Hàn điểm: Nó là gì và nó hoạt động như thế nào

Hàn điểm là gì?

Hàn điểm là một quá trình hàn điện trở nối hai hoặc nhiều tấm kim loại bằng cách tạo nhiệt và áp suất tại các điểm cục bộ. Nhiệt được tạo ra bằng cách truyền một dòng điện cao qua kim loại tại điểm tiếp xúc, làm cho vật liệu nóng chảy và kết dính với nhau. Toàn bộ quá trình thường mất từ 0,01 đến 0,63 giây cho mỗi mối hàn , làm cho nó trở thành một trong những phương pháp nối nhanh nhất hiện có trong sản xuất.

Không giống như hàn hồ quang hoặc hàn MIG, hàn điểm không yêu cầu vật liệu độn và tạo ra các mối hàn sạch, đồng nhất với độ biến dạng tối thiểu đối với kim loại xung quanh. Nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nơi các kim loại tấm khổ mỏng cần được nối nhanh chóng và đáng tin cậy, từ các tấm thân ô tô đến lắp ráp bộ pin.

Hàn điểm hoạt động như thế nào?

Quá trình hàn điểm dựa trên ba nguyên tắc vật lý cốt lõi: điện trở, sinh nhiệt và áp suất tác dụng. Dưới đây là bảng phân tích từng bước về cách thức hoạt động của nó:

1. Các phôi (thường là hai tấm kim loại chồng lên nhau) được đặt giữa hai điện cực hợp kim đồng.
2. Các điện cực ấn xuống, kẹp chặt các tấm lại với nhau dưới lực được kiểm soát.
3. Một dòng điện lớn - thường 1.000 đến 100.000 ampe - được truyền qua các điện cực và đi vào kim loại.
4. Điện trở ở bề mặt tiếp xúc tạo ra nhiệt tập trung, làm tan chảy một cục kim loại nhỏ giữa các tấm.
5. Dòng điện bị cắt và các điện cực tiếp tục giữ áp suất trong khi nugget nóng chảy đông cứng lại thành một mối hàn chắc chắn.
6. Các điện cực rút lại và quá trình này có thể được lặp lại ở vị trí tiếp theo.

Kích thước và độ bền của mỗi điểm hàn phụ thuộc vào cường độ dòng điện, lực điện cực, thời gian hàn và hình dạng đầu điện cực. Một mối hàn được tạo hình đúng cách trong thép ô tô tiêu chuẩn thường đo được đường kính 4 đến 8 mm .

Các thành phần chính của máy hàn điểm

Hiểu được các thành phần chính giúp người vận hành thiết lập, bảo trì và tối ưu hóa máy cho các vật liệu và ứng dụng khác nhau.

Trong máy hàn điểm vận hành bằng bàn đạp, bàn đạp chân sẽ điều khiển quá trình hạ điện cực và kích hoạt chu trình hàn, giải phóng cả hai tay để định vị phôi một cách chính xác. Đây là một lợi thế đáng kể về công thái học và độ chính xác trong môi trường lắp ráp thủ công hoặc hỗn hợp cao.

Các loại máy hàn điểm

Máy hàn điểm có nhiều cấu hình, mỗi cấu hình phù hợp với khối lượng sản xuất, kích thước phôi và yêu cầu của người vận hành khác nhau.

Máy hàn điểm để bàn

Máy nhỏ gọn được thiết kế để làm việc với khối lượng từ thấp đến trung bình. Chúng thường được sử dụng trong các cửa hàng sửa chữa, sản xuất điện tử và các hoạt động chế tạo nhỏ. Năng lực hàn thường bao gồm các vật liệu lên đến Độ dày 2 mm mỗi tấm .

Máy hàn điểm hoạt động bằng bàn đạp

Những máy này sử dụng bàn đạp chân để kích hoạt cánh tay điện cực và bắt đầu chu trình hàn. Tay của người vận hành vẫn được tự do giữ và định vị phôi, giúp cải thiện độ chính xác và độ lặp lại. các Máy hàn điểm bàn đạp DN là một ví dụ tiêu biểu cho loại này, kết hợp đầu ra máy biến áp mạnh mẽ với bộ điều khiển bằng bàn đạp chân tiện dụng để mang lại hiệu suất ổn định, thân thiện với người vận hành trong chế tạo kim loại tấm.

Máy hàn điểm tự động/robot

Dây chuyền sản xuất khối lượng lớn - đặc biệt là trong sản xuất ô tô - dựa vào các tế bào hàn điểm bằng robot. Một trạm hàn điểm robot duy nhất có thể hoàn thành 400 đến 600 mối hàn mỗi giờ , khiến nó không thể thiếu trong việc lắp ráp thân xe màu trắng.

Máy hàn điểm cầm tay/loại súng

Súng hàn cầm tay cho phép người vận hành tiếp cận các điểm hàn có hình dạng chặt chẽ hoặc không đều, thường được sử dụng trong sửa chữa thân ô tô và chế tạo HVAC.

Vật liệu thích hợp cho hàn điểm

Hàn điểm có hiệu quả nhất trên thép carbon thấp và thép mạ kẽm , có khả năng kháng điện và hàn tốt. Tuy nhiên, với việc cài đặt máy và lựa chọn điện cực phù hợp, nhiều loại kim loại có thể được nối với nhau.

• Thép có hàm lượng carbon thấp (nhẹ) - loại phổ biến nhất và dễ hàn nhất
• Thép mạ kẽm - yêu cầu dòng điện cao hơn do độ dẫn điện của lớp mạ kẽm
• Thép không gỉ - có thể hàn được nhưng yêu cầu kiểm soát nhiệt chính xác để tránh mẫn cảm
• Nhôm - yêu cầu máy chuyên dụng có dòng điện và lực cao hơn nhiều do điện trở thấp
• Hợp kim đồng - thách thức do độ dẫn điện rất cao; cần có điện cực chuyên dụng
• Dải niken - được hàn điểm rộng rãi trong cụm pin (cell 18650/21700)

Độ dày vật liệu là một hạn chế quan trọng. Hầu hết các máy hàn điểm thủ công và hàn điểm đều xử lý các tổ hợp tấm của 0,5 mm đến 3 mm mỗi lớp . Vượt quá phạm vi này thường yêu cầu nâng cấp lên máy biến áp có công suất kVA cao hơn hoặc chuyển sang quy trình hàn hình chiếu hoặc hàn đường may.

Các thông số hàn điểm và cách thiết lập chúng

Bốn thông số trực tiếp kiểm soát chất lượng mối hàn. Việc điều chỉnh sai bất kỳ một trong số chúng đều dẫn đến các khuyết tật như bị trục xuất (tung nước), phản ứng tổng hợp không đủ hoặc dính điện cực.

Dòng điện hàn

Dòng điện cao hơn tạo ra nhiều nhiệt hơn. Đối với các tấm thép nhẹ 1 mm, dòng điện xấp xỉ 8.000–10.000 A là điển hình. Nhôm đòi hỏi dòng điện cao gấp 2-3 lần so với thép có cùng độ dày.

Thời gian hàn

Được đo theo chu kỳ (1 chu kỳ = 1/50 hoặc 1/60 giây tùy thuộc vào tần số lưới). Đối với thép tấm mỏng ô tô, thời gian hàn 8 đến 20 chu kỳ là tiêu chuẩn. Thời gian dài hơn sẽ làm tăng lượng nhiệt đầu vào nhưng có nguy cơ thoát ra ngoài nếu dòng điện không giảm tương ứng.

Lực điện cực

Lực vừa đủ đảm bảo tiếp xúc điện tốt và ngăn chặn sự trục xuất. Lực không đủ gây ra hồ quang và cháy bề mặt. Một hướng dẫn chung là 1.500–2.500 N đối với thép tiêu chuẩn 1–2 mm.

Hình học đầu điện cực

Các đầu có mặt phẳng tạo ra hạt cốm lớn hơn, nông hơn; đầu mặt vòm tập trung nhiệt. Lời khuyên phải được mặc quần áo thường xuyên - thường là mỗi 50–200 mối hàn - để duy trì diện tích tiếp xúc ổn định và chất lượng mối hàn.

Ưu điểm và hạn chế của hàn điểm

Ưu điểm

• Tốc độ cao — các mối hàn riêng lẻ hoàn thành trong một phần nghìn giây, cho phép thực hiện hàng trăm bộ phận mỗi giờ
• Không có vật liệu phụ - giảm chi phí tiêu hao và loại bỏ nhu cầu quản lý dây hoặc thanh
• Độ méo thấp - đầu vào nhiệt cục bộ giảm thiểu sự cong vênh của vật liệu xung quanh
• Dễ dàng tự động hóa - tích hợp với cánh tay robot và dây chuyền sản xuất được điều khiển bằng PLC
• Chất lượng nhất quán - một khi các tham số được thiết lập, sự biến đổi giữa mối hàn với mối hàn là rất thấp
• Yêu cầu kỹ năng vận hành thấp — đặc biệt đối với các mẫu có bàn đạp và bàn để bàn

Hạn chế

• Giới hạn ở khớp nối đùi - không thích hợp cho các khớp đối đầu hoặc các khớp có hình dạng phức tạp nếu không thích ứng với quy trình
• Phạm vi độ dày vật liệu bị hạn chế mà không cần nâng cấp máy
• Sự hao mòn điện cực làm tăng chi phí vận hành theo thời gian
• Khó áp dụng trên các kim loại có tính dẫn điện cao như đồng và nhôm nếu không có thiết bị chuyên dụng
• Kiểm tra chất lượng mối hàn yêu cầu kiểm tra phá hủy (kiểm tra độ bong tróc) hoặc NDT siêu âm - chỉ kiểm tra trực quan là không đủ

Các ứng dụng phổ biến của hàn điểm

Hàn điểm được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp đòi hỏi các tấm kim loại mỏng phải được nối nhanh chóng và sạch sẽ.

Hàn điểm so với các phương pháp nối khác

Việc lựa chọn quy trình nối phù hợp phụ thuộc vào loại vật liệu, thiết kế mối nối, khối lượng sản xuất và yêu cầu chất lượng. Bảng dưới đây so sánh phương pháp hàn điểm với các phương pháp hàn thông thường.

Để sản xuất kim loại tấm khối lượng lớn, hàn điểm mang lại sự cân bằng tốt nhất về tốc độ, chi phí và tính nhất quán của mối hàn trong số tất cả các tùy chọn tham gia.

Lời khuyên để có kết quả hàn điểm tốt hơn

• Làm sạch bề mặt phôi trước khi hàn. Dầu, sơn, rỉ sét nặng hoặc vảy cán dày làm tăng khả năng chống tiếp xúc một cách khó lường, gây ra các mối hàn không nhất quán.
• Mặc quần áo điện cực thường xuyên. Đầu mối hàn bị nấm hoặc nhiễm bẩn làm tăng đường kính mối hàn và giảm mật độ dòng điện, làm yếu điểm hàn.
• Kiểm tra lực kẹp. Áp suất không đủ gây ra sự trục xuất; lực quá lớn có thể làm nứt vật liệu mỏng hoặc để lại vết lõm điện cực sâu.
• Sử dụng nước làm mát trên bất kỳ máy nào chạy chu kỳ sản xuất liên tục. Quá nhiệt làm suy giảm cách điện của máy biến áp và làm giảm tuổi thọ điện cực một cách đáng kể.
• Thực hiện các thử nghiệm bóc vỏ mang tính phá hủy khi bắt đầu mỗi lần sản xuất để xác nhận kích thước mối hàn và độ bền kéo trước khi bắt đầu sản xuất đầy đủ.
• Duy trì bước hàn tối thiểu. Đặt các mối hàn quá gần nhau sẽ gây ra hiện tượng lệch dòng - dòng điện đi theo đường đi của mối hàn trước thay vì tạo ra một điểm hàn mới. Khoảng cách tối thiểu của 20–30 mm giữa các mối hàn được khuyến nghị cho thép 1 mm.

Câu hỏi thường gặp

Câu 1: Những kim loại nào không thể hàn điểm?

Các kim loại có tính dẫn điện cao như đồng nguyên chất và đồng thau rất khó phát hiện mối hàn bằng thiết bị tiêu chuẩn vì chúng tản nhiệt quá nhanh. Hợp kim magie và chì nhìn chung cũng không thích hợp để hàn điểm.

Câu 2: Kim loại có thể dày bao nhiêu để hàn điểm?

Máy hàn điểm tiêu chuẩn bằng tay và vận hành bằng bàn đạp thường xử lý 0,5 mm đến 3 mm mỗi lớp tấm . Đồng hồ đo nặng hơn yêu cầu máy có kVA cao hơn hoặc quy trình hàn thay thế.

Câu 3: Hàn điểm có đủ bền cho các ứng dụng kết cấu không?

Các mối hàn điểm có khả năng cắt mạnh nhưng lại tương đối yếu về độ bong tróc. Đối với các ứng dụng kết cấu, các mối hàn được đặt thành mảng nhiều điểm và được thiết kế sao cho mối nối chịu lực cắt thay vì bong tróc. Cấu trúc thân xe ô tô hoàn toàn dựa vào các mối nối hàn điểm để đạt được hiệu quả khi va chạm.

Câu hỏi 4: Sự khác biệt giữa máy hàn điểm bàn đạp và máy hàn điểm tiêu chuẩn là gì?

Máy hàn điểm có bàn đạp sử dụng bàn đạp chân để điều khiển cánh tay điện cực và kích hoạt chu trình hàn, để cả hai tay tự do giữ và định vị phôi. Một thợ hàn băng ghế dự bị tiêu chuẩn thường yêu cầu một tay để vận hành cò súng, điều này có thể làm giảm độ chính xác định vị trên các bộ phận phức tạp.

Câu 5: Làm sao để biết mối hàn điểm có tốt không?

Kiểm tra bằng mắt có thể phát hiện các khuyết tật rõ ràng như vết cháy bề mặt, vết bong ra hoặc mối hàn bị thiếu. Để xác nhận sự hình thành của điểm hàn và cường độ kéo, hãy thực hiện thử nghiệm bóc vỏ phá hủy - nếu điểm hàn làm rách kim loại gốc thay vì bong tróc hoàn toàn ở bề mặt tiếp xúc thì mối hàn đáp ứng các yêu cầu về độ bền. Kiểm tra siêu âm là phương pháp không phá hủy chính để kiểm tra sản xuất.

Câu hỏi 6: Bao lâu thì nên thay điện cực hàn điểm một lần?

Các điện cực nên được thay (định hình lại) mỗi lần 50–200 mối hàn tùy thuộc vào vật liệu và cài đặt hiện tại. Cần phải thay thế toàn bộ điện cực khi đầu hàn không còn có thể được mài theo đường kính chính xác, thường là sau vài nghìn chu kỳ hàn.

Câu 7: Hàn điểm có thể sử dụng cho nhôm được không?

Có, nhưng hàn điểm nhôm yêu cầu máy móc chuyên dụng có công suất dòng điện cao hơn đáng kể (thường là 2–3× yêu cầu về thép) và vật liệu điện cực đã được cải tiến. Máy hàn điểm thép tiêu chuẩn không phù hợp với nhôm nếu không sửa đổi.