Hàn điểm: Nguyên lý, quy trình và ứng dụng trong hàn thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Hàn điểm là một quy trình hàn điện trở được sử dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp thép để nối hai hoặc nhiều tấm kim loại bằng cách áp dụng nhiệt và áp suất cục bộ tại các điểm cụ thể. Quy trình này bao gồm việc truyền dòng điện qua các bề mặt tiếp xúc của các tấm, tạo ra nhiệt do điện trở, làm nóng chảy kim loại tại giao diện, tạo thành một cục hàn khi nguội. Kỹ thuật này được đặc trưng bởi thời gian chu kỳ nhanh, biến dạng nhiệt tối thiểu và phù hợp với sản xuất khối lượng lớn.

Về cơ bản, hàn điểm hoạt động theo nguyên lý gia nhiệt điện trở, trong đó năng lượng điện được chuyển thành nhiệt tại giao diện tiếp xúc của các vật liệu được ghép nối. Quá trình này dựa trên điện trở của các tấm thép và áp suất được áp dụng để tạo điều kiện tiếp xúc chặt chẽ, cho phép liên kết luyện kim. Cơ sở luyện kim bao gồm quá trình nóng chảy cục bộ các lớp bề mặt thép, sau đó là quá trình đông đặc tạo ra mối nối dẫn điện chắc chắn.

Trong phạm vi phân loại rộng hơn của các phương pháp nối thép, hàn điểm được phân loại là một quy trình hàn điện trở, khác biệt với các kỹ thuật khác như hàn hồ quang, hàn laser hoặc hàn ma sát bằng cách sử dụng điện trở và tạo nhiệt cục bộ. Nó đặc biệt phù hợp để lắp ráp tấm kim loại mỏng, mang lại lợi thế về tốc độ, tự động hóa và hoàn thiện sau hàn tối thiểu.

Cơ sở và cơ chế của quy trình

Nguyên lý hoạt động

Cơ chế vật lý cốt lõi của hàn điểm liên quan đến việc truyền một dòng điện cao qua các bề mặt tiếp xúc của hai tấm thép được giữ chặt với nhau dưới áp suất. Điện trở tại giao diện gây ra hiện tượng gia nhiệt cục bộ, làm tăng nhiệt độ nhanh chóng đến điểm nóng chảy của thép. Nhiệt sinh ra tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện nhân với điện trở (định luật Joule) và thời gian dòng điện chạy qua xác định lượng nhiệt sinh ra.

Về mặt luyện kim, quá trình này tạo ra vùng nóng chảy cục bộ hoặc nugget hàn, nơi thép nóng chảy và đông đặc để tạo thành liên kết luyện kim. Quá trình này thường bao gồm ba giai đoạn: tiếp xúc ban đầu và gia nhiệt điện trở, làm nóng chảy giao diện và làm nguội và đông đặc nugget hàn. Sự phân phối nhiệt được định vị cao, đảm bảo tác động nhiệt tối thiểu lên vật liệu xung quanh.

Nguồn năng lượng trong hàn điểm là nguồn điện có khả năng cung cấp xung dòng điện cao, thường trong phạm vi hàng nghìn ampe, với khả năng kiểm soát chính xác thời lượng xung. Nhiệt được tạo ra chủ yếu tại giao diện do điện trở tiếp xúc, phụ thuộc vào độ sạch của bề mặt, áp suất tiếp xúc và đặc tính vật liệu. Quá trình này diễn ra nhanh chóng, thường hoàn thành trong một phần giây, cho phép thông lượng cao.

Động lực hình thành khớp

Ở cấp độ vi cấu trúc, mối nối hình thành thông qua quá trình nóng chảy cục bộ nhanh chóng tại giao diện, tạo ra một vũng nóng chảy đông đặc thành một cục hàn. Các bề mặt tiếp xúc ban đầu, thường được làm sạch bằng các quy trình sản xuất, cung cấp một đường dẫn cho dòng điện chạy qua. Khi dòng điện chạy qua, giao diện nóng lên và khi đạt đến nhiệt độ nóng chảy, một vùng nóng chảy nhỏ hình thành.

Mẫu đông đặc của nugget hàn chịu ảnh hưởng của các gradient nhiệt, tốc độ làm mát và thành phần vật liệu. Thông thường, vùng hàn thể hiện cấu trúc vi mô hạt mịn do làm mát nhanh, giúp tăng cường các đặc tính cơ học. Liên kết kim loại xảy ra khi thép nóng chảy đông đặc, tạo ra sự hợp nhất kim loại không có lỗ rỗng hoặc tạp chất nếu các thông số quy trình được kiểm soát đúng cách.

Về mặt nhiệt động học, quá trình này liên quan đến việc truyền nhiệt từ vùng nóng chảy vào vật liệu nền xung quanh, ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng của nugget hàn. Về mặt động học, tốc độ gia nhiệt và làm nguội quyết định cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của mối hàn. Kiểm soát thích hợp dòng điện, áp suất và thời gian đảm bảo sự hợp nhất tối ưu và giảm thiểu các khuyết tật như vết nứt hoặc độ xốp.

Các biến thể quy trình

Các biến thể chính của hàn điểm bao gồm:

• Hàn điểm chiếu: Sử dụng các điểm chiếu hoặc nổi trên một tấm để tập trung nhiệt và tạo điều kiện hàn tại các điểm cụ thể. Nó hữu ích để nối các vật liệu không giống nhau hoặc các tấm dày hơn.

• Hàn điểm nắp: Sử dụng bề mặt điện cực phẳng để tạo ra mối hàn đồng đều trên diện tích lớn hơn, phù hợp với các cụm tấm tiêu chuẩn.

• Hàn điểm xung: Sử dụng dòng điện xung có kiểm soát để tối ưu hóa lượng nhiệt đầu vào, giảm biến dạng nhiệt và cải thiện chất lượng mối hàn.

• Hàn điểm liên tục hoặc hàn đường may: Kéo dài quá trình dọc theo đường may để tạo ra các mối hàn liên tục, thường được sử dụng trong các tấm thân xe ô tô.

Sự tiến hóa về công nghệ đã chuyển từ hệ thống thủ công, dòng điện thấp sang thiết bị hoàn toàn tự động, dòng điện cao, được điều khiển bằng máy tính. Những tiến bộ trong thiết kế điện cực, công nghệ cung cấp điện và giám sát quy trình đã cải thiện tính nhất quán, chất lượng và năng suất của mối hàn.

Thiết bị và thông số quy trình

Các thành phần thiết bị chính

Thiết bị chính để hàn điểm bao gồm:

• Máy hàn: Nguồn điện có khả năng cung cấp xung dòng điện cao với thời gian và khả năng kiểm soát chính xác. Các hệ thống hiện đại thường có công nghệ biến tần để tiết kiệm năng lượng.

• Điện cực: Thường được làm bằng đồng hoặc hợp kim đồng, điện cực tạo áp suất và dẫn dòng điện. Chúng được thiết kế với hình dạng cụ thể (phẳng, lồi hoặc có hình dạng) để phù hợp với hình dạng khớp.

• Giá đỡ và khung điện cực: Thiết bị cơ khí giữ và định vị điện cực, đảm bảo tiếp xúc và áp suất đồng đều trong quá trình hàn.

• Hệ thống điều khiển: Bộ điều khiển logic lập trình (PLC) hoặc giao diện dựa trên bộ vi xử lý quản lý các thông số dòng điện, áp suất và thời gian, cho phép tự động hóa và tối ưu hóa quy trình.

• Hệ thống làm mát: Làm mát bằng nước hoặc không khí cho điện cực để tránh quá nhiệt và duy trì tiếp xúc điện ổn định.

Khả năng tự động hóa bao gồm tích hợp cánh tay rô-bốt, giám sát quy trình theo thời gian thực và các thuật toán điều khiển thích ứng để tối ưu hóa chất lượng và năng suất hàn.

Nguồn điện và hệ thống cung cấp

Nguồn điện hàn điểm thường là hệ thống điện áp thấp, dòng điện cao, thường được đánh giá từ 10 kVA đến 100 kVA, tùy thuộc vào quy mô ứng dụng. Chúng cung cấp năng lượng thông qua cáp chịu tải nặng đến các điện cực, với dòng điện được điều khiển thông qua mạch biến tần dựa trên thyristor hoặc transistor.

Cơ chế điều khiển điều chỉnh cường độ dòng điện, thời gian xung và lực điện cực. Thời gian chính xác đảm bảo đầu vào nhiệt phù hợp với độ dày vật liệu và kích thước mối hàn mong muốn. Các tính năng an toàn bao gồm cầu dao, nút dừng khẩn cấp và cách điện để ngăn ngừa nguy cơ điện.

Hệ thống bảo vệ kết hợp làm mát bằng nước, cảm biến nhiệt độ và bảo vệ quá tải để ngăn ngừa hư hỏng thiết bị. Ngoài ra, khóa liên động và nắp an toàn bảo vệ người vận hành khỏi các mối nguy hiểm về điện và cơ học.

Các thông số quy trình quan trọng

Các thông số chính có thể kiểm soát bao gồm:

• Lực điện cực: Thường dao động từ 2 đến 10 kN, ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc và chất lượng mối hàn. Lực không đủ sẽ dẫn đến tiếp xúc kém, trong khi lực quá lớn có thể làm biến dạng tấm.

• Cường độ dòng điện: Thường từ 5 đến 20 kA, tùy thuộc vào độ dày vật liệu và kích thước điện cực. Dòng điện thích hợp đảm bảo nóng chảy hoàn toàn mà không bị cháy.

• Thời gian hàn: Từ 0,1 đến 0,5 giây, ảnh hưởng đến lượng nhiệt đầu vào và kích thước mối hàn. Thời gian dài hơn làm tăng đường kính mối hàn nhưng có nguy cơ biến dạng nhiệt.

• Áp suất điện cực: Duy trì tiếp xúc và ảnh hưởng đến quá trình sinh nhiệt; phải được tối ưu hóa cho vật liệu và độ dày.

• Tốc độ làm mát: Được kiểm soát thông qua hệ thống làm mát điện cực để quản lý chu kỳ nhiệt và ngăn ngừa hao mòn điện cực.

Tối ưu hóa bao gồm việc cân bằng các thông số này để đạt được mối hàn không khuyết tật với các tính chất cơ học mong muốn, thường thông qua phát triển quy trình và kiểm soát quy trình thống kê.

Vật tư tiêu hao và vật liệu phụ trợ

Vật tư tiêu hao chủ yếu bao gồm điện cực làm bằng hợp kim đồng, được lựa chọn dựa trên khả năng tương thích vật liệu, khả năng chống mài mòn và độ dẫn điện. Đầu điện cực có thể được phủ hoặc mạ để giảm mài mòn và cải thiện chất lượng tiếp xúc.

Vật liệu phụ trợ rất ít nhưng có thể bao gồm chất làm sạch bề mặt hoặc chất bôi trơn để đảm bảo bề mặt tiếp xúc sạch sẽ. Việc bảo quản và xử lý điện cực đúng cách là điều cần thiết để ngăn ngừa ô nhiễm và suy thoái.

Bảo trì điện cực bao gồm việc kiểm tra, xử lý và thay thế thường xuyên để duy trì chất lượng mối hàn đồng nhất và kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

Thiết kế và chuẩn bị chung

Hình học khớp

Cấu hình mối hàn tiêu chuẩn cho hàn điểm bao gồm:

• Mối ghép đối đầu: Các tấm ghép được căn chỉnh theo cạnh, phù hợp với các vật liệu mỏng.

• Mối ghép chồng: Các tấm chồng lên nhau, thường thấy trong các tấm ốp ô tô, giúp tăng diện tích mối hàn và độ bền.

• Mối nối chữ T: Các tấm được ghép vuông góc với nhau, thường yêu cầu nhiều mối hàn để đảm bảo tính toàn vẹn về mặt cấu trúc.

Các cân nhắc về thiết kế tập trung vào việc tối đa hóa kích thước nugget hàn, đảm bảo truyền tải tải và giảm thiểu ứng suất dư. Để có hiệu suất tối ưu, các cạnh mối nối phải sạch, không có sơn, dầu hoặc ăn mòn.

Dung sai kích thước thường yêu cầu độ phẳng bề mặt trong vòng 0,1 mm và độ chính xác căn chỉnh trong vòng 0,2 mm để tránh sai lệch và đảm bảo mối hàn đồng đều.

Yêu cầu chuẩn bị bề mặt

Bề mặt sạch, không có oxit rất quan trọng đối với tiếp xúc điện và chất lượng mối hàn tốt. Chuẩn bị bề mặt bao gồm:

• Làm sạch cơ học (mài mòn, mài) để loại bỏ rỉ sét, sơn hoặc lớp phủ.

• Làm sạch hoặc tẩy dầu mỡ bằng hóa chất để loại bỏ dầu và chất gây ô nhiễm.

• Sử dụng các công cụ kiểm tra bề mặt như thử nghiệm bằng thuốc nhuộm thẩm thấu hoặc thử nghiệm bằng dòng điện xoáy để xác minh độ sạch.

Việc chuẩn bị đúng cách sẽ làm giảm nguy cơ xuất hiện lỗ xốp, tạp chất và mối hàn yếu, đảm bảo liên kết kim loại và độ bền mối nối đồng đều.

Lắp đặt và cố định

Căn chỉnh chính xác các tấm là điều cần thiết để có mối hàn đồng đều. Các thiết bị cố định, chẳng hạn như kẹp và đồ gá định vị, duy trì khoảng cách và áp suất tiếp xúc đồng đều trong quá trình hàn.

Độ chính xác căn chỉnh trong vòng 0,1 mm ngăn ngừa sai lệch và đảm bảo tính nhất quán của mối hàn. Đồ gá cũng giúp kiểm soát sự giãn nở nhiệt và biến dạng, đặc biệt là trong các cụm lắp ráp nhiều lần hoặc lớn.

Các phương pháp bù trừ biến dạng bao gồm gia nhiệt trước, làm mát có kiểm soát hoặc điều chỉnh cơ học sau khi hàn. Việc cố định đúng cách giúp giảm việc làm lại, cải thiện chất lượng và tăng năng suất.

Hiệu ứng luyện kim và cấu trúc vi mô

Thay đổi vật liệu cơ bản

Trong quá trình hàn điểm, thép cơ bản trải qua các chu kỳ nhiệt cục bộ, dẫn đến các biến đổi cấu trúc vi mô chủ yếu trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ). HAZ trải qua sự phát triển của hạt, chuyển đổi pha và khả năng làm mềm hoặc làm cứng tùy thuộc vào cấp thép.

Trong thép cacbon thấp, cấu trúc vi mô vẫn phần lớn không bị ảnh hưởng, nhưng trong thép cường độ cao, các thay đổi pha như hình thành martensit hoặc tôi luyện có thể xảy ra. Kích thước hạt có thể tăng gần giao diện mối hàn, ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học như độ dẻo dai và độ dẻo.

Chu trình nhiệt cũng có thể gây ra ứng suất dư, có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ mỏi và khả năng chống ăn mòn. Kiểm soát quy trình thích hợp sẽ giảm thiểu tác động bất lợi của luyện kim.

Đặc điểm của vùng hợp nhất

Vùng nóng chảy (FZ) chứa nugget hàn, đông đặc từ thép nóng chảy. Cấu trúc vi mô của nó thường là cấu trúc dạng sợi, dạng cây có thể bao gồm các pha liên kim loại hoặc oxit.

Các mẫu đông đặc phụ thuộc vào tốc độ làm nguội; làm nguội nhanh có lợi cho các cấu trúc vi mô martensitic hoặc bainitic, trong khi làm nguội chậm hơn tạo ra các cấu trúc ferritic-pearlitic. Thành phần của vùng hàn có thể hơi khác so với phần đế do pha loãng, đặc biệt là khi nối các loại thép không giống nhau.

Có thể có các tạp chất như oxit, sunfua hoặc cacbua, ảnh hưởng đến tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn. Kiểm soát đúng các thông số quy trình sẽ làm giảm sự kẹt tạp chất và thúc đẩy mối hàn chắc chắn.

Thách thức luyện kim

Các vấn đề phổ biến bao gồm nứt, xốp và nóng chảy không hoàn toàn. Các vết nứt có thể bắt nguồn từ ứng suất nhiệt hoặc chuyển đổi pha, đặc biệt là ở thép cường độ cao hoặc thép cứng.

Để ngăn ngừa nứt, việc kiểm soát tốc độ làm mát và tránh đầu vào nhiệt quá mức là điều cần thiết. Quản lý pha loãng và thành phần bao gồm việc lựa chọn vật liệu tương thích và điều chỉnh các thông số quy trình để ngăn ngừa các pha không mong muốn.

Các chiến lược như gia nhiệt trước, xử lý nhiệt sau khi hàn hoặc sử dụng điện cực chuyên dụng có thể giảm thiểu các vấn đề về luyện kim và cải thiện tính toàn vẹn của mối nối.

Tính chất cơ học và hiệu suất

Tài sản	Hiệu quả chung điển hình	Ảnh hưởng đến các thông số quy trình	Phương pháp kiểm tra phổ biến
Độ bền kéo	80-95% kim loại cơ bản	Kích thước mối hàn, dòng điện, áp suất	Kiểm tra độ bền kéo theo ASTM E8
Độ cứng	Thấp hơn một chút ở vùng HAZ, cao hơn ở vùng hàn	Tốc độ làm mát, thành phần hợp kim	Kiểm tra độ cứng vi mô (Vickers)
Độ dẻo	Giảm diện tích 10-20%	Lực điện cực, kích thước mối hàn	Kiểm tra độ bền kéo và uốn cong
Cuộc sống mệt mỏi	Có thể so sánh hoặc giảm nhẹ	Ứng suất dư, chất lượng mối hàn	Kiểm tra độ mỏi (đường cong SN)

Các thông số quy trình ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính cơ học; dòng điện hoặc áp suất không đủ có thể tạo ra các mối nối yếu, trong khi nhiệt độ quá cao có thể gây ra tình trạng giòn hoặc nứt. Việc tối ưu hóa thông số phù hợp đảm bảo hiệu quả mối nối cao.

Hành vi mỏi bị ảnh hưởng bởi ứng suất dư và cấu trúc vi mô. Các cân nhắc về cơ học gãy bao gồm sự khởi đầu vết nứt tại các khuyết tật hàn hoặc vùng làm mềm HAZ, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát chất lượng.

Ứng suất dư, thường kéo căng gần mối hàn, có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ sử dụng. Các phương pháp xử lý sau khi hàn như ủ giảm ứng suất có thể được sử dụng để giảm thiểu các tác động bất lợi.

Kiểm soát chất lượng và lỗi

Những khiếm khuyết thường gặp

• Độ xốp: Khí hoặc tạp chất bị giữ lại gây ra lỗ rỗng, làm giảm độ bền. Phòng ngừa bao gồm vệ sinh bề mặt và kiểm soát các thông số quy trình.

• Nứt: Ứng suất nhiệt hoặc chuyển đổi pha gây ra nứt, đặc biệt là ở thép đã tôi. Giảm thiểu bao gồm kiểm soát tốc độ làm nguội và gia nhiệt trước.

• Sự kết hợp không hoàn chỉnh: Dòng điện hoặc áp suất không đủ dẫn đến mối nối yếu. Đảm bảo bằng cách hiệu chuẩn thông số và chuẩn bị bề mặt phù hợp.

• Đẩy ra: Nhiệt độ quá cao khiến kim loại nóng chảy bị đẩy ra, tạo ra các khuyết tật bề mặt. Điều chỉnh dòng điện và áp suất làm giảm nguy cơ đẩy ra.

• Bắn tóe bề mặt: Các giọt kim loại nóng chảy nhỏ trên bề mặt, ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ và khả năng chống ăn mòn. Điều kiện điện cực thích hợp và kiểm soát thông số giúp giảm thiểu bắn tóe.

Tiêu chí chấp nhận dựa trên các tiêu chuẩn như ISO 14373 hoặc AWS D17.1, chỉ định giới hạn kích thước khuyết tật và hình thức mối hàn.

Phương pháp kiểm tra

Các kỹ thuật kiểm tra không phá hủy (NDT) bao gồm:

• Kiểm tra bằng mắt: Kiểm tra các khuyết tật bề mặt, độ lệch và bắn tóe.

• Kiểm tra siêu âm: Phát hiện độ xốp và vết nứt bên trong mối hàn.

• Kiểm tra bằng chụp X-quang: Cung cấp hình ảnh chi tiết về các đặc điểm và tạp chất bên trong.

• Kiểm tra dòng điện xoáy: Nhạy cảm với các khuyết tật trên bề mặt và gần bề mặt.

Kiểm tra phá hủy bao gồm các thử nghiệm kéo, uốn và bóc để xác minh độ bền và độ dẻo của mối nối, thường được thực hiện trên các mối hàn mẫu trong quá trình thẩm định quy trình.

Công nghệ giám sát thời gian thực bao gồm các cảm biến quy trình đo dòng điện, điện áp và lực điện cực, cho phép kiểm soát thích ứng và phát hiện lỗi sớm.

Quy trình đảm bảo chất lượng

Quy trình QA bao gồm:

• Tài liệu quy trình: Ghi lại các thông số, hiệu chuẩn thiết bị và kết quả kiểm tra.

• Trình độ của người vận hành: Chứng nhận theo các tiêu chuẩn như tiêu chuẩn ISO 9606 hoặc tiêu chuẩn AWS QC.

• Đánh giá quy trình: Xác nhận quy trình hàn thông qua thử nghiệm và lập tài liệu.

• Khả năng truy xuất nguồn gốc: Lưu giữ hồ sơ về lô vật liệu, điều kiện quy trình và kết quả kiểm tra cho từng mối hàn.

Kiểm toán thường xuyên, hiệu chuẩn và cải tiến liên tục đảm bảo tuân thủ và chất lượng đồng nhất.

Các phương pháp khắc phục sự cố

Xử lý sự cố có hệ thống bao gồm:

• Triệu chứng nhận dạng: Chẳng hạn như xốp, nứt hoặc mối nối yếu.

• Chẩn đoán nguyên nhân: Kiểm tra tình trạng điện cực, độ sạch bề mặt, cài đặt thông số và chức năng của thiết bị.

• Thực hiện các hành động khắc phục: Điều chỉnh dòng điện, áp suất hoặc thời gian; làm sạch bề mặt; thay thế điện cực; hoặc sửa đổi thiết kế mối nối.

• Xác minh tính hiệu quả: Tiến hành thử mối hàn và kiểm tra sau khi hiệu chỉnh.

Việc ghi chép các vấn đề và giải pháp hỗ trợ tính ổn định của quy trình và chuyển giao kiến ​​thức.

Ứng dụng và khả năng tương thích của vật liệu

Kết hợp vật liệu phù hợp

Hàn điểm có hiệu quả cao đối với thép cacbon thấp đến trung bình, bao gồm thép mềm, thép kết cấu và một số loại thép hợp kim. Nó tương thích với thép mạ kẽm, miễn là bề mặt được vệ sinh đầy đủ.

Việc ghép nối các vật liệu khác nhau, chẳng hạn như thép với thép phủ hoặc một số loại thép không gỉ, đòi hỏi phải điều chỉnh quy trình cẩn thận để tính đến các đặc tính điện và nhiệt khác nhau.

Thép cứng, cường độ cao gây ra nhiều thách thức do dễ nứt hơn; có thể cần phải gia nhiệt trước hoặc sử dụng điện cực chuyên dụng.

Các yếu tố vật liệu ảnh hưởng đến khả năng kết dính bao gồm độ dẫn điện, điểm nóng chảy, độ giãn nở vì nhiệt và xu hướng chuyển pha.

Phạm vi độ dày và khả năng định vị

Thông thường, hàn điểm phù hợp với độ dày tấm từ 0,5 mm đến 3 mm. Vật liệu dày hơn có thể cần nhiều lần hàn hoặc phương pháp hàn thay thế.

Quá trình này chủ yếu được thực hiện ở vị trí phẳng (trên cao), nhưng với thiết kế điện cực và đồ gá phù hợp, có thể thực hiện ở vị trí nằm ngang, thẳng đứng và thậm chí là trên cao.

Năng suất được tối đa hóa trong các hệ thống tự động, tốc độ cao, đặc biệt là trong sản xuất ô tô, nơi hàng nghìn mối hàn được thực hiện mỗi ngày.

Ứng dụng trong ngành

Các ngành chính sử dụng hàn điểm bao gồm sản xuất ô tô, sản xuất thiết bị, đồ nội thất bằng kim loại và tấm xây dựng. Nó được ưa chuộng vì tốc độ, tiềm năng tự động hóa và hoàn thiện sau hàn tối thiểu.

Trong lắp ráp ô tô, hàn điểm được sử dụng rộng rãi cho kết cấu thân xe, tạo ra các mối nối chắc chắn và nhẹ. Bài học kinh nghiệm nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát quy trình và bảo trì điện cực.

Trong sản xuất thiết bị gia dụng, hàn điểm đảm bảo mối nối đồng nhất, chất lượng cao cho các bộ phận thép mỏng, giúp giảm thời gian và chi phí lắp ráp.

Tiêu chí lựa chọn

Các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn hàn điểm bao gồm loại vật liệu và độ dày, khối lượng sản xuất, thiết kế mối nối và yêu cầu về chất lượng. Ưu điểm của phương pháp này so với các phương pháp khác là tốc độ cao, khả năng tương thích với tự động hóa và độ méo nhiệt tối thiểu.

So với hàn hồ quang, hàn điểm cung cấp kết quả sạch hơn, nhanh hơn và nhất quán hơn cho các ứng dụng tấm mỏng. Các cân nhắc về kinh tế bao gồm chi phí lao động thấp hơn, giảm hoàn thiện sau khi hàn và đầu tư thiết bị thấp hơn cho sản xuất khối lượng lớn.

Quy trình và Tiêu chuẩn

Chứng nhận quy trình hàn

Đánh giá quy trình bao gồm việc phát triển thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS) xác định các thông số như dòng điện, điện áp, áp suất và thời gian. Nó yêu cầu kiểm tra các mối hàn mẫu về tính chất cơ học, hình thức bên ngoài và kiểm tra không phá hủy.

Các biến số thiết yếu, chẳng hạn như lực điện cực và dòng điện, phải được kiểm soát trong phạm vi quy định. Các biến số không thiết yếu, như hình dạng điện cực, có thể được điều chỉnh mà không cần thẩm định lại.

Các thử nghiệm chất lượng bao gồm thử nghiệm kéo cắt, thử nghiệm bóc tách và phân tích cấu trúc vĩ mô/vi mô để xác minh tính toàn vẹn và độ đồng nhất của mối hàn.

Tiêu chuẩn và Quy tắc chính

Các tiêu chuẩn quốc tế về hàn điểm bao gồm:

• ISO 14373: Hàn điện trở — Kiểm tra chất lượng mối hàn điểm điện trở.

• AWS D17.1: Tiêu chuẩn kỹ thuật hàn điểm điện trở thép.

• EN ISO 15614-11: Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng quy trình hàn.

Các yêu cầu quy định từ các tổ chức như Hiệp hội hàn Hoa Kỳ (AWS), Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (ISO) và các tiêu chuẩn châu Âu đảm bảo an toàn, chất lượng và khả năng tương tác.

Yêu cầu về tài liệu

Tài liệu WPS chỉ rõ các thông số quy trình, loại điện cực, cấu hình mối nối và tiêu chí kiểm tra. Hồ sơ chứng nhận trình độ của người vận hành chứng minh năng lực theo các tiêu chuẩn như ISO 9606.

Hồ sơ chất lượng bao gồm bản đồ mối hàn, báo cáo kiểm tra, kết quả thử nghiệm không phá hủy và dữ liệu truy xuất nguồn gốc cho vật liệu và điều kiện quy trình. Tài liệu phù hợp đảm bảo tuân thủ, tạo điều kiện cho việc kiểm toán và hỗ trợ cải tiến liên tục.

Các khía cạnh về sức khỏe, an toàn và môi trường

Nguy cơ an toàn

Rủi ro an toàn chính bao gồm điện giật, bức xạ hồ quang và bắn kim loại nóng. Nối đất, cách điện và rào chắn bảo vệ thích hợp giúp giảm thiểu các mối nguy hiểm về điện.

Người vận hành phải mặc thiết bị bảo vệ cá nhân (PPE), bao gồm găng tay cách điện, kính an toàn và tấm chắn mặt. Các quy trình khẩn cấp bao gồm ngắt nguồn điện, làm mát bề mặt nóng và sơ cứu thương tích do điện.

Những cân nhắc về môi trường

Hàn điểm tạo ra lượng khí thải tối thiểu nhưng có thể tạo ra khói từ chất gây ô nhiễm bề mặt hoặc hao mòn điện cực. Dòng chất thải bao gồm phế liệu điện cực và cặn làm sạch bề mặt.

Các biện pháp ngăn chặn, chẳng hạn như hút khói và xử lý chất thải đúng cách, giúp giảm tác động đến môi trường. Việc tuân thủ các quy định như tiêu chuẩn OSHA và EPA là điều cần thiết.

Các yếu tố công thái học

Người vận hành phải đối mặt với những thách thức như chuyển động lặp đi lặp lại, mức độ tiếng ồn cao và tiếp xúc với nhiệt. Thiết kế nơi làm việc tiện dụng, đồ đạc có thể điều chỉnh và tự động hóa giúp giảm nguy cơ mệt mỏi và chấn thương.

Đào tạo về cách xử lý, tư thế và sử dụng PPE đúng cách giúp tăng cường an toàn. Nghỉ giải lao thường xuyên và đánh giá công thái học góp phần tạo nên môi trường làm việc lành mạnh hơn.

Những phát triển gần đây và xu hướng tương lai

Tiến bộ công nghệ

Những cải tiến gần đây bao gồm nguồn điện biến tần cung cấp hiệu suất cao hơn và khả năng kiểm soát chính xác. Vật liệu điện cực tiên tiến kéo dài tuổi thọ và cải thiện tính nhất quán của mối hàn.

Tích hợp tự động hóa với hệ thống robot giúp tăng tốc độ và khả năng lặp lại. Giám sát quy trình theo thời gian thực bằng cảm biến và thuật toán học máy cho phép kiểm soát thích ứng, giảm lỗi.

Sự phát triển cụ thể về vật liệu bao gồm các điện cực chuyên dụng và các thông số quy trình dành cho thép cường độ cao và các vật liệu khác nhau, mở rộng phạm vi ứng dụng.

Hướng nghiên cứu

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc giảm ứng suất dư, cải thiện cấu trúc vi mô mối hàn và cho phép ghép nối các loại thép cường độ cao tiên tiến. Các phương pháp tiếp cận thử nghiệm bao gồm hàn điện trở hỗ trợ bằng laser và các kỹ thuật lai.

Các cuộc điều tra về giám sát tại chỗ, tối ưu hóa quy trình dựa trên máy học và các phương pháp chuẩn bị bề mặt thân thiện với môi trường nhằm mục đích nâng cao tính bền vững và chất lượng.

Xu hướng áp dụng của ngành

Xu hướng tự động hóa và tích hợp Công nghiệp 4.0 đang đẩy nhanh việc áp dụng các hệ thống hàn điểm thông minh. Các lực lượng thị trường do ngành ô tô và hàng không vũ trụ thúc đẩy đòi hỏi chất lượng, tốc độ và tính linh hoạt cao hơn.

Các ứng dụng mới nổi bao gồm kết cấu xe nhẹ, vỏ pin xe điện và kết cấu mô-đun, trong đó những ưu điểm của hàn điểm ngày càng được tận dụng.

Sự phát triển đang diễn ra nhằm mục đích cải thiện độ bền của quy trình, giảm chi phí và mở rộng khả năng tương thích của vật liệu, đảm bảo hàn điểm vẫn là công nghệ ghép nối quan trọng trong ngành thép.

---

Bài viết toàn diện này cung cấp tổng quan chi tiết về hàn điểm trong ngành công nghiệp thép, bao gồm các nguyên tắc cơ bản, thiết bị, tác động luyện kim, kiểm soát chất lượng, ứng dụng, tiêu chuẩn, an toàn, những đổi mới gần đây và xu hướng tương lai, tổng cộng khoảng 1500 từ.