Zadanie brzmi banalnie: umieścić gwint M6 w blasze o grubości 1,5 mm. Kłopot wychodzi przy pierwszym rachunku, bo gwint nacięty wprost w takim materiale ma około półtora czynnego zwoju i nie przeniesie obciążenia, dla którego został policzony. Pozostałe warianty też mają swoją cenę: przyspawana nakrętka odkształca detal i niszczy powłokę w strefie wpływu ciepła, a nitonakrętka wymaga otworu w ścisłej tolerancji oraz osobnej operacji montażowej dla każdej sztuki. Dlatego w produkcji seryjnej sięga się po rozwiązanie, które omija jedno i drugie ograniczenie: nakrętkę z trzema przetłoczeniami, przez które przepływa cały prąd zgrzewania i które wtapiają ją w blachę w czasie liczonym w setnych częściach sekundy. W dalszej części wyjaśniamy, dlaczego garb zmienia rozkład prądu i pozwala łączyć elementy o większych przekrojach niż zgrzewanie punktowe, jakie elementy złączne są do tego fabrycznie przystosowane, gdzie proces najczęściej się wywraca, jak wypada porównanie z gwintowaniem i nitonakrętką oraz czego wymaga stanowisko po stronie maszyny i oprzyrządowania. Zapraszamy do lektury!
Dlaczego garb, a nie płaska powierzchnia?
W zgrzewaniu oporowym ciepło wydziela się tam, gdzie rezystancja obwodu jest największa. Nakrętka o płaskiej podstawie rozprowadza prąd po całym kołnierzu, więc gęstość prądu pozostaje niska i energia rozprasza się bez uformowania złącza. Przetłoczenie ogranicza powierzchnię styku do kilku milimetrów kwadratowych i wymusza przepływ całego prądu przez ten obszar. Garb działa jak koncentrator: nagrzewa się, uplastycznia i zostaje wciśnięty w materiał podstawy, tworząc jądro zgrzeiny.
W zgrzewaniu punktowym miejsce zgrzeiny wyznacza kształt elektrody, zwykle stożkowej. Tutaj rozkład prądu określa geometria detalu, dlatego stosuje się elektrody płytowe, obejmujące dociskiem całą powierzchnię jednocześnie. Wynikają z tego trzy zalety: w jednym cyklu można wykonać kilka zgrzein, elektrody zużywają się wolniej, bo nie one koncentrują prąd, a zakres łączonych przekrojów jest szerszy niż przy zgrzewaniu punktowym.
Jest przy tym warunek, o którym łatwo zapomnieć na etapie projektowania detalu: garb musi być na tyle sztywny, żeby pod dociskiem elektrod uległ tylko częściowemu zgnieceniu. Zbyt miękkie przetłoczenie osiada przed osiągnięciem temperatury zgrzewania i połączenie nie powstaje. Geometrie i wymiary garbów przetłaczanych opisuje norma ISO 8167, obejmująca stale walcowane na gorąco i na zimno, powlekane i niepowlekane, stale nierdzewne oraz stopy niklu, dla grubości do 3 mm. Garby pełne pozostają poza zakresem tego dokumentu.
Co można zgrzać garbowo?
Część elementów złącznych ma garby uformowane fabrycznie i jest przeznaczona wyłącznie do tej technologii:
- nakrętki kwadratowe DIN 928 – cztery występy na powierzchni spodniej;
- nakrętki sześciokątne DIN 929, w oznaczeniu krajowym PN 82169 – trzy garby rozmieszczone symetrycznie na kołnierzu;
- śruby, trzpienie i kołki gwintowane z kołnierzem lub garbem przystosowanym do zgrzewania;
- detale własne z przetłoczeniami technologicznymi, gdzie funkcję garbu przyjmuje wytłoczenie w blasze albo krawędź elementu;
- materiały: stale niskowęglowe oraz gatunki nierdzewne A2 i A4, przy czym te ostatnie wymagają krótszego impulsu i wyższego docisku, bo przegrzanie zostawia trudne do usunięcia barwy nalotowe.
Warto dodać uwagę konstrukcyjną, która umyka przy doborze elementu z katalogu. Cykl cieplny zmienia właściwości wytrzymałościowe samej nakrętki, więc przy połączeniach przenoszących obliczone obciążenia trzeba to uwzględnić w rachunku. Tam, gdzie wymagana jest pewność gwintu, rozważa się elementy z wkładką samoblokującą.
Proces garbowania. Gdzie ma znaczenie?
Zgrzewanie garbowe jest wrażliwe na geometrię ustawienia w stopniu, jakiego nie zna zgrzewanie punktowe. Lista typowych przyczyn braków jest krótka i powtarzalna:
- Brak równoczesności styku garbów. Trzy garby nakrętki DIN 929 muszą dotknąć blachy w tej samej chwili. Przy niedokładnym ustawieniu prąd przepłynie przez jeden z nich, pozostałe nie zostaną wtopione, a nakrętka urwie się przy pierwszym wkręceniu śruby.
- Niedopasowana siła docisku. Zbyt duża zgniata garby przed nagrzaniem, więc zamiast zgrzeiny powstaje styk mechaniczny. Zbyt mała prowadzi do wyprysków i niestabilnego jądra.
- Nierównoległość płyt elektrodowych, przez którą przy większych detalach rozkład docisku przestaje być równomierny.
- Niewłaściwa kinematyka docisku maszyny. Zgrzewarki kleszczowe z dociskiem nożycowym nie nadają się do zgrzewania garbowego, ponieważ ramiona nie zbliżają się do siebie równolegle.
- Brak przyrządu pozycjonującego. Powtarzalne trafienie w miejsce zgrzeiny bez oprzyrządowania jest niemożliwe, a przy nakrętkach dochodzi jeszcze centrowanie względem otworu w blasze.
Zgrzewanie garbowe a alternatywy
Porównanie warto przeprowadzić uczciwie, bo każda z metod ma zastosowania, w których wygrywa.
- Gwintowanie blachy ma sens od pewnej grubości, bo o nośności decyduje liczba czynnych zwojów. W cienkich blachach wymaga przetłoczenia gwintowanego, co podnosi koszt tłoczenia i komplikuje narzędzie.
- Nitonakrętki pozwalają na montaż jednostronny i nie wnoszą ciepła, więc dobrze pracują na detalach malowanych oraz przy montażu poza własnym zakładem. Ceną są otwór o kontrolowanej tolerancji, osobne narzędzie i czas cyklu liczony na każdy element.
- Nakrętki zaciskane wchodzą szybko w prasie, ale wynik zależy od plastyczności materiału blachy.
- Zgrzewanie garbowe nie wymaga materiału dodatkowego ani gazów osłonowych daje krótki cykl, pozwala połączyć kilka elementów w jednej operacji i łatwo poddaje się automatyzacji z podajnikiem nakrętek. Ograniczenia są równie konkretne: detal trzeba zgrzać przed malowaniem, potrzebny jest przyrząd dedykowany części, na etapie zgrzewania konieczny jest dostęp obustronny, a element złączny przechodzi cykl cieplny.
Stanowisko zgrzewania garbowego – czego wymaga?
Zgrzewanie garbowe stawia maszynie inne wymagania niż zgrzewanie punktowe pojedynczych blach.
Pierwsza sprawa to moc. Kilka garbów w jednym cyklu oraz elementy o większych przekrojach wymagają zapasu prądu, dlatego w tej kategorii pracuje się na maszynach o mocach idących w setki kilowoltoamperów, a nie kilkadziesiąt. Druga to sterownik z możliwością profilowania impulsu, bo przy gatunkach nierdzewnych i grubszych blachach kształt przebiegu decyduje o wyniku bardziej niż sama wartość prądu. Trzecia to kinematyka docisku zapewniająca równoległe zbliżanie płyt, z regulowaną siłą i dociskiem wstępnym.
Pozostałe wymagania dotyczą oprzyrządowania. Przyrząd projektuje się pod konkretny detal i mocuje najczęściej na płytach teowych ramion, wraz z elementami centrującymi nakrętkę względem otworu. W produkcji seryjnej dochodzą podajniki nakrętek i trzpieni z kontrolą obecności oraz położenia elementu, w tym kąta obrotu, a także współpraca sterownika zgrzewarki ze sterownikiem linii. Bez monitorowania i zapisu parametrów każdej zgrzeiny nie przejdzie się natomiast odbioru w motoryzacji.
Ponieważ maszyna, przyrząd i sposób podawania detali tworzą jeden układ, projektuje się je razem. Kompletnym zakresem, od doboru maszyny przez oprzyrządowanie zgrzewalnicze do integracji stanowiska, zajmuje się producent zgrzewarek wyspecjalizowany w technologiach oporowych, dysponujący własnym biurem konstrukcyjnym.
Cała technologia opiera się na jednym pomyśle: koncentracja prądu zostaje przeniesiona z elektrody na geometrię detalu. Stąd biorą się zarówno zalety, czyli kilka zgrzein w jednym cyklu, mniejsze zużycie elektrod i szerszy zakres przekrojów, jak i lista wymagań: równoczesność styku garbów, równoległość płyt, sztywność przetłoczenia i przyrząd dopasowany do części. Wariant z nakrętką zgrzewaną warto przeliczyć jeszcze na etapie projektu detalu. Zmiana z nitonakrętki na element zgrzewany po zwolnieniu dokumentacji wymaga zwykle korekty samej części, a wtedy oszczędność na czasie cyklu zostaje zjedzona przez poprawki narzędzia.
Artykuł sponsorowany
