Dlaczego blacha ocynkowana zgrzewa się inaczej niż czarna?

Warsztat zgrzewa od lat blachę czarną i ma sprawdzone nastawy. Przychodzi partia ocynkowana, ustawienia zostają te same, a wyniki przestają się zgadzać: jądro zgrzeiny wychodzi za małe, punkty puszczają przy próbie odrywania, po dwustu czy trzystu zgrzeinach elektrody zaczynają kleić się do materiału. Maszyna jest sprawna i nastawy nie uległy zmianie. Zmieniła się fizyka styku, ponieważ cynk przewodzi prąd lepiej niż stal i topi się w temperaturze wielokrotnie niższej. W tym wpisie wyjaśniamy, dlaczego powłoka cynkowa obniża wydzielanie ciepła w miejscu zgrzeiny, o ile trzeba podnieść prąd, czas i siłę docisku, co dzieje się na czole elektrody i skąd bierze się tam mosiądz, jak przedłużyć żywotność nasadek oraz dlaczego przy ocynku zgrzewanie wypada korzystniej niż spawanie. Zapraszamy do lektury!

Cynk a obwód zgrzewania

W zgrzewaniu oporowym ciepło powstaje na rezystancji, głównie w miejscu styku łączonych blach. Prąd przepływa tam przez najwęższe przewężenie obwodu i właśnie w tym punkcie ma się uformować ciekłe jądro zgrzeiny. Powłoka cynkowa zaburza ten układ na trzy sposoby jednocześnie.

Po pierwsze, cynk ma niższą rezystywność niż stal, więc obniża rezystancję całego układu. Przy tych samych nastawach oznacza to mniej ciepła wydzielonego dokładnie tam, gdzie jest potrzebne.

Po drugie, w grę wchodzi temperatura. Cynk topi się w okolicach 419°C, podczas gdy stal zgrzewa się przy temperaturach rzędu tysiąca kilkuset stopni. Powłoka staje się więc ciekła na długo przed powstaniem jądra i rozpływa się poza pierwotny obszar styku. Powierzchnia, przez którą przepływa prąd, rośnie, a gęstość prądu spada.

Po trzecie, styk elektroda–blacha o mniejszej rezystancji lepiej przewodzi ciepło, więc więcej energii ucieka do chłodzonych wodą elektrod, zamiast pozostać w strefie łączenia.

Wszystko to razem nie oznacza, że ocynk jest materiałem trudno zgrzewalnym. Oznacza, że maszyna musi pracować w innym punkcie niż przy blasze nieocynkowanej o tej samej grubości.

Korygowanie parametrów

Literatura techniczna podaje orientacyjne widełki korekty w odniesieniu do blachy czarnej o tej samej grubości:

• prąd zgrzewania – wyższy o około 30-40%;
• czas przepływu prądu – dłuższy o około 20-50%;
• siła docisku elektrod – wyższa o około 10-25%;
• przebieg impulsu – rozwiązanie dwuimpulsowe poszerza okno prądowe, w którym powstaje poprawna zgrzeina, co przy ocynku ma większe znaczenie niż przy stali nieocynkowanej;
• prąd wstępny lub dogrzewający – poprawia wielkość i kształt jądra; pierwszy impuls może posłużyć do odparowania powłoki w samej strefie styku.

Te wartości są punktem wyjścia do prób, nie tabelą do przepisania na sterownik. Rzeczywiste nastawy zależą od grubości blachy, masy powłoki cynkowej, typu transformatora zgrzewalniczego oraz geometrii i stanu elektrod. Parametry ustala się na próbkach pochodzących z tej samej dostawy materiału, weryfikując wynik próbą odrywania i pomiarem średnicy jądra.

Problem jest na tyle poważny, że opracowywano algorytmy automatycznej korekty natężenia prądu przy zgrzewaniu blach ocynkowanych – zagadnieniem zajmował się między innymi Instytut Spawalnictwa w Gliwicach.

Co dzieje się na czole elektrody?

W tym miejscu zachodzi zjawisko, którego operator nie widzi, choć odczuwa jego skutki po kilkuset zgrzeinach.

Ciekły cynk ma powinowactwo do miedzi. Na powierzchni roboczej elektrody powstaje warstwa mosiądzu, czyli stopu miedzi z cynkiem, o gorszej przewodności i mniejszej twardości niż czysta miedź. Przebieg jest przy tym nieoczywisty: przy pierwszych zgrzeinach elektroda nieznacznie się wydłuża, ponieważ cynk odkłada się na jej czole. Później warstwa mosiądzu mięknie od ciepła procesu i wypływa na boki. Powierzchnia czynna elektrody rośnie, samo czoło ściera się, a gęstość prądu spada. Do uzyskania jądra tej samej średnicy potrzeba więc coraz wyższego prądu.

Stąd bierze się klejenie elektrod, dobrze znane każdemu, kto pracował na ocynku: dochodzi do miejscowego połączenia nasadki z powierzchnią blachy.

Żywotność elektrod skraca się wyraźnie, a im cięższa powłoka cynkowa, tym szybciej. Zależność nie jest przy tym prosta. W jednym z badań nad wpływem grubości warstwy cynku blacha o grubości 0,7 mm pozwoliła wykonać rząd trzystu punktów na parze elektrod, podczas gdy blachy 1 i 1,2 mm ponad tysiąc pięćset. Cieńsza blacha odprowadza mniej ciepła od czoła elektrody, która przez dłuższą część cyklu pozostaje w wysokiej temperaturze. To wynik konkretnego eksperymentu, nie reguła do przenoszenia na własną produkcję, ale dobrze pokazuje, że intuicja „cieńsza blacha, łagodniejsze warunki” bywa myląca.

Jest jeszcze jeden czynnik, o którym łatwo zapomnieć: oleje i środki smarne pozostałe na powierzchni taśmy przyspieszają degradację elektrod.

Utrzymanie powtarzalności

Praca z ocynkiem wymaga innej organizacji obsługi maszyny niż praca z blachą czarną.

• Pierwsza rzecz to stopniowanie prądu. W produkcji seryjnej podnosi się prąd wraz ze zużyciem nasadek, żeby utrzymać stałą średnicę jądra. Bez tego jakość spada łagodnie i niezauważalnie, aż do momentu, w którym pojawiają się braki.
• Druga to harmonogram obsługi elektrod, a nie wymiana wtedy, gdy widać, że coś jest nie tak. Przy ocynku interwały regeneracji czoła i wymiany nasadek są kilkukrotnie krótsze niż przy stali nieocynkowanej. Znaczenie ma również materiał: standardem są stopy miedzi z chromem i cyrkonem, a w badaniach sprawdza się stopy z dodatkiem skandu oraz elektrody z powłokami ograniczającymi dyfuzję cynku w miedź.
• Trzecia to przygotowanie detalu. Powierzchnia powinna być odtłuszczona, a szczelina między blachami kontrolowana, bo rozejście powyżej 0,2–0,3 mm wymaga korekty nastaw albo dociśnięcia elementów przyrządem.

Warto też pamiętać o zasilaniu. W hali z dużym poborem mocy wahania napięcia przekładają się bezpośrednio na prąd zgrzewania, a przy ocynku okno poprawnych parametrów jest węższe, więc skutki są zauważalne szybciej.

Zgrzewanie czy spawanie ocynku?

Przy blachach powlekanych porównanie obu technologii wypada wyraźnie na korzyść zgrzewania.

Spawanie łukowe odparowuje powłokę w strefie spoiny, więc miejsce połączenia traci ochronę antykorozyjną i wymaga późniejszego zabezpieczenia. Powstają przy tym opary tlenku cynku, szkodliwe dla zdrowia i wymagające skutecznego odciągu na stanowisku. Zgrzewanie punktowe nie wnosi materiału dodatkowego, obejmuje ciepłem wąską strefę wokół punktu i wymaga jedynie korekty parametrów pod powłokę, bez zmiany technologii.

Metoda ma jednak granice, o których trzeba powiedzieć wprost. Potrzebny jest dostęp elektrod z obu stron blachy, złącze musi być zakładkowe, sensowny zakres grubości kończy się na kilku milimetrach, a połączenie punktowe nie jest szczelne.

W praktyce sprawa rozbija się o możliwości urządzenia. Praca z ocynkiem wymaga zapasu prądu względem nastaw dla blachy czarnej, sterownika pozwalającego precyzyjnie ustawić czas i siłę docisku oraz obsługi przebiegu dwuimpulsowego. Maszyny pod takie zastosowania projektują producenci wyspecjalizowani w zgrzewaniu oporowym, między innymi SMOLTECH, wytwarzający zgrzewarki punktowe, garbowe i liniowe oraz zautomatyzowane stanowiska zgrzewalnicze dla przemysłu metalowego i motoryzacyjnego.

Blacha ocynkowana nie jest materiałem kłopotliwym, tylko wymagającym innego punktu pracy maszyny. Niższa rezystancja styku i cynk topiący się przy 419°C oznaczają mniej ciepła tam, gdzie ma powstać jądro, więc trzeba podnieść prąd, wydłużyć czas i zwiększyć docisk. Ten sam ciekły cynk osadza się na czole elektrody i tworzy mosiądz, co skraca interwały obsługi nasadek.

Przed uruchomieniem partii z ocynku warto ustalić parametry na próbkach z tej samej dostawy i z góry zaplanować harmonogram regeneracji oraz wymiany elektrod, zamiast korygować nastawy po pierwszych brakach.

admin

Krystian Możejko – redaktor serwisu jsstal.pl, specjalizującego się w tematyce budowlano-remontowej. Od lat interesuje się nowoczesnymi technologiami, materiałami i praktycznymi rozwiązaniami ułatwiającymi prace remontowe. Na łamach portalu dzieli się wiedzą, poradami i inspiracjami, pomagając czytelnikom w sprawnym planowaniu i realizacji remontów. Stawia na rzetelność informacji i praktyczne podejście, dzięki czemu artykuły trafiają zarówno do majsterkowiczów, jak i osób korzystających z usług profesjonalnych ekip.