Zgrzewanie garbowe w produkcji seryjnej: jak szybko i powtarzalnie łączyć nakrętki, śruby i elementy tłoczone

Wystarczy zajrzeć pod podwozie samochodu, do wnętrza szafy rozdzielczej albo w konstrukcję fotela biurowego, żeby znaleźć dziesiątki nakrętek i śrub przytwierdzonych do blachy. Większość z nich przyłączono metodą garbową, w czasie krótszym niż sekunda, często kilka punktów w jednym ruchu maszyny. Zgrzewanie garbowe jest mniej znane niż punktowe, choć w produkcji seryjnej elementów z blachy odgrywa równie dużą rolę. Poniżej opisujemy, jak przebiega ten proces, jakie detale łączy się tą metodą i od czego zależy powtarzalność połączeń.

Zasada działania zgrzewania garbowego

Zgrzewanie garbowe należy do metod oporowych, podobnie jak zgrzewanie punktowe. Różnica polega na tym, w jaki sposób skupia się prąd i docisk. W zgrzewaniu punktowym robi to kształt końcówki elektrody. W zgrzewaniu garbowym ten sam efekt dają garby, czyli niewielkie wypukłości wytłoczone na jednym z łączonych elementów albo ukształtowane na nim już na etapie produkcji, jak w nakrętkach i śrubach do zgrzewania.

Elementy układa się między płaskimi elektrodami o dużej powierzchni. Na początku stykają się one wyłącznie wierzchołkami garbów, więc cały prąd przepływa przez kilka małych obszarów. Materiał w tych miejscach szybko się nagrzewa, mięknie i pod naciskiem głowicy zapada. Garb przestaje istnieć, a w jego miejscu powstaje zgrzeina. Po wyłączeniu prądu docisk utrzymuje się jeszcze przez krótki czas, aż połączenie zakrzepnie.

Z tej zasady wynikają dwie zalety. Po pierwsze, liczba i rozmieszczenie zgrzein zależą od liczby i rozmieszczenia garbów, a nie od tego, ile razy operator przyłoży elektrody. Nakrętka z trzema albo czterema garbami zostaje przyłączona jednym cyklem. Po drugie, płaskie elektrody zużywają się dużo wolniej niż końcówki do zgrzewania punktowego, bo prąd rozkłada się na większej powierzchni styku z elektrodą.

Co łączy się metodą garbową?

Najczęstszym zastosowaniem są elementy złączne. Nakrętki do zgrzewania, np. kwadratowe według DIN 928 i sześciokątne według DIN 929, mają garby na powierzchni przylgowej. Śruby do zgrzewania mają je pod łbem, zwykle w postaci pierścienia lub kilku wypukłości. Po przyłączeniu element trzyma się blachy na stałe, a montażysta na dalszym etapie nie musi przytrzymywać nakrętki kluczem od drugiej strony. W zamkniętych profilach i w miejscach bez dostępu ma to duże znaczenie.

Druga grupa to detale tłoczone z blachy: wsporniki, kątowniki montażowe, zaczepy i wzmocnienia. Garby wytłacza się w nich na tej samej prasie, na której powstaje sam element, więc ich przygotowanie praktycznie nie wydłuża procesu. Przy odpowiednio zaprojektowanym detalu jeden skok zgrzewarki zastępuje kilka zgrzein punktowych.

Trzecią grupę stanowią połączenia krzyżowe prętów i drutów, np. w siatkach, koszach, regałach i osłonach. Tutaj garbu nie trzeba formować. Jego funkcję pełni sam punkt styku dwóch walcowych powierzchni, na którym skupia się prąd.

Stosuje się też garby pierścieniowe, które po zgrzaniu tworzą zamknięty obwód. Takie połączenie może być szczelne, dlatego wykorzystuje się je m.in. przy mocowaniu króćców i tulei do zbiorników lub obudów.

Powtarzalność – jak ją osiągnąć?

W produkcji seryjnej zgrzeiny ocenia się w całych partiach: tysięczna musi być równie dobra jak pierwsza. W zgrzewaniu garbowym zależy to od kilku czynników, które najlepiej przeanalizować już na etapie projektowania detalu i doboru maszyny.

• Pierwszym z nich jest geometria garbów. Jeśli element ma kilka wypukłości, wszystkie muszą mieć tę samą wysokość. Garb wyższy od pozostałych przejmie na początku większość prądu i zapadnie się wcześniej, a pozostałe zgrzeiny wyjdą słabsze. Kształt i wymiary garbów tłoczonych w blachach stalowych opisuje norma ISO 8167. Przy własnych detalach dobrze jest się na niej oprzeć, zamiast dobierać wymiary metodą prób.
• Drugi czynnik to równoległość elektrod i sztywność maszyny. Płyty elektrodowe muszą dociskać wszystkie garby jednocześnie i z tą samą siłą. Przy dużych płytach i dużych siłach docisku każde ugięcie ramienia albo luz w prowadzeniu głowicy od razu odbija się na jakości.
• Trzeci czynnik, często pomijany, to tak zwane nadążanie głowicy. Garb zapada się w ciągu kilku milisekund. Jeśli głowica ma dużą bezwładność albo siłownik reaguje zbyt wolno, docisk na moment słabnie. Wtedy stopiony metal wypryskuje na boki zamiast utworzyć zgrzeinę. W przypadku nakrętek grozi to zanieczyszczeniem gwintu, a taki element nadaje się tylko do odrzutu. Dlatego głowice maszyn do zgrzewania garbowego projektuje się tak, żeby jak najszybciej podążały za zapadającym się materiałem.
• Czwarty czynnik to pozycjonowanie. Nakrętkę trzeba ustawić dokładnie nad otworem w blasze. Zwykle robi się to za pomocą kołka ustalającego w dolnej elektrodzie, izolowanego od prądu, żeby nie przejmował części prądu zgrzewania. Przy dużych seriach nakrętki podają automatyczne podajniki, co skraca cykl i eliminuje pomyłki operatora.

Dobór maszyny i mocy

Moc potrzebna do zgrzewania garbowego rośnie wraz z liczbą garbów łączonych jednocześnie i z grubością materiału. Nakrętka M6 na cienkiej blasze wymaga znacznie mniej niż duży wspornik z sześcioma garbami na blasze kilkumilimetrowej. Stąd tak szeroki zakres mocy znamionowych maszyn dostępnych na rynku, od kilkudziesięciu do kilkuset kVA. Przy porównywaniu ofert trzeba pamiętać, że moc znamionową podaje się dla określonego cyklu pracy. Dwie maszyny o tej samej liczbie kVA, ale podanej dla różnych cykli, nie muszą mieć tych samych możliwości.

W zakładach, które łączą zarówno pojedyncze punkty, jak i elementy z garbami, sprawdza się maszyna przystosowana do obu metod. Zgrzewarka do metalu w wykonaniu punktowo-garbowym pozwala wymienić końcówki punktowe na płyty elektrodowe i korzystać z jednego stanowiska przy różnych zleceniach. Przy dużych seriach jednego detalu zwykle bardziej opłaca się stanowisko przygotowane pod konkretną operację, wyposażone w oprzyrządowanie i podajnik.

Coraz więcej producentów wybiera źródła inwertorowe średniej częstotliwości. Prąd stały na wyjściu i precyzyjna regulacja czasu dobrze pasują do krótkich cykli zgrzewania garbowego. Inwerter równomiernie obciąża też trójfazową sieć zasilającą, co przy maszynach dużej mocy ma znaczenie dla przyłącza w hali. Zgrzewarki transformatorowe prądu przemiennego nadal jednak dobrze sprawdzają się tam, gdzie liczy się prosta konstrukcja i niski koszt zakupu.

Osobną sprawą jest sterownik. Przy zgrzewaniu garbowym przydaje się możliwość zaprogramowania kilku faz cyklu, np. wstępnego podgrzewania, właściwego impulsu i docisku końcowego. Bardziej rozbudowane sterowniki mierzą też przemieszczenie elektrody podczas zgrzewania. Wiadomo wtedy, czy garby się zapadły, i można automatycznie odrzucić detal, w którym proces przebiegł nieprawidłowo.

Kontrola jakości połączeń

Jakość nakrętek i śrub zgrzewanych sprawdza się przede wszystkim próbami wytrzymałościowymi. W próbie wypychania dociska się nakrętkę od strony blachy, aż do jej oderwania, i odczytuje siłę. W próbie skręcania wkręca się śrubę i zwiększa moment aż do zniszczenia połączenia. W obu przypadkach wynik porównuje się z wartościami przyjętymi dla danego rozmiaru elementu. Prawidłowe połączenie zwykle ulega zniszczeniu w materiale blachy lub gwintu, a nie w samej zgrzeinie.

Próby niszczące wykonuje się na początku każdej zmiany, po wymianie lub oczyszczeniu elektrod i przy zmianie partii materiału. Między próbami jakości pilnuje sterownik, który rejestruje parametry każdego cyklu. Dzięki temu w razie reklamacji można odtworzyć, w jakich warunkach zgrzano konkretną partię.

Zgrzewanie garbowe pozwala wykonać kilka zgrzein jednocześnie, bez materiału dodatkowego i w krótkim cyklu, a przy dobrze zaprojektowanym detalu i odpowiedniej maszynie daje bardzo powtarzalne wyniki. Najwięcej zyskują na nim zakłady, które przyłączają do blach elementy złączne albo łączą tłoczone detale w dużych seriach. Jeśli planujesz wdrożyć tę metodę lub zwiększyć wydajność istniejącego stanowiska, sprawdź zgrzewarki punktowe i punktowo-garbowe w ofercie firmy SMOLTECH.