فرآیند جوش نقطه‌ای

فرآیند جوش نقطه‌ای(1)  RESISTANCE SPOT WELDING

جوش نقطه‌ای یکی از پرکاربردترین نوع جوش مقاومتی می‌باشد. این فرآیند برای اتصال ورق‌های لب روی هم، یا سیم به ورق و یا سیم بر روی سیم بکار برده می شود و در آن قطعه کار بین الکترودها تحت فشار قرار گرفته و جریان توسط تراسفورماتور و بازوها از الکترودها و سپس قطعه کار عبور می کند، این فرآیند کاربرد زیادی در صنایع لوازم خانگی و اتومبیل سازی دارد. در این جوش اتصال دو سطح توسط حرارت و فشار تواماً انجام می گیرد که وقتی جریان الکتریکی از میان دو قطعه فلزی که بهم چسبیده اند عبورمی کند، مقاومت زیاد موضعی موجب تولید گرمای فوق العاده زیادی می شود. در صورتی که جریان کافی بکار رود، فلزات مورد استفاده ابتدا در حالت خمیری قرار گرفته و سپس ذوب می شوند. اگر هنگامی که دو فلز در حالت خمیری یا مذاب قرار دارند به یکدیگر فشار داده شوند و تا کمی بعد از قطع جریان و خنک شدن در همان وضعیت باقی بمانند، دو قطعه در هم آمیخته شده و به صورت یک قطعه واحد در می آیند، که در این حالت جوش بصورت دکمه یا دیسک هایی بین دو لایه ورق بوجود می آید که با توجه به سرعت انجام این عمل، بسیاری از خواص فیزیکی آنها دست نخورده باقی خواهند ماند.

عوامل موثر بر جوش نقطه‌ای  :  

تولید گرما در یک تماس الکتریکی به سه فاکتور بستگی دارد که با این فرمول نشان می‌دهیم Q = RTI²

I = شدت جریان بر حسب آمپر

R = مقاومت بر حسب اهم

T = زمان بر حسب ثانیه

Q = حرارت بر حسب ژول

فاکتورهای شدت جریان و زمان از طریق دستگاه جوش قابل کنترل هستند، اما مقاومت الکتریکی به عوامل مختلف بستگی دارد از جمله:

جنس و مقاومت قطعه کار

فشار بین الکترودها

اندازه و فرم و جنس الکترودها

چگونگی سطح کار (صافی و تمیزی آن)

کاربرد صحیح جوش نقطه ای به عملکرد مناسب و کنترل متغیرهای زیر بستگی دارد:

جریان (current)

فشار (pressure)

زمان (time)

مساحت نوک الکترود (contact area electrode)

تعادل حرارتی

اثر مقاومت ها:

در یک پروسه نقطه جوش 7 مقاومت الکتریکی وجود دارد که در شکل زیر می بینید.

مقاومت 1 و 7 مقاومت الکتریکی در الکترودها و هادی ها تا سر ثانویه می باشد . مقاومت 2 و 6 مقاومت الکتریکی تماس الکترود و فلز اصلی است بزرگی این مقاومت به کیفیت سطح در فلز پایه  و الکترود بستگی دارد . این مقاومت ناخواسته بوده و باید حتی المقدور آنرا کاهش داد . تمیزی سطح کار و الکترود و نیروی فشاری وارد بر الکترود عوامل تقلیل دهنده این مقاومت می باشند. مقاومت های 3 و 5 مجموع مقاومت های خود فلز پایه است که مقاومت نسبت مستقیم با ضخامت و نسبت معکوس با سطح مقطعی که جریان از آن عبور می کند دارد. ( R = p L/A ) این مقاومت ها به ضریب مقاومت الکتریکی و درجه حرارت قطعه کار نیز بستگی دارند. مقاومت 4 مقاومت تماس دو ورق مهمترین قسمت است که بالاترین مقاومت بوده و از آنجایی که حرارت تولید شده در این نقطه کمتر منتقل می گردد باعث ایجاد جوش در این ناحیه می شود. فلزات دارای مقاومت الکتریکی کم بوده و درنتیجه مقاومت های اهمیت بیشتری پیدا می کنند.

نکته: در محل تماس الکترود و فلز به دو دلیل دما بالا نمی رود:

سطح الکترود تمیز شده لذا اتصال بین الکترود و فلز در نقاط کمتری اتفاق می افتد.

الکترود مسی با آب سرد می شود.

اثر جریان:

به دلیل توان دو، جریان الکتریکی بیشترین اثر را در ایجاد گرما دارد که افزایش آن باعث افزایش جنبش مولکولی و افزایش مقاومت جوش می شود، ولی اگر جریان بیش از اندازه گردد حرارت در ناحیه جوش بسیار بالا رفته و ذوب فلز تا سطح آن گسترش می یابد و فضای خارج از الکترود ذوب شده و در نتیجه باعث پاشیدن فلز مذاب می گردد. پس در این جوش، به جریان کافی برای گرم کردن فلزات و رساندن آنها به حد خمیری نیاز است. مقدار جریان برای جوش را با توجه به ضخامت ورق و کلاس جوش می توان با استفاده از قسمت کنترل جریان که بر روی دستگاه پیش بینی شده است، تنظیم کرد.

اثر حرارت:

مجموع حرارت تولید شده متناسب با زمان جوش است بالاجبار مقداری از حرارت به وسیله انتقال به فلز پایه الکترودها تلف خواهد شد، مقدار کمی از تلفات نیز به وسیله تشعشع است. طولانی شدن بیش از اندازه زمان جوش همان اثر شدت جریان بیش از اندازه را بر روی فلز اصلی و الکترودها می گذارد از این گذشته اثری که در فلز پایه در ناحیه جوش به وجود می آید بیش از اندازه خواهد شد. کم بودن زمان جوش باعث می گردد ناحیه ذوب به دمای مناسب نرسد و در نتیجه عدسی جوش تشکیل نشده یا عدسی تشکیل شده در حد مطلوب نباشد.

اثر فشار:

در تهیه جوش مقاومتی به دو سری فشار نیاز داریم:

الف) فشار جوش    ب) فشار چکشی

الف) فشار جوش :  

تأثیر مقاومت R در فرمول حرارت به صورت فشار جوشکاری نمایان می شود که آن نیز متأثر از مقاومت سطح تماس بین قطعات کار است. قطعات کار در عملیات نقطه جوش، درز جوش و پرس جوش بایستی محکم به یکدیگر در محل جوش بچسبند تا جریان الکتریکی قادر باشد از آنها عبور کند. با افزایش فشار، مقاومت تماس و حرارت تولید شده در فصل مشترک کاهش می یابد. با کاهش حرارت در سطح، شدت جریان و زمان جوش بایستی افزایش یابد تا کاهش مقاومت جبران شود. با افزایش فشار، نسبت بین سطح تماس حقیقی به سطح تماس اسمی افزایش یافته و لذا مقاومت کم می گردد. کاهش فشار بیش از اندازه باعث می شود سطح تماس واقعی دو فلز کم شده و در نتیجه دانسیته جریان بالا رفته و حرارت بیش از اندازه تولید می گردد از سوی دیگر فشار مذاب بین دو قطعه باعث پرتاب شدن مذاب به خارج از ناحیه جوش شده و در جوش جرقه ایجاد می کند.

) فشار چکشی:

 ب

فشاری است که بعد از قطع جریان جوشکاری، قطعات مورد نظر به هم وارد می کنند.

تعادل حرارتی:

تعادل حرارتی هنگامی رخ می دهد که ارتفاع ذوب (نفوذ) در دو قطعه کار یکسان باشد. در اکثر کاربردها این حالت اتفاق می افتد ولی در بسیاری از موارد به علل ذیل تعادل حرارتی اتفاق نمی افتد.

نسبت ضریب هدایت حرارتی و الکتریکی قطعات که به هم متصل شده اند.

نسبت هندسی در قسمت های اتصال ضریب الکتریکی و حرارتی درالکترودها شکل هندسی الکترودها هنگامی که قطعات جوش داده می شوند، اگر اختلاف ترکیبی یا اختلاف ضخامت یا هر دوی اینها را داشته باشند حرارت نامتقارن خواهد بود. در بسیاری از حالات با طراحی قسمت ها و جنس الکترود، عدم تعادل حرارتی می تواند مینیم گردد. اغلب تعادل حرارتی با کوتاه کردن زمان جوش یا استفاده از جریان های پایین تر که جوش قابل قبولی را می سازد، بهبود می یابد.

سیکل جوشکاری:

در حین جوش نقطه ای چهار فاصله زمانی وجود دارد:

زمان فشار قبل از جوش: فاصله زمانی ما بین وارد آمدن نیرو تا بکار گرفتن جریان. این زمان برای اطمینان از اتصال کامل الکترودها به قطعه کار و کامل شدن نیروی الکترود قبل از برقراری جریان جوش است.

زمان جوش: زمانی که جریان برای ایجاد یک جوش داخل قطعه برقرار می گردد.

زمان نگه داشتن بعد از جوش: زمانی که بعد از قطع جریان الکترودها هنوز بر روی قطعه کار قرار دارند. در خلال این زمان عدسی جوش جامد و سرد شده و مقاومت آن به حد کفایت می رسد.

زمان خاموش: فاصله زمانی بین آزاد شدن الکترودها پس از خنک شدن جوش و آغاز سیکل بعدی را می گویند.

برای اصلاح خواص مکانیکی و فیزیکی جوش می توان یکی یا بیش از یکی از حالت های زیر را در سیکل جوش ایجاد نمود.

نیروی پیش فشار برای قرار گرفتن الکترودها و قطعات کار با هم

عملیات پیش گرم برای کاهش دادن گرادیان دما در زمان شروع جوشکاری

زمان سرد کردن و عملیات حرارتی برای بدست آوردن خواص مقاومتی جوش آلیاژهای فولاد سخت شونده

عملیات پس گرم برای تنظیم کردن اندازه دانه جوش در فولادها

جریان آرام برای سرد شدن (به ویژه در آلیاژهای آلومینیم)

از نظر اقتصادی لازم است که فاکتور زمان حتی المقدور کاهش یابد.

مساحت نوک الکترود:

اندازه جوش بوسیله مساحتی که در تماس با نوک الکترودها است کنترل می شود و این مساحت را می توان متناسب با نیازهای هر کار و با استفاده از زوج الکترودهای گوناگون به دلخواه تغییر داد.

چگالی جریان فشار:

از حاصل تقسیم مقدار جریان عبوری بر سطح مقطع چگالی جریان الکتریکی بر حسبA/mm2 و از تقسیم مقدار نیرو به سطح مقطع چگالی نیرو بر حسب Kg/mm2بدست می آید. چگالی جریان در واقع بیانگر دو پارامتر مقدار جریان و سطح الکترود در جوشکاری است. انتخاب مقدار مناسب چگالی جریان باعث افزایش راندمان جوش و کم کردن اتلاف انرژی می گردد. هنگامی که چندین نقطه جوش ایجاد شد معمولاً سطح الکترود قارچی شده و باعث می گردد چگالی جریان الکتریکی از حد مجاز کمتر شده و جوش انجام نشود. برای رفع این نقیصه در سیستم های فرمان افزایش پله ای یا یکنواخت جریان مناسب با تعداد جوش پیش بینی می گردد و در مورد چگالی نیرو نیز با افزایش سطح مقطع الکترود چگالی کاهش پیدا کرده و باعث عدم اجرای جوش می گردد و برای رفع آن از رگولاتورهای تنظیم کننده فشار استفاده می شود.

تجهیزات جوش نقطه ای:

دستگاه های جوشکاری مقاومتی شامل دو واحد کلی است: واحد الکتریکی (حرارتی) و واحد فشاری (مکانیکی). اولی باعث بالا بردن درجه حرارت موضع مورد جوش و دومی سبب ایجاد فشار لازم برای اتصال دو قطعه لب روی هم در محل جوش است. منبع معمولی تامین انرژی الکتریکی، جریان متناوب 220 یا 250 ولت است که برای پایین آوردن ولتاژ و افزایش شدت جریان (به مقدار مورد نیاز برای جوشکاری مقاومتی) از ترانسفورماتور استفاده می شود. جریان الکتریکی از طریق دو الکترود (فک ها) به قطعه کار و موضع جوش هدایت می شود که معمولاً الکترود پایین ثابت و بالایی متحرک است. الکترودها همانند گیره یا فک ها دو قطعه را در وضعیت لازم گرفته و جریان الکتریکی برای لحظه معین عبور می کند که سبب ایجاد حرارت موضعی، زیر دو الکترود در سطح مشترک دو ورق می شود. جریان الکتریکی در سطح تماس باعث ذوب منطقه کوچکی از دو سطح شده و پس از قطع جریان و اعمال فشار معین و انجماد آن، دو قطعه به یکدیگر متصل می شوند. بخش دیگری از دستگاه های جوش مقاومتی را سیستم های جوش فرمان تشکیل می دهند. این سیستم ها که وظیفه کنترل زمان و جریانی پروسه را بر عهده دارند از دو بخش قدرت و فرمان تشکیل شده اند.

بخش فرمان آنها امروزه از مدارهای میکروپروسسورها تشکیل شده که جریان جوشکاری با دقت سیکل برق شهر و کمتر از آن کنترل می کنند. بخش قدرت این سیستم معمولاً از یک مدار تایرستوری با کلیدهای ظرفیتی بالا و حفاظت جان و تجهیزات برای قرایت جریان الکتریکی ثانویه تشکیل شده است. این سیستم ها معمولاً با برق AC کار کرده و در برخی از ماشینها پس از تولید جریان AC رکتیفایرهای خاص، جریان تبدیل به DC می گردد. ماشین های جوش مقاومتی به سه دسته اصلی تقسیم می شوند:

ماشین های ایستگاهی مانند انواع نقطه جوش های ایستگاهی پرس جوش و … این ماشین ها در محل خود مستقر شده و قطعه کار توسط اپراتور با یک سیستم اتوماسیون در داخل آنها جوشکاری می شوند.

ماشین های قابل حمل که به دو گروه ترانس جدا و ترانس سر خود تقسیم می شوند. در این نوع ماشین ها قطعه کار داخل جیگ و فیکسچرها ثابت شده و دستگاه جوش نقطه مشخص شده را جوش می دهد.

ماشین مخصوص مانند اتوگانها و روبوگانها یا دستگاه های ویژه ای که در کاربردهای خاص به کار گرفته می شوند.

ساختمان گان جوشکاری:

مهمترین قطعات به کار رفته در یک گان جوشکاری از این قرارند:

چهارچوب، انبر، بازوها، جک بادی، ترانس، شیرهای هوا، سنسورهای القایی، میله راهنمایی سنسورها، پایدار کننده های بادی، ضربه گیر، اتصال رابط به گریپر و ...

مدار آب:

برای خنک کاری بازوها، انبر و نیز ترانس در هر تفنگ جوشکاری، لازم است تا یک مدار گردش آب در نظر گرفته شود.

مدار بیرونی آب:

 مدار بیرونی آب، شامل یک خط لوله برگشت است که آب در مدار رفت، نخست به یک صافی وارد می شود، سپس از یک شیر قطع جریان می گذرد که با دریافت سیگنال، سیم پیچ مغناطیسی آن، محور فلزی درونش را به جلو می راند و بدین روی، جریان آب ورودی به مدار،  قطع می گردد. آب ورودی به تفنگ جوشکاری پس از انجام خنک کاری از آن خارج شده، به یک شیر سنجش مقدار جریان وارد می شود. در صورتی که مقدار جریان کمتر از اندازه مجاز باشد، این شیر، جریان آب را می بندد. پس از عبور آب از این شیر، یک نشانگر جریان، باز بودن مدار خروج آب را نمایش می دهد.

مدار درونی آب:

 مدار درونی ابزار جوشکاری، شامل راهروهای باریکی است که در بازوها، انبر، قطعات واسطه و نیز پوسته بیرونی ترانس تعبیه شده اند و به کمک شیلنگ های کوچکی به هم متصل شده اند؛ به طوری که آب خنک از طریق شلینگ به یک سر هر یک از قطعات نامبرده وارد می شود و از سر دیگر آن خارج می شود. لازم به توضیح است که مطابق شکل زیر، در قطعه انتهایی بازوها، آب از یک لوله باریک فلزی یا پلاستیکی که در راهروی درونی قطعه نصب شده است به طرف نوک الکترود حرکت می کند و پس از خنک کردن نوک الکترود از فضای خالی میان سطح بیرونی لوله نازک و سطح درونی به طرف عقب بر می گردد و از قطعه خارج می شود.

مدار باد: 

مدار بیرونی باد:

مدار باد، از نقطه ورود به سلول تا نقطه پایانی مصرف در جک تفنگ جوشکاری، را گفته می شود. در آغاز مسیر باد، یک شیر گازی برای قطع سریع جریان باد پیش بینی شده است. سپس شلنگ کشی تا ابتدای واحد مراقبت انجام شده است. پیش از ورود باد به این دستگاه، یک انشعاب برای دستگاه تراش نوک الکترود گرفته شده است. این دستگاه در دو گونه برقی و بادی وجود دارد که در گونه دوم، محرک تیغچه تراشکار، نیروی باد است. علاوه بر این، از جریان باد برای زدودن تراشه های نوک الکترود از روی تیغچه نیز استفاده می گردد.

باد پس از ورود به واحد مراقبت، تمیز می شود و اندکی روغن روانساز به آن زده می شود استفاده می گردد. باد پس از ورود به واحد مراقبت، تمیز می شود و اندکی روغن روانساز به آن زده می شود تا برای استفاده در شیرها و جک بادی آماده گردد. در ابتدای مسیر خروجی باد از واحد مراقبت، یک شیر کنترل فشار نصب شده تا در صورت افت فشار خط از یک میزان قابل تنظیم، جریان را به کمک سیم پیچ مغناطیسی و محور متحرکش قطع نماید. بدین ترتیب که پیچ تنظیم آن را بر روی فشار دلخواه (کمترین مقدار مجاز) قرار می دهیم. اگر فشار باد از این میزان کمتر شود، یک سیگنال به کنترل کننده فرستاده می شود و متعاقباً سیگنال دیگری به شیر باز برمی گردد که جریان را در سیم پیچ برقرار می نماید. در اثر تشکیل میدان مغناطیسی در سیم پیچ، هسته، فریتی (محور متحرک) به جلو رانده می شود و جلوی عبور هوا را می گیرد تا مدار باد، بسته شود.

مدار درونی باد:

 پس از عبور از شیر کنترل فشار، باد از طریق شلنگ به بالای روبات که محل نصب صفحه نگهدارنده شیرها است، هدایت می شود و به ورودی مشترک شیرهای فرمان می رسد.

در این موضع در گان های دو مرحله ای به ترتیب (4) حرکت دهنده مرحله یکم یا حرکت MX شیر (5) حرکت دهنده، مرحله دوم یا حرکت Gun Action و شیر (6) تامین کننده فشار لازم برای بازگشت سریع یا Back – Pressure Remove قرار دارند. در گانهای یک مرحله ای  فقط دومین شیر (شیر شماره 5) نصب شده است. برای کاستن از صدای نامطلوب باد به هنگام تخلیه از شیرها نیز دو عدد صدا خفه کن (7) در محل خروجی های مشترک شیرها به کار گرفته شده اند. لازم به ذکر است که در برخی گان های جوشکاری، از دو شیر فرمان که بر روی خود گان جای داده شده اند، همراه با شیرهای تخلیه سریع (8) که در مجراهای ورودی و خروجی جک نصب شده اند، استفاده شده است تا حرکت سریع پیستون جک، در رفت و برگشت تامین شود.

چگونگی عملکرد گان جوشکاری:

عملکرد این وسیله، بسته به این که نیروی محرک آن باد باشد یا الکتریسیته، متفاوت است. در نوع بادی، با هدایت جریان هوا به ابتدا و انتهای سیلندر یا جک، حرکت خشن رفت و برگشتی پیستونی جک انجام می پذیرد که می توان با استفاده از شیر تناسبی نیروی اعمالی میان دو سر الکترودها را تنظیم نمود ولی کنترل سرعت حرکت این الکترودها نیازمند به کار بردن دو قطعه، کنترل دبی هوا در مجراهای ورودی و خروجی جک است. البته سرعت حرکت پیستون با این روش در تمام طول مسیر، به صورت یکنواخت باقی می ماند و تنظیم سرعت های مختلف حرکتی در خلال فرایند باز شدن یا بسته شدن جک امکان پذیر نیست. در مواردی که چنین نیازی وجود داشته باشد، از تفنگ جوشکاری با محرک سرو ـ موتور استفاده می شود. در این دسته از ابزارهای جوشکاری می توان با تغییر جریان الکتریکی، سرعت حرکت الکترودها را تنظیم نموده و در هر نقطه از مسیر رفت و برگشت الکترودها را متوقف نمود. این قابلیت سبب می گردد تا زمان مورد نیاز برای پوشاندن یک چرخه کاری، به کمترین مقدار خود برسد. چرا که پس از اعمال هر نقطه جوش ، برای اعمال نقطه جوش بعدی بر روی قطعه کار، الکترودها به اندازه کمترین مقدار لازم از هم باز می شوند و نیازی نیست که تا انتهای کورس خود ، از هم دور شوند. بدین ترتیب ، زمان اتلافی برای موضع گیری ابزار به هنگام اعمال هر نقطه جوش جدید کاهش می یابد. این صرفه جویی زمانی، در برخی موارد که چرخه کاری زمانی یک روبات برای اعمال کلیه نقطه جوش های آن ایستگاه، فشرده است می تواند بسیار راهگشا واقع گردد. از دیگر مزایای این گونه گان های جوشکاری، کم صدا بودن آنها در مقایسه با گونه بادی است. چون هم از صدای تخلیه هوا خبری نیست و هم الکترودها بدون ضربه به هم برخورد می کنند. چرا که با کاهش شتاب حرکت الکترودها در انتهای مسیرشان، از کوبیده شدن نوک الکترودها برهم جلوگیری می شود و بر خلاف گان های بادی، حرکت در این دستگاه ها نرم و بدون ضربه است. این ویژگی علاوه برآن که عمر الکترودها را افزایش می دهد، سبب می گردد تا جوش با کیفیتی نیز حاصل شود، چون فرورفتگی در موضع جوش برای یک جوش خوب با توجه به ضخامت ورق ها نباید از میزان مشخصی بیشتر شود. این دستاورد با تنظیم جریان گیرش به هنگام نزدیک شدن نوک الکترودها به همدیگر و در نتیجه تنظیم نیروی اعمالی، مضاعف می گردد. به دلیل عدم اتلاف هوای فشرده در مقایسه با گان های بادی، بازده انرژی در این دستگاه ها 75% بیشتر از مورد مشابه بادی است که رقم بسیار قابل توجهی است.

ویژگی آب:

آب باید از هرگونه ذرات معلق و رسوبات عاری باشد، در صورت وجود رسوب، باعث کاهش سطح مقطع عبوری و ایجاد عایق و سوزاندن ترانس ها می شود.

دمای آب ورودی و خروجی، اختلاف فشار بین ورودی وخروجی، میزان دبی عبوری، سختی آب، ترکیب شیمیایی و آلودگی های فیزیکی از جمله نکاتی هستند که چنانچه مورد دقت قرار نگیرند آسیب جدی به دستگاه ها وارد خواهد شد