Jak dobrać elektrody do zgrzewarki oporowej? Materiał, kształt i rozmiar

Elektroda to jedyny element zgrzewarki, który fizycznie dotyka łączonych blach. Przez nią płynie cały prąd zgrzewania i przez nią przekazywana jest siła docisku – od jej doboru zależy, czy złącze wytrzyma obciążenia eksploatacyjne, czy pęknie przy pierwszej próbie. W polskim przemyśle motoryzacyjnym wykonuje się rocznie ponad 1,8 miliarda zgrzein, głównie punktowych, a jeden samochód osobowy lub dostawczy ma ich zwykle 4000-6000. Przy takiej skali błąd w doborze elektrody nie jest problemem teoretycznym – przekłada się na koszty przestojów, złomowania i reklamacji. Dobór elektrody sprowadza się do trzech decyzji: jakiego materiału użyć, jaki kształt czoła wybrać i jaki rozmiar dopasować do grubości zgrzewanego materiału. Skąd wiadomo, która kombinacja sprawdzi się akurat w Twoim procesie? Dowiesz się z tego wpisu – zapraszamy do lektury!

Materiał elektrody

Elektrody do zgrzewania wykonuje się ze stopów miedzi – a nie z czystej miedzi. Czysta miedź ma wprawdzie najwyższą przewodność elektryczną spośród metali technicznych, ale w temperaturze pracy elektrody (ok. 400°C) traci twardość i szybko odkształca się pod obciążeniem. Dodatek chromu, cyrkonu, kobaltu czy berylu podnosi twardość i odporność na mięknienie kosztem części przewodności – i to właśnie ten kompromis definiuje klasę materiału.

Branża posługuje się klasyfikacją RWMA (Resistance Welding Manufacturer’s Alliance, część American Welding Society), którą normy ISO 5182 i EN 12163 tłumaczą na oznaczenia europejskich stopów miedzi.

Dobór klasy wynika z prawa Joule’a – ilość ciepła powstającego w miejscu zgrzewania zależy od kwadratu natężenia prądu i rezystancji materiału. Aluminium ma niską rezystancję, więc do wytworzenia zgrzeiny potrzebuje bardzo dużego prądu – rzędu 35 000 A, wobec około 10 000 A dla stali niskowęglowej. Elektroda musi ten prąd przewodzić bez strat, dlatego do aluminium stosuje się klasę 1, o najwyższej przewodności. Stal nierdzewna zachowuje się odwrotnie: ma wysoką rezystancję, więc wytwarza dużo ciepła już przy niższym prądzie, za to wymaga większej siły docisku – tu lepiej sprawuje się twardsza klasa 3, kosztem części przewodności.

Materiał elektrody do zgrzewania oporowego musi też spełniać wymagania niezwiązane bezpośrednio z przewodnością: wysoką granicę plastyczności (elektrody przenoszą duże momenty zginające bez trwałych odkształceń), odporność na ścieranie w temperaturze pracy oraz szczelność wodną stożka mocującego, przez który prowadzone jest chłodzenie.

Kształt elektrody

Norma ISO 5821 opisuje siedem standardowych kształtów czoła elektrod nasadkowych, oznaczonych literami A-G. Różnice między nimi nie są kosmetyczne – każdy kształt rozwiązuje inny problem procesowy.

• Typ A – duży promień powierzchni roboczej, sprawdza się przy aluminium: przebija warstwę tlenków na powierzchni blachy, zachowując przy tym wystarczająco dużą powierzchnię kontaktu, by kontrolować wzrost jądra zgrzeiny.
• Typ B – płaski z lekkim promieniem, najpopularniejszy wybór uniwersalny; toleruje niewielkie niewspółosiowości elektrod względem siebie.
• Typ C – całkowicie płaski, stosowany przy zgrzewaniu garbowym oraz tam, gdzie zależy na rozłożeniu ciepła na większej powierzchni i ograniczeniu wgniecenia po jednej stronie złącza.
• Typ D – ułatwia dotarcie w ciasne miejsca, takie jak kołnierze czy wąskie kąty.
• Typ E – ogranicza przywieranie odprysków, przydaje się przy produkcji kanałów wentylacyjnych.
• Typ F – odmiana typu B z pełną kopułą; dominuje w motoryzacji i na stanowiskach zrobotyzowanych, bo zapewnia szybki, powtarzalny kontakt punktowy.
• Typ G – kształt półokrągły, również ogranicza przywieranie odprysków, a jego płaski czubek pozwala uzyskać zgrzeinę o powtarzalnej średnicy.

Powierzchnia czynna elektrody – ta, którą elektroda styka się z blachą i przez którą przekazywany jest prąd – powinna być płaska lub lekko wypukła, o promieniu rzędu 50-100 mm. Im mniejszy kąt stożka elektrody, tym szybciej ciepło ze strefy zgrzewania odprowadzane jest do styku elektroda–blacha, co ogranicza jej nagrzewanie i wydłuża żywotność.

Rozmiar elektrody

Średnica powierzchni czynnej elektrody musi rosnąć razem z grubością zgrzewanej blachy – tej zależności nie da się pominąć bez ryzyka dla jakości złącza. Zbyt mała powierzchnia kontaktu koncentruje prąd i ciepło w wąskim obszarze, co prowadzi do przepaleń, wyprysków i nadtopień brzegów blachy. Zbyt duża rozprasza energię, obniżając gęstość prądu poniżej poziomu potrzebnego do uformowania pełnowartościowego jądra zgrzeiny – złącze wygląda poprawnie, ale nie ma wymaganej wytrzymałości. Oznacza to, że do cienkich blach karoseryjnych stosuje się elektrody o niewielkiej średnicy powierzchni czynnej, a wraz ze wzrostem grubości materiału rośnie też średnica elektrody. Producenci zgrzewarek i elektrod publikują własne tabele doboru, dostosowane do konkretnych materiałów i klas prądowych urządzenia – to one, a nie ogólne reguły, powinny być punktem odniesienia przy projektowaniu procesu.

Przy zgrzewaniu blach zabrudzonych lub utlenionych powierzchniowo warto celowo zmniejszyć powierzchnię czynną elektrody – większy nacisk skoncentrowany na mniejszym obszarze skuteczniej przebija warstwę zgorzeliny na początku cyklu. Trzeba się wtedy liczyć z szybszym zużyciem elektrody, bo ten sam mechanizm, który przebija zanieczyszczenia, przyspiesza też erozję powierzchni roboczej.

Dobór metody do rodzaju procesu

Zgrzewanie punktowe i garbowe stawiają elektrodom różne wymagania, mimo że obie metody należą do tej samej rodziny technologii oporowych.

• Zgrzewanie punktowe – to kształt i średnica elektrody wyznaczają miejsce i rozmiar zgrzeiny, więc precyzja geometrii czoła ma znaczenie krytyczne.
• Zgrzewanie garbowe – rolę koncentratora prądu przejmuje ukształtowanie samego detalu, na przykład garb wytłoczony w blasze lub na nakrętce, a elektroda pełni funkcję bardziej uniwersalną: przenosi prąd i siłę na większej, zwykle płaskiej powierzchni, często większej niż sam zgrzewany element.

Dobór materiału elektrody do zgrzewania punktowego zależy przede wszystkim od zgrzewanego metalu – aluminium wymaga klasy 1 o wysokiej przewodności, stal nierdzewna klasy 3 o wysokiej twardości, a stal węglowa i ocynkowana najczęściej klasy 2, stanowiącej rozsądny kompromis między obiema cechami. Przy zgrzewaniu garbowym te same zasady doboru materiału obowiązują, ale większy nacisk kładzie się na odporność na ścieranie, bo elektroda pracuje z reguły przy wyższych siłach docisku.

Dobór elektrody do zgrzewarki oporowej to zawsze kompromis między przewodnością, twardością i geometrią, dopasowany do konkretnego zgrzewanego materiału i procesu. Norma i tabela klas dają punkt wyjścia, ale ostateczny wybór – zwłaszcza przy nietypowych detalach czy trudno dostępnych miejscach zgrzewania – wymaga doświadczenia i znajomości konkretnej aplikacji.

Jeśli potrzebujesz doboru elektrod do swojej zgrzewarki lub budowanego od podstaw stanowiska, sprawdź ofertę SMOLTECH lub skontaktuj się z nami bezpośrednio – pomożemy dobrać rozwiązanie odpowiednie do Twojego procesu.