مقدمه و کلیات :
فرآیندهای جوشکاری مقاومتی با فرآیندهای قبلی تفاوت کلی دارد .اتصال دو سطح توسط حرارت و فشار توأماً انجام می گیرد .فلزات به دلیل مقاومت الکتریکی در اثر عبور جریان الکتریکی گرم شده و حتی به حالت مذاب نیز می رسند که طبق قانون ژول حرارت حاصل با رابطه زیر تعیین می شود .Q=KRI2t
=I شدت جریان( آمپر) ، R مقاومت( اهم)، t زمان( ثانیه) وQ ،حرارت (ژول ).
فرآیندهای قوس الکتریکی حرارت در روی کار بوسیله هدایت و تشعشع توزیع می شود اما در فرآیندهای جوشکاری مقاومتی حرارت در عرض داخلی و سطح مشترک دو ورق در موضع اتصال در اثر عبور جریان الکتریکی تولید و منتشر می شود . جریان الکتریکی مذکور از طریق الکترودها و تماس آنها به سطح کار منتقل و یا از طریق ایجاد حوزه مغناطیسی احاطه شده در اطراف کا به قطعه القاء می شود . هر چند هر دو روش بر اساس حرارت مقاومتی پایه گذاری شده است اما معمولاً نوع اول فرآیند جوشکاری مقاومتی و دومی به فرآیند جوشکاری القائی نیز مرسوم شده است .
فاکتورهای شدت جریان و زمان از طریق دستگاه جوش قابل کنترل هستند ، اما مقاومت الکتریکی به عوامل مختلف بستگی دارد از جمله : جنس و ضخامت قطعه کار ، فشار بین الکترودها ، اندازه و فرم و جنس الکترودها و چگونگی سطح کار یعنی صافی و تمیزی آن .
.مقاومت 3 مقاومت تماس بین دو ورق مهمترین قسمت است. فلزات دارای مقاومت الکتریکی کم بوده بالنتیجه مقاومتهای 1و3و5 اهمیت بیشتری پیدا می کنند . مقاومتهای 2و4 بستگی به ضریب مقاومت الکتریکی و درجه حرارت قطعه کار دارد .مقاومتهای 1 و 5 ناخواسته بوده و باید حتی المقدور آنرا کاهش داد . تمیزی سطح کار و الکترود و نیروی فشاری وارد بر الکترود عوامل تقلیل دهنده این مقاومتها (1و5) می باشند .
از نظر اقتصادی لازم است که فاکتور زمان حتی المقدور کاهش یابد . که در نتیجه جریان الکتریکی لحظه ای بالا در حدود 10000 – 3000 آمپر با ولتاژ 10 – 5/0 ولت مورد نیاز است . انواع مختلف روش های جوشکاری مقاومتی به روش ایجاد مقاومت موضعی بالا و تمرکز حرارت در نقطه مورد نظر ارتباط دارد ، ولی به هر حال تماس فیزیکی بین الکترودهای ناقل جریان الکتریکی و قسمت هایی که باید متصل شوند نیز مورد نیاز است . بطور کلی فرآیندهای جوشکاری مقاومتی یکی از بهترین روش ها برای اتصالات سری است .
دستگاههای جوشکاری مقاومتی شامل دو واحد کلی است : واحد الکتریکی (حرارتی) واحد فشاری(مکانیکی) . اولی باعث بالا بردن درجه حرارت موضع مورد جوش و دومی سبب ایجاد فشار لازم برای اتصال دو قطعه لب رویهم در محل جوش است .
منبع معمولی تأمین انرژی الکتریکی ، جریان متناوب 220 یا250 ولت است که برای پائین آوردن ولتاژ و افزایش شدت جریان (به مقدار مورد لزوم برای جوشکاری مقاومتی) از ترانسفورماتور استفاده می شود .که سیم پیچ اولیه با سیم نازکتر و دور بیشتر و ثانویه با سیم کلفتر و دور کمتر (اغلب یک دور ) به الکترودها متصل است.
جریان الکتریکی از طریق دو الکترود (فک ها) به قطعه کار و موضع جوش هدایت می شود که معمولاً الکترود پائین ثابت و بالایی متحرک است .الکترود همانند گیره یا فک ها دو قطعه را دروضعیت 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 .
الکترود در فرآیند های مختلف مقاومتی می تواند به اشکال گوناگونی باشد که دارای چندین نقش است از جمله : هدایت جریان الکتریکی به موضع اتصال ، نگهداری ورقها بر رویهم و ایجاد فشار لازم در موضع مورد نظر و تمرکز سریع حرارت در موضع اتصال الکترود باید دارای قابلیت هدایت الکتریکی و حرارتی بالا و مقاومت «اتصالی» یا تماسی (contact resistance) کم و استحکام و سختی خوب باشد ،علاوه بر آن این خواص را تحت فشار و درجه حرارت نسبتاً بالا ضمن کار نیز حفظ کند .ازاین جهت الکترود ها را از مواد آلیاژی مخصوص تهیه می کنند که تحت مشخصه یا کد RWMA به دو گروه A آلیاژهای مس و B فلزات دیر گدار تقسیم بندی می شوند ، در جدول (1001) و (1101) مشخصات این دو گروه درج شده است .
مهمترین آلیاژهای الکترود مس کرم ، مس کادمیم ، و یا برلیم کبالت مس می باشد .این آلیاژها دارای سختی بالا و نقطه انیل شدن بالائی هستند تا در درجه حرارت بالا پس از مدتی نرم نشوند ، چون تغییر فرم آنها سبب تغییر سطح مشترک الکترود با کار می شود که ایجاد اشکالاتی می کند که در دنباله این بخش اشاره خواهد شد .
همانطور که قبلاً اشاره شد قسمت هائی که قرار است بیکدیگر متصل شوند باید کاملاً برروی یکدیگر قرار داشته و در تماس با الکترود باشند تا مقاومتهای الکتریکی «تماسی» R1 وR5 کاهش یابد . مقاومت الکتریکی بالا بین نوک یا لبه الکترود و سطح کار سبب بالا رفتن درجه حرارت در محل تماس می شود که اولاً مرغوبیت جوش را کاهش می دهد (جوش مقاومتی ایدآل جوشی است که علاوه بر استحکام کافی علامتی در سطح آن ملاحظه نشود ) .
ثانیاً مقداری از انرژی تلف می شود .
روشهای مختلفی برای اعمال فشار پیش بینی شده است که دو سیستم آن معمول تر است :
الف : سیستم مکانیکی همراه با پدال ، فنر و چند اهرم
ب : سیستم هوای فشرده با دریچه های اتوماتیک مخصوص که در زمان های معینی هوای فشرده وارد سیستم می شود . این فشار و زمان قابل تنظیم و کنترل است .
در سیستم اول به علت استفاده از نیروی کارگر ممکن است فشار وارده غیر یکنواخت و در بعضی موارد که دقت زیادی لازم است مناسب نباشد، اما در مقابل ارزان و ساده است .در سیستم هوای فشرده همانطور که اشاره شد دقت و کنترل میزان فشار و زمان اعمال فشار بمراتب بیشتر است .
این فرآیند جوشکاری برای اتصال فلزات مختلف بکار گرفته می شود و سؤالی که مطرح جدول (1001) بعضی مشخصات گروه B از الکترود های فرآیند جوشکاری مقاومتی خواهد شد اینست که چگونه خواص فیزیکی این فلزات ممکن است بر روی خواص جوش یا موضع اتصال تأثیر بگذارد ؟
همتنطور که اشاره شد حرارت برای بالا بردن درجه حرارت موضع اتصال توسط عبور جریان الکتریکی و مقاومت الکتریکی بوجود می آید و یا با بیان دیگر مقاومت الکتریکی بزرگتر در زمان و شدت جریان معین تولید حرارت بالاتری می کند و برعکس . مقاومت الکتریکی یک هادی بستگی مستقیم به طول و نسبت معکوس به سطح مقطع دارد . البته جنس هادی هم که میزان ضریب مقاومت الکتریکی است خالی از اهمیت نیست ، (قانون اهم R=PI/S) . بنابراین خصوصیت جوشکاری مقاومتی با تغییر ضخامت ورق ، تغییر مقطع تماس الکترود با قطعه و جنس قطعه تغییر می کند .
با توجه به این توضیحات جوشکاری مقاومتی بر روی ورق آلومینیمی(با ضخامت و مقطع تماس الکترود ثابت) در مقایسه با ورق فولاد زنگ نزن به شدت جریان بیشتری نیاز است (87/2=9/19P= 70stainless steel P= ). میکرواهم سانتیمتر ). (Mild steel Ap) البته چگونگی حالتهای تماس الکترود با قطعات و تماس خود قطعات عوامل دیگر هستند که فشار الکترود ها و ناخالصی ها در بین سطوح می توانند بر روی این مقاومت ها مؤثر باشند
فاکتور فیزیکی مهم دیگر هدایت حرارتی قطعات مورد جوش می باشد که با ضریب هدایت حرارتی مشخص می شود .جالب توجه اینکه فلزات با هدایت الکتریکی خوب دارای هدایت حرارتی بالا هم می باشند . بنابراین در جوشکاری مقاومتی این گونه فلزات یا آلیاژ ها به شدت جریان بالاتر و زمان عمل کوتاهتر نیاز دارند ، چون حرارت به اطراف هدایت شده و اگر تمرکز و شدت حرارت لازم در موضع اتصال نباشد جوشی انجام نخواهد گرفت .
در مورد فولاد معمولی نیازی به شدت جریان بالا و زمان کوتاه نیست ، اما در بعضی موارد (فولادهای خاص سختی پذیر) زمان جوشکاری زیاد احتمال جدایش رسوب کاربید(Carbide Precipitation) را افزایش می دهد بنابراین در این حالت ها نیز باید زمان عملیات جوشکاری کوتاه تنظیم شود .
خواص فیزیکی دیگر قطعه کار که در این فرآیند خالی از اهمیت نیست : گرمای ویژه و ضریب انبساط حرارتی است . اولی برای محاسبه حرارت مورد نیاز برای ذوب موضع جوش و دومی از نظر تنش های باقیمانده ، پیچیدگی و احتمال ایجاد ترکیدگی قابل ملاحظه است (گاهی اوقات عملیات حرارتی پس از جوشکاری لازم ا ست تا پیچیدگی کاهش یابد ) .
با توجه به نکات فوق می توان :
الف : فولادهای معمولی را بدون مشکل خاصی جوش مقاومتی داد.
ب : فولادهای سختی پذیر (Hardenab Steel) ،چون در الکترود سیستم آبگرد وجود دارد محل جوش و احیاناً اطراف آن سریع سرد شده و ترد و شکننده می شود و گاه لازم است عملیات حرارتی انیل کردن برروی آنها انجام شود .
ج : فولادهای زنگ نزن (Stainless Steel) ، فولادهای فریتی و مارتنزیتی کمتر با این روش جوش داده می شود . اما فولادهای آوستینی پایدار و ناپایدار را به راحتی می توان از طریق جوش مقاومتی اتصال داد ، به ویژه اینکه هدایت حرارتی و الکتریکی کمتری نسبت به فولادهای معمولی دارند و باید سیکل جوش را در زمان کوتاهتر انجام داد . البته از نظر مقاومت خوردگی محل جوش و اطراف آن مسایل مهمی وجود دارد که هنوز هم تحقیقات زیادی را به خود اختصاص داده است .
د : فولادهای پوشش داده شده (Steel With Protective Coation) فولادها با مواد مختلف و روشهای گوناگون پوشش داده می شود که اندود قلع ، روی و یا رنگ از آن جمله اند در مورد پوشش انواع رنگ که اغلب هادی جریان الکتریکی نیستند باید حتماً محل جوش از رنگ تمیز شود . اما فولادهای گالوانیزه شده و پوشش قلع و غیره قابل جوشکاری مقاومتی هستند ، ولی به علت نقطه ذوب پائین این پوشش ها مقداری از آنها در محل و اطراف موضع جوش از بین می روند و از نظر عمل محافظت ضعیف می شوند و مقداری هم به الکترود می چسبند که بالنتیجه در مورد تمیز کردن نوک الکترود ها در این مواقع دقت بیشتری لازم است . البته مخلوط شدن این مواد از قبیل قلع و روی به مذاب جوش سبب تردی جوش نیز می شود که در مواقعی که نیاز به استحکام و انعطاف پذیری معینی باشد باید سطوح تماس دو ورق را تمیز کرد . گاهی لازم است شرایط فشار و آمپر نیز تغییر کند .
ح : فلزات غیر آهنی ، آلیاژهای آلومینیم ، آلومینیم منیزیم و آلومینیم منگنز قابل جوشکاری مقاومتی هستند مشروط بر آنکه سطح اکسیدی محل جوش تمیز شده و ظرفیت دستگاه جوش باندازه کافی باشد . آلیاژهای آلومینیم مس ، برنج و برنز برای این نوع جوشکاری مناسب نیستند . مس به علت هدایت الکتریکی و حرارتی بالا به دستگاه با ظرفیت خیلی بالا و الکترود های سطح سخت و یا تنگستن نیازمند است و معمولاً ورق های ضخامت بالاتر از 6/1 میلیمتر را با روش های دیگر جوشکاری اتصال می دهند. آلیاژ مونل و آلیاژهایی نیکل شبیه فولادهای زنگ نزن هستند .
فر آیند جوشکاری «مقاومتی نقطه ای» Resistance Spot Welding :
این فر آیند برای اتصال ورق های لب رویهم Lap یا سیم به ورق و یا سیم بر روی سیم بکاربرده شده و یکی از فرآیندهای مقاومتی می باشد که اتصال در اثر ذوب موضعی بوسیله تمرکز جریان الکتریکی بین الکترودهای استوانه ای انجام می شود ، این فرآیند به طور وسیعی در صنایع لوازم خانگی ، اتومبیل سازی و غیره بکار می رود. همانطورکه در مقدمه و کلیات توضیح داده شد قطعه کار بین الکترودها تحت فشار قرار گرفته و جریان از طریق ترانسفورماتور و بازوها به الکترود ها و سپس قطعه کار عبور می کند . جوش به صورت دکمه یا دیسک هایی بین دو لایه ورق لب رویهم بوجود می آید.
الکترود و اندازه دکمه جوش : تمرکز جریان الکتریکی به وسیله سطح تماس بین الکترود و کار انجام می شود .استحکام برشی“دکمه جوش” (nugget) باید به اندازه ای باشد که اگر تحت تنش قرار گرفت شکست در منطقه اطراف دکمه در ورق ایجاد شود . قطر الکترود و ضخامت ورق نیز باید به تناسب انتخاب شوند ، در عمل بین قطر الکترود ، ضخامت ورق و پارامترهای دیگر کار روابطی وجود دارد که با کمک جداول راهنما مشخص و به کار می برند : جداول (1201 و 1301 و 1401) قطر دکمه جوش معمولاً نزدیک به قطر الکترود است .
باید در نظر داشت که بعلت پیچیدگی در اطراف جوش ، تنش اعمال شده بر روی جوش (تحت نیرو) کاملاً تنش برشی نیست و در این حالت نرمی و انعطاف پذیری ورق بر روی خواص جوش اثر دارد . معیار مفید از نرمی و انعطاف پذیری جوش نسبت استحکام کششی عرضی و استحکام برشی آن می باشد که برای ماگزیمم نرمی این مقدار 1 و برای حالت تردی حدود صفر است . این نکته در مورد جوشکاری فلزات حساس در مقابل سخت شدن (quench hardening) حائز اهمیت است .
همانطور که قبلاً اشاره شد سطح تماس بین الکترود و قطعه کار اهمیت زیادی دارند . معمولاً الکترود را به صورت یک میله استوانه ای با قطر مورد دلخواه نمی سازند ، بلکه آن را بزرگتر ساخته و نوک آنرا با زاویه 30 درجه به صورت مخروطی می تراشند ، که نوک آن بنابر موقعیت کار به شکل ها و طرح های مختلف ساخته شده شکل (7801) و بنابروضعیت و طرح اتصال به بازوهای مختلفی بسته می شوند.
نیاز به هدایت الکتریکی و حرارتی بالا همراه با خواص استحکامی و مقاومت سایشی خوب در درجه حرارت کار موجب شده تا جنس الکترود و شکل و اندازه آن مورد توجه قرار گرفته و درست انتخاب شود . افزایش فشار بر روی الکترودها علاوه بر اینکه موجب تماس بهتر دو سطح و پائین آمدن مقاومت الکتریکی تماسی (R5 . R1) می شود ، گاه باعث شکسته شدن لایه اکسیدی سطحی نیز خواهد شد . از نظر کلی نیروی فشاری بالاتر روی الکترود مطلوب است ولی در جوشکاری فلزات با مقاومت الکتریکی کم ، نیروی زیاد چندان جالب نخواهد بود زیرا باید مقاومتی در بین دو ورق در موضع جوش وجود داشته باشد تا حرارت لازم ایجاد شود . از طرف دیگر نیروی زیاد باعث اثر گذاری روی سطح ظاهری ورق در موضع جوش و احتمالاً تغییر فرم الکترود نیز خواهد شد . نیروی وارده معمولاً برای چند سیکل پس از قطع شدن جریان الکتریکی نگهداشته شده و اندکی نیز افزایش می یابد و سپس رها می شود.