A ponthegesztés bemutatása
Az autóipar részben annak is köszönheti a mostanáig elért gazdasági mutatóit, hogy megtalálta a megfelelő technológiai eljárásokat a fémalkatrészek oldható- és oldhatatlan kötéseinek létrehozásához.
Az oldhatatlan kötéseken belül a ponthegesztés a járművek összeszerelési folyamataiban kulcsszerepet játszik, mindazonáltal a műszaki hátteréről általában kevés szó esik. Az alábbi cikk ennek a vívmánynak a részleteit taglalja.
A hegesztés definíciója
A hegesztést, mint oldhatatlan kötésformát több száz éve ismerjük, az igazi fejlődése azonban csak a XIX. század végén kezdődött el, mivel addig erős korlátai voltak az elektromos áram alkalmazásának.
Megjegyzendő, hogy nem csak árammal hegesztünk (például lánghegesztés), és bár jellemzően csak a fémekkel kapcsolatban emlegetjük, nem is feltétlen csak fémeket hegesztünk (például dörzshegesztés). Ugyanakkor tény, hogy az esetek többségébe a hegesztés különálló szerkezeti elemként készült fém alkatrészek oldhatatlan kötéssel készülő összeerősítésére szolgáló műveletet jelent.
Az összekötéshez az anyagok atomjai, molekulái között fellépő kohéziós erőket használják fel. Ezt a kapcsolatot a két elem lokális, olvadáspont felettire hevítésével hozzák létre. Fontos megjegyezni, hogy amennyiben ez az összekapcsolás egy teljesen idegen, alacsonyabb olvadáspontú fémmel történik, azt forrasztásnak hívjuk.
Megkülönböztetünk ömlesztő- és sajtoló hegesztéstípusokat. Előbbi esetén a kötés helyét és annak közvetlen környezetét közös fémfürdővé olvasztják (akár az esetleges hegesztőpálcát is beleolvasztva), majd ezt áthidaló varrattá dermesztik.
A sajtoló hegesztés kissé eltér ettől: itt fémfürdő kialakítása helyett erőhatással érik el a kapcsolat létrejöttét.
Az ellenállás-hegesztés
Ezek közé – és egyúttal az ömledékesek közé is – tartozik a villamos ellenállás-hegesztés is. Ez egy kombinált megoldás, ahol az elektromos áram hőjét használják fel, hogy a rendkívül masszív érintkezők közé szorított munkadarabokon keresztülvezetik azt. Az áramerősség jellemzően nagy (3000-15000 A), az üzemi feszültség pedig kifejezetten alacsony (1-10 V).
Ebbe a csoportba tartozik a cikkünk fő témája.
Története, működése
Elihu Thomson már 1877-ben rájött erre a megoldásra, 1886-ban szabadalmaztatta is azt, ám a gyakorlati megvalósítás csak 1925-ben kezdődött el.
Ahogy az iparosodás terjeszkedett, egyre inkább kidomborodtak a ponthegesztés előnyei.
Ponthegesztésnél két formázott, többnyire rézötvözet elektródát használunk az átmenő áram minimális helyre történő koncentrálására – innen ered az elnevezés.
A munkadarabokat az elektródák által létrehozott szorítóerő, azaz a nyomás tartja össze. Ezek a munkadarabok általában 0,5 és 3 milliméter közötti vastagsággal bírnak. Kellő nagyságú átmenő áram esetén a két munkadarab anyaga megolvad, és kialakul a kohéziós kötés.
Ami igazán vonzóvá teszi a mai napig az eljárást, az a technológiai idő és a precizitás. Nagyon rövid idő alatt rengeteg energia közölhető nagyon kis ponton, ezáltal nem kell az egész munkadarabot felmelegíteni a folyamat során.
Az, hogy mekkora a keletkezett hő mennyisége, a két elektróda közötti ellenállás, az átmenő áram nagysága és a hegesztési idő határozza meg.
Mivel a paraméterek nagyon jól számíthatók, a folyamat automatizálása könnyen megoldható – erről később is lesz szó.
Karakterisztika
A ponthegesztést jellemzően három különböző munkafázisra osztják fel: az első a befogás, amikor a mechanikai erő felépül, ami összetartja a folyamat során a munkadarabokat.
A második az elektromos fázis, amikor maga a hegesztés történik – ez többnyire 0,01 és 0,6 másodperc közötti értéket jelent a fémek vastagságától, anyagminőségétől, az elektróda áramerősségétől és az elektróda átmérőjétől függ.
Természetesen a ponthegesztés során is kialakulhatnak nemkívánatos problémák. A túlzott mechanikai hatás megrepesztheti, meghajlíthatja az anyagot, ami hatással lehet annak szilárdságára, kifáradási paramétereire.
Rendkívüli előny, hogy nagyon rövid a hegesztési idő, ugyanakkor számolni kell az elektródák korlátozott sebességével – nem feltétlen tudnak elég gyorsan mozogni ahhoz, hogy az általunk megálmodott folyamat a kellő gyorsasággal bekövetkezzen.
Erre egy olyan megoldást találtak, melyet kétimpulzusos hegesztésnek hívunk: ha az első érintkezésnél nem is ér össze megfelelően a két elektróda, arra biztosan elég, hogy megolvassza a munkadarabokat, a második fázisban pedig már garantáltan végbemegy a varrat kialakítása.
A megfelelő áramerősség megválasztása több szempontból is kritikus: ha túl alacsony, akkor nem alakul ki a varrat, ha túl magas, akkor a hőfejlődés túl sok lesz az ömledékben, és kifolyik a varratból az anyag – gyakorlatilag lyuk keletkezik.
Mivel a felület, amivel az elektródák érintkeznek, folyamatosan változik, ezért az elektromos ellenállás sem lesz állandó. Ennek kompenzálására a mai modern hegesztőgépek/robotok valós időben monitorozzák a hegesztési folyamatot, és korrigálják az értékeket, amennyiben szükséges.
Gyakorlati alkalmazások
A fentiek alapján belátható, hogy a ponthegesztés kiváló lehetőség az automatizált gyártósorok számára a produktivitás növeléséhez szignifikáns költséghatékonyság mellett.
Az autóiparban az összeszerelő üzemek legalább részben saját maguk állítják elő a karosszéria elemeit, melyek az esetek többségében acél-, alumínium-, vagy valamilyen egyéb fémötvözetből készült, mélyhúzott lemezalkatrészek.
Ezeket pontosan, gyorsan és költséghatékonyan kell összehegeszteni, melyhez a ponthegesztés ideális választásnak bizonyult.
Az alumínium ötvözeteinek terjedésével ugyanakkor figyelembe kellett venni, hogy a nagyobb hővezető képesség miatt nagyobb áram is szükséges a varrat kialakításához, ám még így is ez a legköltséghatékonyabb megoldás (leszámítva a karosszériaelemek öntését, mely viszonylag friss technológiának számít).
Ma már minden üzemben robotok végzik ezeket a lépéseket, hasonlóképp, mint a festőkamrákban.
Egy másik gyakori alkalmazás az akkumulátor cellák ponthegesztése. Legyen szó akár nikkel vagy lítium alapú akkumulátorról, a cellák általában nikkel pántokkal vannak összekötve a kivezetésekkel, melyek viszonylag véknyak. A hagyományos forrasztásról a gyártók áttértek a ponthegesztésre, mivel az megakadályozhatja az akkumulátor túlmelegedését, miközben a forrasztás ebben könnyen kudarcot vallhat.
