Zgrzewanie elektryczne - Electric resistance welding
Elektryczne zgrzewanie oporowe ( ERW ) to proces zgrzewania , w którym stykające się części metalowe są trwale łączone poprzez nagrzewanie ich prądem elektrycznym, topienie metalu na złączu. Spawanie elektrooporowe jest szeroko stosowane, na przykład przy produkcji rur stalowych oraz przy montażu nadwozi samochodów. Prąd elektryczny może być dostarczany do elektrod, które również wywierają nacisk zaciskający, lub może być indukowany przez zewnętrzne pole magnetyczne. Proces zgrzewania elektrooporowego można dodatkowo sklasyfikować ze względu na geometrię spoiny i sposób wywierania nacisku na złącze: na przykład zgrzewanie punktowe, zgrzewanie liniowe, zgrzewanie rzutowe, zgrzewanie garbowe. Niektóre czynniki wpływające na ciepło lub temperaturę spawania to proporcje obrabianych przedmiotów, powłoka metalowa lub brak powłoki, materiał elektrody, geometria elektrody, siła docisku elektrody, prąd elektryczny i długość czasu spawania. Małe kałuże stopionego metalu tworzą się w punkcie największego oporu elektrycznego (powierzchniach łączących lub „spajających”), gdy przez metal przepływa prąd elektryczny (100–100 000 A ). Ogólnie metody zgrzewania oporowego są wydajne i powodują niewielkie zanieczyszczenie, ale ich zastosowanie ogranicza się do stosunkowo cienkich materiałów.
Zgrzewanie punktowe
Zgrzewanie punktowe to metoda zgrzewania oporowego stosowana do łączenia dwóch lub więcej nakładających się blach, kołków, występów, wieszaków przewodów elektrycznych, niektórych żeberek wymiennika ciepła i niektórych rurek. Zazwyczaj źródła prądu i sprzęt spawalniczy są dobierane do określonej grubości i spawanego materiału. Grubość jest ograniczona przez moc źródła spawalniczego, a tym samym zakres wyposażenia ze względu na prąd wymagany dla każdego zastosowania. Dołożono starań, aby wyeliminować zanieczyszczenia między powierzchniami łoża. Zwykle dwie miedziane elektrody są używane jednocześnie do zaciskania razem blach i przepuszczania prądu przez arkusze. Gdy prąd przepływa przez elektrody do blach, generowane jest ciepło ze względu na wyższy opór elektryczny, w którym powierzchnie stykają się ze sobą. Ponieważ rezystancja elektryczna materiału powoduje gromadzenie się ciepła w obrabianych elementach między elektrodami miedzianymi, wzrost temperatury powoduje wzrost oporu i powoduje powstanie stopionego jeziorka znajdującego się przez większość czasu między elektrodami. Ponieważ ciepło rozprasza się w elemencie obrabianym w czasie krótszym niż sekunda (czas zgrzewania oporowego jest zwykle programowany jako ilość cykli prądu przemiennego lub milisekund), stan stopionego lub plastycznego narasta, aby dopasować się do końcówek spawalniczych. Po zatrzymaniu prądu miedziane końcówki schładzają zgrzew punktowy, powodując krzepnięcie metalu pod ciśnieniem. Chłodzone wodą miedziane elektrody szybko usuwają ciepło powierzchniowe, przyspieszając krzepnięcie metalu, ponieważ miedź jest doskonałym przewodnikiem . Oporowego punktowego zgrzewania zwykle wykorzystuje energię elektryczną w postaci prądu stałego , prądu zmiennego , średniej częstotliwości bezpośredniego prądu półokresowym lub wysokiej częstotliwości półfali prądu stałego.
Jeśli nadmierne ciepło jest przykładane lub przykładane zbyt szybko, lub jeśli siła między materiałami bazowymi jest zbyt mała lub powłoka jest zbyt gruba lub zbyt przewodząca, wówczas stopiony obszar może rozciągać się na zewnątrz obrabianych elementów, unikając siły ograniczającej elektrod (często do 30000 psi). To rozerwanie stopionego metalu nazywa się wydaleniem, a kiedy to nastąpi, metal będzie cieńszy i będzie miał mniejszą wytrzymałość niż spoina bez wypychania. Powszechną metodą sprawdzania jakości spoiny jest test odrywania. Alternatywnym testem jest próba rozciągania pod napięciem, która jest znacznie trudniejsza do wykonania i wymaga skalibrowanego sprzętu. Ponieważ oba testy mają charakter destrukcyjny (powodując utratę materiału nadającego się do sprzedaży), metody nieniszczące, takie jak ocena ultradźwiękowa, znajdują się na różnych etapach wczesnego zastosowania przez wielu producentów OEM.
Zalety tej metody obejmują efektywne wykorzystanie energii , ograniczone odkształcenia przedmiotu obrabianego , wysokie szybkości produkcji, łatwą automatyzację i brak wymaganych materiałów wypełniających. Gdy wymagana jest duża wytrzymałość na ścinanie , spawanie punktowe jest stosowane zamiast bardziej kosztownych połączeń mechanicznych, takich jak nitowanie . Podczas gdy wytrzymałość na ścinanie każdej spoiny jest wysoka, fakt, że punkty spoiny nie tworzą ciągłego szwu oznacza, że ogólna wytrzymałość jest często znacznie niższa niż w przypadku innych metod spawania, co ogranicza użyteczność procesu. Jest szeroko stosowany w motoryzacji - samochody mogą mieć kilka tysięcy zgrzewów punktowych. Do zgrzewania punktowego stali nierdzewnej można zastosować wyspecjalizowany proces zwany zgrzewaniem śrutowym .
Istnieją trzy podstawowe typy połączeń zgrzewania oporowego: w stanie stałym, stapianie i lutowanie rozpływowe. W spoiwie w stanie stałym , zwanym również spojeniem termo-kompresyjnym, różne materiały o odmiennej strukturze ziarna, np. Molibden z wolframem, są łączone przy użyciu bardzo krótkiego czasu nagrzewania, dużej energii spawania i dużej siły. Występuje niewielkie topnienie i minimalny wzrost ziarna, ale wyraźne wiązanie i granica między ziarnami. W ten sposób materiały faktycznie łączą się w stanie stałym. Materiały związane zazwyczaj wykazują doskonałą wytrzymałość na ścinanie i rozciąganie, ale słabą wytrzymałość na odrywanie. W przypadku spoiwa termojądrowego , zarówno podobne, jak i niepodobne materiały o podobnej strukturze ziaren są podgrzewane do temperatury topnienia (stanu ciekłego) obu. Późniejsze chłodzenie i połączenie materiałów tworzy „samorodek” stopu dwóch materiałów o większym rozrostie ziaren. Zwykle do wytworzenia połączeń spawanych stosuje się wysokie energie spawania przy krótkim lub długim czasie spawania, w zależności od właściwości fizycznych. Klejone materiały zwykle wykazują doskonałą wytrzymałość na rozciąganie, odrywanie i ścinanie. W przypadku lutowania rozpływowego ogrzewanie oporowe niskotemperaturowego materiału lutowniczego, takiego jak złoto lub lut, jest stosowane do łączenia różnych materiałów lub bardzo różnych kombinacji materiałów grubych / cienkich. Materiał lutowniczy musi „zwilżyć” każdą część i mieć niższą temperaturę topnienia niż dwa elementy obrabiane. Powstałe wiązanie ma określone granice graniczne z minimalnym wzrostem ziarna. Zwykle proces ten wymaga dłuższego (od 2 do 100 ms) czasu nagrzewania przy niskiej energii spawania. Powstałe spoiwo wykazuje doskonałą wytrzymałość na rozciąganie, ale słabą wytrzymałość na odrywanie i ścinanie.
Spawanie szwów
Spawanie oporowe to proces, w wyniku którego powstaje spoina na powierzchniach stapiania dwóch podobnych metali. Szew może być łączony na styk lub na zakładkę i jest zwykle procesem automatycznym. Różni się od spawania łukowego tym, że spawanie łukowe zwykle spawa całe złącze naraz, a spawanie liniowe tworzy spoinę stopniowo, zaczynając od jednego końca. Podobnie jak zgrzewanie punktowe, spawanie liniowe opiera się na dwóch elektrodach, zwykle wykonanych z miedzi, do przykładania ciśnienia i prądu. Elektrody mają często kształt dysku i obracają się, gdy materiał przechodzi między nimi. Pozwala to elektrodom na stały kontakt z materiałem w celu wykonywania długich ciągłych spoin. Elektrody mogą również przesuwać lub wspomagać ruch materiału.
Transformator dostarcza energię do złącza spawanego w postaci niskonapięciowego, wysokoprądowego prądu przemiennego. Połączenie przedmiotu obrabianego ma wysoką rezystancję elektryczną w stosunku do reszty obwodu i jest podgrzewane do temperatury topnienia przez prąd. Częściowo stopione powierzchnie są dociskane do siebie pod wpływem ciśnienia zgrzewania, które tworzy połączenie stapiane, w wyniku czego powstaje jednolicie spawana struktura. Większość spawaczy wykorzystuje chłodzenie wodą przez zespoły elektrody, transformatora i sterownika ze względu na wytwarzane ciepło.
Spawanie szwów zapewnia niezwykle trwałą spoinę, ponieważ połączenie jest kute pod wpływem ciepła i ciśnienia. Prawidłowo spawane złącze utworzone przez zgrzewanie oporowe może z łatwością być mocniejsze niż materiał, z którego jest formowane.
Powszechnym zastosowaniem spawania liniowego jest produkcja okrągłych lub prostokątnych rur stalowych. Do produkcji stalowych puszek do napojów stosowano zgrzewanie szwów, ale nie jest już stosowane do tego, ponieważ nowoczesne puszki na napoje są wykonane z bezszwowego aluminium.
Istnieją dwa tryby spawania liniowego: przerywany i ciągły. Przy przerywanym spawaniu ściegiem koła przesuwają się do żądanego położenia i zatrzymują się, aby wykonać każdą spoinę. Proces ten trwa aż do osiągnięcia żądanej długości spoiny. W przypadku spawania ciągłego, koła toczą się dalej po wykonaniu każdej spoiny.
Spawanie oporowe o niskiej częstotliwości
Spawanie elektrooporowe o niskiej częstotliwości, LF-ERW , jest przestarzałą metodą spawania szwów w rurociągach naftowych i gazowych . Został wycofany w latach 70. XX wieku, ale od 2015 roku niektóre rurociągi zbudowane tą metodą pozostały w eksploatacji.
Rura zgrzewana elektrycznie (ERW) jest wytwarzana przez formowanie na zimno arkusza stali w cylindryczny kształt. Następnie pomiędzy dwiema krawędziami stali przepływa prąd w celu podgrzania stali do punktu, w którym krawędzie są ze sobą ściskane w celu utworzenia połączenia bez użycia materiału dodatkowego do spawania. Początkowo ten proces produkcyjny wykorzystywał prąd zmienny o niskiej częstotliwości do ogrzewania krawędzi. Ten proces o niskiej częstotliwości był używany od 1920 do 1970 roku. W 1970 roku proces niskiej częstotliwości został zastąpiony procesem ERW wysokiej częstotliwości, który zapewniał spoinę wyższej jakości.
Z biegiem czasu stwierdzono, że spoiny rur ERW o niskiej częstotliwości są podatne na selektywną korozję szwów, pęknięcia haczyków i niewystarczające spojenie szwów, więc ERW o niskiej częstotliwości nie jest już używany do produkcji rur. Proces o wysokiej częstotliwości jest nadal używany do produkcji rur do budowy nowych rurociągów.
Inne metody
Inne metody ERW obejmują spawanie lampy , odporność zgrzewania garbowego , a zakłócić spawania .
Spawanie łukowe to rodzaj zgrzewania oporowego, w którym nie są stosowane żadne spoiwa . Kawałki metalu, które mają być spawane, są rozstawiane w określonej odległości w oparciu o grubość materiału, skład materiału i pożądane właściwości gotowej spoiny. Do metalu doprowadzany jest prąd , a szczelina między dwoma częściami tworzy opór i wytwarza łuk wymagany do stopienia metalu. Gdy kawałki metalu osiągną odpowiednią temperaturę, są one ściskane razem, skutecznie je łącząc.
Zgrzewanie garbowe to modyfikacja zgrzewania punktowego, w której spoina jest lokalizowana za pomocą wypukłych sekcji lub występów na jednym lub obu łączonych elementach. Ciepło koncentruje się na występach, co pozwala na spawanie cięższych odcinków lub węższe rozstawienie spoin. Występy mogą również służyć jako środki do pozycjonowania przedmiotów obrabianych. Spawanie garbowe jest często stosowane do przyspawania kołków , nakrętek i innych gwintowanych części maszyn do metalowej płyty. Jest również często używany do łączenia skrzyżowanych drutów i prętów. Jest to kolejny wysokowydajny proces, w którym można wykonać wiele spoin garbowych poprzez odpowiednie zaprojektowanie i osadzenie.
Zobacz też
Bibliografia
Bibliografia
- Weman, Klas (2003), Podręcznik procesów spawalniczych , CRC Press, ISBN 0-8493-1773-8 .
Dalsza lektura
- O'Brien, RL (red.) (1991). Podręcznik spawalniczy Vol. 2 (8th ed.). Miami: American Welding Society. ISBN 0-87171-354-3 .Linki zewnętrzne