Punktschweißen - Spot welding
Punktschweißen (oder Widerstandspunktschweißen ) ist eine Art elektrisches Widerstandsschweißen, das zum Schweißen verschiedener Blechprodukte verwendet wird, durch einen Prozess, bei dem sich berührende Metalloberflächenpunkte durch die Wärme verbunden werden, die aus dem Widerstand gegen elektrischen Strom entsteht .
Das Verfahren verwendet zwei geformte Elektroden aus Kupferlegierung , um den Schweißstrom auf einen kleinen "Punkt" zu konzentrieren und die Bleche gleichzeitig zusammenzuspannen. Werkstücke werden unter Druck von Elektroden zusammengehalten. Typischerweise liegen die Bleche im Dickenbereich von 0,5 bis 3 mm (0,020 bis 0,118 Zoll). Das Erzwingen eines großen Stroms durch den Punkt schmilzt das Metall und bildet die Schweißnaht. Der Reiz des Punktschweißens besteht darin, dass in sehr kurzer Zeit (ca. 10–100 Millisekunden) viel Energie an den Punkt abgegeben werden kann. Dadurch kann das Schweißen ohne übermäßige Erwärmung des restlichen Blechs erfolgen.
Die dem Punkt zugeführte Wärmemenge (Energie) wird durch den Widerstand zwischen den Elektroden und die Stärke und Dauer des Stroms bestimmt. Die Energiemenge wird so gewählt, dass sie den Materialeigenschaften des Blechs, seiner Dicke und dem Elektrodentyp entspricht. Wenn Sie zu wenig Energie anwenden, schmilzt das Metall nicht oder führt zu einer schlechten Schweißnaht. Wenn Sie zu viel Energie anwenden, wird zu viel Metall geschmolzen, geschmolzenes Material ausgestoßen und ein Loch statt einer Schweißnaht erzeugt. Ein weiteres Merkmal des Punktschweißens besteht darin, dass die dem Punkt zugeführte Energie gesteuert werden kann, um zuverlässige Schweißnähte zu erzeugen.
Prozess und Ausrüstung
Das Punktschweißen umfasst drei Stufen; Bei der ersten werden die Elektroden an die Oberfläche des Metalls gebracht und mit leichtem Druck beaufschlagt. Der Strom von den Elektroden wird dann kurz angelegt, wonach der Strom entfernt wird, aber die Elektroden bleiben an Ort und Stelle, damit das Material abkühlen kann. Die Schweißzeiten reichen von 0,01 s bis 0,63 s, abhängig von der Dicke des Metalls, der Elektrodenkraft und dem Durchmesser der Elektroden selbst.
Die beim Punktschweißen verwendete Ausrüstung besteht aus Werkzeughaltern und Elektroden. Die Werkzeughalter dienen als Mechanismus, um die Elektroden fest zu halten und unterstützen auch optionale Wasserschläuche, die die Elektroden während des Schweißens kühlen. Zu den Werkzeughaltemethoden gehören ein Paddeltyp, leichte Beanspruchung, universelle und regelmäßige Versetzung. Die Elektroden bestehen im Allgemeinen aus einer Legierung mit niedrigem Widerstand, in der Regel Kupfer, und werden je nach benötigter Anwendung in vielen verschiedenen Formen und Größen hergestellt.
Die beiden miteinander zu verschweißenden Materialien werden als Werkstücke bezeichnet und müssen Strom leiten. Die Breite der Werkstücke wird durch die Halslänge der Schweißvorrichtung begrenzt und reicht typischerweise von 5 bis 50 Zoll (13 bis 130 cm). Die Werkstückdicke kann von 0,008 bis 1,25 Zoll (0,20 bis 32 mm) reichen.
Nachdem das Werkstück stromlos gemacht wurde, wird es über die Kühlmittelbohrungen in der Mitte der Elektroden gekühlt. Als Kühlmittel in Punktschweißmechanismen können sowohl Wasser als auch eine Solelösung verwendet werden.
Beim Widerstandspunktschweißen gibt es zwei Hauptteile des Werkzeugsystems, deren Eigenschaften den gesamten Prozess grundlegend beeinflussen: die Pistole und ihre Art sowie die Größe und Form der Elektrode. Bei solchen Anwendungen, bei denen die Pistolenanordnung aufgrund der hohen Krafteinwirkungen so steif wie möglich sein soll (zB Schweißen dicker Materialien), wird die C-Pistole häufig verwendet. Neben der hohen resultierenden Steifigkeit führt diese Anordnung zu einer hohen Werkzeugflexibilität, da die Bewegung der Elektroden kollinear ist. Im Gegensatz zum C-Typ bietet die sogenannte X-Typ-Anordnung weniger Steifigkeit, obwohl der erreichbare Arbeitsraum viel größer ist als beim C-Typ, daher ist diese Anordnung sehr verbreitet, wenn dünne und flache Gegenstände bearbeitet werden (z von Bodenblech oder Dachblech). Es bietet jedoch weniger Flexibilität in Bezug auf die Werkzeugausstattung, da die Wege der beweglichen Elektroden nicht kollinear sind (wie die Spitzen einer Schere), sodass eine kuppelförmige Elektrodenspitze verwendet werden sollte.
Die beim Punktschweißen verwendeten Elektroden können je nach Anwendung stark variieren. Jeder Werkzeugstil hat einen anderen Zweck. Radiuselektroden werden für Anwendungen mit hoher Hitze verwendet, Elektroden mit abgestumpfter Spitze für Hochdruck, exzentrische Elektroden zum Schweißen von Ecken, versetzte exzentrische Spitzen zum Eingreifen in Ecken und kleine Räume und schließlich versetzt abgestumpft zum Eingreifen in das Werkstück selbst.
Eigenschaften
Das Punktschweißverfahren neigt dazu, das Material zu verhärten, wodurch es sich verzieht. Dies verringert die Ermüdungsfestigkeit des Materials und kann das Material sowohl dehnen als auch glühen . Zu den physikalischen Auswirkungen des Punktschweißens gehören innere Risse, Oberflächenrisse und ein schlechtes Erscheinungsbild. Zu den betroffenen chemischen Eigenschaften zählen der Innenwiderstand des Metalls und seine korrosiven Eigenschaften.
Die Schweißzeiten sind oft sehr kurz, was zu Problemen mit den Elektroden führen kann – sie können sich nicht schnell genug bewegen, um das Material gespannt zu halten. Schweißsteuerungen verwenden einen Doppelimpuls, um dieses Problem zu umgehen. Während des ersten Pulses kann der Elektrodenkontakt möglicherweise keine gute Schweißung ausführen. Der erste Impuls erweicht das Metall. Während der Pause zwischen den beiden Impulsen kommen sich die Elektroden näher und haben einen besseren Kontakt.
Beim Punktschweißen induziert der große elektrische Strom ein großes Magnetfeld, und der elektrische Strom und das Magnetfeld interagieren miteinander, um auch ein großes magnetisches Kraftfeld zu erzeugen, das das geschmolzene Metall dazu bringt, sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 0,5 m . sehr schnell zu bewegen /s. Somit könnte die Wärmeenergieverteilung beim Punktschweißen durch die schnelle Bewegung des geschmolzenen Metalls dramatisch verändert werden. Die schnelle Bewegung beim Punktschweißen kann mit Hochgeschwindigkeitsfotografie beobachtet werden.
Das Basis-Punktschweißgerät besteht aus einem Netzteil, einem Energiespeicher (zB einer Kondensatorbank), einem Schalter, einem Schweißtransformator und den Schweißelektroden. Das Energiespeicherelement ermöglicht es dem Schweißer, hohe Momentanleistungen zu liefern. Wenn der Leistungsbedarf nicht hoch ist, wird das Energiespeicherelement nicht benötigt. Der Schalter bewirkt, dass die gespeicherte Energie in den Schweißtransformator geleitet wird. Der Schweißtransformator reduziert die Spannung und erhöht den Strom. Ein wichtiges Merkmal des Transformators ist, dass er den Strompegel reduziert, den der Schalter verarbeiten muss. Die Schweißelektroden sind Teil des Sekundärkreises des Transformators. Es gibt auch eine Kontrollbox, die den Schalter steuert und die Spannung oder den Strom der Schweißelektrode überwachen kann.
Der dem Schweißer entgegengebrachte Widerstand ist kompliziert. Da ist der Widerstand der Sekundärwicklung, der Kabel und der Schweißelektroden. Hinzu kommt der Übergangswiderstand zwischen den Schweißelektroden und dem Werkstück. Es gibt den Widerstand der Werkstücke und den Übergangswiderstand zwischen den Werkstücken.
Zu Beginn der Schweißung sind die Übergangswiderstände in der Regel hoch, sodass dort die meiste Anfangsenergie abgebaut wird. Diese Hitze und die Klemmkraft werden das Material an der Elektroden-Material-Grenzfläche erweichen und glätten und einen besseren Kontakt herstellen (d. h. den Kontaktwiderstand verringern). Folglich geht mehr elektrische Energie in das Werkstück und den Übergangswiderstand der beiden Werkstücke. Da der Schweißnaht elektrische Energie zugeführt wird und die Temperatur ansteigt, leiten die Elektroden und das Werkstück diese Wärme ab. Das Ziel besteht darin, genügend Energie aufzubringen, damit ein Teil des Materials innerhalb des Spots schmilzt, ohne dass der gesamte Spot schmilzt. Der Umfang des Spots leitet viel Wärme ab und hält den Umfang auf einer niedrigeren Temperatur. Das Innere des Spots wird weniger Wärme abgeführt und schmilzt daher zuerst. Wird der Schweißstrom zu lange angelegt, schmilzt der gesamte Punkt, das Material läuft aus oder versagt anderweitig und die „Schweißnaht“ wird zum Loch.
Die zum Schweißen benötigte Spannung hängt von der Beständigkeit des zu schweißenden Materials, der Blechdicke und der gewünschten Größe des Nuggets ab. Beim Schweißen einer gängigen Kombination wie 1,0 + 1,0 mm Stahlblech beträgt die Spannung zwischen den Elektroden zu Beginn der Schweißung nur ca. 1,5 V, kann aber am Ende der Schweißung bis auf 1 V absinken. Dieser Spannungsabfall resultiert aus der durch das Schmelzen des Werkstücks verursachten Verringerung des Widerstands. Die Leerlaufspannung des Transformators ist höher, typischerweise im Bereich von 5 bis 22 Volt.
Der Widerstand des Schweißpunktes ändert sich beim Fließen und Verflüssigen. Moderne Schweißgeräte können die Schweißnaht in Echtzeit überwachen und anpassen , um eine gleichmäßige Schweißnaht zu gewährleisten. Die Ausrüstung kann versuchen, verschiedene Variablen während des Schweißens zu steuern, wie z. B. Strom, Spannung, Leistung oder Energie.
Schweißergrößen reichen von 5 bis 500 kVA. Mikropunktschweißer, die in einer Vielzahl von Industrien verwendet werden, können für Präzisionsschweißanforderungen auf 1,5 kVA oder weniger gesenkt werden.
Es ist üblich, dass während des Prozesses ein Sprühnebel aus geschmolzenen Metalltröpfchen (Funken) aus dem Bereich der Schweißnaht ausgestoßen wird.
Beim Widerstandspunktschweißen entsteht kein heller Lichtbogen, daher ist kein UV-Schutz erforderlich. OSHA verlangt zum Schutz vor Spritzern einen transparenten Gesichtsschutz oder eine Schutzbrille, benötigt jedoch keine Filterlinse.
Anwendungen
Das Punktschweißen wird typischerweise beim Schweißen bestimmter Arten von Blechen , geschweißten Drahtgittern oder Drahtgittern verwendet . Dickeres Material ist schwieriger zu punktschweißen, da die Wärme leichter in das umgebende Metall fließt. Punktschweißen lässt sich an vielen Blechwaren, wie z. B. Blecheimern, leicht erkennen. Aluminiumlegierungen können punktgeschweißt werden, ihre viel höhere Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit erfordern jedoch höhere Schweißströme. Dies erfordert größere, leistungsstärkere und teurer Schweißtransformatoren .
Die vielleicht häufigste Anwendung des Punktschweißens findet sich in der Automobilindustrie , wo es fast universell zum Schweißen von Blechen zu einem Auto verwendet wird. Punktschweißer können auch vollständig automatisiert werden , und viele der Industrieroboter , die an Fließbändern zu finden sind , sind Punktschweißer (die andere Hauptanwendung von Robotern ist das Lackieren).
Punktschweißen wird auch in der kieferorthopädischen Klinik verwendet, wo kleine Punktschweißgeräte verwendet werden, um die Größe von Metall-"Molarbändern" zu ändern, die in der Kieferorthopädie verwendet werden .
Eine weitere Anwendung ist das Punktschweißen von Bändern an Nickel-Cadmium- , Nickel-Metallhydrid- oder Lithium-Ionen-Batteriezellen zur Herstellung von Batterien. Die Zellen werden durch Punktschweißen dünner Nickelbänder mit den Batteriepolen verbunden. Punktschweißen kann verhindern, dass die Batterie zu heiß wird, wie es beim herkömmlichen Löten passieren könnte.
Gute Gestaltungspraxis muss immer eine angemessene Zugänglichkeit ermöglichen. Die Verbindungsflächen sollten frei von Verunreinigungen wie Zunder, Öl und Schmutz sein, um qualitativ hochwertige Schweißnähte zu gewährleisten. Die Metalldicke ist im Allgemeinen kein Faktor bei der Bestimmung guter Schweißnähte.
Änderungen
Buckelschweißen ist eine Modifikation des Punktschweißens, bei der die Schweißnaht durch Erhebungen oder Erhebungen an einem oder beiden der zu verbindenden Werkstücke lokalisiert wird. Die Wärme wird an den Vorsprüngen konzentriert, was das Schweißen schwererer Abschnitte oder den engeren Abstand der Schweißnähte ermöglicht. Die Vorsprünge können auch zur Positionierung der Werkstücke dienen. Buckelschweißen wird häufig verwendet, um Bolzen , Muttern und andere mit Gewinde versehene Maschinenteile an Metallplatten zu schweißen . Es wird auch häufig verwendet, um gekreuzte Drähte und Stäbe zu verbinden. Dies ist ein weiterer hochproduktiver Prozess, und mehrere Buckelschweißungen können durch geeignetes Konstruieren und Einrichten angeordnet werden.
Siehe auch
Verweise
Externe Links
- Punkt-, Buckel- und Drahtschweißen auf YouTube (bei 8-9 Minuten) von der American Welding Society