WEERSTANDLASSEN 1

Transcriptie

1 WEERSTANDLASSEN 1

2 Lasprocessen In tegenstelling tot andere lasprocessen, vereisen de meeste weerstandlasprocessen het aanwenden van een electrodekracht, meer bepaald een drukkracht op het werkstuk. Daarom spreekt men dikwijls over Weerstand Druklasprocessen. In de verdere uiteenzetting, ook al is dit niet volledig correct, spreken we over Weerstandlassen kortweg. Aan de hand van een aantal schematische beelden zullen we een overzicht proberen te geven van de frequent gebruikte weerstandlasprocessen. 2

3 Overzicht 3

4 Puntlassen 4

5 Rolnaadlassen 5

6 Rolnaadlassen Dwarslas VEHA 6

7 Projectielassen 7

8 Voorbeeld lassen tussenschotten

9 Stuiklassen 9

10 Afbrandstuiklassen 10

11 Principe warmte-opwekking Om een laslens te vormen moet het te lassen materiaal in temperatuur kunnen toenemen. De temperatuur die bereikt kan worden volgt volgende formule: ΔT = Q/(m.c) Waarbij ΔT = verschil in temperatuur, Q = warmte, m = te verwarmen materiaalmassa, c = specifieke warmte [J/(kgK)] De warmte opgewekt in het materiaal omwille van het passeren van een electrische stroom: Q = I². R. t Waarbij Q = warmte [J], I = stroom, t = tijd Ons beter bekend als de wet van Joule. 11

12 Puntlas-cyclus 12

13 Weerstandlas-machine 13

14 Weerstanden in het lascircuit Volgens de wet van Joule is er blijkbaar maar één weerstand. In realiteit zijn er vele verschillende weerstanden die een invloed hebben. Bij puntlassen zijn er twee belangrijke types van weerstanden, de materiaalweerstanden en de contactweerstanden. 14

15 Invloed randvoorwaarden op weerstanden 15

16 Invloed randvoorwaarden op weerstanden 16

17 Invloed randvoorwaarden op weerstanden 17

18 Werkelijk verloop totale weerstand 18

19 Warmtebalans bij puntlassen 19

20 Puntlassen praktisch Q( t) t 0 R( t) I 2 ( t) dt F R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 R 7 F 20

21 Aanbevolen Puntlas-lasparameters De bovenstaande tabel geeft enkel een aantal richtwaarden voor een ruwe basisinstelling van een machine. De fijninstelling dient te gebeuren aan de hand van practische proeven en/of doorgedreven simulaties ter verbetering van de instelling. 21

22 Veiligheids aanbevelingen Puntlassen is een proces waar grote electrodekrachten aangewend worden, waardoor de uitrusting met de nodige kennis van zaken dient gebruikt te worden. De vooropening tussen de electroden dient steeds zo laag mogelijk ingesteld te worden. Spatten kunnen optreden tijdens het lassen (alhoewel ze uiteraard dienen vermeden te worden). De nodige beschermingsmiddelen dienen gebruikt te worden (veiligheidsbril, handschoenen en een degelijk werkpak). De electrische risico s zijn eerder gering omwille van de lage spanning die in de meeste toepassingen aangewend wordt. (2 tot 20 Volt) 22

23 Projectielassen Projectielassen van rvs tegen rvs 23

24 Rolnaadlassen Rolnaadlassen van staalplaat 1mm tegen 1mm 24

25 Invloed van randvoorwaarden Electroden Geometrie, Materiaal Levensduur Contactoppervlakken Electrisch, Thermisch Mech. Eigenschappen Werkstukken Geometrie, Materiaal Laskwaliteit Machine Electrisch, Mechanisch Eigenschappen Proces Dynamica, Stabiliteit Productiviteit 25

26 Werkstuk - ontwerp Optimaliseren warmtebalans - Puntlassen Staal 1mm - staal 1mm Staal 1mm - staal 3mm Gelijke warmtebalans Ongelijke warmtebalans 26

27 Werkstuk - ontwerp Optimaliseren warmtebalans - Projectielassen Projectie hoek: Projectie hoogte: 0.5mm 1.0mm 27

28 Shunt effect Werkstuk - ontwerp Stroomlijnen Geen shunt punt Shunt punt 28

29 Werkstukken - Materiaal Verschillen in thermische en electrische geleidbaarheid Staal-staal Staal-rvs Messing-rvs 29

30 Electroden - ontwerp Controle warmtebalans - staal 1mm-staal 3mm Elec. diam.: Ø6 Elec. diam.: Ø6 Elec. diam.: Ø6 Elec. diam.: Ø10 Elec. diam.: Ø10 Elec. diam.: Ø6 30

31 Electroden - ontwerp Grote electrode levensduur - minimaliseren thermische belasting Electrode hoek:

32 Electroden - Materiaal Controle warmtebalans - messing 1mm-rvs 1mm Gelijk electrode materiaal Ongelijk electrode materiaal 32

33 Machine - Electrisch Systeem AC-stroom DC-stroom 33

34 Machine - Mechanisch Systeem Follow-up probleem Perfecte follow-up 34

35 Tussenlagen - Contact Weerstanden Zuivere tegen vervuilde platen Lage contactweerstand Hoge contactweerstand cont =40 at 20ºC cont =120 at 20ºC 35

36 Tussenlagen - Deklagen Staal 1mm-staal 1mm Gegalv. staal 1mm-gegalv. staal 1mm I RMS =10.3kA I RMS =10.3kA I RMS =18.2kA 36

37 Ontwikkelings Methoden 37

38 Gereedschappen voor optimalisering van het lassen Normen en aanbevelingen Specifieke dikte en materialen Persoonlijke ervaring en trial-and-error Random en subjectieve selectie van parameters Database en expert systemen Voorspellingen gebaseerd op bewezen lasgegevens Numerische simulatie Creatief (geen beperkingen voor selecteren van parameters) Beter begrijpen van de beïnvloedende parameters 38

39 Numerische Modellen in SORPAS Mechanisch model Spannings- en rek verdeling Geometrie van werkstukken en electroden, contact omgeving Electrisch model Stroom / spannings verdeling Opwekking van warmte Thermisch model Warmte transport Temperatuurs verdeling Metallurgisch model Temperatuurs afhankelijke materiaaleigenschappen Fase transformaties 39

40 Koppeling van Numerische Modellen Input Mechanisch model Fully coupled Electr. model Thermisch model & Metallurg. model Nieuwe stap Output 40

41 Output van SORPAS Parametrische curven Spanning Lasstroom Vermogen Ohmse weerstand Electrode kracht Verplaatsing Animatie van parameters Temperatuur Stroom dichtheid Spanning Mechanische spanning Mechanische rek 41

42 Verificatie van SORPAS Puntlassen van rvs (2mm) tegen staal (2 mm) 42

43 Nut van numerische simulatie Bedrijven die het weerstandlassen toepassen de mogelijkheid bieden om: 1. Betrouwbare en objectieve data te verwerven voor ontwerp van weerstandlasmachines, secundaire stroomkringen, keuze en ontwerp van elektroden, ; 2. Geoptimaliseerde lasinstellingen te vinden voor bestaande processen zonder in eindeloos trial and error testwerk te hoeven vervallen; 3. De voordelen van de weerstandlastechniek te leren kennen; 4. Te werken in de zo optimaal mogelijke omstandigheden bij opstart van nieuwe producten; 5. Stukken te lassen met het weerstandlassen die nu bij gebrek aan kennis met minder efficiente (doch meer populaire) lasprocessen gelast worden; 6. Een volledige elektrische en mechanische identificatie te maken van weerstandlasmachines in hun eigen productie-omgeving (in situ); 7. Dynamische opvolg systemen (follow-up) te ontwikkelen; 8. Onderhoud aan weerstandlasmachines een meer predictief karakter te geven; 9. Nieuwe medewerkers beter en sneller vertrouwd maken met het lassen met één van de beschikbare weerstandlas processen. 43

44 Simulatie gebaseerd op elektr. & mech. karakterisering van machines Mechanische karakterisering = Mechanisch opvolggedrag van een machine Elektrische karakterisering = Elektrisch gedrag van een machine Dient gekend te zijn voor accurate simulaties 44

45 Mechanische karakterisering Wat is het mechanisch opvolggedrag tijdens het lassen? F F = constante I als t => Opvolggedrag = OK F = niet constant t => Opvolggedrag = NOK F r 45

46 Slecht opvolggedrag kan leiden tot spatten Nadelen? - verlies van lasmetaal - grotere indrukking na het lassen - kwalitatief slechtere las - storend voor de omgeving 46

47 Breuktest-mechanisme in de praktijk Op labo-testmachine 47

48 Meetopstelling voor breektest 48

49 Breuktest mechanisme in detail 49

50 Breuktest-mechanisme in de praktijk Op een rolnaadlasmachine 50

51 Breuktest-mechanisme gemonteerd op een Bihler semi-automatische µ - projectie lasmachine 51

52 Resultaten van breektesten gemonteerd op een Bihler semi-automatische µ - projectie lasmachine 52

53 Wat kan er tijdens de breuktest worden opgemeten? - verplaatsing, snelheid van de beweegbare laskop - verplaatsing onderelektrode - aandrukkrachtsverloop 53

54 54

55 Wat kan er tijdens de breuktest worden opgemeten? - verplaatsing, snelheid van de beweegbare laskop - verplaatsing onderelektrode - aandrukkrachtsverloop 55

56 Typisch snelheids- en aandrukrachtsverloop bij een breuktest Snelheid Aandrukkracht 56

57 Op basis van de gemeten verplaatsing, snelheid en versnelling van de beweegbare laskop kan : het beweegbare gedeelte theoretisch gemodelleerd worden F * m b b Y( t) * exp t t 1 2 b m m de drukval tijdens het lassen worden berekend F => massa m en dempingfactor b gekend F => Drukval F gekend t 57

58 Weerstandlassen: processimulatie op basis van elektrische en mechanische machine karakterisering Mechanische karakterisering = Mechanisch opvolggedrag van een machine Elektrische karakterisering = Elektrisch gedrag van een machine Dient gekend te zijn voor accurate simulaties 58

59 Elektrische karakterisering van een weerstandlasstroombron (>1500A) = het kennen van de U-I-karakteristieken van de stroombron van een weerstandlasmachine Doel? indien de elektrische karakteristiek gekend is, is de uitwisselbaarheid van lasparameters van de ene machine naar de andere mogelijk. Hoe opmeten? De stroom wordt op een vaste waarde ingesteld De belasting van de stroombron wordt van oneindig (nullast) tot (bijna) nul (kortsluiting) discreet gevarieerd. Procedure wordt herhaald voor andere stromen 59

60 Variabele belasting in de praktijk Aanspanmoment M = constant Koperen contactblok bovenelektrode Staven uit Hasteloy 276C isolator Koperen contactblok onderelektrode Verbindingstuk Handvat 60

61 I Hoe is de belasting regelbaar? F I R Tot klein, belasting groot F R Tot groot, belasting klein 61

62 De primaire U-I -karakteristieken van onze AWL labo weerstandlasmachine 62

63 De primaire vermogen-karakteristieken van onze AWL labo weerstandlasmachine 63

64 De secundaire U-I-karakteristieken van onze AWL labo weerstandlasmachine 64

65 De secundaire vermogen-karakteristieken van onze AWL labo weerstandlasmachine 65

66 Weerstandlassen: processimulatie op basis van elektrische en mechanische machine karakterisering Mechanische karakterisering = Mechanisch opvolggedrag van een machine Elektrische karakterisering = Elektrisch gedrag van een machine Dient gekend te zijn voor accurate simulaties 66

67 Welke parameters kunnen we tijdens het lassen opmeten? - verplaatsing, snelheid van de beweegbare laskop - verplaatsing onderelektrode - aandrukkrachtsverloop - Stroomverloop - Spanningsverloop 67

68 Meting tijdens het lassen op een Bihler semi-automatische µ - projectie lasmachine 68

69 Vergelijking tussen Machines Bihler semi-automatic; prototype; productie µ - projectie lasmachines Machine Production Prototype Semi - aut Type Proj Proj Proj Power [kva] Current pk [ka] 10,5 12,5 11,1 Current RMS 8,1 9,7 7,9 Voltage pk [V] 2,5 2,5 4,5 Voltage RMS 1,8 1,8 2,9 Freq [Hz] DC DC DC Force [dan Kg] Weld time [ms] Displacement 0,19 0,19 0,08 Fracture data Max Acc [mm/s 2 ] Max Spd [mm/s]

70 In Situ Meting op een zware projectie lasmachine met Rubberveren opvolg systeem 70

71 In Situ Meting op zware projectie lasmachine met opvolgsysteem Resultaten van breektesten met opvolging 71

72 In Situ Meting op zware projectielasmachine met opvolgsysteem Resultaten van metingen tijdens het lassen 72

73 Dank voor uw aandacht!!! 73