Aktualizováno !
Svařování elektrickým odporem je důležitou, ale nepříliš medializovanou metodou svařování. Nejznámějším typem odporového svařování je tzv. bodování. Jaký je princip bodování, k čemu se to hodí a jaké zařízení k tomu potřebujeme, se dozvíte z následujícího textu.
Svařování elektrickým odporem.
Při svařování elektrickým odporem není zdrojem tepla elektrický oblouk, ale elektrický odpor vzniklý v místě styku dvou svařovaných materiálů. Jedná se o tzv. přechodový odpor. Průchodem elektrického proudu (vysoké hodnoty) tímto odporem (svařovaným místem) dojde k místnímu ohřevu materiálů. Materiály se teplem nataví a k jejich svaření dojde po silném stlačení. Svářečky pro svařování elektrickým odporem tedy musí obsahovat kromě výkonného zdoje elektrického proudu také mechanické prvky umožňující velmi silné stlačení svařovaných materiálů v místě svaru. Množství tepla, které vzniká na přechodovém odporu v místě styku dvou materiálů, lze vyjádřit Jouleovým vztahem:
Q = R . I2 . t
Kde:
Q = množství tepla (Joule)
R = elektrický - zde přechodový - odpor (Ohm)
I = elektrický proud (Ampér)
t = čas - doba průchodu proudu odporem (sec)
Svařování elektrickým odporem dělíme na dvě základní skupiny podle vzájemné polohy svařovaných součástí:
1) Svařování stykové (na tupo), které dále dělíme na svařování stykové stlačením a svařování stykové odtavením. Toto svařování se používá například na svařování tyčí na tupo.
2) Svařování s přeplátováním, které dále dělíme na svařování bodové, švové a výstupkové. Svařování s přeplátováním je ideální pro svařování tenkých plechů.
Z výše uvedených typů odporového svařování je v praxi nejpoužívanější svařování bodové s přeplátováním, tzv. bodování. A právě bodování se budeme věnovat podrobněji v následujícím textu.
Bodování - základní principy.
Princip bodového svařování elektrickým odporem, tzv. bodování si vysvětlíme na následujícím obrázku:
Princip odporového svařování - bodování.
Svařovaný materiál (3) je sevřen mezi elektrody (1). Elektrody jsou upevněny na přítlačná ramena (2) a jsou napájené ze zdroje svařovacího proudu. Zdrojem svařovacího proudu v bodových svářečkách je obvykle výkonný transformátor (5) napájený ze sítě. Sekundární vinutí tohoto transformátoru tvoří jen pár závitů (obvykle jediný závit) silného měděného vodiče. U výkonných bodovek je sekundární závit chlazen vodou stejně jako ramena či elektrody. Důvodem jsou velké svařovací proudy pohybující se u průmyslových zařízení v rozmezí cca 1 až 150 kA (1000 - 150 000 Ampér!). Sekundární napětí takového svařovacího transformátoru se pohybuje v rozmezí cca 2 - 20 V.
Ke svaření materiálů dojde po sepnutí zdroje spínačem (6) na dobu T. Svařovanými materiály začne procházet vysoký elektrický proud I, který v místě jejich styku materiály nataví. Současně musí dojít k silnému stlačení ramen (2) silou P. V místě styku materiálů se tak vytvoří bodový svar (4)
Svařování ovlivňují následující základní parametry. V závorce jsou obvyklé hodnoty platné pro průmyslová zařízení:
Velikost proudu I (1 - 150 kA)
Velikost přítlačné síly P (0,5 - 10 kN)
Doba průchodu proudu T (0,04 - 4 sec)
Jak celý proces odporového bodového svařování probíhá vystihuje následující animace:
Jak vzniká bodový svar - animace.
Jak je patrné z výše uvedeného Jouleova vzorce, můžeme stejného množství tepla dodaného do svaru dosáhnout buď velikým proudem a krátkým časem, nebo nižším svařovacím proudem dodaným v delším čase. První kombinaci svařovacích parametrů nazýváme tvrdý režim. Tvrdý režim vyžaduje současně i vyšší přítlačnou sílu. Druhá kombinace se pak nazývá měkký režim a pracuje se s nižší přítlačnou silou. V čem jsou výhody a nevýhody obou režimů?
Tvrdý režim
Výhody:
1) vyžaduje jen krátké strojní časy
2) krátkodobé působení svařovací teploty (rychlé chladnutí svaru) vede k jemnozrnné struktuře svarového kovu
3) vznikají minimální napětí a deformace
4) snižuje spotřebu elektrické energie a elektrod
Nevýhody:
1) vyžaduje stroje velkých příkonů a silnějších konstrukcí (např.závěsné odporové stroje musí mít vyvažovače)
2) vyžaduje dobrou energetickou situaci v podniku (nárazové krátkodobé velké odběry energie)
Měkký režim
Výhody:
1) nevyžaduje stroje velkého příkonu
2) umožňuje používat menší průřezy elektrických vodičů
3) je méně citlivý na odchylky odporové svařitelnosti svařovaných materiálů
Nevýhody:
1) vyžaduje delší strojové časy (nižší produktivita)
2) vznikají větší deformace a napětí ve svarových spojích
3) je doprovázen hrubozrnnou (méně pevnou) strukturou
4) vyžaduje častější úpravu svařovacích elektrod
Využití bodového svařování.
Bodové svařování lze s úspěchem využít ke svařování tenkých plechů.
Zejména automobilový průmysl by dnes bez bodového svařování nemohl existovat v podobě, jak jej známe. Vždyť na ocelových karoseriích současných vozů jsou tisíce bodových svarů.
Svařuje se pomocí robotů a ve tvrdém režimu. Jenom díky tomu jsou automobilky schopny chrlit spousty automobilů nejen za hodiny, ale i za minuty.
Další využití je v oblasti vzduchotechniky a ve výrobě plechových krytů strojních zařízení a různých krabic. Kromě plechů se bodují také kulatiny (dráty, tyče) při výrobě populárních tzv. drátěných programů (nábytkové součásti, police, apod.).
Z hlediska materiálů se nejčastěji bodují konstrukční oceli, ale lze bodovat i korozivzdorné oceli, hliník a další materiály. Problémem je spojování pozinkovaných plechů.
Jednou z důležitých věcí při aplikaci bodového svařování je povolené namáhání bodových svarů. Bodové svary totiž nelze namáhat krutem! V krutu je pevnost bodových svarů minimální.
Naopak v tahu je jejich pevnost úctyhodná. Na toto je třeba dát pozor při návrhu konstrukce, kde hodláme používat bodové svary. Správné a špatné způsoby namáhání znázorňuje následující obrázek:
Namáhání bodových svarů.
Správně provedený bodový svar by se při nadměrném namáhání tahem měl celý vytrhnout z jednoho materiálu. Nemělo by tedy dojít k jeho přetržení, ale vytržení z materiálu:
Vytržení bodu při nadměrném namáhání tahem.
Aktualizace: v původní verzi článku bylo namáhání krutem mylně nazváno jako namáhání smykem, které je povolené. Na chybu nás upozornil Ing. Jiří Tichý. Děkujeme.
Konstrukční prvky bodových svářeček.
Svářečky pro bodové svařování elektrickým odporem obvykle nazýváme bodovky a dělíme je na bodovky ruční a bodovky stacionární (stojanové, sloupové). Nejprve si ale popíšeme společné znaky obou typů.
Je zřejmé, že přechodový odpor vzniká jak v místě styku svařovaných materiálů (žádoucí), tak v místech styku materiálu a elektrody (nežádoucí). Aby byl tento nežádoucí odpor minimalizován, musí být elektrody z materiálu s vysokou vodivostí. Ovšem zároveň musí být elektrody mechanicky odolné, aby snášely vysoké tlaky. V praxi se používá měď s přídavkem zirkonu (CuZr). Měď má vynikající vodivost a zirkon dodá tvrdost. Provozovatelé bodovek si občas naběhnou, když chtějí ušetřit. Místo nákupu originálních elektrod (poměrně drahých) si nechají levněji vysoustružit elektrody z obyčejné mědi. K jejich překvapení je ovšem životnost takových elektrod velmi malá až mizivá.
Ramena bodovek bývají obvykle z mosazi a u výkonných typů jsou chlazena vodou. Ramena, stejně jako elektrody, mohou mít rozličný tvar pro daný účel (svařování různých plechových krabiček, svařování drátěných programů, apod)
Nejjednodušší bodovky nemají žádnou regulaci proudu. Zdroj je pouze spínán pomocí stykače nebo bezkontaktně (SSR). Složitejší bodovky mají obvykle regulaci v primáru trafa pomocí antiparalelně zapojených výkonových tyristorů a řídící jednotky. Většina bodovek obsahuje transformátor pro jedno, resp. dvoufázové napájení, ale existují i bodovky třífázové. Kromě bodovek střídavých existují i bodovky stejnosměrné, kde je sekundární napětí usměrněno výkonnými polovodiči - ovšem vzhledem k vysokým proudům jsou takové bodovky velmi drahé.
Přítlak ramen bodovky je řešen buď čistě mechanicky s ručním, nebo nožním ovládáním na principu páky (bodovky nižších výkonů), nebo hydraulicky či pneumaticky. Hydraulicky a pneumaticky ovládané bodovky jsou ideální pro automatizovaná a robotizovaná svářecí pracoviště.
Ruční bodovky.
Ruční bodovky jsou často nazývány jako bodovací kleště. Jedná se o přenosná zařízení pro svařování plechů do tloušťěk cca 3+3 mm. Kulatiny lze obvykle svařovat i větších průměrů (cca 4-5 mm). Přesto, že se jedná o přenosná ruční zařízení, není jejich hmotnost díky vestavěnému transformátoru nijak malá. Z toho důvodu se často zavěšují na odlehčovací závěsy (někdy též nazývány vyvažováky), které jejich hmotnost kompenzují a s takovou bodovkou lze manipulovat velmi snadno. Daní za to je ale omezený akční rádius daný jen délkou lanka vyvažováku.
Ruční bodovky mají přítlak řešen mechanicky na principu páky ovládané rukou svářeče. Přítlak se dá regulovat předpětím pružiny pomocí šroubu. Páka je vybavena koncovým dorazem, který zároveň spíná svářecí proud. Proud tedy protéká jen při plném stlačení ramen. Regulace proudu buď zcela chybí, nebo je plynulá pomocí tyristorů. Transformátor, ramena a elektrody jsou chlazeny pouze okolním vzduchem a zejména chlazení ramen je limitujícím faktorem tzv. kadence bodování (počet bodů za minutu), která bývá velmi malá (do 10 bodů za minutu). Příklad ruční bodovky je na následujícím obrázku.
Typická ruční bodovka - bodovací kleště.
Stacionární bodovky.
Stacionární (někdy též stojanové nebo sloupové) bodovky mají minimálně ramena chlazená vodou. Často bývá vodou chlazen i transformátor a elektrody. Přítlak bývá řešen hydraulicky nebo pneumaticky a pokyn k sevření ramen a sepnutí proudu dává obsluha obvykle nožním spínačem. Jednodušší stojanové bodovky mají přítlak řešen i mechanicky nožní pákou. Plynulá regulace proudu a času je samozřejmostí. Také velikost přítlaku je seřiditelná. Stacionární bodovky jsou určeny pro sériovou výrobu s velkou kadencí bodů. Příklad stojanové bodovky je na následujícím obrázku.
Stojanová bodovka.
Závěr.
Tento článek rozhodně není vyčerpávajícím popisem metody bodového svařování elektrickým odporem, ale snaží se o přiblížení této metody i zájemcům z řad amatérů. Další informace o svařování elektrickým odporem naleznete (v angličtině) například na těchto stránkách:
www.hobbyspotwelders.com
V příštím článku o bodování představíme amatérskou konstrukci maličké bodovačky hlavně pro modeláře. Není to nic složitého a dá se to vyrobit v každé dílně.
Bodovky a bodování.
