Zgrzewanie punktowe należy do najczęściej wykorzystywanych sposobów trwałego łączenia metali. Sięga się po nie w przemyśle motoryzacyjnym, produkcji sprzętu AGD i obróbce metali, korzystają z niej również wytwórcy konstrukcji stalowych. Metoda jest szybka, nie wymaga materiału dodatkowego i daje powtarzalne połączenia, o ile maszyna została dobrze zaprojektowana i wyposażona. Właśnie dlatego warto wiedzieć, z czego składa się takie urządzenie i które podzespoły najmocniej wpływają na wynik pracy. W tym wpisie przyjrzymy się budowie zgrzewarki punktowej oraz doborowi jej najważniejszych elementów, przede wszystkim transformatora i elektrod. Zapraszamy do lektury!
U podstaw całej metody leży prosty mechanizm fizyczny. Przez dwie dociśnięte do siebie blachy, zaciśnięte między elektrodami, przepuszcza się prąd o bardzo dużym natężeniu i niskim napięciu. W miejscu styku materiałów pojawia się opór elektryczny, a przepływający prąd zamienia się tam w ciepło. Metal nagrzewa się punktowo, uplastycznia, a następnie pod naciskiem elektrod tworzy się jądro zgrzeiny – niewielki obszar przetopionego materiału, który po zakrzepnięciu łączy oba elementy.
W procesie występują trzy oporności, których zrozumienie tłumaczy, dlaczego zgrzew powstaje akurat między blachami. Pierwsza to oporność właściwa łączonych metali, druga – oporność styku między blachami, trzecia – oporność na granicy elektrody i powierzchni przedmiotu. Najwięcej ciepła wydziela się tam, gdzie opór jest największy, czyli w styku łączonych elementów, i to właśnie ten punkt ma się nagrzać, a nie elektrody.
Cały cykl przebiega w trzech następujących po sobie etapach. Najpierw elektrody dociskają materiał wstępnie, jeszcze bez prądu, aby zapewnić dobry styk. Następnie płynie prąd zgrzewania i powstaje jądro. Na końcu, gdy prąd zostaje wyłączony, elektrody nadal utrzymują docisk, dzięki czemu zgrzeina krzepnie w kontrolowanych warunkach i nie pęka. Współczesne zgrzewarki oporowe pozwalają łączyć w ten sposób elementy o grubości od dziesiątych części milimetra aż po kilkadziesiąt milimetrów, w zależności od mocy urządzenia.
Choć konstrukcje różnią się wielkością i przeznaczeniem, budowa zgrzewarki punktowej opiera się na powtarzalnym zestawie podzespołów. Każdy z nich odpowiada za inny fragment procesu, a ich współdziałanie decyduje o jakości połączeń.
Typowa maszyna składa się z kilku zespołów.
Korpus z ramionami – sztywna rama, na której osadzone są ramiona doprowadzające prąd i przenoszące docisk. Sztywność korpusu ma bezpośredni wpływ na powtarzalność zgrzein.
Transformator zgrzewalniczy – zamienia napięcie sieciowe na niskie napięcie o bardzo wysokim natężeniu prądu.
Uchwyty i elektrody – końcowe ogniwo, które przewodzi prąd do materiału i wywiera nacisk.
Układ docisku – nożny lub pneumatyczny, odpowiadający za siłę i sposób zaciśnięcia elektrod.
Sterownik – zarządza czasem przepływu prądu oraz jego natężeniem, a w rozbudowanych maszynach zapamiętuje całe programy zgrzewania.
Układ chłodzenia – najczęściej wodny, chroniący transformator, elementy półprzewodnikowe, ramiona i elektrody przed przegrzaniem.
Pytanie, jaki transformator do zgrzewarki punktowej wybrać, wraca zawsze na etapie projektowania maszyny, ponieważ to on wytwarza prąd potrzebny do powstania zgrzeiny. Jego zadaniem jest przetworzenie napięcia z sieci na napięcie rzędu kilku woltów, przy jednoczesnym uzyskaniu prądu liczonego w tysiącach amperów. Bez tak dużego natężenia ciepło w styku blach po prostu by nie powstało.
Charakterystyczną cechą takiego transformatora jest uzwojenie wtórne, złożone z jednego lub dwóch zwojów wykonanych z masywnego płaskownika miedzianego. Tak niewielka liczba zwojów przy dużym przekroju pozwala przenieść ogromny prąd. Regulację natężenia uzyskuje się na dwa sposoby: przez odczepy na uzwojeniu pierwotnym albo, w nowocześniejszych rozwiązaniach, przez sterowanie tyrystorowe. To drugie daje znacznie większe pole manewru, bo umożliwia płynne dopasowanie prądu, a niekiedy również podgrzewanie wstępne i wyżarzanie zgrzeiny w jednym cyklu.
Dobór mocy transformatora zależy przede wszystkim od rodzaju i grubości łączonego materiału. Im grubsze blachy oraz im wyższa oczekiwana wydajność, tym mocniejszy transformator będzie potrzebny. Znaczenie ma też charakter pracy – maszyna pracująca w cyklu ciągłym musi mieć zapas mocy i wydajne chłodzenie, inaczej szybko traci sprawność. Zbyt słaby transformator objawia się słabymi, niepewnymi zgrzewami, więc oszczędność na tym elemencie zwykle mści się na jakości.
Jeśli transformator dostarcza energię, to elektrody decydują o tym, jak zostanie ona wykorzystana. Nierzadko przyjmuje się, że elektrody odpowiadają za ponad połowę jakości zgrzewania przy pracy ciągłej, dlatego pytanie, jakie elektrody do zgrzewarki punktowej zastosować, ma tak duże znaczenie. Budowa elektrod do zgrzewania punktowego jest dwuczęściowa. Pierwszy element to trzon, najczęściej w kształcie stożka, osadzany w uchwycie lub bezpośrednio w ramieniu maszyny. Drugi to końcówka robocza, której kształt dobiera się do geometrii łączonych detali oraz do oczekiwanego wyglądu zgrzeiny. Standaryzację wymiarów końcówek nasadkowych porządkuje norma ISO 5821.
Zostaje pytanie, z czego zrobić elektrody do zgrzewarki? Z jakich stopów miedzi się je wytwarza? Najczęściej sięga się po stop miedzi z chromem i cyrkonem, oznaczany jako CuCrZr lub CuCr1Zr, który charakteryzuje się wysoką przewodnością i dobrą wytrzymałością. Do zgrzewania garbowego oraz doczołowego stosuje się miedź kobaltowo-berylową CuCoBe, twardszą oraz bardziej odporną na obciążenia. Przy łączeniu materiałów o wysokiej przewodności, takich jak miedź czy aluminium, sięga się po stop miedzi z wolframem, a w wymagających warunkach termicznych po miedź umacnianą tlenkiem glinu. Każdy z tych materiałów odpowiada innym warunkom pracy, dlatego dobór elektrody powinien wynikać z rodzaju zgrzewanego metalu i jego grubości.
Warto pamiętać, że elektrody zużywają się w trakcie pracy, a ich końcówki wymagają czyszczenia i okresowego przywracania kształtu. Zaniedbanie tego prowadzi do spadku jakości połączeń, nawet gdy reszta maszyny działa bez zarzutu.
Poza transformatorem i elektrodami o wyniku pracy przesądzają jeszcze trzy zespoły:
układ docisku – w prostszych maszynach nacisk zadaje operator pedałem nożnym, a w bardziej wydajnych siłownik pneumatyczny, który zapewnia równą, powtarzalną siłę niezależną od człowieka. Bez odpowiedniego docisku styk blach byłby przypadkowy, a zgrzeina niepewna,
sterownik – odpowiada za czas przepływu prądu oraz jego natężenie, a od precyzji tych nastaw zależy, czy zgrzew wyjdzie mocny i czysty. Zbyt długi czas przegrzewa materiał, zbyt krótki daje słabe połączenie. W stalach stopowych dobór parametrów bywa szczególnie wymagający, ponieważ długie nagrzewanie pogarsza odporność na korozję,
chłodzenie – duże prądy oznaczają duże ilości ciepła, dlatego wodą chłodzi się zwykle transformator, układ tyrystorowy, ramiona oraz elektrody. Sprawne chłodzenie wydłuża żywotność podzespołów i pozwala maszynie pracować bez przerw.
Osobnym, coraz popularniejszym zastosowaniem metody jest łączenie ogniw akumulatorowych, na przykład typu 18650, w pakiety. W tym wypadku warunki różnią się wyraźnie od zgrzewania blach konstrukcyjnych. Pojawia się więc pytanie, jaka zgrzewarka punktowa do ogniw sprawdzi się najlepiej?
Zacznijmy od tego, dlaczego ogniwa się zgrzewa, a nie lutuje. Ogniwo litowo-jonowe źle znosi długie nagrzewanie, a lutowanie wymaga utrzymywania wysokiej temperatury przez dłuższą chwilę, co grozi uszkodzeniem jego wnętrza. Zgrzew punktowy dostarcza ciepło bardzo krótko i tylko w jednym miejscu, dzięki czemu samo ogniwo pozostaje praktycznie zimne. Do łączenia używa się cienkiej taśmy niklowej, przygrzewanej do biegunów ogniw. Odpowiedź na pytanie o wybór zgrzewarki sprowadza się do kilku cech. Maszyna powinna operować krótkim, powtarzalnym impulsem oraz pozwalać na regulację czasu i mocy zgrzewu, ponieważ to od nich zależy, czy taśma przygrzeje się pewnie, a ogniwo nie ucierpi. Liczy się też odpowiednia moc dopasowana do grubości taśmy niklowej oraz dobre, czyste elektrody, bo słaby styk daje nierówne zgrzewy. Zbyt duża moc bądź zbyt długi impuls przepala taśmę i grozi uszkodzeniem ogniwa, dlatego panowanie nad parametrami jest ważniejsze niż sama „siła” urządzenia. Warto też pamiętać o różnicy klasy sprzętu. Zgrzewarka do ogniw ma znacznie mniejszą moc niż maszyna przemysłowa – jest przeznaczona do delikatnej, precyzyjnej pracy z cienką taśmą, a nie do łączenia grubych blach.
Wśród hobbystów popularne stało się samodzielne budowanie takich urządzeń. Warto więc wiedzieć, jak działa zgrzewarka punktowa z mikrofali i skąd bierze się jej moc. Sercem konstrukcji jest transformator wyjęty ze starej kuchenki mikrofalowej – w skrócie MOT – najlepiej o mocy co najmniej ośmiuset watów.
Sama przeróbka wygląda zwykle tak samo i sprowadza się do kilku kroków:
usunięcie fabrycznego uzwojenia wtórnego – tego z cienkiego drutu, które w oryginale daje wysokie napięcie,
nawinięcie nowego uzwojenia – dwa lub trzy zwoje grubej miedzianej linki, mniej więcej 25 mm². Dzięki temu transformator zaczyna dawać to, czego potrzeba do zgrzewania: niskie napięcie i bardzo wysoki prąd,
dodanie sterownika – prostego układu do ustawiania czasu i mocy impulsu,
wykonanie elektrod – najczęściej z miedzianego pręta ze sfazowaną końcówką.
Pamiętaj! Przeróbka transformatora i praca z napięciem sieciowym są niebezpieczne dla kogoś bez doświadczenia w elektryce, a źle dobrane ustawienia potrafią uszkodzić ogniwo – doprowadzić do iskrzenia, a w gorszym przypadku do rozszczelnienia i wycieku elektrolitu. Do tego takie urządzenia trudno okiełznać: ciężko utrzymać w nich powtarzalną jakość zgrzein. Sprawdzą się przy pojedynczym pakiecie ogniw robionym na własny użytek, ale nie tam, gdzie liczy się niezawodność i stały efekt.
Różnica między maszyną fabryczną a urządzeniem złożonym w warsztacie sprowadza się do kilku spraw. Profesjonalna zgrzewarka daje przede wszystkim:
powtarzalność – każda zgrzeina wychodzi taka sama,
precyzyjne sterowanie czasem i natężeniem prądu,
wydajne chłodzenie, które pozwala pracować bez przerw,
trwałe elektrody z odpowiednich stopów miedzi,
bezpieczeństwo pracy i wydajność wystarczającą do produkcji seryjnej.
Domowa zgrzewarka do ogniw ma swoje miejsce tam, gdzie zadanie jest proste i jednorazowe. Gdy jednak w grę wchodzi łączenie grubszych materiałów, praca ciągła albo powtarzalna jakość na dużej liczbie sztuk, potrzebne jest urządzenie zaprojektowane od podstaw do zgrzewania.
Dobra zgrzeina punktowa to efekt kilku dobrze dobranych elementów. Transformator musi dostarczyć odpowiedni prąd, elektrody powinny być wykonane z właściwego stopu i utrzymane w dobrym stanie, a sterownik pozwalać na precyzyjne ustawienie czasu i natężenia. Dopiero razem składają się na maszynę, która daje mocne i powtarzalne połączenia. Jeśli szukasz zgrzewarki punktowej dopasowanej do konkretnej produkcji albo potrzebujesz pomocy w doborze parametrów i elektrod, skontaktuj się z nami. W SMOLTECH projektujemy i budujemy profesjonalne zgrzewarki oraz doradzamy w doborze rozwiązań do rodzaju materiału i charakteru pracy.