电阻点焊机原理

-.z.点焊机原理焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法称为电阻焊。电阻焊具有生产效率高、低成本、节省材料、易于自动化等特点，因此广泛应用于航空、航天、能源、电子、汽车、轻工等各工业部门，是重要的焊接工艺之一。一、焊接热的产出及影响因素点焊时产生的热量由下式决定：Q=IIRt（J）————（1）式中：Q——产生的热量（J）、I——焊接电流（A）、R——电极间电阻（欧姆）、t——焊接时间（s）1.电阻R及影响R的因素电极间电阻包括工件本身电阻Rw，两工件间接触电阻Rc，电极与工件间接触电阻Rew.即R=2Rw+Rc+2Rew——（2）如图.当工件和电极一定时，工件的电阻取决与它的电阻率.因此，电阻率是被焊材料的重要性能.电阻率高的金属其导电性差（如不锈钢）电阻率低的金属其导电性好（如铝合金）。因此，点焊不锈钢时产热易而散热难，点焊铝合金时产热难而散热易.点焊时，前者可用较小电流（几千安培），而后者就必须用很大电流（几万安培）。电阻率不仅取决与金属种类，还与金属的热处理状态、加工方式及温度有关。接触电阻存在的时间是短暂，一般存在于焊接初期，由两方面原因形成：1）工件和电极表面有高电阻系数的氧化物或脏物质层，会使电流遭到较大阻碍。过厚的氧化物和脏物质层甚至会使电流不能导通。2）在表面十分洁净的条件下，由于表面的微观不平度，使工件只能在粗糙表面的局部形成接触点。在接触点处形成电流线的收拢。由于电流通路的缩小而增加了接触处的电阻。电极与工件间的电阻Rew与Rc和Rw相比，由于铜合金的电阻率和硬度一般比工件低，因此很小，对熔核形成的影响更小，我们较少考虑它的影响。2.焊接电流的影响从公式（1）可见，电流对产热的影响比电阻和时间两者都大。因此，在焊接过程中，它是一个必须严格控制的参数。引起电流变化的主要原因是电网电压波动和交流焊机次级回路阻抗变化。阻抗变化是因为回路的几何形状变化或因在次级回路中引入不同量的磁性金属。对于直流焊机，次级回路阻抗变化，对电流无明显影响。3.焊接时间的影响为了保证熔核尺寸和焊点强度，焊接时间与焊接电流在一定*围内可以相互补充。为了获得一定强度的焊点，可以采用大电流和短时间（强条件，又称硬规*），也可采用小电流和长时间（弱条件，也称软规*）。选用硬规*还是软规*，取决于金属的性能、厚度和所用焊机的功率。对于不同性能和厚度的金属所需的电流和时间，都有一个上下限，使用时以此为准。4.电极压力的影响电极压力对两电极间总电阻R有明显的影响，随着电极压力的增大，R显著减小，而焊接电流增大的幅度却不大，不能影响因R减小引起的产热减少。因此，焊点强度总随着焊接压力增大而减小。解决的办法是在增大焊接压力的同时，增大焊接电流。5.电极形状及材料性能的影响由于电极的接触面积决定着电流密度，电极材料的电阻率和导热性关系着热量的产生和散失，因此，电极的形状和材料对熔核的形成有显著影响。随着电极端头的变形和磨损，接触面积增大，焊点强度将降低。6.工件表面状况的影响工件表面的氧化物、污垢、油和其他杂质增大了接触电阻。过厚的氧化物层甚至会使电流不能通过。局部的导通，由于电流密度过大，则会产生飞溅和表面烧损。氧化物层的存在还会影响各个焊点加热的不均匀性，引起焊接质量波动。因此彻底清理工件表面是保证获得优质接头的必要条件。二、热平衡及散热点焊时，产生的热量只有一小部分用于形成焊点，较大部分因向临近物质传导或辐射而损失掉了，其热平衡方程式：Q=Q1+Q2————（3）其中：Q1——形成熔核的热量、Q2——损失的热量有效热量Q1取决与金属的热物理性能及熔化金属量，而与所用的焊接条件无关。Q1=10%-30%Q，导热性好的金属（铝、铜合金等）取下限；电阻率高、导热性差的金属（不锈钢、高温合金等）取上限。损失热量Q2主要包括通过电极传导的热量（30%-50%Q）和通过工件传导的热量（20%Q左右）。辐射到大气中的热量5%左右。三、焊接循环点焊和凸焊的焊接循环由四个基本阶段（如图点焊过程）：1）预压阶段——电极下降到电流接通阶段，确保电极压紧工件，使工件间有适当压力。2）焊接时间——焊接电流通过工件，产热形成熔核。3）维持时间——切断焊接电流，电极压力继续维持至熔核凝固到足够强度。4）休止时间——电极开始提起到电极再次开始下降，开始下一个焊接循环。为了改善焊接接头的性能，有时需要将下列各项中的一个或多个加于基本循环：1）加大预压力以消除厚工件之间的间隙，使之紧密贴合。2）用预热脉冲提高金属的塑性，使工件易于紧密贴合、防止飞溅；凸焊时这样做可以使多个凸点在通电焊接前与平板均匀接触，以保证各点加热的一致。3）加大锻压力以压实熔核，防止产生裂纹或缩孔。4）用回火或缓冷脉冲消除合金钢的淬火组织，提高接头的力学性能，或在不加大锻压力的条件下，防止裂纹和缩孔。四、焊接电流的种类和适用*围1.交流电可以通过调幅使电流缓升、缓降，以达到预热和缓冷的目的，这对于铝合金焊接十分有利。交流电还可以用于多脉冲点焊，即用于两个或多个脉冲之间留有冷却时间，以控制加热速度。这种方法主要应用于厚钢板的焊接。2.直流电主要用于需要大电流的场合，由于直流焊机大都三相电源供电，避免单相供电时三相负载不平衡。五、金属电阻焊时的焊接性下列各项是评定电阻焊焊接性的主要指标：1.材料的导电性和导热性电阻率小而热导率大的金属需用大功率焊机，其焊接性较差。2.材料的高温强度高温（0.5-0.7Tm）屈服强度大的金属，点焊时容易产生飞溅，缩孔，裂纹等缺陷，需要使用大的电极压力。必要时还需要断电后施加大的锻压力，焊接性较差。3.材料的塑性温度*围塑性温度*围较窄的金属（如铝合金），对焊接工艺参数的波动非常敏感，要求使用能精确控制工艺参数的焊机，并要求电极的随动性好。焊接性差。4.材料对热循环的敏感性在焊接热循环的影响下，有淬火倾向的金属，易产生淬硬组织，冷裂纹；与易熔杂质易于形成低熔点的合金易产生热裂纹；经冷却作强化的金属易产生软化区。防止这些缺陷应该采取相应的工艺措施。因此，热循环敏感性大的金属焊接性也较差。（附表：常用金属的热物理性能）1．选择点焊工艺的一般步骤通常是根据工件的材料和厚度，首先确定电极的端面形状和尺寸。其次初步选定电极压力和焊接时间，然后调节焊接电流，以不同的电流焊接试样。经检验熔核直径符合要求后，再在适当的*围内调节电极压力，焊接时间和电流，进行试样的焊接和检验，直到焊点质量完全符合技术条件所规定的要求为止。2．优质焊点的标志是什么？最常用的检验试样的方法是撕开法，在撕开试样的一片上有圆孔，另一片上有圆凸台。厚板或淬火材料有时不能撕开圆孔和凸台，但可通过剪切的断口判断熔核的直径。必要时，还需进行低倍测量、拉伸试验和*光检验，以判断熔焊率、抗剪强度和有无缩孔、裂纹等。3．不同厚度和不同材料的焊核的是怎样形成？当进行不等厚度或不同材料点焊时，熔核将不对称于其交界面，而是向厚度或导电、导热性差的一边偏移，偏移的结果将使薄件或导电、导热性好的工件焊透率减小，焊点强度降低。熔核偏移是由两工件产热和散热条件不同引起的。厚度不等时，厚度一边电阻大、交界面离电极远，故产热多而散热少，致使熔核偏向厚件；材料不同时，导电、导热性差的材料产热易而散热难，故熔核也偏向这种材料。如右图所示4．调整焊核偏移的原则：增加薄板或导电、导热性好的工件的产热而减少其散热。调整焊核偏移常用的方法:a.采用强条件:使工件间接触电阻产热的影响增大，电极散热的影响降低。电容储能焊机采用大电流和短的通电时间就能焊接厚度比很大的工件就是明显的例证。b.采用不同接触表面直径的电极:在薄件或导电、导热性好的工件一侧采用较小直径，以增加这一侧的电流密度、并减小电极散热的影响。c.采用不同的电极材料:在薄件或导电、导热性好的工件一侧采用导热性较差的铜合金，以减少这一侧的热损失。d.采用工艺垫片:在薄件或导电、导热性好的工件一侧垫一块由导热性较差的金属制成的垫片（厚度为0.2~0.3mm）,以减少这一侧的散热.5．凸焊工艺的特点凸焊是点焊的一种变形，通常是在两板件之一上冲出凸点，然后进行焊接。由于电流集中，克服点焊熔核偏离的缺点，凸焊时工件的厚度比可以达6：1。凸焊时，电极必须随着凸点的被压溃而迅速下降，否则会因失压而产生飞溅因此应选用较大的电极压力，为防止凸点移位，还应选用较小的焊接电流。凸焊的工艺参数a．电极压力:凸焊的电极压力取决于被焊金属的性能，凸点的尺寸和一次焊成的凸点数量等。电极压力应足以在凸点达到焊接温度时将其完成压溃，并使两工件紧密贴合。电极压力过大会过早的压溃凸点，失去凸点的作用，同时因电流密度见效而降低接头强度。压力过小又会引起严重飞溅，因此凸焊机的随动性越高越好，提高随动性的方法主要是减小加压系统可动部分的质量，以及在导向部分采用滚动摩擦。b．焊接时间：对于给定的工件材料和厚度，焊接时间由焊接电流和凸点刚度决定。在凸焊低碳钢和低合金钢时，与电极压力和焊接电流相比，焊接时间是次要的。在确定合适的电极压力和焊接电流后，在调节焊接时间，以获得满意的焊点。如想缩短焊接时间，就要相应增大焊接电流，但过分增大焊接电流可能引起金属过热和飞溅，通常凸焊的焊接时间比点焊长，而电流比点焊小。多点凸焊的焊接时间稍长于单点凸焊，以减少因高度不一致而引起各点加热的c．焊接电流：凸焊每一焊点所需电流比点焊同样一个焊点时小。但在凸点完全压溃之前电流必须能使凸点熔化。推荐的电流应该是在采用合适的电极压力下不至于挤出过多金属的最大电流。对于一定凸点尺寸，挤出的金属量随电流的增加而增加。采用递增的调幅电流可以减小挤出金属。和点焊一样，被焊金属的性能和厚度仍然是选择焊接电流的主要依据。d.多点凸焊时，总的焊接电流大约为每个凸点所需电流乘以凸点数。但考虑到凸点的公差、工件形状，以及焊机次极回路的阻抗等因素，可能需要做一些调整。凸点位置，凸焊时还应做到被焊两板间的热平衡，否则，在平板未达到焊接温度以前凸点便已熔化。焊接异种金属时，应将凸点冲在电阻率较高的工件上。但当在厚板上冲出凸点有困难时，也可在薄板上冲凸点。电极也影响两工件上的热平衡，在焊接厚度小于0.5mm的薄板时,为了减少平板一侧的散热,常用钨-铜烧结材料或钨做电极的嵌块．6．储能焊接和交流焊接的区别贴聚氯乙烯塑料面钢板的凸焊法1.用这种方法焊接，在焊接钢板时，钢板上的塑料薄膜不用剥离就能直接焊接．2.通电方法：贴聚氯乙烯塑料面钢板的凸焊，是以单面单点或单面双点方式进行凸焊的应用实例之一。因为绝缘性的聚氯乙烯塑料贴满钢板表面，故不能采用普通的双面点焊，而采用单面单点或单面双点方式进行凸焊。一般采用图如上图所示的通电方法，因为无分流，采用单面双点方式最有效果。当贴聚氯乙烯塑料面钢板彼此之间进行焊接时，必须除去一部分聚氯乙烯塑料之后再冲出凸点。1.凸点的形状：凸点形状必须采用下图形状，即将凸点分成两段：h段和H段。由于增高了H段部分，焊接接头以外的区域就不易接触。当焊接之后，紧接着提高电极压力，压溃H段部分，因而不会产生板间间隙。2.焊接方法为了不压坏凸点，开始加以低的电极压力，在通电后，紧接着要提高电极压力，这就要求电极的要有极高的随动性能。点焊方法和工艺一、点焊方法分类对焊件馈电进行电焊时，应遵循下列原则：①尽量缩短二次回路长度及减小回路所包含的空间面积，以节省能耗；②尽量减少伸入二次回路的铁磁体体积，特别是避免在焊接不同焊点时伸入体积有较大的变化，以减小焊接电流的波动，保证各点质量衡定（在使用工频交流时）。1.双面单点焊所有的通用焊机均采用这个方案。从焊件两侧馈电，适用于小型零件和大型零件周边各焊点的焊接。2.单面单点焊当零件的一侧电极可达性很差或零件较大、二次回路过长时，可采用这个方案。从焊件单侧馈电，需考虑另一侧加铜垫以减小分流并作为反作用力支点（图1d）。图1c为一个特例。3.单面双点焊从一侧馈电时尽可能同时焊两点以提高生产率。单面馈电往往存在无效分流现象（图1f及g），浪费电能，当点距过小时将无法焊接。在*些场合，如设计允许，在上板二点之间冲一窄长缺口（图1f）可使分流电流大幅下降。4.双面双点焊图1b及j为双面双点的方案示意。图2-12b方案虽可在通用焊机上实施，但两点间电流难以均匀分配，较难保证两点质量一致。而图1j由于采用推挽式馈电方式，使分流和上下板不均匀加热现象大为改善，而且焊点可布置在任意位置。其唯一不足之处是须制作二个变压器，分别置于焊件两侧，这种方案亦称推挽式点焊。两变压器的通电需按极性进行。5.多点焊当零件上焊点数较多，大规模生产时，常采用多点焊方案以提高生产率。多点焊机均为专用设备，大部分采用单侧馈电方式见图1h、i，以i方式较灵活，二次回路不受焊件尺寸牵制，在要求较高的情况下，亦可采用推挽式点焊方案。目前一般采用一组变压器同时焊二或四点（后者有二组二次回路）。一台多点焊机可由多个变压器组成。可采用同时加压同时通电、同时加压分组通电和分组加压分组通电三种方案。可根据生产率、电网容量来选择合适方案。二、点焊循环点焊过程由预压、焊接、维持和休止四个基本程序组成焊接循环，必要时可增附加程序，其基本参数为电流和电极力随时间变化的规律。1.预压（F＞0，I=0）这个阶段包括电极压力的上升和恒定两部分。为保证在通电时电极压力恒定，预压时间必须保证，尤其当需连续点焊时，须充分考虑焊机运动机构动作所需时间，不能无限缩短。预压的目的是建立稳定的电流通道，以保证焊接过程获得重复性好的电流密度。对厚板或刚度大的冲压零件，有条件时可在此期间先加大预压力，而后再回复到焊接时的电极力，使接触电阻恒定而又不太小，以提高热效率。2.焊接（F=Fω，I=Iω）这个阶段是焊件加热熔化形成熔核的阶段。焊接电流可基本不变（指有效值），亦可为渐升或阶跃上升。在此期间焊件焊接区的温度分布经历复杂的变化后趋向稳定。起初输入热量大于散失热量，温度上升，形成高温塑性状态的连接区，并使中心与大气隔绝，保证随后熔化的金属不氧化，而后在中心部位首先出现熔化区。随着加热的进行熔化区扩大，而其外围的塑性壳（在金相试片上呈环状故称塑性环）亦向外扩大，最后当输入热量与散失热量平衡时达到稳定状态。当焊接参数适当时，可获得尺寸波动小于15%的熔化核心。在此期间可产生下列现象：⑴液态金属的搅拌作用液态金属通电时受电磁力作用产生漩涡状流动，当把熔核视作地球状且电极端处为二极，其运动方向为——赤道部分由周围向球心流动而后流经两极再沿外表向赤道呈封闭状流动。对于同种金属点焊，搅拌仅需将焊件表面的氧化膜搅碎即可，但异种金属点焊时，必须充分搅拌以获得均质的熔化核心。如通电时间太短，搅拌不充分将产生漩涡状的非均质熔核。⑵飞溅飞溅按产生时期可分为前期和后期两种；按产生部位可分为内飞溅（处于两焊件间）和外飞溅（焊件与电极接触侧）两种。前期飞溅产生的原因大致是：焊件表面清理不佳或接触面上压强分布严重不匀，造成局部电流密度过高引起早期熔化，此时因无塑性环保护必发生飞溅。防止前期飞溅的措施有：加强焊件清理质量，注意预压前的对中。有条件时可采用渐升电流或增加预热电流来减慢加热速度，避免早期熔化而引起飞溅。后期飞溅产生的原因是：熔化核心长大过度，超出电极压力有效作用*围，从而冲破塑性环在径向造成内飞溅，在轴向冲破板表面造成外飞溅。这种情况一般产生在电流较大、通电时间过长的场合。可用缩短通电时间及减小电流的方法来防止。飞溅在外表面首先影响外观，其次产生的疤痕影响耐腐蚀及疲劳性能。内部飞溅的残迹有可能在运行时脱落，如进入管路（如油管）将造成堵塞等严重事故。⑶胡须在加热到半熔化温度的熔核边缘，当*些材料（如高温合金）中低熔点夹杂物较多聚集在晶界处时，这部分杂质首先熔化并在电极压力的作用下被挤出呈空隙。在随后的过程中，空间有时能被液态金属充填满，但亦可能未充填满，这种组织形貌在金相试样上称为胡须，而未充填满的胡须犹如裂纹是一种危险缺陷。3.维持（F＞0，I=0）此阶段不再输入热量，熔核快速散热、冷却结晶。结晶过程遵循凝固理论。由于熔核体积小，且夹持在水冷电极间，冷却速度甚高，一般在几周内凝固结束。由于液态金属处于封闭的塑性壳内，如无外力，冷却收缩时将产生三维拉应力，极易产生缩孔、裂纹等缺陷，故在冷却时必须保持足够的电极压力来压缩熔核体积，补偿收缩。对厚板、铝合金和高温合金等零件希望增加顶锻力来达到防止缩孔、裂纹。这时必须精确控制加顶锻力的时刻。过早将因液态金属因压强突然升高使塑性环被冲破，产生飞溅；过晚则因凝固缺陷已形成而无效。此外加后热缓冷电流，降低凝固速度，亦有利于防止缩孔和裂纹的产生。4.休止（F＞0，I=0）此阶段仅在焊接淬硬钢时采用，一般插在维持时间内，当焊接电流结束，熔核完全凝固且冷却到完成马氏体转变之后再插入，其目的是改善金相组织。三、点焊焊接参数当采用工频交流电源时，点焊参数主要有焊接电流、焊接（通电）时间、电极压力和电极尺寸。1.焊接电流Iω析出热量与电流的平方成正比，所以焊接电流对焊点性能影响最敏感。在其它参数不变时，当电流小于*值熔核不能形成，超过此值后，随电流增加熔核快速增大，焊点强度上升（图3中AB段），而后因散热量的增大而熔核增长速度减缓，焊点强度增加缓慢（图3中BC段），如进一步提高电流则导致产生飞溅，焊点强度反而下降。所以一般建议选用对熔核直径变化不敏感的适中电流（BC段）来焊接。在实际生产中，焊接电流的波动有时甚大，其原因有：①电网电压本身波动或多台焊机同时通电；②铁磁体焊件伸入焊接回路的变化；③前点对后点的分流等。除选择对焊接电流变化较不敏感的参数外，解决上述问题的方法是反馈控制。目前最常用的有网压补偿法、恒流法与群控法。网压补偿法可用于所有各种情况，恒流法主要用于第②种情况，不能用于第③种情况，群控法仅用于第①种情况。2.焊接时间tω通电时间的长短直接影响输入热量的大小，在目前广为采用的同期控制点焊机上，通电时间是周（我国一周为20ms）的整倍数。在其它参数固定的情况下，只有通电时间超过*最小值时才开始出现熔核，而后随通电时间的增长，熔核先快速增大，拉剪力亦提高。当选用的电流适中时，进一步增加通电时间熔核增长变慢，渐趋恒定。但由于加热时间过长，组织变差，正拉力下降，会使塑性指标（延性比Fσ/Fτ）下降（图4）。当选用的电流较大时，则熔核长大到一定极限后会产生飞溅。3.电极压力F电极压力的大小一方面影响