جوشکاری مقاومتی نقطه ای (Resistance spot welding)

 جوشکاری مقاومتی نقطه ای:

جوشکاری مقاومتی نقطه ای فرآیندی است که در آن سطوحی که بر روی هم قرار گرفته اند از طریق حرارت تولید شده در یک یا چند نقطه به هم متصل می شوند. گرمای تولید شده در این نقاط، حاصل از فلوی جریان الکتریکی است که بین الکترودها برقرار می شود و از میان قطعات نیز عبور می کند. ضمن اینکه الکترودها در این وضعیت با اعمال فشاری خاص، سطوح را به نزدیک می کنند.

 

همانطور که گفته شد که فلزات در اثر عبور جریان الکتریکی گرم شده که طبق قانون ژول حرارت حاصل از معادله زیر تعیین می شود:

Q = KRI2 t 

که I  شدت جریان ، R مقاومت، t زمان و Q حرارت میباشد.

فاکتورهای شدت جریان و زمان از طریق دستگاه جوشکاری قابل کنترل هستند. اما مقاومت الکتریکی به عواملی مختلفی از جمله جنس و ضخامت، قطعه کار، فشار بین الکترودها، اندازه و شکل و جنس الکترودها و چگونگی سطح کار یعنی میزان صافی و تمیزی آن بستگی دارد. 

معادله   R = ∑rj 

r1 و r5 مقاومت تماس الکترودها با سطح کار می باشد که مقاومتهای ناخواسته ای هستند و باعث اتلاف حرارت و نیز چسبیدن الکترود به روی سطح کار می شوند. جنس الکترود بر روی این مقاومت اثر می گذارند، همچنین اعمال فشار وتمیزی سطوح باعث کاهش این مقاومت های خواهد شد. توجه به این نکته ضروری به نظر می رسد که با خنک کری مناسب الکترودها، مقاومت r1و r5 نیز کاهش خواهد یافت. زیرا افزایش دمای یک ماده مقاومت الکتریکی آن را نیز افزایش می دهد.

r2 و r4 مقاومت الکتریکی دو قطعه (ورق) است که به دلیل کم بودن مقدار مقاومت الکتریکی فلزات معمولات مقادیری ناچیز نسبت به سایر مقاومت ها دارند.

دستگاه های جوشکاری مقاومتی شامل دو واحد کلی می باشند: واحد الکتریکی (حرارتی)، واحد فشاری (مکانیکی).و اولی برای بالا بردن درجه حرارت موضع مورد جوش؛ دومی به منظور ایجاد فشار لازم برای اتصال دو قطعه در محل جوش است. نیروهای اعمالی می توانند بصورت دستی، هیدرولیک، پنوماتیک و هیدروپنوماتیک ایجاد شوند. اعمال فشار تا مرحله انجماد ادامه پیدا خواهد کرد. این فشار باعث می شود که لبه ها رویهم قرار گرفته و هوا وارد حوضچه مذاب نشود یا ذوب بیرون نریزد. در مورد دلخواه اعمال فشار و تاثیر آن بر روی کیفیت جوشکاری در فصل بعد مطالبی آورده شده است.

الکترودها در فرآیند های جوشکاری مقاومتی به اشکال گوناگونی ساخته می شوند. الکترودها در این فرآیندها باید جریان الکتریکی را به موضع اتصال هدایت کرده در ضمن وظیفه نگهداری ورق ها به روی هم و ایجاد فشار مورد نظر وتمرکز سریع حرارت در موضع اتصال را دارند.

الکترودها باید دارای ویژگی های زیر باشند:

۱- استحکام و سختی مناسب داشته باشند و در اثر فشار له نشوند.

۲- دمای آنیل بالایی داشته باشند.

۳- ضریب هدایت الکتریکی مناسب داشته باشند.

۴- ضریب هدایت حرارتی بالایی داشته باشند.

الکترودها از مواد و آلیاژهای ویژه ای ساخته می شوند که در مورد آنها در فصل دوم به طور مفصل بحث خواهد شد. همچنین در مورد اشکال مختلف مورد استفاده نیز بحث شده است.

در هر حال فرآیند جوشکاری نقطه ای، فرآیندی با بالاترین تمرکز حرارتی (حدود ۹۵ %) و کمترین اتلاف انرژی در بین فرآیندهای مختلف جوشکاری می باشد. همچنین مشکل پیچیدگی قطعه بر اثر حرارت و منطقه متاثر از حرارت (HAZ) در این فرآیند کمتر به چشم می خورد. همچنین محدودیت موقعیت جوشکاری وجود ندارد و می توان در موقعیتهای مختلف با دستگاهی متناسب با آن وضعیت عمل جوشکاری را انجام داد.

عدم نیاز به مواد مصرفی، گاز محافظ و فلز پر کننده از جمله مزایای این فرآیند می باشند. همچنین از نظر محیط زیستی نیز این فرآیند کاملا سالم می باشد. محدودیتهایی نیز در این روش جوشکاری وجود دارد که عبارتند از: برای فلزاتی که هدایت حرارتی و الکتریکی بالایی دارند مشکل است و نیاز به دستگاه های مخصوصی با تمهیداتی خاص است. فلزاتی که در برابر سریع سرد شدن و گرم شدن حساس هستند؛ نیاز به دستگاه مخصوص خواهند داشت و نیز از لحاظ ماکزیمم ضخامت محدودیت وجود دارد (ضخامت ۳ تا ۴ میلیمتر). اگر فلزات غیرهمجنس که طبیعتا مقاومت الکتریکی متفاوت دارند را جوشکاری می نماییم باید توجه داشته باشیم که ناحیه مذاب ترجیحاً به سمت فلزی با مقاومت بیشتر رشد می کند، زیرا در این ناحیه حرارت بیشتری بوجود می آید. برای جلوگیری از این مساله می توان در سمت با مقاومت بیشتر از الکترودی با قطر کمتر ویا از الکترود با مقاومت بیشتر استفاده کرد.

البته در هنگام جوشکاری فلزت غیرهمجنس باید به این نکته توجه نمود که آلیاژ حاصل از تشکیل حوضچه مذاب دارای چه ترکیب شیمیایی، خواص مکانیکی و احیاناً فیزیکی خواهد شد و ریز ساختار آلیاژ تشکیل شده حاوی فازهای ترد نباشد.

این روش بصورت وسیعی برای اتصالات ورقهای بدنه خودرو، در صنایع خانگی، تولیدات ساختمانی و در حد محدودتری در صنایع هواپیمایی کاربرد دارند. جالب است بدانید در یک خودرو در حدود ۱۰۰۰۰ نقطه جوش مقاومتی وجود دارد که امروزه توسط سیستمهای مدرن روباتیک و یا کنترل کامپیوتری هوشمند انجام می شود. با کنترل اتوماتیک جریان، زمان و نیروی الکترودها می توان علاوه بر دستیابی به کیفیت بالای محصولات، نرخ تولید را افزایش داده و با بهره گیری از نیروی کار با مهارت کمتر، هزینه این بخش را نیز کاهش داد. بنا به نیاز و شرایط کاری، در مواردی تغییراتی در نحوه جوشکری نقطه ای صورت میگیرد. هرچند این تغییرات در ماهیت جوشکاری وجود ندارد ولی آشنایی با آنها ضروری به نظر می رسد که به چند نمونه آن در زیر اشاره می شود:

الف) جوش با الکترودهای چندتایی: به دلیل نیاز به حداقل نمودن تعداد ترانسفورماتورها و اندازه دستگاه و کاهش قیمتها، ضروری به نظر می رسد از سیستم هایی استفاده شود که در هر برخورد الکترودها دو یا چندین جوش بر روی قطعه ایجاد شود. این فرآیند نیز بسته به روش تامین انرژی و نحوه قرار گیری و اتصال الکترودها به ترانسفورماتور به چند دسته تقسیم می شود. از دیدگاه تامین انرژی دراین فرآیند از دو نوع طرح استفاده می شود. موازی، سری (متوالی)، در سیستم موازی مستقیم از یک ترانسفورماتور استفاده می شود که مدار ثانویه بصورت های مختلف می تواند چندین جوش را همزمان انجام دهد. در سیستم سری از تعدادی ترانسفورماتور استفاده می شود که با طرح های مختلف می تواند همزمان چندین نقطه جوش را بر روی کار بوجود آورد. مزیت روش دوم آن است که می توان ولتاژ بالایی را در موضع جوش بوجود آورد و یا برای ایجاد ولتاژ معین از ترانسفورماتورهای کوچکتری استفاده کرد. اما در مقابل باید شرایط ترانسفورماتورها و مقاومتهای در الکترودها و کیفیت سطوح کاملا یکسان باشد تا خواص جوشهایی که همزمان ایجاد شده مشابه باشد.

البته علاوه بر تقسیم بندی فوق، در برخی مراجع علمی طبقه بندی های دیگری نیز برای جوشکاری با الکترودهای چندتایی گفته شده که در ادامه به بحث در مورد آن می پردازیم: در برخی منابع در تعریف جوشکاری موازی  به روشی اطلاق شده که درآن دو یا چند روش مستقیم بصورت همزمان و معمولا در فواصل نزدیک به هم ایجاد می شود که در این روش الکترودهای بالایی به یک طرف ثانویه ترانسفورماتور و الکترودهای پایینی به طرف دیگر همان ترانسفورماتور متصل است 

جوش مستقیم به حالتی گفته می شودکه جریان جوشکاری بصورت مستقیم از الکترودها و قطعه کار بین آنها عبور نموده تا یک دکمه جوش بوجود آید. در مواقعی که دسترسی به پشت قطعه کار مشکل باشد جوشکاری غیرمستقیم کاربرد دارد 

در جوشکاری push-pull الکترودهایی که دقیقاً بر روی هم در دو سوی قطعات قرار گرفته اند به ترانسفورماتورهای مختلف متصل هستند و قطبیت متضاد با هم دارند . گاهی اوقات از این روش با عنوان جوشکاری بالا و پایین یاد می شود.

ب) جوش دکمه ای یا دیسکی : در جوشکاری ورق های سنگین و ضخیم نیاز به فشار انرژی الکتریکی زیادی است، با استقرار قطعات کوچک فلزی بین سطح مشترک ورق ها، عبور جریان الکتریکی را موضعی تر کرده و سطح تماس را کاهش می دهند و با ذوب این دکمه ها دو ورق با انرژی الکتریکی و فشار کمتری به یکدیگر متصل می شوند.

ج) جوش «پل واره» : از ورق های اضافی برای بالا بردن استحکام اتصال دو قطعه استفاده می شود

د) جوشکاریی له کردنی : این روش در تولید شبکه های سیمی نظیر سد یا محافظهای توری لامپهای مختلف و یا اتصال سیم به ورق به میزان فراوان بکار گرفته می شود. سیم ها با طرح لازم بر روی فک ها یا الکترودهایی که بصورت مسطح با شکاف های پیش بینی شده قرار می گیرند و با یک فشار و پایین آوردن الکترود جریان الکتریکی از محل تماس سیمهای روی هم قرار داده شده عبور کرده و بر اساس جوش مقاومتی ذوب موضعی در این محل ها بوجود آمده و پس از پایان عبور جریان الکتریکی عمل اتصال انجام می گیرد.

هـ) فرآیند جوشکاری کوک : یکی از الکترودها در این فرآیند طوری طرح شده است که توسط سیستم کنترل شده ای حرکت متناوب رفت و برگشتی (بالا و پایینی) دارد و همزمان با این حرکت صفحه کار نیز شبیه پارچه در زیر چرخ خیاطی حرکت انتقالی افقی می کند. به این ترتیب یک سری جوش نقطه ای بطور متوالی با فاصله معین بین ورق ها ایجاد می شود که شبیه بخیه های دوخته شده در زیر چرخ خیاطی است. می توان فاصله نقطه جوش ها را آنچنان کاهش داد که دکمه های جوشکاری کمی بر روی هم سوار شوند. در این حالت به شدت جریان بیش از حد عادی نیاز است چومن مقداری از جریان الکتریکی از جوش مجاور عبور می کند.

و) جوش مقاومتی نقطه ای – غلتکی : در این روش یک سری جوش نقطه ای مجزا و در یک ردیف از طریق یک یا دو الکترود دوار در حال چرخش ایجاد می شود. در حین ایجاد این ردیف جوشها، نیروی جوشکری بین نقاط برداشته نمی شود. اصول این فرآیند نیز شبیه نقطه جوش است. شعاع الکترودها طول تماس را تعیین می کند. فاصله بین جوشها بستگی به تنظیم سرعت الکترود و مدت زمان قطع جریان دارد. این روش در مقایسه با روش دستی زمان فوق العاده کمتری در جوشکاری نیاز دارد. به دلیل حرکت الکترودها، جوش حاصل در این فرآیند، دارای دکمه کشیده شده ای است. البته توجه به این نکته ضروری به نظر می رسد که برخی مراجع علمی این روش را جزء فرایندهای جوشکاری مقاومتی نواری طبقه بندی کرده اند.