第六章特焊课件

第6章电阻焊技术新发展

6.1概述电阻焊被广泛应用于航空、航天、能源、电子、车辆及轻工等行业制造领域，为了适应新材料、新工艺、新产品在工业上开发应用的需要，近年来，国内外在电阻焊接头形成机理、新材料焊接性、焊接过程数值模拟等方面做了大量的基础研究；同时，在电阻焊新工艺及新设备、焊接质量监控技术、电阻焊生产线的集成化、柔性化等方面也进行了技术和产业的开发工作。6.2电阻焊接头形成理论新进展 6.2.1点焊熔核孕育处理6.2.2电阻焊过程的数值模拟 6.2.3新型工业材料焊接性研究 6.2.1点焊熔核孕育处理国内学者赵熹华等人，在国家自然科学基金和美国GM基金资助下对多种难焊金属材料（铝合金、弹簧钢等）开展了“点焊熔核孕育处理理论与方法”的研究（美国发明专利UnitedStatesPatent：US20050103406A1），现已取得如下成果：1)获得了全部凝固组织为等轴晶的点焊熔核（图6-1b）。2)使全部为柱状晶的点焊熔核贴合面处出现等轴晶区（图6-2b）。3)扩大熔核等轴晶区，缩小熔核柱状晶区，使凝固组织晶粒显著细化。6.2.1点焊熔核孕育处理研究结果表明，孕育处理可显著提高点焊接头力学性能，尤其是疲劳强度对焊接性较差的材料（AA2024-T4、AA6111－T4等）尤为明显。这就为点焊质量监控技术开辟了一条新路，从“质”的方面根本改善了点焊接头质量。6.2.2电阻焊过程的数值模拟数值模拟可对电阻焊过程中的各种影响因素进行研究，帮助人们进行一些不可能通过试验而完成的研究和分析，为电阻焊研究提供理论上的指导。其中点焊接头形成过程的数值模拟研究一直是该领域科学研究的重要方向。目前研究主要集中在点焊过程中的热、电、力行为及相互耦合作用，即根据物理学中描述热、电、力问

题的基本方程，通过对方程中参数变化和边界条件进行假设，建立点焊过程的数学模型，进而用数值方法对点焊过程的温度场、电流场、电势场和应力、应变场进行求解，用以研究点焊过程机理。近期研究进展见表6-1

图6-340ms时数值计算与试验结果对照（T/℃）6.2.3新型工业材料焊接性研究(1)镀锌钢板焊接性研究主要集中在以下方面：1）镀层涂复方法（电镀锌、热镀锌、热镀Zn-Fe合金、Zn-Ni合金）及镀层厚度影响。2）镀层与电极头之间相互影响，法国学者T.Dupuy对电极端部损坏作了专题研究。3）熔核结晶形态、缺陷产生机理、力学性能等与点焊参数的关系等。4）以信息和控制新技术对点焊工艺和过程进行模拟和预测。(2)铝合金板焊接性研究主要集中在以下方面：1）电极粘结和喷溅产生机理及解决措施。例如，铝合金点焊中飞溅的小波分析研究；在铝合金板两面分别镀不同厚度的铬酸盐层，改变接触电阻大小的效果研究等。2）铝合金电阻点焊过程的数值模拟及能量分析等。3）铝合金点焊工艺设计及质量控制的智能化研究。4）中频逆变、次级整流、电容储能焊机在铝合金点焊中的应用。6.3电阻焊新工艺6.3.1精密脉冲电阻对焊6.3.2微电阻点焊6.3.3电阻熔丝焊6.3.4激光束-高频焊（LB-HFRW）复合焊6.3.5激光束-电阻缝焊（LB-RSW）复合焊

6.3.1精密脉冲电阻对焊该工艺可解决形位尺寸要求严格，焊接性差和接头性能有特殊要求的精细零件对焊。其工艺特点如下：(1）采用调制焊接压力（通过由直流电磁铁为核心的电磁加压机构实现），使顶锻开始时间和顶锻力准确、及时。(2）采用调制电流脉冲（焊接脉冲+后热处理脉冲，后热处理脉冲可为单脉冲、双脉冲及多脉冲）。

(3）调制焊接压力与调制电流脉冲可适当配合，组成最佳精密脉冲对焊焊接循环，如图6-6所示。该工艺可较好实现记忆合金（TiNi）、可淬硬合金以及热物理性质相差较大的异种金属的对焊。6.3.2微电阻点焊随着微连接技术的发展，微电阻点焊亦成为IT制造业关注的热点，技术特点如下：(1）工件尺寸甚小：接头组成中至少有一个工件厚度或直径小于0.1mm，且材质往往特殊或有涂层（Au、Ag、Ni、漆）。(2)微电阻点焊机（有文献又称为显微点焊机）特点：结构上具有显微光学放大装置（体视显微镜等）；要有阶梯波的输出脉冲电流（有闭环负反馈电路）；焊接输出能量波动±0.5焦耳。(3)SW（stripping-welding）焊头以平行间隙焊（又称平行微隙焊，parallelmicrogapwelding）形式实施焊接。6.3.3电阻熔丝焊电阻熔丝焊（又称电接触熔丝焊）可用于车辆、矿山及动力、特种机械设备等曲轴、凸轮轴、转子及传动齿轮轴等的修复，修复成本与电弧堆焊相比，约为后者1/3-1/2。其方法特点如下：(1）基本原理与电阻缝焊相同，如图6-8所示。焊接过程如下：零件表面清理→无损检测（涡流和磁粉表面探伤）→焊接表面机械加工（磨平或抛光）→电阻熔丝焊→机械加工→无损检测（涡流和渗透探伤）。(2）零件材料可为铸铁、碳钢、合金钢和耐腐蚀钢等，零件直径大于10mm，焊层厚度0.5-5mm，硬度20-60HRC。

(3）根据修复零件种类（形状和尺寸），选用电阻熔丝焊设备。图6-9为УЗН-01型电阻熔丝焊机，其铭牌数据：使用功率：＜50kVA；工业用水量：0.25-0.4m3/h；加压机构：气动（0.2-0.4MPa）；熔丝直径：＜2mm；强化层厚度：1.3-1.8mm。6.3.4激光束-高频焊（LB-HFRW）复合焊LB-HFRW是在高频焊管的同时，采用激光束对尖劈（会合点）进行加热（图6-10），从而使尖劈在整个厚度方向上加热更均匀，这有利于进一步提高焊管的生产率和质量。

(1）复合焊接系统复合焊接系统如图6-11所示6.3.5激光束-电阻缝焊（LB-RSW）复合焊（2）复合焊接工艺分析

1）在激光焊参数相同的条件下，LB-RSW的焊接熔深大于单独LBW的熔深，且随着RSW焊接电流的增加而增大；2）在激光焊接参数相同的条件下，LB-RSW的焊接接头拉剪力大于单独LBW焊接接头的拉剪力，且随着RSW焊接电流的增加而增大。因此LB-RSW复合焊新方法可比传统的激光焊(LBW)更具有节能高效的特征。参见图6-12和图6-13。12.4常用材料的激光焊

6.4电阻焊新设备图6-15给出了逆变式电阻焊机原理示意图，工频交流电整流滤波后的直流电，输入逆变电路产生频率较高的交流电（600～4000Hz，通常为600～1600Hz），然后对变频后的交流电变压，再二次整流输出得到需要的焊接电流。

(1)逆变式电阻焊机特点1)响应速度快，控制精度高。由于逆变频率高，时间调节和反馈控制周期在1ms（在1000Hz时）以内，大大提高了焊接电流控制精度。2）体积小，重量轻。由于采用中频的工作频率，在相同的功率输出时焊接变压器体积和重明明显减小，采用逆变式的一体式焊钳其重量可减轻50%。3)三相负载平衡，功率因数高，节能。4)工艺优势明显。焊接电流为脉动直流（且波纹度小），无交流过零瞬时不加热工件的缺点，热量集中，能焊接各种材料。同时，电极寿命延长。

(2)目前，逆变式电阻焊机要继续深入研究的主要问题1）大功率开关元件的不断更新。IGBT（双极型隔离栅晶体管）是发展大功率逆变式电阻焊机的首选开关元件，其单管额定电流可达300A，集射极耐压高达1200V，可以采用逻辑电平直接驱动，实现了元件驱动的电压控制。2）大功率整流二极管的不断更新。由于次级整流元件的接入增加了焊机的功率损耗（约占整台焊机输出功率的28%），虽然采用肖特基二极管会得到改善，但仍存在输出功率受到限制及其冷却系统增加焊机体积和重量的问题。3）主电路拓扑结构的不断发展。应用于逆变焊接电源的主电路使用过以下拓扑结构，推挽式逆变电路、全桥式逆变电路、半桥式逆变电路、单端式逆变电路等。各逆变电路都有自己的优缺点，要根据实际应用条件而定。4）逆变电路控制方式的不断改进。控制方式改进主要体现在逆变电路中功率开关管是以何种模型开断的，即硬开关和软开关。(3)GWS-2D系列控制器(图6-18)1）第五代逆变器（图6-19）中，以2000A逆变器为例，如果配以匝数比1：38的焊接变压器，则二次焊接电流已可达到76000A,为高质量要求的轻金属焊接提供了有力的支持。同时，目前已试制出4000A的逆变器。2）5000系列焊接时调器（图6-20）中，采用了新型高速微处理器，它不仅能配置成适应各种焊接应用的需要，而且足以处理适应焊接的算法要求，如热膨胀力反馈控制（TFF）和恒热量控制（CHC）。3）以太网编程器（数据输入板，EDEP）见图6-21，有两种规格，第一种用于一对一在控制器局域以太网接口上编程和收集数据，第二种用于接在工厂以太网网络上进行操作。焊接控制器上的局域以太网接口和串行接口也可用手提计算机进行操作。4）安全接地故障安全系统。用连变压器焊枪代替电缆焊枪已成为必然趋势，但这样操作者就接近380V供电电压，若使用MFDC（中频直流），电压将会更高。5）恒热量控制。恒热量控制（CHC）通过探测焊接状态下电极间电压来控制焊接电流，从而控制每单位体积的总热量。6.5新型点焊机器人点焊机器人通常由操作机、控制器和点焊钳等组成，现代点焊机器人特点是：1）采用逆变一体式点焊钳，大大降低了机器人抓重。具有控制精度高、响应速度快、节能、焊接工艺性能好等显著优点。2）采用新型电极驱动机构。3)自动快速更换多种焊钳技术。12.5.3CO2激光器与YAG激光器的对比4）配备自动化的质量和产量控制系统，例如：机器人三维激光视觉系统，数字摄像控制系统，射线质量检测系统等，有利于焊接质量的集中管理和控制。5）新型的离线示教机器人，可借助CAD/CAM获取焊件构造、焊接条件和机器人机构等信息，进行离线示教，示教时间短，焊接质量稳定。6.6电阻焊质量控制新技术6.6.1基于多参量综合的点焊质量智能监控6.6.2基于模糊分类理论的点焊质量等级评判6.6.3基于回归分析理论的点焊质量多参数监测方法6.6.1基于多参量综合的点焊质量智能监控基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测国内学者张忠典等人运用神经元网络理论，研究了低碳钢动态电阻与焊点质量之间的模型关系，建立了点焊质量模糊综合评判模型，实现了低碳钢点焊质量的多参量综合监测。(2）基于数值计算的熔核直径在线自适应控制目前，用数值模拟方法模拟铝合金点焊过程热—电—力学过程，预测点焊熔核的生长、电极磨损和裂纹形成情况等的研究正在进行，并取得一定进展。(3）智能点焊质量调节技术（IQR）

IQR点焊智能质量调控系统的特点：1）适用于钢板、镀锌钢板和高强度钢板，调节考虑焊接材料的物理条件；2）实时在线调节当前焊接参数，自适应排除干扰因素的影响，比恒流控制器焊接范围广泛和焊接过程稳定；3）直接从焊接变压器上测量焊接过程中的电压、电流，不需要从电极上连接信号线；4）内部实时计算电阻及功率.

(4）基于SPC统计过程控制的点焊质量监控电阻点焊SPC（StatisticalProcessControl,简称SPC）统计过程控制，主要通过实时测量焊接电流、电极压力、电极位移等点焊变量，将其作为控制量进行SPC统计计算，得到带有控制上限和下限的控制图和直方图，根据控制图或直方图就可确定每个变量的超差情况，最后确定工件的焊后状态：废品或合格产品。(5）其它相关点焊质量智能监控6.6.2基于模糊分类理论的点焊质量等级评判目前，已有用模糊分类的方法来评估焊接电流引起的过程信号（电极位移特征量、电极加速度特征量）和焊点质量变化的报道。并指出模糊分类虽然适用于描述点焊过程的复杂性和非线性，可以用于焊点质量的等级评估，但只能给出焊点质量参数的大致范围，而且评价的准确性难以避免地受到专家知识等众多人为因素的影响。6.6.3基于回归分析理论的点焊质量多参数监测方法

铝合金点焊焊接性较差，应用又日益广泛，迫切需要解决其质量的监控问题。英国学者M.HAO等人研制了一种铝合金点焊多参数监控系统，该系统可采集点焊过程参数和识别较宽范围过程现象的特征量，并利用回归分析的方法估测焊点的熔核直径和拉伸强度，试验表明，回归模型的估测值有足够的准确性。【本章习题】