در کاربردهای جوش نقطهای آلومینیوم، بسیاری از مهندسان و تیمهای تولید اغلب با مسائل تکراری مانند پاشش بیش از حد، اندازه قطعه جوش ناسازگار، چسبندگی مکرر الکترود و حتی مقاومت ناکافی جوش علیرغم ظاهر قابل قبول سطح مواجه میشوند. هنگامی که این مشکلات به وجود می آیند، معمول است که فرض کنیم خود آلومینیوم به سختی جوش داده می شود. با این حال، بر اساس تجربه گسترده تولید، بیش از 70٪ تا 80٪ از عیوب جوشکاری نقطه ای آلومینیوم توسط خود ماده ایجاد نمی شود، بلکه به دلیل تنظیمات پارامتری است که به درستی با ویژگی های فیزیکی آلومینیوم مطابقت ندارد.
در مقایسه با فولاد نرم، آلومینیوم خواص حرارتی و سطحی متفاوتی از خود نشان میدهد. رسانایی حرارتی آن به طور معمول در اطراف است237 W/m·K، که تقریباً دو تا سه برابر فولاد کم کربن-است. این بدان معنی است که گرمای تولید شده در حین جوشکاری به سرعت از بین می رود و حفظ یک منطقه دمای بالا{2} پایدار در رابط جوش دشوار می شود. علاوه بر این، سطوح آلومینیومی به طور طبیعی یک لایه اکسید متراکم (Al2O3) با مقاومت الکتریکی بسیار بالا تشکیل می دهند.
اگر این لایه اکسید قبل از شروع جریان به اندازه کافی شکسته نشود، می تواند به شدت بر پایداری هدایت الکتریکی تأثیر بگذارد. علاوه بر این، آلومینیوم تمایل زیادی به چسبیدن به الکترودهای مس در دماهای بالا دارد. اگر نیروی الکترود یا شرایط خنک کننده به درستی کنترل نشود، سایش الکترود می تواند به طور قابل توجهی تسریع شود. به این دلایل، ایجاد تنظیمات پارامتر بر اساس رفتار مواد آلومینیوم برای دستیابی به کیفیت جوش سازگار و قابل اعتماد ضروری است.
چرا جوش نقطه ای آلومینیوم چالش برانگیزتر از فولاد است؟
قبل از تنظیم پارامترهای جوشکاری، درک علل ریشه ای ناپایداری جوشکاری آلومینیوم بسیار مهم است. در بسیاری از محیطهای تولید، تنظیمات مکرر در جریان یا زمان جوش بدون در نظر گرفتن خواص اساسی مواد انجام میشود که اغلب منجر به عیبیابی ناکارآمد میشود.
1. لایه اکسید سطحی جریان پایدار را محدود می کند
آلومینیوم وقتی در معرض هوا قرار می گیرد به سرعت یک لایه اکسید نازک اما بسیار متراکم تشکیل می دهد. اگرچه این لایه اکسید بسیار نازک است، اما مقاومت الکتریکی بسیار بالایی دارد و به عنوان مانعی در برابر جریان جریان به ماده پایه عمل می کند. اگر نیروی کافی الکترود و زمان فشرده سازی قبل از شروع جوشکاری اعمال نشود، لایه اکسید ممکن است تا حدی دست نخورده باقی بماند. در نتیجه، جریان جریان در نقاط تماس موضعی به جای توزیع یکنواخت در سراسر ناحیه جوش متمرکز می شود.
در تنظیمات تولید، این شرایط معمولاً منجر به جوشهایی میشود که از نظر خارجی قابل قبول به نظر میرسند اما در داخل حاوی قطعات جوش کماندازه یا ناقص هستند. در حین آزمایش لایه برداری یا کشش، این جوش ها اغلب به دلیل تشکیل ناکافی قطعه، پیش از موعد از بین می روند. بنابراین، اطمینان از شکست کامل لایه اکسید یکی از حیاتی ترین مراحل در جوشکاری نقطه ای آلومینیوم است که اغلب مهمتر از افزایش صرف جریان جوشکاری است.
2. رسانایی حرارتی بالا باعث اتلاف سریع گرما می شود
رسانایی حرارتی بالای آلومینیوم باعث می شود که گرما به سرعت از ناحیه جوش دور شود. در حین جوشکاری، این اتلاف سریع حرارت از حفظ حالت مذاب پایدار رابط جوش جلوگیری می کند. اگر روشهای معمولی جوشکاری تک پالسی که معمولاً برای فولاد استفاده میشود روی آلومینیوم استفاده شود، سطح جوش ممکن است به سرعت بیش از حد گرم شود و پاشش بیش از حد تولید کند، در حالی که ماده داخلی به دمای کافی برای تشکیل یک قطعه جوش پایدار نمیرسد.
این پدیده اغلب در خطوط تولید مشاهده می شود که در آن ذوب قابل مشاهده در سطح رخ می دهد اما استحکام جوش ناکافی باقی می ماند. برای غلبه بر این مشکل، فرآیند گرمای ورودی باید به تدریج کنترل شود و اجازه دهد تا گرما بهجای اینکه در یک نوسان اعمال شود، به تدریج ایجاد شود.
3.{1}}چسبندگی در دمای بالا سایش الکترود را تسریع میکند
در دماهای بالا، آلومینیوم تمایل به چسبیدن به الکترودهای مسی دارد و گاهی اوقات پیوندهای آلیاژی موضعی در سطح تماس ایجاد می کند. اگر شرایط خنککننده کافی نباشد یا نیروی الکترود ناپایدار باشد، دمای الکترود به سرعت افزایش مییابد و چسبندگی و سایش را تسریع میکند. با گذشت زمان، این منجر به تغییر شکل الکترود، آسیب سطح، و توزیع ناسازگار چگالی جریان میشود که کیفیت جوش را بیشتر کاهش میدهد.
در محیطهای{0}}تولید با حجم بالا، این مشکل فرکانس تعویض الکترود را بهطور قابلتوجهی افزایش میدهد که منجر به خرابی و هزینههای نگهداری بالاتر میشود. بنابراین، نیروی الکترود و عملکرد خنک کننده همیشه باید به عنوان پارامترهای کنترل اولیه به جای ملاحظات ثانویه در نظر گرفته شوند.
سه تنظیم پارامتر کلیدی که پایداری جوشکاری نقطه ای آلومینیوم را تعیین می کند
بیشتر مشکلات جوشکاری نقطه ای آلومینیوم را می توان به سه پارامتر اصلی ردیابی کرد: زمان فشرده سازی، طراحی شکل موج جریان و نیروی الکترود با شرایط خنک کننده. ایجاد یک رابطه منطقی بین این پارامترها می تواند به طور قابل توجهی عیوب جوش را کاهش دهد و قوام را بهبود بخشد.
1. زمان فشار باید کافی باشد: قبل از جریان فعلی، لایه اکسید را بشکنید
زمان فشرده سازی نقش مهمی در جوشکاری نقطه ای آلومینیوم دارد. عملکرد اصلی آن صرفاً تماس الکترودها با قطعه کار نیست، بلکه اعمال فشار پایدار است که به طور مکانیکی لایه اکسید را قبل از اعمال جریان الکتریکی مختل می کند. اگر زمان فشردن خیلی کوتاه باشد، جریان در نقاط تماس محدودی متمرکز میشود که منجر به گرمای بیش از حد موضعی و تشکیل ناقص ناقص میشود.
در بیشتر کاربردهای صنعتی، زمانی که ضخامت ورق آلومینیوم در محدوده0.8 میلی متر تا 1.5 میلی متر، زمان فشردن معمولاً بین بین توصیه می شود0.30 و 0.40 ثانیه. هنگامی که ضخامت ورق افزایش می یابد به1.5 میلی متر تا 3.0 میلی متر، زمان فشردن باید به افزایش یابد0.40 تا 0.50 ثانیه یا بیشتر. در مقایسه با جوشکاری فولاد، جوشکاری آلومینیوم به طور کلی نیاز داردزمان فشردن 30 تا 50 درصد بیشتر است، که به طور قابل توجهی قوام جوش را بهبود می بخشد.
2. -جریان چند پالسی مناسبتر از تک پالس است-جوشکاری پالس
در جوشکاری آلومینیوم، تک پالسهای جریان بالا اغلب باعث گرمایش و پاشش بیش از حد سطح میشوند و در عین حال قادر به تولید گرمای داخلی کافی برای تشکیل قطعه مناسب نیستند. در نتیجه، استراتژیهای جریان چند پالس به رویکرد ترجیحی در کاربردهای مدرن جوشکاری آلومینیوم تبدیل شدهاند.
یک توالی جوش چند پالس معمولی شامل سه مرحله است. مرحله اول از یک پالس پیش گرم کننده جریان کمتر استفاده می کند که تماس الکتریکی را بهبود می بخشد و لایه اکسید را ضعیف می کند. مرحله دوم پالس اصلی جوشکاری را اعمال می کند که در طی آن بیشتر تشکیل قطعه اتفاق می افتد. مرحله سوم به عنوان یک پالس آهنگری یا شکل دهی عمل می کند و به متراکم شدن قطعه جوش و کاهش عیوب داخلی کمک می کند. دادههای صنعتی نشان میدهد که پیکربندی مناسب جوشکاری چند پالس-میتواند قطر قطعه را افزایش دهد.15 تا 30 درصد، در حالی که پاشش را تقریباً کاهش می دهد40%.
3. نیروی الکترود و خنک کننده باید با هم بهینه شوند
نیروی الکترود مستقیماً بر تجزیه لایه اکسید و پایداری تشکیل قطعه تأثیر می گذارد. در جوشکاری آلومینیوم، نیروی الکترود معمولاً باید باشد20 تا 30 درصد بیشتر از آنچه برای فولاد استفاده می شودبا ضخامت مشابه افزایش نیروی الکترود به کنترل انبساط فلز مذاب کمک می کند و پاشش را کاهش می دهد.
شرایط خنک کننده نیز به همان اندازه مهم هستند. حفظ جریان آب ثابت به تثبیت دمای الکترود و کاهش چسبندگی آلومینیوم کمک می کند. در بسیاری از محیطهای صنعتی، زمانی که جریان آب خنککننده حفظ میشود4 لیتر در دقیقه یا بیشتر، دمای الکترود به اندازه کافی ثابت می ماند تا چسبندگی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. با بهینه سازی مناسب خنک کننده، عمر الکترود می تواند از تقریباً افزایش یابد500 جوش به بیش از 3000 جوش، که راندمان تولید را تا حد زیادی بهبود می بخشد.
جدول مرجع پارامترهای اولیه توصیه شده برای جوشکاری نقطه ای آلومینیوم
در طول جوشکاری آزمایشی، انتخاب پارامترهای اولیه مناسب می تواند زمان راه اندازی را به میزان قابل توجهی کوتاه کند. مقادیر زیر محدوده های شروع معمولی را برای کاربردهای استاندارد ورق آلومینیوم نشان می دهد.
| ضخامت آلومینیوم | زمان فشرده سازی (s) | زمان جوش (ms) | جریان جوش (kA) | نیروی الکترود (kN) | حالت توصیه شده |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.8 میلی متر | 0.30–0.35 | 120–160 | 16–20 | 2.5–3.0 | دو پالس |
| 1.0 میلی متر | 0.30–0.40 | 140–180 | 18–22 | 3.0–3.5 | دو پالس |
| 1.5 میلی متر | 0.35–0.45 | 160–220 | 22–28 | 3.5–4.5 | نبض سه گانه |
| 2.0 میلی متر | 0.40–0.50 | 200–260 | 26–32 | 4.5–5.5 | نبض سه گانه |
| 3.0 میلی متر | 0.50–0.60 | 240–320 | 32–40 | 5.5–6.5 | نبض سه گانه |
این مقادیر باید به عنوان نقاط شروع استفاده شوند، با تنظیمات بیشتر بر اساس اندازه واقعی قطعه جوش و نتایج آزمایش مکانیکی.
نحوه انتخاب یکجوشکار نقطه ای MFDCمناسب برای جوشکاری آلومینیوم
هنگام انتخاب تجهیزات جوشکاری، ارزیابی نه تنها ظرفیت نامی مهم است، بلکه همچنین اینکه آیا دستگاه دارای ویژگی هایی است که به طور خاص برای جوشکاری آلومینیوم مورد نیاز است یا خیر.
1. قابلیت برنامه جوشکاری چند مرحله ای-
ماشینهایی که برای جوشکاری آلومینیوم طراحی شدهاند باید امکان کنترل مستقل زمان فشار، زمان جوش و زمان نگهداری را فراهم کنند. این انعطاف پذیری تنظیم دقیق بر اساس ضخامت مواد و پیکربندی اتصال را امکان پذیر می کند.
2. ثابت و بسته{1}}کنترل جریان حلقه
جوشکاری آلومینیوم به خروجی جریان بسیار پایدار نیاز دارد. تجهیزات با کنترل جریان حلقه بسته معمولاً می توانند تغییرات جریان را در درون خود حفظ کنند±1%، به طور قابل توجهی قوام جوش-به-جوش را بهبود می بخشد.
3. سیستم خنک کننده با ظرفیت بالا{1}}قابل اعتماد
سیستم های خنک کننده کارآمد به تثبیت دمای الکترود و افزایش عمر الکترود کمک می کند. در محیطهای تولید مداوم، عملکرد خنککننده پایدار زمان توقف و فرکانس نگهداری را کاهش میدهد.
سوالات متداول
س: چرا جوشکاری نقطه ای آلومینیوم پاشش بیش از حد تولید می کند؟
پاسخ: پاشش بیش از حد معمولاً به دلیل افزایش سریع جریان یا نیروی ناکافی الکترود ایجاد می شود. هنگامی که جریان خیلی سریع به اوج خود می رسد، دمای سطح به شدت افزایش می یابد و باعث می شود فلز مذاب از ناحیه جوش خارج شود. استفاده از پروفیل های جریان چند{2} پالس و افزایش نیروی الکترود معمولاً پاشش را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.
س: چرا الکترودها به طور مکرر در طول جوشکاری آلومینیوم می چسبند؟
پاسخ: چسبندگی الکترود اغلب به دلیل خنک کننده ناکافی یا دمای بیش از حد الکترود ایجاد می شود. آلومینیوم در شرایط دمایی{1}بالا تمایل دارد به الکترودهای مسی بچسبد. افزایش جریان آب خنک کننده و حفظ هندسه مناسب الکترود می تواند مشکلات چسبندگی را تا حد زیادی کاهش دهد.
س: چگونه می توان کیفیت جوش را در جوشکاری نقطه ای آلومینیوم ارزیابی کرد؟
پاسخ: کیفیت جوش را نباید صرفاً بر اساس ظاهر سطح مورد قضاوت قرار داد. در عوض، اندازه قطعه و آزمایش مقاومت مکانیکی باید برای تأیید عملکرد استفاده شود. تست لایه برداری و تست کشش روش هایی هستند که معمولا برای تایید یکپارچگی جوش استفاده می شوند.
نظرات نهایی: جوشکاری پایدار آلومینیوم به منطق پارامتر صحیح بستگی دارد
در بسیاری از خرابی های جوشکاری آلومینیوم، علت اصلی قابلیت تجهیزات نیست، بلکه روابط نامناسب پارامترها است. افزایش جریان به تنهایی به ندرت مشکل را حل می کند. در عوض، زمان فشرده سازی، طراحی شکل موج جریان، نیروی الکترود و شرایط خنک کننده باید به عنوان یک سیستم یکپارچه در نظر گرفته شوند.
برای سازندگانی که جوشکاری نقطه ای آلومینیوم را به طور منظم انجام می دهند، ایجاد مجموعه پارامترهای استاندارد بر اساس نوع و ضخامت مواد یکی از موثرترین راه ها برای بهبود قوام است. با گذشت زمان، این رویکرد سیستماتیک ضایعات مواد را کاهش می دهد، عمر الکترود را افزایش می دهد و راندمان کلی تولید را بهبود می بخشد.
