där mindre kontinuitet i svetsen behövs.
Kontinuerlig sömsvetsningI denna variant är svetsströmmen kontinuerlig; därför ger den en helt oavbruten skarv längs fogen.
En annan metod, intermittent rörelsesvetsning, stoppar elektrodhjulet cykliskt för att utföra svetsfogarna. Hjulet roterar mellan stoppen och därmed kan avståndet mellan svetsnuggets skapa mönster som de i a) och b) i figuren ovan.

Utrustning och kylning

Sömsvetsmaskiner liknar punktsvetsmaskiner av presstyp, förutom att deras elektroder är hjulformade istället för stavformade. Kylning är också nödvändig vid RSEW för att förhindra otillbörlig uppvärmning av både arbetsstycket och elektrodhjulen. Detta kan göras genom att rikta vatten på ovansidan och undersidan av arbetsstyckets ytor intill elektrodhjulen.

Sammanfattningsjämförelse av punktsvetsning och sömsvetsning