PL217256B1 - Sposób rezystancyjnego zgrzewania punktowego elementów metalowych na zakładkę - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób rezystancyjnego zgrzewania punktowego na zakładkę, szczególnie blach stalowych, aluminiowych i metalizowanych.

Do tej pory zgrzewanie punktowe blach odbywa się przy ustalonych parametrach, takich jak siła docisku, prąd zgrzewania, czas przepływu prądu zgrzewania, przy czym początkowa wartość natężenia prądu zgrzewania jest zależna od szybkości działania regulatora układu sterowania oraz reaktancji obwodu wtórnego. Stan obecny nie uwzględnia charakteru przebiegu rezystancji w styku pomiędzy materiałami zgrzewanymi, a jest ona uważana jedynie jako inicjator procesu zgrzewania. Natężenie prądu zgrzewania w celu maksymalnego skrócenia czasu procesu zgrzewania jest stałe w całym przedziale zgrzewania i ma taką wartość, aby nie nastąpił wyprysk ciekłego metalu z jądra zgrzeiny, a czas zgrzewania dobierany jest tak, by średnica jądra zgrzeiny rozrosła się do wymiarów określonych średnicą elektrod.

Taki sposób zgrzewania powoduje nadmierne zużycie energii potrzebnej do uzyskania złączy o określonych wymiarach, a stosunkowo długi czas zgrzewania jest przyczyną nadmiernego nagrzania miejsc styku elementów zgrzewanych z elektrodami. W przypadku zgrzewania elementów z powłokami ochronnymi, istnieje niebezpieczeństwo ich stopienia i przyklejenia do części roboczych elektrod. Podczas zgrzewania materiałów dobrze przewodzących ciepło, takich jak aluminium, srebro czy miedź, czas zgrzewania jest zbyt długi, co powoduje znaczne straty ciepła w wyniku odprowadzania ciepła w głąb materiału zgrzewanego lub całkowity brak możliwości zgrzewania w wyniku nadmiernej szybkości odprowadzania ciepła. Wysoka temperatura na styku elektrod z materiałem zgrzewanym powoduje ponadto przekroczenie temperatury mięknięcia elektrod i szybsze ich zużycie.

Znane są układy regulacji, które umożliwiają zmianę prądu w czasie zgrzewania. Układy te są jednak skomplikowane i ponadto regulacja w czasie zgrzewania nie gwarantuje pełnej powtarzalności procesu.

Z opisu patentowego US 54844975 znana jest możliwość regulacji prądu i czasu zgrzewania, ale rozwiązanie jest stosowane jedynie w zgrzewarkach kleszczowych i z napędem serwomechanicznym elektrod. Sterowanie wspomnianych parametrów odbywa się on-line, tj. w czasie procesu zgrzewania. W opisie patentowym EP 0278185 rozwiązanie jest zawężone tylko do zgrzewarek stacjonarnych, tzn. ruchoma jest tylko górna elektroda, a dolna jest nieruchoma, natomiast efekt zgrzewania (uzyskanie połączenia zgrzewanego) jest zależny od przepływu prądu zgrzewania i jego zmian w sposób oczywisty.

Istota wynalazku polega na doborze wartości prądu na początku zgrzewania niższej od wartości prądu głównego zgrzewania oraz jego czasu przepływu w ten sposób, aby ilość wydzielonego ciepła w miejscu styku materiałów zgrzewanych była jak największa.

Sposób według wynalazku polega na tym, że na początku zgrzewania doprowadza się prąd o wartości początkowej mniejszej o co najmniej 30% od stałej wartości prądu głównego oraz o czasie początkowego przepływu prądu zgrzewania w zakresie 10-15% całkowitego czasu zgrzewania, przy czym czas przepływu prądu początkowego ustala się w zależności od rodzaju materiału zgrzewanego tak, aby ilość ciepła, które wydziela się w miejscu styku elementów zgrzewanych podczas zgrzewania była większa od ciepła wydzielającego się gdy zgrzewa się prądem o wartości prądu głównego i w czasie będącym sumą czasów przepływu dla prądu początkowego i prądu głównego. Mniejsza wartość natężenia prądu na początku zgrzewania zwiększa sumaryczną wartość rezystancji w styku i obszarze przystykowym elementów zgrzewanych, przy czym rezystancja tych obszarów zależy od temperatury w tych obszarach, a czas zaniku rezystancji w styku wydłuża się dwa razy w stosunku do parametrów nominalnych. Czas ten określa się na 20% całkowitego czasu zgrzewania w porównaniu dla nominalnych warunków, gdy czas zaniku stanowi około 10% całkowitego czasu zgrzewania.

Sposób według wynalazku wymaga nastawienia parametrów procesu przed zgrzewaniem i nadaje się do wszystkich typów zgrzewarek (stacjonarne, kleszczowe) i różnych rozwiązań konstrukcyjnych docisku elektrod (pneumatyczny, serwomechaniczny).

Wynalazek zapewnienia wysoką trwałość elektrod, dobre właściwości wytrzymałościowe złączy zgrzewanych, mniejsze zużycie energii i krótsze czasy przepływu prądu zgrzewania.

Korzyści jakie niesie zastosowanie nowej technologii zgrzewania z mniejszym prądem zgrzewania na początku przedziału prądowego to oprócz mniejszego zużycia energii, możliwość uzyskania wyższej temperatury jądra zgrzeiny, większych wymiarów jądra przy takim samym czasie przepływu i takiej samej wartości prądu, jak w tradycyjnym sposobie zgrzewania. W przypadku założeń dotycząPL 217 256 B1 cych osiągnięcia tej samej temperatury jądra zgrzeiny, jak w przypadku znanego sposobu zgrzewania impulsem prądowym o stałej wartości, uzyskuje się skrócenia czasu zgrzewania, większą oszczędność energii, mniejszą strefę wpływu ciepła i mniejsze nagrzanie materiału zgrzewanego w styku z elektrodami zgrzewarki. Niższa wartość natężenia prądu na samym początku zgrzewania powoduje utrzymanie wyższej wartości rezystancji w styku materiałów zgrzewanych przez dłuższy czas niż do tej pory.

Zakres stosowania wynalazku może być powszechny. Wynalazek nadaje się do zastosowania wszędzie tam gdzie układ sterowania umożliwia zadawanie różnych, co najmniej dwóch wartości prądu w przedziale głównym zgrzewania. Ponadto dokładne przebadanie zjawiska z wykorzystaniem zarówno modeli symulacyjnych, jak i prób rzeczywistych, wykazuje bardzo wąski przedział czasowy zmian prądu początkowego w granicach poniżej 20 milisekund. Czas ten jest stosunkowo krótki i porównywalny z okresem pracy zgrzewarek prądu przemiennego, zasilanych z sieci o częstotliwości 50 Hz. Zjawisko to zostało wykryte w trakcie prób ze zgrzewarkami inwertorowymi o częstotliwości 1000 Hz i właśnie tam możliwe będzie dokładne zadawanie wartości prądu początkowego, i czasu jego przepływu.

Przedmiot wynalazku objaśniono na rysunku, który przedstawia zależności zmian wartości prądu i czasu przy niezmiennych pozostałych parametrach technologii, przy czym wykres fig. 1 obrazuje impuls prądowy dla typowej, jedno-impulsowej technologii zgrzewania, fig. 2 dla zmodyfikowanej technologii z modulacją pierwszego przedziału prądowego dla zmniejszenia ilości energii dostarczonej do zgrzeiny, fig. 3 dla zmodyfikowanej technologii z modulacją pierwszego przedziału prądowego i skróceniem czasu całkowitego przepływu prądu dla uzyskania zmniejszenia ilości energii dostarczonej do zgrzeiny i skrócenia czasu zgrzewania, fig. 4 wykres typowej, jedno-impulsowej technologii z narastaniem prądu zgrzewania, a fig. 5 zmodyfikowanej technologii w stosunku do technologii z fig 4, z modulacją pierwszego przedziału prądowego dla skrócenia czasu zgrzewania.

Rezystancja w styku pomiędzy elementami zgrzewanymi jest silnie zależna od temperatury i zanika w temperaturze 500-600°C dla stali, a dla stopów aluminium w temperaturze 350°C. Czas zanikania rezystancji w styku przyjmuje się na około 10% całkowitego czasu zgrzewania. Rezystancja materiału zgrzewanego na początku zgrzewania jest kilka razy mniejsza od rezystancji w styku a ciepło główne wydziela się w styku pomiędzy materiałami zgrzewanymi. Dlatego rezystancja w styku jest nie tylko inicjatorem zgrzewania, ale czynnikiem rzutującym na dalszy przebieg procesu zgrzewania.

W tabeli dla porównania podano zakresy zmian parametrów prądu i czasu dla dwóch różnych gatunków materiału: stali nierdzewnej (1H18N9T) i niskowęglowej (08X). Zasadniczym parametrem, który rozróżnia te materiały, to przewodność cieplna. Dla stali nierdzewnej przewodność cieplna jest około trzy razy mniejsza niż dla stali niskowęglowych, co sprawia, że efekty nowego sposobu zgrzewania są wyraźniejsze dla materiałów o mniejszej przewodności cieplnej.

Lp.	Względny czas ti w stosunku do czasu tc [%]	Względna wartość natężenia prądu h w stosunku do wartości prądu głównego i2 [%]	Względna oszczędność energii [%]	Względna oszczędność czasu zgrzewania [%]
Stal nierdzewna 1H18N9T	0-15	40-100	0-8	0-6
Stal niskowęglowa 08X	0-10	60-100	0-4	0-3

Efekty poprawy technologii zgrzewania zostały zauważone w wyniku symulacji komputerowych. W praktyce, oszczędność wynikająca z możliwości skrócenia czasu zgrzewania na podstawie badań metalograficznych jest słabo widoczna, jednak pomiary energetyczne, tj. pomiar energii dostarczonej do zgrzeiny jest wyraźny i mierzalny.

Technologie zgrzewania charakteryzują się pewnym zakresem zmian parametrów technologicznych (wartości i czasu prądu zgrzewania oraz siły docisku). Nowy sposób zgrzewania polega na modyfikacji parametrów czasu i wartości prądu zgrzewania w stosunku do typowej technologii zgrzewania (fig. 1, fig. 4).

W typowym sposobie zgrzewania, np.: dla stali nierdzewnej, stosuje się technologie z narastaniem prądu zgrzewania (fig. 4), jednakże jest to sposób nie efektywny z uwagi na zbyt długi czas narastania prądu i tym samym wydłużony czas całkowity zgrzewania. Samo zaś narastanie prądu jest wprowadzone celem eliminacji wyprysków, a jego czasy są kilkakrotnie dłuższe niż przedstawione w przykładach dla czasu pierwszego przedziału prądowego t1.

Claims (3)

1. Sposób rezystancyjnego zgrzewania punktowego elementów metalowych na zakładkę z modulacją prądu zgrzewania polegający na doborze wartości natężenia, znamienny tym, że na początku zgrzewania doprowadza się prąd o wartości początkowej mniejszej o co najmniej 30% od stałej wartości prądu głównego oraz o czasie początkowego przepływu prądu zgrzewania w zakresie 10-15% całkowitego czasu zgrzewania, przy czym czas przepływu prądu początkowego ustala się w zależności od rodzaju materiału zgrzewanego tak, aby ilość ciepła, które wydziela się w miejscu styku elementów zgrzewanych podczas zgrzewania była większa od ciepła wydzielającego się gdy zgrzewa się prądem o wartości prądu głównego i w czasie będącym sumą czasów przepływu dla prądu początkowego i prądu głównego.

2. Sposób rezystancyjnego zgrzewania według zastrz. 1, znamienny tym, że wartość natężenia prądu zgrzewania określa się w zależności od rodzaju materiału elementów zgrzewanych.

3. Sposób rezystancyjnego zgrzewania według zastrz. 1, znamienny tym, że mniejsza wartość natężenia prądu na początku zgrzewania zwiększa sumaryczną wartość rezystancji w styku i w obszarze przystykowym elementów zgrzewanych, przy czym rezystancja tych obszarów zależy od temperatury w tych obszarach, a czas zaniku rezystancji w styku wydłuża się dwa razy w stosunku do parametrów nominalnych i określa się na 20% całkowitego czasu zgrzewania w odniesieniu dla nominalnych warunków czasu zaniku rezystancji w obszarze przystykowym, która wynosi 10% całkowitego czasu zgrzewania.