جوشکاری مقاومتی نقطه ای

نویسنده: خانم سیمین حاتمی – عصر مواد

جوشکاری مقاومتی (Resistance Spot Welding) با علامت اختصاری R.W یکی از مهم ترین فرایندهای جوشکاری بدون استفاده از مواد پر کننده یا سیم جوش است. در جوشکاری مقاومتی، جریان الکتریکی توسط الکترودها به موضع اتصال هدایت می شود. مقاومت فلزات در برابر عبور جریان الکتریکی، منجر به ایجاد حرارت و خمیری شدن موضع می گردد. در مرحله بعد با اعمال فشار توسط الکترودها، اتصال ایجاد شده و دو قطعه به هم متصل می شوند.

سه فرایند اصلی جوشکاری مقاومتی که کاربرد زیادی هم در صنعت دارند عبارتند از:

۱- جوشکاری مقاومتی نقطه ای (Resistance Spot Welding: RSW)

۲- جوشکاری مقاومتی غلطکی یا نواری (Resistance Seam Welding: RSEW)

۳- جوشکاری مقاومتی پیش طرحی (Projection Welding: PW)

جوش نقطه ای (spot) از اصلی ترین روش های جوشکاری ورق ها است و بیشترین کاربرد آن در اتصالات بدنه خودروها است. در جوشکاری مقاومتی نقطه ای، از جریان های بالا و ولتاژهای پایین استفاده می شود. در این روش فلز کاملاً ذوب نمی شود و در حالت خمیری، جریان قطع شده و نیروی فشاری به الکترودها، جهت فشردن موضع اتصال، اعمال می شود تا یک جزء فلزی کوچک دکمه مانند که ناگت (nugget) نامیده می شود، تشکیل شود. شکل زیر نحوه ایجاد جوش نقطه ای و تشکیل ناگت را نشان می دهد.

فرایند جوشکاری مقاومتی نقطه ای به شیوه های دستی، رباتیک و یا توسط ماشین های مخصوص جوش نقطه ای انجام می شود. در تیراژهای پایین، جوشکاری دستی و برای تیراژهای بالا از ربات ها و یا ماشین های مخصوص جوش نقطه ای استفاده می شود.

مراحل اصلی جوشکاری مقاومتی بدین شرح است:

۱- سیکل اعمال جریان: در این مرحله مقاومت فلز سبب ایجاد حرارت و خمیری شدن موضع اتصال و جوش خوردن آن می شود.

۲- سیکل اعمال فشار: در این مرحله جریان قطع شده و فشار اعمالی بر الکترودها سبب محکم شدن اتصال می شود.

۳- سیکل خنک شدن ناحیه اتصال: در این مرحله تا جامد شدن محل اتصال، فشار روی الکترودها حفظ می شود.

در نوشته های زیر از عصر مواد، شما می توانید ویدیوهایی از جوشکاری مقاومتی نقطه ای را ببینید:

مقدار حرارت حاصل شده در اثر عبور جریان مطابق رابطه Q=I²Rt است که در این رابطه I شدت جریان، t زمان عبور جریان و R مقاومت فلز است. پارامترهای شدت جریان و زمان از طریق ماشین جوشکاری قابل کنترل هستند ولی مقاومت به عوامل مختلفی مانند جنس و ضخامت قطعه کار، جنس الکترودها، فشار بین الکترودها، شکل ظاهری سر الکترود، کیفیت سطح اتصال از نظر صافی و زبری و … بستگی دارد.

پارامترهای مهم جوش نقطه ای به شرح زیر هستند:

شدت جریان: این پارامتر اثر بیشتری نسبت به مقاومت و زمان، در تولید حرارت دارد و بیشترین تاثیر را روی اندازه ناگت جوش دارد.

زمان اعمال جریان: این زمان که در واقع زمان جوشکاری و زمان تولید حرارت است باید به گونه ای تنظیم شود که بدون گرم شدن الکترودها، جوش مستحکمی ایجاد شود. افزایش بیشتر زمان، تا حدی به رشد محدود ناگت کمک می کند ولی بعد آن سبب افزایش عمق نفوذ جوش شده و سبب کاهش استحکام اتصال می شود. کمتر بودن زمان نیز، سبب کوچک شدن ناگت و افت استحکام جوش می شود.

نیروی فشاری: فشار اعمالی پارامتر مهمی است که اگر کم باشد سبب کاهش عمق نفوذ و ضعیف شدن و کوچک بودن ناگت می گردد. در صورت افزایش از حد بهینه نیز، موضع اتصال ترک می خورد.

زمان اعمال فشار: این زمان متناسب با زمان انجماد و سرد شدن موضع جوش انتخاب می شود.

الکترودها: در جوشکاری مقاومتی، هم انتقال جریان و هم اعمال فشار از طریق الکترودها انجام می شود. وقتی الکترودها نو هستند، سر آن ها تخت است. در حین استفاده به مرور زمان تحدب پیدا می کنند. عملیات تمیزکاری و سایش سر الکترود که به درسینگ (dressing)، موسوم است، جهت حفظ تختی سر الکترود و جلوگیری از تحدب بیشتر آن، باید در برنامه سرویس و نگهداری دستگاه جوش مدنظر قرار گیرد. جنس الکترودها عمدتاً از آلیاژهای مس است که ضریب هدایت الکتریکی و حرارتی بالایی دارند.

الکترودها توسط انجمن جوشکاران مقاومتی (RWMA) به دو دسته کلی تقسیم می شوند: گروه A که پایه مس هستند و گروه B که بر پایه مواد دیرگداز هستند. گروه A دارای ضریب هدایت حرارتی و الکتریکی بیشتری از گروه B بوده ولی استحکام آن ها پایین تر است. برای جوشکاری موادی با استحکام بالا مانند برخی فولادهای زنگ نزن، لازم است، استحکام الکترود بر خواص هدایت حرارتی و الکتریکی آن ارجحیت یابد.

جدول ذیل ارتباط پارامترهای جوشکاری مقاومتی نقطه ای را با یکدیگر نشان می دهد.

انتخاب مواد در جوشکاری مقاومتی:

خواص فیزیکی ماده تعیین می کند که آیا ماده برای جوشکاری مقاومتی مناسب است یا خیر. به صورت عام موادی که جوشکاری می شوند را می توان به دو دسته رسانا (conductive) و مقاوم (resistive) دسته بندی کرد. از گروه رسانا می توان به موادی مانند آلومینیم، مس، نقره و طلا اشاره کرد. موادی مانند فولاد، نیکل، اینکونل، تنگستن و تیتانیوم نیز در گروه مقاوم جای دارند. موادی که هدایت الکتریکی خوبی دارند، هدایت حرارتی آن ها بسیار بالاتر بوده و استحکام کمتری هم دارند. این دسته بندی ملاکی برای انتخاب مواد و الکترود خواهد بود. همان طور که گفته شد، مقاومت بالاتر ماده سبب ایجاد حرارت بیشتری شده و جوش بهتری به وجود می آید. لذا از قانون متضادها (rule of opposites)، برای انتخاب قطعه کار (مواد) و الکترود استفاده می شود. مطابق این قاعده، الکترودهای رسانا برای قطعات مقاوم و الکترودهای مقاوم برای قطعات رسانا انتخاب می شوند (البته برخی مواد مانند آلومینیم و آلیاژ مس-بریلیم، از استثنائات قانون متضادها هستند).

در مقام تعمیم، در پروسه جوشکاری قطعات غیرهمجنس جهت رعایت قانون متضادها، باید جنس دو الکترود با یکدیگر متفاوت باشد. شکل زیر نمونه ای از نحوه انتخاب الکترودهای غیرهمجنس را در جوشکاری مقاومتی، دو قطعه ناهمجنس نشان می دهد.

زوج الکترود مسی-قطعه فولادی در بالا، بیانگر الکترود رسانا و قطعه کار مقاوم و زوج الکترود مولیبدن با قطعه مسی در پایین، بیانگر الکترود مقاوم و قطعه کار رسانا، رعایت قانون متضادها را در شکل فوق، به تصویر کشیده است.

بررسی خواص مواد:

مقاومت الکتریکی: مواد با مقاومت الکتریکی کم، برای تولید مقدار حرارت مشابه با مواد مقاوم، نیاز به اعمال جریان الکتریکی بیشتری دارند. این مواد همچنین، مقاومت کمتری نیز در سطوح تماسی نشان می دهند.

هدایت گرمایی: مواد با هدایت حرارتی یا گرمایی بالا (مانند مس)، رسانایی بالایی نیز دارند و سبب تسریع خروج حرارت از منطقه جوش می شوند.

انبساط حرارتی: مواد نرم تر (استحکام پایین تر)، ضریب انبساط حرارتی بالایی دارند. حال آن که مواد با استحکام بالا مانند تنگستن، ضریب انبساط حرارتی کمی دارند. این مورد در جوشکاری دو قطعه ناهمجنس، سبب ایجاد تنش های باقیمانده می شود که این تنش ها در کنار تنش های اعمالی در سرویس های کاری، منجر به شکست زود هنگام قطعات می شوند.

سختی و استحکام: قطعات با سختی و استحکام بالا، از آن جایی که به نیروهای بیشتری جهت جوشکاری نیازمند هستند باید با الکترودهای مستحکم که ضرائب هدایتی کمتری دارند، جوشکاری شوند.

بازه دمایی مومسانی: محدوده دمایی که قطعات به آسانی ذوب شده یا تحت تنش اعمالی شکل می گیرند، حائز اهمیت است. فولادها بازه دمایی مومسانی عریضی دارند، لذا کنترل بازه دمایی آن ها آسان است. مواد طبیعی، آلومینیم و مس، بازه محدودی دارند، لذا جهت جلوگیری از ذوب شدن آن ها طی پروسه جوشکاری، کنترل های دقیقی لازم است.

پوسته های اکسیدی: آلودگی سطوح با لایه های اکسید سبب افت کیفیت جوش می شود. این پوسته ها، قبل از شروع جوشکاری باید از روی سطوح تمیز شوند.

مزایای جوشکاری مقاومتی: