Контактная точечная сварка

Плавление: импульс тока расплавляет ядро между зажатыми листами

Контактная точечная сварка соединяет два нахлёстанных металлических листа в небольших точках, сжимая их между медными электродами и пропуская огромный электрический ток. Каждая точка занимает заметно меньше секунды и не требует присадочного металла или газа. Так собирают кузова автомобилей: загляните в проём любой автомобильной двери — вы увидите ряды небольших круглых вмятин.

Фото: BMW Werk Leipzig, CC BY-SA 2.0 de, через Wikimedia Commons

Контактная точечная сварка · одна точка в четыре момента: сжатие, сварка, выдержка, раскрытиеЧитайте панели слева направо: они показывают одну сварную точку в четыре момента её цикла, а их номера соответствуют шагам ниже.

Как это работает

Прокатка. Робот или пресс смыкает два электрода из медного сплава с водяным охлаждением на нахлёстанных листах. Они прижимают с усилием в несколько килоньютонов, примерно весом нескольких сотен килограммов.
Сварка. Ток около 5000–20 000 ампер течёт от десятой до нескольких десятых долей секунды при напряжении всего в несколько вольт. Сопротивление (противодействие материала току) превращает его в тепло, как в проволоке тостера. Контакт между двумя листами сопротивляется сильнее всего, поэтому нагревается первым. Там образуется линзовидное ядро (небольшой карман расплавленного металла), обычно диаметром 4–8 мм.
Выдержать. Ток прекращается, но электроды продолжают давить, пока ядро остывает и застывает. Вода, текущая внутри электродов, отводит тепло, поэтому медь остаётся холодной и не приваривается к листу.
Извлечь. Электроды раскрываются, оставляя на каждой стороне неглубокую вмятину. Робот переходит к следующей точке, обычно на несколько сантиметров дальше вдоль фланца (плоской нахлёстанной кромки).

Почему плавится только середина. Медь проводит электричество и тепло в несколько раз лучше стали, поэтому электроды почти не нагреваются. Контакт между листами — самая горячая точка, поэтому ядро растёт изнутри наружу, скрытое от глаз.

Ключевые факты

Материалы: Малоуглеродистая и оцинкованная листовая сталь, нержавеющая сталь; алюминий на специальных машинах с большим током; никелевые полосы для аккумуляторов
Типичные детали: Кузова автомобилей, двери и капоты, корпуса бытовой техники, стальные стеллажи, аккумуляторные блоки
Размер детали: Листы обычно толщиной 0,5–3 мм каждый; узлы размером с целый кузов автомобиля
Точность: Точка ставится роботом с точностью около ±1 мм; общая точность детали обеспечивается зажимным приспособлением
Качество поверхности: Небольшая круглая вмятина на каждой стороне; обычно скрыта во фланце или закрашена
Подходящая партия: Массовое производство; небольшие настольные машины также обслуживают ремонтные мастерские и сборщиков аккумуляторов
Стоимость оснастки и оборудования: Несколько сотен долларов за небольшую настольную установку; около $100 000 и более за робот со сварочными клещами
Скорость: Заметно меньше секунды на точку; робот делает примерно одну точку каждые 1–3 секунды, включая перемещения

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Очень быстро и легко автоматизируется
Без присадки, газа и флюса: очень низкая стоимость сварной точки
Тепло остаётся локальным, поэтому детали почти не деформируются
Повторяемо, когда ток, усилие и время настроены

Ограничения

Только для нахлёсточных соединений тонкого листа
Соединяет в точках, а не сплошным швом, поэтому не обеспечивает герметичности
Ядро скрыто внутри, поэтому качество трудно проверить без разрушающих испытаний
Наконечники электродов изнашиваются и их нужно править (восстанавливать форму); для алюминия нужен гораздо больший ток

Где применяется

АвтомобилестроениеКузов в белом (голая сварная оболочка кузова), двери, капоты, каркасы сидений
Бытовая техникаКорпуса стиральных машин, духовок и холодильников
АккумуляторыНикелевые перемычки, соединяющие элементы в аккумуляторах электровелосипедов и электроинструмента
Металлическая мебель и шкафыСтальные стеллажи, шкафчики, электрошкафы
Железная дорогаПанели кузовов железнодорожных вагонов из нержавеющей стали

Как узнать процесс

Ряды небольших круглых вмятин диаметром около 5–8 мм, равномерно расположенных вдоль фланца.
Одна и та же вмятина видна на обеих сторонах соединения.
На голом или нержавеющем металле — слабое кольцо цветов побежалости вокруг каждой точки.
Откройте автомобильную дверь или капот: кромки кузова ими обрамлены.

Сравните с

Дуговая сварка7.1делает сплошные швы и справляется с толстыми плитами, но добавляет присадку и гораздо больше тепла.Лазерная сварка7.4может заменить ряды точек сплошными строчками для более жёстких кузовов, но с гораздо более высокой стоимостью оборудования.Ультразвуковая сварка7.7тоже соединяет нахлёстанные тонкие детали в точках, но вибрацией и без плавления; подходит для фольги, проводов и пластиков.

Смотрите

Welding Fabrication World · Процесс, его сильные стороны и применения, для начинающих

The Weld Nugget · Как ток, усилие и время формируют ядро

FANUC America Corporation · Роботы сваривают боковину кузова, с искрой в каждой точке

ABB Robotics · Настоящая линия кузовов на заводе Volvo

Смотреть реальные фото

Википедия: Spot welding — фотографии роботов и машин для точечной сварки, а также схема процесса
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

Ток, усилие сжатия и время — три настройки каждой сварной точки.
Тепло возникает там, где листы соприкасаются, потому что этот контакт сильнее всего сопротивляется току.
Кузов автомобиля скреплён несколькими тысячами таких точек, почти все делают роботы.