Motståndssvetsning (RW) omfattar en rad smältsvetstekniker som uppnår koalescens genom en blandning av värme och tryck. Värmen produceras vid övergången som måste svetsas genom elektriskt motstånd mot strömflödet. Huvudelementen i motståndssvetsning visas i figuren nedan för den mest populära metoden i gruppen, en motståndspunktsvetsningsoperation. Komponenterna är arbetsstyckena som ska svetsas (ofta plåtdelar), två motstående elektroder, ett sätt att pressa delarna mellan elektroderna och en växelströmskälla som kan applicera en kontrollerad ström. Vid punktsvetsning skapar processen en smältzon mellan de två komponenterna, känd som en svetsklump.
Motståndssvetsning kräver inte skyddsgaser, flussmedel eller tillsatsmaterial som bågsvetsning gör, och elektroderna som överför den elektriska kraften är icke-förbrukningsbara. RW kategoriseras som smältsvetsning eftersom de sammansvetsande ytorna smälter praktiskt taget alltid när värme appliceras. Det finns dock vissa undantag. För att förhindra sammansmältning använder vissa motståndsvärmebaserade svetstekniker temperaturer som är lägre än smältpunkterna för basmetallerna.
Motståndssvetsningsprocessen involverar flera viktiga variabler, såsom elektrodegenskaper, svetsström, elektrodkraft och strömvaraktighet. Motståndssvetsning är en effektiv och snabb svetsprocess eftersom den kräver en ström som kan vara tio till hundra gånger större än bågsvetsning, även om den faktiska svetstiden vanligtvis är mindre än en sekund.
Kraftkälla och värmeproduktion i RW
Vid motståndssvetsning (RW) påverkar kretsresistansen, strömflödet och strömtillförselns längd den värmeenergi som krävs för svetsning. Följande matematiska uttryck representerar detta förhållande:
H = I2 Rt
där �� är den genererade värmen i joule (för att konvertera till Btu, dividera med 1055); �� är strömmen i ampere; �� är den elektriska resistansen i ohm; och �� är tiden i sekunder.
Resistanssvetsprocesser involverar ofta mycket höga strömmar (5000 till 20 000 A) med relativt låga spänningar (vanligtvis under 10 V). I de flesta procedurer är strömvaraktigheten (t) liten; till exempel, i en vanlig punktsvetsningsoperation kan den vara 0.1 till 0.4 sekunder. Eftersom resistansen i RW är mycket låg (cirka 0.0001 V) och kvadratdelen i ekvationen ovan förstärker strömmens effekt, används en stor ström. Kombinationen av resistanserna hos arbetsstyckena, elektroderna, kontaktresistanserna mellan elektroderna och arbetsstyckena, och kontaktresistansen hos matningsytorna resulterar i resistans i svetskretsen. Därför produceras värme i var och en av dessa elektriska resistanszoner. Eftersom den föredragna platsen för svetsen är vid kontaktytorna är det optimalt för dem att ha den största resistansen i summan. Användning av metaller som koppar, som har extremt låg resistivitet, minskar elektrodernas resistans. För att sprida den värme som produceras där kyls elektroderna ofta med vatten. Arbetsdelarnas resistanser bestäms av delarnas tjocklek och basmetallernas resistiviteter. Elektrodens storlek, form och kontaktytor, såväl som ytförhållandena (såsom elektrodens skala och arbetsytornas renhet), avgör kontaktresistanserna mellan elektroderna och delarna.
I slutändan påverkar ytfinish, hygieniska förhållanden, kontaktyta och tryck motståndet vid de kontaktande ytorna. Det bör inte finnas några föroreningar som håller kontaktytorna isär, såsom färg, olja eller smuts.
Tryck är lika viktigt för att motståndssvetsning ska lyckas som värme. Vid motståndssvetsning är tryckets huvudsakliga syfte att pressa samman de mötande ytorna för att uppnå koalescens när rätt svetstemperatur har uppnåtts och att tvinga fram kontakt mellan de två arbetsytorna och elektroderna innan strömmen appliceras.
Fördelar och nackdelar med motståndssvetsning
Motståndssvetsning är ett vanligt alternativ för industriella tillämpningar på grund av dess många fördelar. Dess effektivitet och hastighet, som möjliggör stora produktionshastigheter, är två huvudfördelar. Tillsatsmaterial behövs inte för processen, och eftersom värmen är lokaliserad är det mindre risk att intilliggande komponenter böjs. Motståndssvetsning är också utmärkt för automatisering, vilket gör den perfekt för storskalig tillverkning. Eftersom värmen kan regleras exakt är de resulterande svetsarna robusta, exakta och precisa. Denna metod är också mer kostnadseffektiv eftersom den kräver mindre efterbehandling och mindre energi än många andra, och den är säkrare än många andra eftersom den inte avger några ångor eller gnistor.
Motståndssvetsning har dock flera nackdelar. Vissa operationer kan ha svårt att få tag på nödvändig utrustning eftersom det ofta är kostsamt och specialiserat. Det begränsar de typer av metaller som kan svetsas genom att endast arbeta med material som har hög elektrisk resistans. På grund av den begränsade värmen är stora delar svåra att svetsa, och noggrann komponentuppriktning är avgörande för att förhindra svaga fogar. Värmeinducerad ojämn expansion eller sammandragning av material kan leda till distorsion, vilket potentiellt kan vara ett problem. Motståndssvetsning är fortfarande en användbar teknik i många tillverkningssammanhang, trots dessa svårigheter.
Stora motståndssvetsprocesser
De tre viktigaste motståndssvetsprocesserna av kommersiell betydelse är motståndspunktsvetsning (RSW), motståndssömsvetsning (RSEW) och projektionssvetsning (RPW).
Motståndspunktsvetsning (RSW)
Resistanspunktsvetsning (RSW) är den vanligaste metoden i sin klass och används i stor utsträckning vid masstillverkning av apparater, bilar, metallmöbler och andra plåtprodukter. Den ekonomiska betydelsen av resistanspunktsvetsning blir tydlig när man betänker att en genomsnittlig bilkaross har cirka 10 000 punktsvetsar och att den årliga produktionen av bilar når tiotals miljoner världen över.
Motståndspunktsvetsning (RSW) är en metod för motståndspunktsvetsning där motstående elektroder smälter samman de sammanfogande ytorna på en överlappningsfog på ett enda ställe. Denna metod tillämpas på plåtkomponenter som har en tjocklek på 3 mm (0.125 tum) eller mindre när en lufttät montering inte behövs. En sekvens av punktsvetsar används för att sammanfoga komponenterna. Även om runda elektroder är den vanligaste elektrodformen, kan fyrkantiga, hexagonala och andra former också användas, elektrodspetsen bestämmer storleken och formen på svetspunkten.
Den resulterande svetssvetsklumpen är vanligtvis mellan 5 och 10 mm (0.2 och 0.4 tum) i diameter, och basmetallerna är något bortom nuggeten där den värmepåverkade zonen sträcker sig. Svetssvetsens hållfasthet bör vara jämförbar med den omgivande metallen om den tillverkas korrekt. Följande figur illustrerar stegen som ingår i en punktsvetsningscykel.
Två primära materialkategorier används för att tillverka RSW-elektroder: legeringar baserade på koppar och sammansättningar av eldfasta metaller, som koppar och volfram. Den andra gruppens större slitstyrka är välkänd. Vid punktsvetsning, liksom i de flesta produktionsprocesser, åldras verktygen gradvis med användning. Elektroderna är tillverkade med interna vattenkylningskanaler om möjligt. Punktsvetsning kan utföras med en mängd olika verktyg och tekniker på grund av dess omfattande industriella användning. Apparaten består av bärbara punktsvetspistoler samt punktsvetsmaskiner med press- och vipparmstyp. Punktsvetsarna med vipparm har en övre elektrod som är rörlig och kan lyftas och sänkas för att underlätta lastning och lossning. Den nedre elektroden förblir stationär. Den övre elektroden är fäst vid en vipparm – därav namnet – vars rörelse styrs av arbetarens fotpedal.
Kraft och ström genom hela svetscykeln kan styras genom programmering i modern utrustning. Punktsvetsar med pressar är avsedda för tyngre jobb. En vertikal press som drivs av hydraulisk eller pneumatisk kraft producerar en rak linjerörelse för den övre elektroden. Större krafter kan användas tack vare pressverkan, och komplicerade svetscykler kan vanligtvis programmeras med hjälp av kontrollerna. Uppgiften överförs till de två föregående maskintyperna, som båda är stationära punktsvetsar. Det är utmanande att överföra och placera delen till stationära maskiner för massiva, tunga uppgifter. Bärbara punktsvetspistoler finns i en mängd olika storlekar och kombinationer för att passa dessa situationer. Två motsatta elektroder som hålls inuti en tångmekanism utgör dessa enheter. Eftersom varje föremål är lätt kan antingen en industrirobot eller en mänsklig arbetare gripa tag i och använda den. Flexibla elkablar och luftslangar används för att koppla kanonen till sin egen kraft- och styrkälla. Vid behov kan en vattenslang också användas för att ge vattenkylning för elektroderna. Punktsvetsning av bilkarosser är en vanlig uppgift för mobila punktsvetspistoler i bilmonteringsfabriker. Även om människor fortfarande använder vissa av dessa pistoler, är industrirobotar nu den teknik som föredras.
Motståndssömsvetsning (RSEW)
Resistansömsvetsning (RSEW) är en teknik som producerar en sekvens av överlappande punktsvetsar längs en överlappningsfog genom att använda roterande hjul snarare än stavformade elektroder som vid punktsvetsning. Denna procedur, som visas i figuren nedan, används ofta vid tillverkning av plåtbehållare, ljuddämpare för bilar och bensintankar eftersom den producerar lufttäta fogar. Även om punktsvetsning och RSEW i huvudsak är identiska, innebär RSEW ytterligare komplexitet på grund av hjulelektroderna och den kontinuerliga aspekten av operationen.
Den kontinuerliga driften i RSEW innebär att skarvarna måste ligga längs en rak eller jämnt böjd linje, eftersom skarpa hörn och diskontinuiteter kan utgöra utmaningar. Dessutom är skevhet av delarna ett större problem, vilket kräver fixturer för att hålla arbetsstyckena på plats och minimera distorsion.
Appliceringen av svetsströmmen och elektrodhjulens rörelse i RSEW bestämmer avståndet mellan svetsnuggets. I den mest populära tekniken, kallad kontinuerlig rörelsesvetsning, uppnås lämpligt avstånd mellan punktsvetsar genom att periodiskt pulsera strömmen medan hjulen roterar med konstant hastighet. Överlappande svetsområden är vanligtvis resultatet av denna konfiguration. Å andra sidan tillåter en process som kallas valspunktsvetsning att mellanrum uppstår mellan svetspunkterna om strömfrekvensen minskas. Alternativt kan en kontinuerlig svetsfog uppnås genom att bibehålla en konstant svetsström. Figuren nedan visar dessa variationer.
En annan RSEW-variant är intermittent rörelsesvetsning, där varje punktsvetsning utförs genom att elektrodhjulet stannar regelbundet. Avståndet mellan svetsområdena bestäms av hjulets rörelse mellan stoppen, vilket resulterar i mönster som liknar de i figur (a) och (b) ovan.
Medan elektrodhjul används istället för stavformade elektroder, liknar sömsvetsmaskiner punktsvetsmaskiner av presstyp. Under RSEW krävs ofta kylning för arbetsstycket såväl som elektrodhjulen. Vatten riktas vanligtvis mot ovansidan och undersidan av arbetsstyckets ytor i närheten av elektrodhjulen för att åstadkomma denna kylning.
Resistansprojektionssvetsning (RPW)
Resistansprojektionssvetsning (RPW) är en resistanssvetsningsprocess där koalescens sker vid små, förutbestämda kontaktpunkter på de delar som ska sammanfogas. Dessa kontaktpunkter kan vara utsprång, präglingar eller lokala förbindelser som är inbyggda i själva delarna. Till exempel, när man sammanfogar två plåtkomponenter kan den övre komponenten konstrueras med försänkta kanter som kommer i första kontakt med den nedre komponenten, som visas i figuren nedan. Kostnadsminskningarna från svetsning kan balansera präglingsproceduren, trots att det ser ut som att det ökar delens kostnad.
Motståndsprojektionssvetsning finns i två varianter, vilka visas i figuren nedan. En variant gör det möjligt för RPW att permanent länka fästelement med formade eller maskinbearbetade utskjutande delar till en plåt eller plåt, vilket gör framtida monteringsprocedurer enklare. För tillverkning av svetsade trådföremål som kundvagnar, spisgrillar och trådstängsel används en annan version som kallas korstrådssvetsning. De runda trådarnas beröringsytor fungerar som utskjutande delar i denna process och hjälper till att lokalisera den motståndsvärme som behövs för svetsning.
Andra motståndssvetsningsoperationer
Utöver de huvudsakliga motståndssvetsningsprocedurerna som tidigare behandlats, faller följande alternativa metoder under denna kategori och bör också erkännas: blixtsvetsning (FW), stuksvetsning (UW), slagsvetsning (PEW) och högfrekvent motståndssvetsning (HFRW).
Blixtsvetsning (FW)
Flashsvetsning (FW) används huvudsakligen för stumfogar. Processen innebär att ytorna som ska svetsas förs tätt samman och värms upp till smältpunkten med hjälp av elektrisk ström. Beroende på graden av ytkontakt involverar denna process ljusbågsbildning, ibland kallad flashing. FW ingår därför ibland i gruppen ljusbågssvetsning. Ytorna tvingas samman för att producera svetsen efter uppvärmning, vilket ofta kräver ytterligare bearbetning för att garantera konsekventa fogdimensioner. FW används i snabba, ekonomiska processer, inklusive att sammanfoga trådändar vid tråddragning och stumsvetsning av stålband i valsverk.
Stucksvetsning (UW)
I likhet med FW kombinerar stuksvetsning (UW) uppvärmnings- och pressfaserna i en enda processcykel. Till skillnad från FW värms UW enbart upp genom elektriskt motstånd vid kontaktytorna – ljusbågsbildning ingår inte. När temperaturen når en temperatur under smältpunkten sammansmälter de kontaktande ytorna under ökat tryck, vilket gör att materialen i kontaktområdet störs. Även om UW delar flera tillämpningar med FW, såsom att sammanfoga tråd, rör och slangar, är det inte direkt en smältsvetsteknik som några av de andra som nämns.
Slagsvetsning (PEW)
I likhet med FW använder slagsvetsning (PEW) otroligt korta svetscykler – mellan en och tio millisekunder. När elektrisk energi plötsligt frigörs mellan ytor som behöver sammanfogas sker en snabb uppvärmning. Komponenterna smälts sedan samman genom att applicera en slagkraft. För elektroniska tillämpningar där kompakt storlek och intilliggande komponenter som är känsliga för värme är avgörande är PEW:s lokaliserade uppvärmning perfekt.
Högfrekvent motståndssvetsning (HFRW)
Högfrekvent växelström används vid högfrekvent resistanssvetsning (HFRW) för att värma metallytorna innan en stukkraft appliceras för att avsluta svetsen. Denna teknik, som arbetar vid frekvenser från 10 till 500 kHz, garanterar att skinneffekten av högfrekventströmmen koncentrerar värmen vid svetsfogen. I en jämförbar procedur som kallas högfrekvent induktionssvetsning (HFIW) används en induktionsspole för att skapa ström istället för att skapa direkt elektrisk kontakt. För kontinuerliga svetsuppgifter, som att sammanfoga längsgående sömmar på metallrör, är HFRW och HFIW lämpliga. Dessa tekniker är användbara för en mängd olika industriella processer på grund av deras förmåga att producera konsekventa svetsar av hög kvalitet i höghastighetstillverkningssituationer.
Referensprojekt
Groover, MP, 2010. Grunderna i modern tillverkning: Material, processer och system. 4:e uppl. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
