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从电阻焊的原理说起

文|杨文亮

一、电阻焊及其焊接原理

电阻焊是将被焊工件压紧于两电极之间,并通以电流,利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热将其加工到熔化或塑性状态,使之形成金属结合的一种方法。

电阻焊接示意图

二、电阻焊形成的几个阶段

预压阶段:通电之前向焊接件加压,建立良好的接触与导电通路,保持电阻稳定。

焊接时间:向焊件通电加热形成熔核。

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。

冷却结晶阶段:当熔核达到合格的形状与尺寸之后,切断焊接电流,熔核在电极力作用下冷却。

为了改善焊接点的性能,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;

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,提高焊接点的力学性能,或在不加大锻压力的条件下,防止裂纹和缩孔。

三、实现焊接的基本条件

1)工件接触间一定的接触电阻: R

2)接触电阻R上通过一定的电流: I 

3)接触电阻R上通过电流具有一定的时间:t

4)工件上具有一定的压力:

5)电极上具有一定的冷却温度:

四、电阻焊的优缺点

优点:

1)生产效率高,无噪声和有害气体(闪光对焊有火花要隔离),适合大量生产

2)加热时间短,热量集中,焊接质量好

3)无填充材料和保护气体,低成本、节省材料

4)劳动条件较好

5)易于自动化,操作简单

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。

缺点:

1)焊接过程进行的很快。若焊接时由于某些工艺因素发生波动,对焊接质量的稳定性有影响时往往来不及进行调整。 

2)设备比较复杂,对维修人员技术要求较高。

3)焊接的厚度,形状和接头形式受到一定程度的限制。

4)缺少简便、实用的无损检测手段。

五、电阻焊分类


1)焊接方式

2)焊接特点

点焊:工件搭接;柱状电极;熔核连接;通常板厚小于4mm。

凸焊:工件搭接;工件有凸点;平板电极;熔核连接;一次可焊多点。

缝焊:工件搭接;盘状滚动电极;排点状焊缝(连续或断续);通常板厚小于3mm。

对焊:对接接头;电阻对焊(焊接直径小于20mm);闪光对焊(大截面工件);对接端面平整;钳口式电极;焊后接头变粗;闪光对焊接头处有毛剌。


3)焊机电源原理

高频焊接机:

直流线性焊接机:

电容储能焊接机:

交流焊接机:

六、电阻热产生及其影响因素

电阻热:Q=IIRT

其中Q—电阻点焊能量;I—焊接电流;R—电焊过程中的动态电阻;T—焊接时间。

影响因素:电流、焊接时间、电阻、电极压力、电极形状和材料性能、工件表面状况等。

电阻焊散热:Q=Q1+Q2

其中Q1—形成熔核的热量,10%-30%Q;Q2—损失的热量(电极,工件,大气)。

点焊时,只有较小部分用于形成熔核,较大部分将因向临近物质传导和辐射掉。

1、电阻

R=2Rew+2Rw+Re

Rew--电极和板材接触面处的电阻(一般忽略)

Re--板材与板材接触面处的电阻

Rw--板材自身的电阻


焊接电阻分布

电阻Rw为电极间电阻包括工件本身,取决于它本身的电阻率。

电阻率高的金属(Rw大),导电性和导热性差(如不锈钢);相反,电阻率低的金属导电性和导热性好(如铝),故点焊不锈钢时产热多而散热慢,可采用较小电流(几千安培);点焊铝时,产热少而散热快,必须用大电流(几万安培)。

电阻率与金属的热处理状态和加工方式有关。

通常金属中含合金元素越多,电阻率超高;淬火状态又比退火状态的电阻率高。

各种金属的电阻率与温度有关。

随着温度的升高,电阻率增大,且金属熔化时的电阻率比熔化前高1~2倍。

电阻Re为焊件间接触电阻,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:

a)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。

b)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集中。由于电流通路的缩小而增加了接触处的电阻。

2、焊接电流

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。

焊接时电流选用应接近C点处,抗剪强度增加缓慢,越过C后,由于飞溅或工件表面压痕过深,抗剪强度会明显降低。

引起电流变化的主要原因是电网电压波动和回路阻抗变化。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

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范围内可以相互补充。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,又称硬规范),也可采用小电流和长时间(弱条件,也称软规范)。选用硬规范还是软规范,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

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,以弥补电阻减小的影响,保持焊接强度不变。电极压力过小,将引起飞溅,也会使焊点强度降低。

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5、电极材料和形状

电极是保证阻焊质量的重要零件,它应具备向工件传导焊接电流、压力、散热等功能。

电极材质应具有足够高的电导率、热导率和高温硬度。电极的结构必须有足够的强度、刚度以及充分冷却的条件。

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,对电极头的维护尤为重要。

6、工件表面

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。

电阻焊三要求:

七、点焊几个注意点:

1、焊点最小间距:


焊点间距过小,易通过已焊点而产生分流现象,使得熔核尺寸减小,焊点强度降低。

2、不同材料和板厚:

当进行不同材料或厚度的点焊时,熔核将不对称于其交界,而是向厚板或导电、导热性差的一边偏移,偏移的结果将使焊点强度降低。熔核偏移是由两工件产热、散热条件不相同引起的。

厚度不等时:熔核偏向厚件。

材料不同时:熔核偏向导电、导热性差的材料侧。

3、熔核偏移的调整

调整熔核偏移的原则是:增加薄板或导电、导热性好的工件的产热而减少其散热。

常用的方法有:

(1)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。

(2)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,相反的则用大直径的。  

(3)采用不同的电极材料薄件或导电、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。

(4)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垫片(厚度为0.2~0.3mm).以减少这一侧的散热。

八、电阻焊常见故障分析

1、焊点被烧穿;

2、焊点压痕过大;

3、焊点太小或强度不够;

4、焊点有烧痕或划痕;

5、焊接时飞溅大;

6、焊点有裂纹

九、电阻焊检验和质量控制

1、破坏性试验

图38

2、非破坏性检验及微观检验

图39

3、电阻点焊实时监控

图40

十、焊接机的维护保养

1、冷却系统   

每日检查水流是否畅通,是否有漏水现象,电极、握杆局部是否发热。

每月检查冷却系统是否畅通,及时发现和清除水管中的水垢或阻塞物,对各个水管接头进行检查,若有渗透现象应及时排除,以确保变压器、可控硅等重要部件的工作安全和焊接作业的正常进行。

每年检查水管等有无老化破损,若有请及时更换。

2、加压系统:

每日检查空气过滤器内是否有积水,应及时将其排去。

每周检查油雾器和空气过滤器。

每月注意清除消音器上的灰尘和堵塞物,保持毛细孔的畅通,气缸和活塞杆动作是否平滑,是否有磨损需要更换。

3、控制系统:

每日对控制系统进行检查,检查焊接参数的设置是否正确。

每月对主电路板可控硅组件等部件上的灰尘油污等杂质应及时清除以及电缆接头是否有松动,表面是否有破损及是否发烫。(应切断电源后进行)。

每年应利用仪器检查焊接电流与设定的参数是否一致。(最好请专业人员进行检测)。

4、电极:

电极头表面应符合工艺要求,若磨损、氧化、变形或有其他不正常现象,应及时修磨或更换,以保证焊接作业的质量。需要定义电极形状及更换标准。

电极间的距离及对中程度应保证电极压紧时有压力,若不能满足要求,必须及时调整,否则会产生飞溅或焊接不良或压坏产品的风险。

调整电极时,不允许用铁锤等硬物敲击,应用木锤轻敲调整。调整后,应拧紧各紧固件,确保电极工作稳定可靠。

十一、电极的选择

1、电极的要求

电极的作用是对焊件施加压力并向焊接区传输电流,因此应满足如下要求:

(1)高的电导率和热导率,以延长电极的使用寿命,改善焊件表面受热状况

(2)高的高温强度和硬度,具有良好的抗变形和抗磨损能力

(3)高温下与焊件形成合金的倾向小,物理性能稳定,不易粘附

(4)材料成本低,加工方便,变形或磨损后便于更换

(5)综合性能考量。电极材料主要是铜和铜合金,或钨、钼等。

2、电极分类

第一类:导电最好、强度最差,如铜及铜合金,如E-Cu(、Cu-Cd、Cu-Ag合金。

适用于要求电流密度高但高温强度差的焊件例如焊铝及铝合金也可用于镀层钢板的焊接。还常用于制造不受力或低应力的导电部件。

第二类:导电适中、强度亦适中适用于大多数件,汽车行业均采用此类铜合金,如Cr-Cu(铬青铜),Cr-Zr-Cu(铬锆铜),Co-Be-Cu(铍钴铜)等。

它是最通用的电极材料,广泛地用于点焊低碳钢、低合金钢、不锈钢、高温合金、电导率低的铜合金、以及镀层钢等。还适用于制造轴、夹钳、台板、电极夹头、机臂等电阻焊机中各种导电构件。

第三类:导电较差,但强度(主要是高温强度)最好,具有更高的力学性能,耐磨性好,如铬锌青铜、MЦ4合金、Mo、WCu、W。

适用于焊接强度及硬度较高的不锈钢、高温合金等。

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图25

十二、金属材料的可焊性及评定指标

可焊性是指用来相对衡量金属在一定焊接工艺条件下,实现优质接头难易程度的尺度。

评定材料点焊可焊性的指标通常有:

1)材料的导电性和导热性  导电、导热性好的材料 ,其可焊性较差

2)材料的高温和常温强度  此强度越大,可焊性越差,易产生飞溅

3)材料的线胀系数  线胀系数越大,点焊是易产生裂纹等缺陷,焊后翘曲变形大。

4)材料的热敏感性  热敏感性越强的材料,焊接易出现淬硬组织或裂纹等缺陷。

5)材料的熔点以及电极材料形成合金的倾向  熔点越高,点焊时电极易变形和磨损,可焊性差。有些表面镀有低熔点且易与电极形成合金的镀层材料,焊接时易使电极沾污,可焊性差。


 

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