POLITECHNIKA ŁÓDZKA

INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

ZESPÓŁ OBRÓBKI PLASTYCZNEJ I SPAWALNICTWA

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Temat: ZGRZEWANIE OPOROWE PUNKTOWE

1. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z obsługą standardowej zgrzewarki oporowej punktowej, samodzielny dobór podstawowych parametrów procesu, wykonanie złączy zgrzewanych na podstawie wybranych parametrów oraz ocena jakości uzyskanych połączeń.

2. WYMAGANE WIADOMOŚCI

Przygotowanie teoretyczne do ćwiczenia oprócz zapoznania się z treścią niniejszej instrukcji, obejmuje następujące zagadnienia:

• sposoby zgrzewania punktowego i ich zastosowanie [1], rozdz. IV.3, s. 57÷64. [3], s. 17÷25,

• wpływ parametrów zgrzewania punktowego na przebieg procesu i kształt złącza [1 ] t.2, rozdz. XXX, p. lc, s. 276+303, [4] s.214+215,

• zasady doboru parametrów w odniesieniu do różnych materiałów i ich grubości [1], rozdz. IX.2, s. 201+219,

• metody kontroli jakości złączy zgrzewanych punktowo (niszczące i nieniszczące) [2] t.2, rozdz. XXXVIII, P. 4 (a+c), s. 653+671.

3. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE

3.1. Cykl zgrzewania punktowego

Cykl zgrzewania punktowego składa się z trzech podstawowych etapów (rys. 1):

I ETAP - polega na dociśnięciu części łączonych elektrodami zgrzewarki przed włączeniem prądu zgrzewania. W miejscu docisku wytwarza się styk określający początkową rezystancję styku łączonych metali.

II ETAP - to nagrzewanie części łączonych wskutek przepływu prądu przez miejsce styku od temperatury topnienia (niekiedy uplastycznienie) metali łączonych i utworzenie płynnego jądra otoczonego strefą zgrzania w stanie plastycznym (istnieje wiele metali których zgrzewanie nie doprowadza do powstania jądra - wówczas połączenie może istnieć tylko w stanie plastycznym).
Jądro tworzy się w miejscu styku łączonych części, ponieważ wydziela się tu największa ilość ciepła. Ciepło wydzielające się w miejscu styku elektrod z częściami oraz w metalu znajdującym się najbliżej tych miejsc jest odprowadzane intensywnie od elektrod chłodzonych wodą i w związku z tym temperatury, jakie tu powstają są niższe od temperatury topnienia metalu zgrzewanego. Jądro zgrzeiny jest osłonięte szczelnie powłoką metalu uplastycznionego, ulegającego pewnym odkształceniom pod wpływem docisku elektrod. W przypadku zbyt długiego czasu przepływu prądu może nastąpić naruszenie równowagi w utrzymaniu przez powłokę metalu uplastycznionego określonej wielkości jądra. Część roztopionego metalu jądra zostaje wyrzucona na zewnątrz bezpośrednio ze środka lub też z pomiędzy blach. Wypryskowi takiemu towarzyszy nadmierny wgniot elektrody w materiał zgrzewany.

III ETAP - to stygnięcie zgrzeiny i powstanie złącza. Etap rozpoczyna się od chwili wyłączenia prądu. Stygnięcie rozpoczyna się pod dociskiem elektrod, przy czym wielkość tego docisku może być równa lub większa od docisku wywieranego w czasie przepływu prądu. Wzrost siły docisku (tzw. przekuwanie) ma na celu, oprócz podwyższenia własności wytrzymałościowych zgrzeiny w wyniku zgniotu, również likwidację naprężeń wywołanych rozszerzalnością cieplną i objętościowym skurczem metalu. Zbyt duża siła przekuwania może powodować zmniejszenie plastyczności
złącza i jego pękanie.

Rys. 1. Zasada i cykl zgrzewania punktowego: a) początek cyklu zgrzewania (docisk części łączonych) - etap I. b),.c).d) - nagrzewanie części łączonych i stopniowe tworzenie jądra zgrzeiny, - etap II. e).f) - stygnięcie złącza (pod działaniem docisku) i zakończenie cyklu zgrzewania - etap III.

3.2. Dobór parametrów zgrzewania

Parametry zgrzewania: siła docisku P, natężenie prądu zgrzewania J i czas przepływu prądu zgrzewania t, oraz dodatkowo czasy docisku wstępnego t_w i końcowego t_k dobiera się w zależności od rodzaju metalu (lub stopu) i jego grubości. Przez parametry twarde należy rozumieć: krótki czas przepływu prądu zgrzewania oraz duże wartości natężenia prądu i sił docisku elektrod. Proces zgrzewania przy nastawieniu parametrów twardych przebiega z dużą wydajnością, przy małym zużyciu energii elektrycznej. Stosuje się go przy produkcji masowej i wielkoseryjnej. Złącze wykonane przy parametrach twardych posiada małą strefę wpływu ciepła (SWC). W celu zagęszczenia jądra zgrzeiny i uniknięcia wyprysków stosuje się duże dociski elektrod. Parametry zgrzewania miękkie, tj. dłuższe" czasy przepływu prądu zgrzewania, przy mniejszych jego wartościach oraz niniejszych siłach docisku elektrod, stosuje się w przypadku braku zgrzewarek dużej mocy lub zgrzewania materiałów skłonnych do hartowania. Proces zgrzewania przebiega wtedy łagodnie, przy równoczesnym wzroście SWC i odkształceń złączy. Średnicę elektrody dobiera się w zależności od grubości blach. Przy zgrzewaniu blach o jednakowych grubościach przyjmuje się d_e= 5 √g. Przy zgrzewaniu blach różnych grubości, gdy g₂/ g₁< 1,5 przyjmuje się d_e1=d_e2 = 5 √g, gdy 1,5<g₂/g₁< 3, przyjmuje się d_e1= 5 √g i d_e2= 5 √g₂. Gdy g₂/g₁ >3, .średnice elektrod dobiera się z zależności geometrycznej wg rys.2.

Rys.2. Dobór średnic powierzchni roboczych elektrod. gdy g₂/g₁ >3

W przypadku stali niskowęglowej złącze można uznać za wykonane poprawnie, gdy średnica zgrzeiny d₂= (0,8÷1,1)·d_e. Przy łączeniu części o różnych grubościach zależność powyższa obowiązuje dla cieńszej części. We wszystkich trzech wymienionych przypadkach natężenie prądu zgrzewania ustala się dla materiału o mniejszej grubości. Gdy g₂/g₁ >3, natężenie prądu zwiększa się o 20÷30%.

Często zachodzi konieczność grupowania zgrzein w jednym, dwóch lub kilku rzędach. Zgrzein, nie można wówczas umieszczać zbył blisko siebie z uwagi na zjawisko bocznikowania, tj. przepływu części prądu zgrzewania przez sąsiednią, wcześniej wykonaną zgrzeinę (rys.3).

Rys.3. Bocznikowanie prądu przy zgrzewaniu punktowym:

I - całkowity prąd wtórny, I₂ - prąd zgrzewania, I_b - prąd bocznikowania t - podziałka zgrzein

Przy zbyt małej odległości pomiędzy poszczególnymi zgrzeinami prąd bocznikowania może przyjmować większe wartości, niż prąd zgrzewania niezbędny do wykonania następnej zgrzein. W wyniku tego może nastąpić znaczne obniżenie wytrzymałości połączenia, bądź też zupełny brak zgrzania. Zgrzeiny powinny być również rozmieszczone w odpowiedniej odległości od krawędzi blach, aby uniknąć wyciśnięcia ciekłego metalu na zewnątrz. Zasady doboru wielkości geometrycznych ci złącz punktowych określa PN-74/M -69021.

3.3. Program operacji zgrzewania punktowego

Moment docisku elektrod, siła i czas trwania docisku, jak również moment włączenia prądu i czas jego przepływa są ustalone w tzw. programie zgrzewania, obejmującym pełny przebieg operacji składających się na wykonanie jednego punktu. Różnego rodzaju programy stosowane w praktyce przedstawiono na rys. 4.

Rys.4, Przykłady programów zgrzewania

W programie najprostszego typu (rys. 4a) docisk elektrod P jest stały; prąd o praktycznie starym natężeniu I przepływa bez przerwy. Należy się wystrzegać, aby włączenie prądu nie następowało przy jeszcze niezupełnym docisku (rys, 4b), gdyż następuje wówczas silne iskrzenie, tworzą się pory, a nawet może powstać otwór w środku zgrzeiny. Rys, 4c przedstawia program przewidziany dla zgrzewania z operacją przekuwania, co jest szczególnie stosowane przy zgrzewaniu aluminium. Na rys. 4d przedstawiono najbardziej typowy program ze wzmocnionym początkowym dociskiem (kruszenie zgrzeiny, dobre umocnienie styku), ze zmniejszonym dociskiem podczas zgrzewania (pożądane zwiększenie oporu) oraz przekuwaniem pod zwiększonym dociskiem.

Przy grubych blachach lepsze wyniki uzyskuje się stosując szereg impulsów prądu (rys. 4e), które stopniowo doprowadzają metal do stanu zgrzewalności. W tego rodzaju programie pierwszy impuls łub początkowe impulsy mogą być słabsze, jako podgrzewające, a końcowy mocniejszy jako zgrzewający (rys. 4F). Cykl pracy również o dwóch impulsach prądu I₁ i I₂ lecz o jednym charakterze (pierwszy - zgrzewający, drugi - wyżarzający) szczególnie przydatny dla materiałów łatwo hartujących się przedstawiono na rys. 4g. Na rys. 4h przedstawiono program o zmiennym docisku P i natężeniu I.

3.4. Badanie jakości złączy zgrzewanych

Metody kontroli służące do wykrywania wad w gotowych złączach zgrzewanych dzieli się na:
a) niszczące
b) nieniszczące.

Do grupy pierwszej zalicza się: próby technologiczne, badania własności mechanicznych, badania metalograficzne. . korozyjne itp.

Do grupy drugiej należą oględziny zewnętrzne i pomiary geometryczne, badania szczelności, magnetyczne, ultradźwiękowe i radiograficzne. Badania technologiczne należą do powszechnie stosowanych z uwagi na możliwość przeprowadzenia ich w ramach bieżącej kontroli procesu zgrzewania. Mają one na celu uzyskanie ogólnych informacji o własnościach plastycznych złączy oraz stwierdzenie braku lub obecności w tych złączach podstawowych wad wewnętrznych. Nie dają one jednak wyników ilościowych przydatnych do projektowania konstrukcji.
Wśród prób technologicznych stosowanych powszechnie przy ocenie połączeń zgrzewanych punktowo stosuje się próbę wyłuskiwania (rys. 5) oraz skręcania złączy zakładkowych (rys.6). Jako pozytywny wynik próby wyłuskiwania przyjmuje się rozdzielenie złącza i wyrwanie utworzonego jądra zgrzeiny z jednej z blach. Próba służy do oceny połączeń dwóch blach, gdy grubość cieńszej nie przekracza 2 mm. Próbę skręcania stosuje się do badania połączeń punktowych w przypadku, gdy grubość łączonych części jest równa, bądź większa od 1 mm. Próba pozwala na określenie średnicy jądra zgrzeiny, obszaru zgrzewania w stanie plastycznym wykrycia pęknięć powierzchniowych pierścieniowych, wyprysku metalu i in.

Próbę przeprowadza się dla trzech kolejnych zgrzein.

Rys. 5. Schemat próby wyłuskiwania zgrzein punktowych w złączu zakładkowym

Rys.6. Schemat próby skręcania zgrzeiny punktowe] w złączu zakładkowym

5. PRZEBIEG ĆWICZENIA.

Przed przystąpieniem do praktycznego wykonania ćwiczenia studenci zapoznają się z przepisami bhp i p.poż. Instruktor zapoznaje studentów z budową i działaniem oraz charakterystyką zgrzewarki. Na podstawie tabel lub normogramów znajdujących się na stanowisku badawczym studenci dobierają parametry zgrzewania. Zgodnie z PN-74/M-69021 znajdującą się na stanowisku badawczym ustalają geometrię złącza. Po samodzielnym wykonaniu złącz przeprowadzają próbę skręcania i wyłuskiwania zgrzein. Dokonują oceny wykonanych złącz. Na zakończenie Instruktor przeprowadza próbę wytrzymałości złącz na ścinanie.

6. SPRAWOZDANIE
Sprawozdanie powinno zawierać: . ..

• cel i zakres ćwiczenia,

• przedmiot badań (w tym rysunek złącza),

• wyniki pomiarów w formie tabelarycznej,

• dyskusję wyników,

• wnioski.

LITERATURA

1. Michalski R: Zgrzewanie oporowe. Poradnik WNT. W-wa, 1970.

2. Praca zbiorowa: Poradnik Inżyniera. Spawalnictwo. WNT, W-wa, 1983.

3. Michalski R.: Technologia zgrzewania metali. Politechnika Śląska w Gliwicach, 1971.

4. Dobrowolski Z.: Podręcznik Spawalnictwo. WNT. W-wa 1978.

U W A G A !

PRZED PRZYSTĄPIENIEM DO WYKONYWANIA ĆWICZENIA NALEŻY ZAPOZNAĆ SIĘ Z INSTRUKCJA BHP NA STANOWISKU ZGRZEWANIA

Grubość blachy mm	Średnica powierzchni roboczej mm	Parametry miękkie			Parametry sztywne
				Siła docisku elektrod kG	Natężenie prądu zgrzewania	Czas przepływu prądu zgrzewania sek	Siła docisku elektrod kG	Natężenie prądu zgrzewania A	Czas przepływu prądu zgrzewania sek
0,5	4	50	2000	0,2	150	4000	0,01
1,0	5	100	3000	0,4	250	8000	0,1
1,5	6	150	4000	0,8	400	11000	0,2
2	7	200	5000	1,0	500	14000	0,3
3	9	300	8000	2,0	800	19000	0,6
4	11	380	10000	3,2	1250	24000	0,9
5	13	450	12000	4,5	1700	28000	1,4
6	15	-	-	-	2250	32000	2,0
7	17	-	-	-	3000	37000	2,5
8	19	-	-	-	3700	40000	3,0

Orientacyjne parametry zgrzewania punktowego wieloimpulsowego stali niskowęglowych

Grubość blachy mm	Średnica powierzchni roboczej elektrod mm	Promień zaokrąglenia powierzchni roboczej elektrod mm	Siła docisku zgrzewania A	Naprężenie prądu zgrzewania A	Liczba impulsów	Czas przepływu prądu zgrzewania	Czas przepływu pomiędzy impulsami
4,0 6,0 8,0 10,0	30 30 30 30	150 150 250 250	1700 2300 3200 3500	26000 28200 32000 34000	6 10 14 15	0,5 0,47 0,44 0,62	0,15 0,15 0,15 0,15

Orientacyjna parametry zgrzewania punktowego z obróbką cieplną zgrzeiny stali konstrukcyjnych 30HGSA, 40HNMA, 30H2N2WA i 45.

Grubość blachy mm	Średnica powierzchni roboczej elektrod kG	Siła docisku elektrod kG	Zgrzewanie		Czas przerwy sek	Obróbka cieplna
							Natężenie prądu zgrzewania A	Czas przepływy prądu zgrzewania sek		Natężenie prądu A	Czas przepływu prądu sek
0,8 1,0 1,2 1,5 2,0 2,5 3,0	4-5 5-6 6-7 6-7 7-9 8-10 9-10	60 80 100 140 200 300 400	5000 6000 7000 8000 9000 10500 12000	0,5 0,6 0,8 1,0 1,4 1,6 2,0	0,25 0,20 0,25 0,30 0,40 0,45 0,5	2500 3000 3500 4000 4500 5000 6000	0,5 0,6 0,8 1,0 1,4 1,6 2,0

Orientacyjne parametry zgrzewania punktowego stali żaroodpornej H25N20 i stopu typu nichrom.

Materiał zgrzewany	Średnica powierzchni Roboczej elektrod mm	Średnica powierzchni roboczej elektrod mm	Siła docisku elektrod kG	Natężenie prądu zgrzewania A	Czas przepływu prądu zgrzewania sek
Stal żaroodporna H25 N20	0,8 1,0 1,5 2,0	5-6 6-7 6-7 7-8	100-200 300-350 400-500 500-600	3000-4000 4000-5000 5000-6000 6000-8000	0,4-0,8 0,8-1,2 1,0-1,5 1,2-1,5
Stop typu nichrom	0,5 1,0 1,5 2,0	4 5 6 7	200-300 350-450 500-650 700-900	3500-4500 6000-7000 8000-10000 10000-12000	0,01-0,08 0,06-0,10 0,10-0,16 0,14-0,20

Orientacyjne parametry zgrzewania punktowego stali nierdzewnych 1H18N9T, 1H18N9, 2H18N9

Grubość blachy mm	Średnica powierzchni roboczej elektrod mm	Siła docisku elektrod kG	Natężenie prądu zgrzewania A	Czas przepływu prądu zgrzewania sek
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,5 2,0 2,5	2,5 4,0 4,0 4,5 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0	45-90 75-90 90-180 150-200 200-400 250-450 350-600 450-700 500-700	2000-3000 3000-4000 3000-4000 4000-5000 4500-6000 5000-7000 5500-8000 6000-10000 8000-11000	0,02-0,06 0,04-0,06 0,04-0,06 0,06-0,08 0,06-0,08 0,12-0,20 0,16-0,21 0,20-0,25 0,20-0,30

Orientacyjne parametry zgrzewania punktowego jednoimpulsowego stali konstrukcyjnych 30HGSA, 40HNMA, 30HN2WA i45

Grubość blachy mm	Średnica powierzchni roboczej elektrody mm	Siła docisku elektrod kG	Natężenie prądu zgrzewania A	Czas przepływu prądu zgrzewania sek
0,5 0,8 1,0 1,5 2,0 3,0	3,5-4 4-4,5 5-6 6-7 7-9 9-10	30-50 50-80 70-100 120-180 200-300 350-500	2500-4000 3000-5000 4000-6000 5000-7000 6000-8000 9000-12000	0,5-0,7 0,6-0,8 0,8-1,2 1,0-1,5 1,4-2,0 2,0-2,5

Orientacyjne parametry zgrzewania punktowego mosiądzu M63

Grubość blachy mm	Promień zaokrąglenia elektrody kulistej mm	Siła docisku elektrod kG	Natężenie prądu zgrzewania A	Czas przepływu prądu sek
0,5 1,0 1,5 3,0	50 50 70 150	130 180 260 400	15700 18300 26800 38600	0,10 0,20 0,20 0,35

Orientacyjne parametry zgrzewania punktowego stopów aluminium PA1, PA2

Grubość blachy mm	Promień zaokrąglenia elektrody kulistej mm	Siła docisku elektrod kG	Natężenie prądu zgrzewania A	Czas przepływu prądu zgrzewania sek
0,5 0,8 1,0 1,2 1,5 2,0 2,5	75 75 75 75 100 100 100	100 150 200 250 300 400 500	18000 20000 22000 25000 28000 34000 37000	0,08-0,12 0,10-0,14 0,12-0,20 0,20-0,24 0,22-0,28 0,26-0,32 0,30-0,34

Orientacyjne parametry zgrzewania punktowego duraluminium przy zastosowaniu prądu modulowanego

Grubość blachy mm	Promień zaokrąglenia elektrody kulistej mm	Siła docisku elektrod kG	Natężenie prądu zgrzewania A	Czas przepływu prądu sek
								Podgrzewanie (narastanie prądu)	Nagrzewanie przy stałej wartości prądu	Ochładzanie (obniżanie prądu)
0,8 1,2 1,5	75 75 100	400 500 600	24000 27000 29000	0,04 0,06 0,06	0,10 0,14 0,18	0,14 0,18 0,22

Orientacyjne parametry zgrzewania punktowego niklu

Grubość blachy mm	Średnica powierzchni roboczej elektrod mm	Siła docisku elektrod kG	Natężenie prądu zgrzewania A	Czas przepływu prądu zgrzewania sek
0,5 1,0 1,5 2,0	4,0 6,0 6,0 7,0	200-300 350-450 600-650 700-900	3500-4500 6000-7000 8000-10000 10000-12000	0,04-0,08 0,05-0,10 0,10-0,15 0,15-0,20

Orientacyjne parametry zgrzewania punktowego tytanu WT-1D

Grubość blachy mm	Promień zaokrąglenia elektrody kulistej mm	Siła docisku elektrod kG	Natężenie prądu zgrzewania A	Czas przepływu prądu zgrzewania sek
0,8 1,0 1,2 1,5 1,7 2,0 2,5	50-75 75-100 75-100 75-100 75-100 100-150 100-150	200-250 250-300 300-350 350-400 375-400 400-500 500-600	5500 6000 6500 7500 8000 10000 12000	0,10-0,16 0,16-0,20 0,20-0,26 0,26-0,30 0,26-0,30 0,30-0,36 0,30-0,40

Instytut Inżynierii Materiałowej i Technik Bezwiórowych P. Ł

Instrukcja Technologiczna Zgrzewania

Nr

Rodzaj zgrzewania: -punktowe jednoimpulsowe

Rodzaj złącza: -zakładkowe

Materiał podstawowy: -gatunek -zakres grubości

Sposób przygotowania materiału:

Schemat złącza:

Parametry zgrzewania

Lp.

Średnica powierzchni czołowej elektrody [mm]

Siła docisku elektrod [kN]

Zgrzewanie

Czas przerwy [sek]

Obróbka cieplna

Natężenie prądu zgrzewania [A]

Czas przepływu prądu zgrzewania [sek]

Liczba impulsów

Natężenie prądu [A]

Czas przepływu prądu [sek]

Schemat programu zgrzewania:

Ocena jakości złącza: -stan powierzchni -próba wyłuskiwania -próba skręcania -próba ścinania

Uwagi:

Opracował:

Sprawdził:

Zatwierdził:

I

[A]

T [sek]

---