Technologia i badania zgrzewania doczołowo-zwarciowego

Szkolenia i praktyki

Ze względu na powszechnie stosowaną technologię zgrzewania doczołowego prętówblach czy taśm tnących na rozwijającym się polskim rynku, ASPA  stale poszerza asortyment urządzeń przeznaczonych do tego celu, pozwalających uzyskać wysoką jakość i wydajność zgrzewania.

Przedsiębiorstwo Aparatury Spajalniczej ASPA jest największym producentem zgrzewarek oporowych na polskim rynku, w tym również zgrzewarek doczołowo-zwarciowych. Historia firmy jako producenta urządzeń zgrzewalniczych sięga 1969 roku. Zdobyte doświadczenia na przestrzeni minionego czasu pozwalają dzisiaj producentowi spełniać praktycznie wszystkie wymagania stawiane przez klientów w zakresie dostosowania maszyn do konkretnych technologii zgrzewania na bardzo trudnym i wymagającym polskim rynku. Zgrzewarki doczołowo-zwarciowe stanowią obecnie podstawowy typoszereg urządzeń w asortymencie ASPA. Zgrzewarki te znajdują powszechne zastosowanie w przemyśle krajowym. Stosowane są w małych i dużych warsztatach rzemieślniczych oraz są przedmiotem eksportu.

Obecnie ASPA oferuje na rynku krajowym następujące typy urządzeń doczołowo-zwarciowych:

W wymienionym asortymencie, w zależności od przeznaczenia, zgrzewarki wyposażono w docisk ręczny lub pneumatyczny (litera P) z przeznaczeniem do produkcji seryjnej. O możliwościach technicznych zgrzewarek decydują zastosowane w nich sterowniki. Układy te wykonywane przy zastosowaniu techniki mikroprocesorowej z wykorzystaniem nowoczesnych podzespołów elektronicznych. W produkcji niektórych układów sterowania jest wykorzystana technologia montażu powierzchniowego. Wykorzystanie najnowszych osiągnięć z dziedziny elektroniki (techniki mikroprocesorowej) umożliwia produkcję wielu odmian układów sterowania dostosowanych do specyfiki aplikacji w konkretnej zgrzewarce. Zastosowane układy sterowania pozwalają na realizację wielu funkcji, które podnoszą walory użytkowe i korzystnie wpływają na uzyskanie wysokiej jakości połączeń zgrzewanych.

Pręty schemat

Technologia zgrzewania doczołowo-zwarciowego

W procesie zgrzewania doczołowego, w celu uzyskania zgrzeiny, wykorzystuje się zjawisko nagrzewania oporowego w wyniku przepływu prądu przez silnie dociśnięte do siebie powierzchnie styku łączonych elementów. Po nagrzaniu do odpowiedniej temperatury następuje odkształcenie plastyczne i zgrzanie elementów. W zależności od rodzaju łączonych materiałów i ich przekrojów, jest to przeważnie temperatura znacznego uplastycznienia (w przypadku stali 1200÷1300°C ), w której zachodzi trwałe połączenie metaliczne w stanie stałym.

Schemat zgrzewania doczołowego prętów:
a) złącze doczołowe prętów zgrzewane oporowo-zwarciowo w stanie plastycznym

b) złącze doczołowe prętów zgrzewane oporowo-zwarciowo ze stopieniem metalu w obszarze styku;
I1 – długość mocowania,
lZ – długość zamocowania,
PZ – siła docisku zgrzewania,
ΔS – naddatek na spęczanie.

Na jakość zgrzeiny, jej wytrzymałość i właściwości mechaniczne ma wpływ szereg parametrów technologicznych, które trzeba odpowiednio dobrać do rodzaju łączonych elementów, zwracając szczególną uwagę na przygotowanie elementów przed procesem zgrzewania. Przepływ prądu zgrzewania, a przez to nagrzewanie oporowe musi odbywać się na całej powierzchni styku łączonych elementów. Aby to zjawisko odbywało się prawidłowo, bardzo istotne jest przygotowanie łączonych elementów przed procesem zgrzewania. Wszelkie zanieczyszczenia na przekrojach zgrzewanych elementów, nieodpowiednie dopasowanie powierzchni stykowych, powodują nierównomierny przepływ prądu, nierównomierne nagrzewanie styku oraz miejscowe przegrzanie i utlenianie się części zgrzewanego przekroju. Istotne jest też zachowanie odpowiedniej powierzchni stykowej łączonych elementów w obszarze mocowania z zaciskami zgrzewarki. Zbyt mała lub ograniczona zanieczyszczeniami (smary, rdza) powierzchnia styku powoduje straty i nierównomierny przepływ prądu oraz prowadzi do przegrzewania obszarów mocowania, co jest niekorzystne dla procesu zgrzewania, jak i samej zgrzewarki.

Podstawowymi parametrami zgrzewania doczołowo-zwarciowego są:

  • natężenie prądu
  • siła docisku
  • długość mocowania
  • naddatek na spęczanie
  • czas przepływu prądu zgrzewania
Zalecane parametry zgrzewania doczołowo-zwarciowego
Zalecane parametry zgrzewania doczołowo-zwarciowego

Optymalny dobór odpowiednich parametrów zgrzewania określa się na podstawie nomogramów uzyskanych z doświadczeń oraz badań przeprowadzanych na takich samych lub podobnych złączach. Bardzo często takie nomogramy dostarczane są przez producenta wraz ze zgrzewarką.

Zaleca się, aby przy mniejszych powierzchniach przekroju były stosowane górne wartości gęstości prądu lub mocy jednostkowej i krótkie czasy zgrzewania. Jest to uwarunkowane większymi stratami cieplnymi z powodu większego stosunku obwodu do przekroju przy malejącej średnicy pręta. Natężenie przepływu prądu ma istotny wpływ na prędkość procesu zgrzewania i decyduje o mechanizmie tworzenia się zgrzeiny. Duże natężenia i krótkie czasy zgrzewania stosuje się w przypadku zgrzewania materiałów o dobrym przewodnictwie cieplnym (stopy miedzi, aluminium i jego stopy, stale niskowęglowe). Odwrotnie jest w przypadku stali o dobrej hartowności – gdzie wymagany jest długi czas nagrzewania.

Zaletą stosowania dużych natężeń prądów i krótkich czasów zgrzewania jest samooczyszczanie się zgrzeiny z zanieczyszczeń, poprzez wyrzucanie ich na zewnątrz ze stopionym materiałem w postaci rąbka. Przyczynia się to również do powstawania wąskiej strefy zgrzania i SWC o strukturze drobnoziarnistej.

Siła docisku jest dobierana w procesie zgrzewania odpowiednio do rodzaju łączonych materiałów, ich kształtu i przekroju. Prawidłowo dobrana siła docisku zapewnia w zgrzeinie równomierne nagrzewanie, odpowiednie spęczanie metalu w obszarze złącza i wyciśnięcie ciekłego metalu wraz z zanieczyszczeniami w postaci rąbka. W przypadku zbyt małej siły docisku w zgrzeinie powstaje przyklejenie, natomiast za duża siła docisku może prowadzić do wyboczenia bądź przesunięcia względem siebie łączonych elementów.

Długość mocowania ma wpływ na wielkość rezystancji Rp zgrzewanych przedmiotów i wywiera wpływ na równowagę cieplną w czasie zgrzewania. Zbyt mała powierzchnia styku łączonych elementów z elektrodami powoduje nadmierne ich nagrzewanie, co prowadzi do pogorszenia sprawności procesu. Nadmierna długość mocowania może na tyle zwiększyć oporność Rp, że przedmioty mocowane ulegną przegrzaniu, wyboczeniu lub przesunięciu pod wpływem docisku zgrzewania, co uniemożliwi przeprowadzenie procesu zgrzewania.

Naddatek na spęczanie (ΔS) jest to wielkość, o którą ulegną skróceniu przedmioty poddawane zgrzewaniu. Naddatek ten stanowi część materiału, która ulega uplastycznieniu pod wpływem nagrzewania oporowego i działania siły docisku. Parametr ten decyduje o stopniu odkształcenia materiału, wielkości rąbka, z którym usuwane są zanieczyszczenia powstające podczas zgrzewania.

Czas procesu zgrzewania jest parametrem wynikowym i zależy od wielkości naddatku na spęczanie pod prądem ΔSp i od średniej prędkości spęczania.

Ważny wpływ na jakość zgrzeiny ma tu prędkość spęczania Vs. Jest to funkcja prędkości nagrzewania przedmiotów i ich właściwości mechanicznych. Na prędkość nagrzewania ma wpływ oporność zgrzewanego materiału. W większości produkowanych obecnie zgrzewarek doczołowo- zwarciowych prędkość spęczania i czas zgrzewania reguluje się pośrednio poprzez odpowiednie ustawienie wyłącznika krańcowego

Asortyment zgrzewarek doczołowo-zwarciowych produkcji ASPA

Ręczne zgrzewarki doczołowo-zwarciowe produkcji ASPA służą do zgrzewania prętów o przekroju kołowym, kwadratowym lub prostokątnym, wykonanych ze stali niskowęglowej, stopowej, miedzi i aluminium o średnicy od 0,3mm do 20mm. Cechą wspólną tej grupy zgrzewarek jest prosta budowaniezawodne działanie i wysoka jakość uzyskiwanych zgrzein. Zgrzewarki wyposażone są w proste mechaniczne zespoły nastawy docisku i prądu zgrzewania, umożliwiające łatwe ustawienie właściwych parametrów zgrzewania. Każda zgrzewarka ma zespół do wyżarzania zgrzein. W grupie zgrzewarek doczołowych produkowane są także zgrzewarki w wykonaniach specjalnych, takie jak ZDZ-3PW, z przeznaczeniem do zgrzewania taśm tnących, oraz ZDZ-0,6S wraz ze szlifierką do usuwania wypływki.

Pneumatyczne zgrzewarki doczołowo-zwarciowe produkcji ASPA służą do zgrzewania prętów o przekroju kołowym, kwadratowym lub  prostokątnym, wykonanych ze stali niskowęglowej, stopowej, miedzi oraz aluminium o średnicy od 2mm do 25mm. Urządzenia te są zbudowane na bazie:

  • transformatorów zgrzewalniczych o mocy znamionowej P50% – 4,7,16 i 40 kVA;
  • układów dociskowych o sile docisku: 10–900 daN;
  • układu sterowania typu ASM-911, który umożliwia, między innymi, automatyczną kompensację zmian napięcia zasilającego zgrzewarkę, zaprogramowanie i zapamiętanie ośmiu technologii zgrzewania oraz prowadzenie diagnostyki zgrzewarki.

Przebieg i wyniki badań

Prób zgrzewania prętów o średnicy φ 6,5 mm ze stali węglowej 55 dokonano przy wykorzystaniu urządzenia ZDZ-2,5 produkcji ASPA.

Jakość złączy zgrzewanych doczołowo-zwarciowo oceniana jest na podstawie:

  •  wyglądu zewnętrznego
  • wytrzymałościowej próby rozciągania
  • badań metalograficznych
  • pomiaru rozkładu twardości

Rąbek zgrzeiny (wypływka) powinien być wąski i równomiernie rozłożony na całym obwodzie złącza, co świadczy o pełnym przetopie zgrzewanego materiału. Wytrzymałość na rozciąganie złączy zgrzewanych oporowo-zwarciowo może być od 10% do 20% niższa niż wytrzymałość materiału rodzimego. Spowodowane jest to obecnością zanieczyszczeń w zgrzeinie oraz rozrostem ziaren w stosunkowo szerokiej strefie wpływu ciepła (SWC). W przypadku zgrzewania stali węglowych, zawierających powyżej 0,3% C lub metali wymagających obróbki cieplnej po zgrzewaniu, stosuje się dodatkowo przepływ jednego lub kilku impulsów prądowych. Powoduje to odpuszczenie materiału w strefie wpływu ciepła, a co za tym idzie zbliżenie struktury samej zgrzeiny do materiału rodzimego i jednocześnie polepszenie jakości zgrzewu. Próbki zgrzanych prętów poddano wytrzymałościowej próbie rozciągania. Potwierdzają one poprawność wykonania złączy.

Otrzymane wyniki potwierdzają wysoką jakość urządzeń do zgrzewania doczołowo-zwarciowego produkowanych w Przedsiębiorstwie Aparatury Spajalniczej ASPA. Firma ma bogate tradycje w produkcji tych urządzeń, cieszy się uznaniem odbiorców krajowych i zagranicznych, co stawia ją na pozycji lidera w tym zakresie.

Artykuł ukazał się w magazynie „Spajanie”

polski