سایش در الکترودهای جوشکاری نقطه ای و پارامترهای موثر بر افزایش طول عمر آن ها

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.

سایش در الکترودهای جوشکاری مقاومتی نقطه ای و پارامترهای موثر بر افزایش طول عمر آن ها

سایش الکترودها در جوشکاری مقاومتی، نتیجه خرابی های ناشی از گرما و حرارت در کنار اعمال بارهای مکانیکی است. مسئله سایش الکترود در مورد جوشکاری مواد پوشش دار که مواد پوشش، نقطه ذوب کمی داشته باشند و منجر به آلیاژسازی در نوک الکترود شوند، حادتر است. در این نوشته، فاکتورهای عمده ای که در جلوگیری و یا کاهش سایش الکترود و افزاش طول عمر آن ها موثر هستند، بررسی می شود:

خنک کاری الکترود

سرمایش کافی الکترود، مهم ترین عامل در افزایش طول عمر الکترود است. در مورد جوشکاری فولادهای پوشش دار و نازک، جریان آب با نرخ ۴ لیتر بر دقیقه و برای جوشکاری فولادهای بدون پوشش و با ضخامت بیشتر، جریان آب با نرخ حداقل ۶ لیتر بر دقیقه جهت خنک کاری الکترودها لازم است. باید توجه نمود که، دمای آب ورودی، بیشتر از ۲۰ درجه سانتیگراد و دمای آب خروجی بیشتر از ۳۰ درجه سانتیگراد نباشد.

برای اینکه عملیات خنک کاری، بازده کافی را داشته باشد، قطر الکترود باید حداقل ۳-۲٫۵ برابر قطر الکترود در نوک باشد. لوله آب، باید با زاویه ۴۵ درجه و به صورت مستقیم با سطح داخلی الکترود تماس یابد. کنترل گرفتگی لوله و فشار برگشتی در قسمت خروجی، برای عدم تاثیر مخرب بر نرخ جریان آب، مهم است.

شکل و جنس الکترود

شکل و جنس الکترودها عامل مهمی است و باید به درستی انتخاب شود. عموماً الکترودهایی با شکل مخروط ناقص، عمر طولانی تری دارند ولی همچنین نیاز به تراز نمودن نیز دارند. به طور سنتی از الکترودهای مس-کروم-زیرکونیم، برای جوشکاری نقطه ای ورق های فولادی پوشش دار استفاده می شود ولی هدایت حرارتی بالاتر الکترودهای مس-زیرکونیم، سبب چسبندگی کمتر و افزایش بیشتر، عمر الکترود است.

دو گروه عمده الکترود وجود دارند:

گروه A: آلیاژهای پایه مس: در کلاس های: I, II, III, IV, V
گروه B: مواد دیرگداز: در کلاس های: ۱۰, ۱۱, ۱۲, ۱۳, ۱۴

در گروه A با بالا رفتن کلاس، سختی و دمای آنیلینگ، افزایش یافته و هدایت حرارتی و الکتریکی کاهش می یابد.

گروه B، که ترکیبات زینتر شده ای از مس و تنگستن هستند، ضریب هدایت حرارتی و الکتریکی پایین تری (کمتر از نصف)، نسبت به گروه A دارند و برای شرایطی که نیاز به مقاومت سایشی و استحکام فشاری بالا، وجود دارد، طراحی شده اند.

تحقیقات نشان داده است، الکترودهای مسی تقویت شده با پودر اکسید آلومینیم (روش ذرات پراکنده)، نیز ویژگی ها و مزایایی دارند ولی بسیار گران قیمت هستند.

تجهیزات

ماشین یا تفنگ جوشکاری، باید قدرت کافی را داشته باشند و نگهدارنده الکترودها، به اندازه ای محکم باشند که مانع از سر خوردن الکترود، زیر بار شوند. تنظیم و تراز نمودن الکترود نیز، برای ممانعت از گرمایش موضعی در نوک الکترود، ضروری است. باید از ضربات شدید و قوی الکترود بر سطح ورق، ممانعت شود اگر چه که کاهش این مورد سبب افزایش زمان سیکل جوشکاری می شود. برخی تفنگ ها مانند برند SERVO، قابلیت تنظیمات سرعت متغیر را دارند و در لحظه برخورد الکترود با ورق، از سرعت کاهش یافته استفاده می کنند.

تنظیمات جوشکاری

در تنظیمات پارامترهای جوشکاری لازم است از اعمال شدت جریان های بسیار بالا و زمان های بسیار طولانی جوشکاری، اجتناب شود.

عملیات درسینگ (dressing)

به منظور اجتناب از سایش الکترود و حفظ و نگهداری آن، عملیات درسینگ (dressing) لازم است. استفاده از عملیات درسینگ باید به صورت منظم روی نوک الکترود جهت زدودن مواد دفرمه شده و حفظ شکل سر الکترود، انجام شود. شکل ذیل شماتیکی از عملیات درسینگ و ابزار مربوطه را نشان می دهد. پهن شدن و ترک خوردن نوک الکترود در شکل فوق با عدد ۲ نشان داده شده است که بعد از عملیات درسینگ و زدودن لایه معیوب سطحی (شماره ۳)، نوک جدید با عدد ۱ مشخص شده است.

تنظیمات پله ای برای جریان، که منجر به افزایش تدریجی جریان می شود نیز یک راهکار موثر در حفظ و نگهداری الکترودها است.

عدم انجام به موقع درسینگ، علاوه بر کاهش عمر الکترود، سبب برخی عیوب مانند وجود حفره در داخل ناگت جوش می شود. همچنین دفرمگی نوک الکترود و پهن شدن آن، سطح تماسی موثر را کاهش داده و منجر به افزایش جرقه و پاشش می شود.

رابطه ذیل برای محاسبه قطر نوک الکترود برای فولادهای ساده کربنی، ارائه شده است:

d=0.100+2t

در این رابطه t ضخامت ورق و d قطر نوک الکترود به اینچ هستند. اگر ضخامت هر دو ورق برابر باشند، قطر نوک هر دو الکترود برابر خواهد بود. ولی در صورتی که ضخامت ها متفاوت باشد، برای هر ضخامتی یکبار قطر نوک الکترود، جداگانه محاسبه می شود.

زدودن آلودگی های سطحی

وجود پوسته های حاصل از نورد گرم روی سطح ورق های نورد شده، وجود آلودگی های روغنی، گریس و چربی، سبب آسیب به نوک الکترود می شود. پوسته های سطحی موسوم به scale، به عنوان یک نارسانا عمل کرده و با افزایش مقاومت الکتریکی ماده، موجب گرمایش موضعی نوک الکترود می شوند، روغن ها نیز با تشکیل کربن در نوک الکترود، سبب کاهش عمر الکترود می شوند. لذا لازم است، قبل از شروع جوشکاری این موارد از سطح زدوده شوند.