بخشی از مقاله
چکیده
جوشکاری مقاومتی نقطه ای به عنوان یکی از روشهای اتصالدهی فلزات به دلیـل سـرعت بـالا، ایجـاد استحکام مناسب و همچنین ماهیت فرایند استفادهی فراوانـی در جـوشکـاری مقـاطع نـازک ( ورق بـه ورق) در صنایع گوناگون از جمله اتومبیلسازی و ساخت لوازم خانگی دارد. علیرغم این کـه الکتـرود مورد استفاده در این روش از نوع مصرف نشدنی محسـوب مـیگـردد، بـه دلایـل مختلـف در شـرایط عملی، الکترود قابلیت ایجاد نقطه جوش مناسب را از دست داده و نیاز به تعـویض و یـا بازتراشـی پیـدا میکند که در نتیجه افزایش هزینه ها را به دنبال دارد. در این تحقیق با انجام آزمایشات در شرایط عملی صنعتی، متغیرهای مؤثر بر عمر مفید الکترود مورد بررسی قرارگرفتند. جنس الکترود، طراحی الکتـرود، شدت جریان الکتریکی، فشار دستگاه، مقاومـت هـای مسـیر عبـور جریـان، شـرایط خنـک کننـدگی و تنظیمات دستگاه از جمله موارد بررسی برای افزایش طول عمـر الکتـرود بودنـد کـه میـزان تـأثیر نسـبی هرکدام بر بازده الکترود سنجیده شد. عمر الکترود در اثر لهیدگی نوک آن کاهش مییافت کـه علـت اصلی آن افزایش دمای موضعی و کاهش استحکام فشاری الکترود تشـخیص داده شـد. تمـامی عوامـل مؤثر در افزایش عمر الکترود به نحوی ایجاد حرارت موضعی در نوک الکتـرود را کـاهش و یـا انتقـال حرارت از نوک الکرود را افزایش می دهند.
کلید واﮊه ها: جوش کاری مقاومتی نقطه ای، الکترود، انتقال حرارت
مقدمه
جوشکاری مقاومتی بهعنوان یک روش اتصال دهی دائمی صـنعتی در فراینـدهای تولیـد اسـت کـه در
صنایع اتومبیلسازی کاربرد فراوان دارد. ازاینرو بهینهسازی آن در شرایط عملی از خواستههای صـنایع
وابسته میباشد.
در این مقاله جنبههای گوناگون مربوط به بهینهسازی فرایند جوشکاری مقاومتی نقطه ای مـورد مطالعـه
و بررسیهای عملی قرارمیگیرد. با توجه به مشکل مصرف بـالای الکتـرود، افـزایش عمـر الکتـرود یـا
بهعبارت بهتر تعداد نقطه جوشی که الکترود با کیفیت مناسب ایجاد مینماید، معیار بهینـهسـازی فراینـد
درنظرگرفته شد. هرچند الکترود در جوشکاری نقطه ای از نوع مصرفنشدنی محسوب میشود، اما بـه
دلایل مختلف نوک الکترود لهیده شده و کیفیت جوش کاهش مـییابـد کـه در ایـن شـرایط تعـویض
الکترود ضروری میباشد. تراشکاری مجدد الکترود، افزایش مصرف الکترود، کاهش سرعت تولید و
افزایش قطعات برگشتی موجب بالا رفتن هزینه های تولید میشوند. در ایـن تحقیـق ابتـدا بـه ریشـهیـابی
مساله پرداخته شده و پس از تعیین علل، راهکارهایی بـرای بهبـود، پیشـنهاد و آزمـایش شـده انـد. نتـایج
آزمایشات و مقایسهی تغییرات در شرایط عملی گزارش گردیدهاند. با توجـه بـه ضـروروت رسـیدن بـه
نتایج عملی، آزمایشات در شرایط واقعی خط تولید انجام شده که موجب گستردگی پارامترها و عوامل
موثر در این تحقیق شدهاند.
1 مربی دانشگاه تربیت معلم سبزوار
2 استادیار دانشگاه فردوسی مشهد
نکات مهم و پارامترهای موثر در فرایند جوشکاری نقطه ای
شکل۱، فرایند جوشکاری نقطه ای، وضـعیت قـرار گـرفتن قطعـه کـار بـا الکترودهـا و مقاومـتهـای مربوطه را نمایس میدهد. همانطور که میدانیم حرارت حاصل از عبور جریان در یک مقاومـت طبـق
رابطهی زیر به دست میآید]۱:[
Q=RI2t
کــه در ایــن رابطــه I، شــدت جریــان عبــوری از مقاومــتR و t مــدت زمــان عبــور جریــان اســت. R،
مقاومتهایr1 تا r6 را شامل میشود که در شـکل ۲، نمـایش داده شـدهانـد. از آنجـا کـه بایـد تلفـات حرارتی حـداقل شـده و بـیشتـرین حـرارت در منطقـه ی(نقطه ی) تمـاس دو قطعـه کـار باشـد و ذوب منطقهای تنهـا در ایـن منطقـه رخ دهـد، بـه غیـر از r3 بقیـهی مقاومـتهـا بایـد حـداقل باشـند. افـزایش مقاومتr3، زمان و شدت جریان، بالارفتن حرارت ایجاد شده را به دنبال خواهند داشت. حرارت ایجـاد شده جهت جوش کاری باید توسط سیستم خنککننده دفع گردد و موجـودباتوجه به محدودیتهـای باید از تولید هرگونه حرارت اضافی پرهیز شود.
فشار اعمالی روی الکترودها هنگام عبور جریان برای کاهش مقاومتهـای r1 وr6 اسـت و فشـار نهـایی جهت امتزاج قسمت ذوب شدهی دوقطعه میباشد که در صورت گرم شدن بیش ازحد الکترود موجب لهیدگی نوک آن میشود.
زمان اضافی یا جریان بیش ازحد لازم حرارت مازاد و ذوب بیش از نیاز را موجـب شـده و هـم کیفیـت جوش و هم عمر الکترود را کاهش میدهند.
با توجه به اینکه لهیدگی الکترود علت کاهش عمر و تعـویض الکتـرود مـیباشـد، بررسـی علـل ایجـاد لهیدگی موضوع اصلی این مقاله است. استحکام فشاری آلیاﮊ مورد استفاده در الکتـرود بـا افـزایش دمـا کاهش مییابد. از طرفی آلیاﮊهای مس‐کرم مورد استفاده که در شرایط پیرسازی٣ بهکـار مـیرونـد در صورت قرارگرفتن در دمای بالا برای مدت معین فراپیر شده٤ و در نتیجه اسـتحکام فشـاری آن کـاهش مییابد]۲.[
از آنجایی که میـزان فشـار ایجـاد اتصـال بسـتگی بـه ضـخامت و ابعـاد نقطه جـوش دارد و قابـل تغییـر نمیباشد، مهمترین پارامتر قابل تغییر موثر در لهیدگی نوک الکترود دمای کاری الکترود است.
بررسیهای عملی علت لهیدگی نوک الکترود
با توجه به عمر بسیارکم الکترود نسبت به شرایط ایدهآل و اعلام شـده توسـط تـامینکننـدهی الکتـرود، دمای الکترود در حین کار اندازه گیری شد. دما در کنار الکتـرود بـا فاصـله ی بـیش از ۰۱ میلـیمتـر از نوک الکترود بلافاصله پس از جوشکاری بالاتر از۰۰۵ درجهی سانتیگراد بود. با توجه به عـدم امکـان اندازهگیری دمای نوک الکترود در حین کار، دمـای کـاری الکترودهـا بـا انـدازهگیـری سـختی نـوک الکترود پس از لهیدگی تخمین زده شد. جدول ۱، نتایج سختی سنجی الکترود مس‐کرم را قبل و بعـد از آنیل در دماهای مختلف به مدت یک ساعت نشان میدهد. سختی الکترود لهیـده معـادل ۰۰۱ برینـل
3 Aging4 Over-aged
بود در صورتی که الکترود پس از یک ساعت آنیل در دمـای ۰۵۶ درجـهی سـانتیگراد بـه سـختی ۰۳۱ برینل رسیده است. این موضوع حاکی از دمای بسیار بالا و شـرایط حـاد کـاری الکتـرود مـیباشـد لـذا بررسیها و پیشنهادهای بهبود بر اساس کاهش دمای کاری الکترود انجام گرفت.
طراحی آزمایشات و بررسیهای بهبود
دمای نوک الکترود در اثر تماس با قطعه کار در حال جوشکاری افزایش مییابد (دما درنقطه ی تماس بین قطعه کارها ۰۰۲۱ درجهی سانتیگراد می باشد‐شکل۳) و از طرفی با سیستم گـردش آب در داخـل الکترود، همزمان خنک میشود. لذا پارامترهای موثر بر دمای الکترود عبارتند از:
۱)چگالی حرارت ورودی به الکترود ۲)چگالی حرارت خروجی از الکترود ۳)طراحی شکل الکترود ۴)دمای الکترود در ابتدای سیکل جوشکاری.
مورد۱، به میزان حرارت تولید شده هنگام جوشکاری و نسبت شـدت جریـان بـه زمـان بسـتگی دارد.
میزان حرارت تولید شده با توجه به حرارت مورد نیاز برای جوشکاری دارای یک حد پایینی میباشـد و در نتیجه باید تمام حرارتهای اضافی حذف و یـا حـداقل شـوند. چنانچـه بـرای ایجـاد گرمـای لازم شدت جریان افزایش و زمان کاهش یابد چگالی حرارتی افزایش پیدا نموده و دمای نوک الکترود بـالا میرود. در حالت برعکس، شرایط دمایی نوک الکترود مناسبتر بوده لکن با توجه بـه افـزایش انتقـال حرارت طی زمان عبور جریان و تلفات حرارتی ممکن است به دمای ایجـاد جـوش نرسـیم. لـذا شـدت جریان و زمان باید با توجه به شرایط کاری و کیفیت جوش تنظیم و شرایط بهینه تعیین شوند.
مورد۲، به سیستم انتقال حرارت، هدایت حرارتـی الکتـرود، سـرعت انتقـال حـرارت از الکتـرود آب و انتقال حرارت به هوا و قسمتهای دیگر دستگاه بسـتگی دارد. سیسـتم خنـککننـده از حفـرهی داخـل الکترود و یک نازل که آب را با فشار به داخل حفره وارد می نماید، تشـکیل مـیشـود(شـکل۴). ابعـاد حفره، قطر نازل، فاصله ی نازل تا انتهای حفره، زاویه مجرای خروجی نازل (مسیر ورود آب)، دبی آب، دمای آب و شرایط سطح داخلی حفره پارامترهای اصلی موثر بر میزان انتقال حرارت از الکترود به آب میباشند.
مورد۳، از پیچیدگی خاصی برخوردار است که بررسیهـای کامـل آن شـبیهسـازی و محاسـبات انتقـال حرارت را طلب میکند. بهطور کلی کاهش ضخامت نوک الکترود میتواند در سرعت انتقال حـرارت در شرایط پایدار تاثیر مثبت بگذارد. ولی امکان تعمیر و بازسازی الکتـرود را کـم مـیکنـد. لکـن جـرم بیشتر نوک الکترود میتواند در جذب حرارت نوک الکترود در شـرایط گـذرا تـاثیر مثبـت بگـذارد.
طراحی شکل حفرهی داخلی و ابعاد الکترود از نظر طول و قطر نوک الکترود و قطر داخلی حفره نیز بر میزان انتقال حرارت اثر میگذارند.
مورد۴، نیز از عوامل مؤثر بر دمای کاری الکترود بوده به طوری که دمای نوک الکترود قبـل از شـروع هر نقطه جوش در دمای نهایی تاثیر زیادی دارد. مهمترین عامل در این خصوص، زمان بین هر دو نقطه
جوش میباشد که امکان سرد شـدن تمـام الکتـرود از دمـای بـالای ۰۰۵ درجـهی سـانتیگراد بـه دمـای نزدیک به دمای محیط را به آن میدهد.
آزمایشات و نتایج
با توجه به مطالب ذکر شده و شواهد موجود، فرایند مورد بررسی و تغییراتی به شرح ذیل جهت افزایش عمر الکترود پیشنهاد گردیدند و تحت شرایط عملی کارخانه مورد آزمایش قرار گرفـت کـه نتـایج آن بیان میشود:
۱)طراحی الکترود طراحی جدید الکترود با ایجاد تغییراتی در عمق حفرهی داخلی، طول، ضخامت جداره ی داخلی و قطر
بدنه انجام و در شرایط یکسان با الکترود مورد استفاده در خط تولید و از همان جنس الکترود مصـرفی در خط تولید به طور همزمان مورد آزمایش و آمـارگیری قرارگرفـت. نتـایج مقایسـهای دو الکتـرود بـا وجــود تفــاوت روزانــه در آمــار نشــان مــیدهــد تغییــر طراحــی کــارکرد بهتــری را بــه دنبــال داشــته است(نمودار۱). این بهبود به طور متوسط ۵۳ درصد بوده است(جدول۲).
۲)جنس الکترود الکترودهایی از نوع رسوب سخت مس‐کرم با ترکیب متفاوت با الکتـرود خـط تولیـد و الکترودهـایی
که بـه روشODS٥ متسـحکم شـده بـود، مـورد اسـتفاده قرارگرفـت. درالکترودهـای ODS از ذرات آلومینا در زمینهی مس بهره گرفته شد.
جدول۲، تغییر کارکرد الکترودها را برحسب درصد بهبود نسبت به الکترود خط تولیـد نشـان مـیدهـد.
که افزایش دو برابری در بازده الکترود مشاهده میگردد.
۳)کاهش حرارتهای اضافی تغییرات زیر برای کاهش مقاومتهای اضافی اعمال گردید:
فاصلهی هوایی بین قطعات در مسیر عبور جریان از طریق صیقل دادن سطوح تـا درجـهی سـه مثلـث بـه حداقل ممکن رسید.
جنس قطعهی فولادی در مسیر عبور جریان که تا ۰۵۲ درجـهی سـانتیگراد گـرم مـیشـد بـا قطعـهای از جنس برنج تعویض گردید.
جنس پیچهای اتصال که به علت قرارگرفتن در جریان مغناطیسی داغ شده و جاذب جرقـههـای جـوش میشوند به پیچهای غیرمغناطیسی تغییر یافت.
با انجام اصلاحات بالا، تغییـرات جالـب تـوجهی در کـارکرد دسـتگاه رخ داد بـه طـوریکـه در سیسـتم کنترلی دستگاه برای رسیدن بهجوش با کیفیت قابل قبول خـط تولیـد، ولتـاﮊهـای بسـیارکمتری بـهکـار گرفته شد و دمای قسمتهای مختلف دستگاه به مقدار زیادی کـاهش یافـت. هـمچنـین از لحـاظ عمـر الکترود، افزایش بیش از ۰۰۱ درصدی مشاهده میگردد(جدول۲).
5 Oxide-Dispersive Strengthening
۴)بهبود شرایط کـاری سیسـتم خنـککننـده از طریـق کـاهش دمـای آ
