钢桶的焊接工艺研究

辛巧娟

在钢桶生产中，焊接工序是钢桶生产的主要质量控制工序，焊接质量的好坏，将直接影响钢桶的质量。现在全世界的钢桶焊接几乎都是采用电阻焊技术。

一、钢桶电阻焊焊接原理

钢桶电阻焊是将被焊桶件压紧于两电极之间，并能以电流，利用电流流经桶件接触及邻近区域产生的电阻热将其加热到熔化或塑性状态，断电后，在压力继续作用下，使之形成牢固接头的金属结合的一种方法。

电阻焊的主要方法有4种。即点焊、缝焊、凸焊、对焊。在钢桶生产中应用最频繁的是点焊和缝焊。

1．钢桶电阻焊的特点

钢桶电阻焊有两个显著特点：

·采用内部热源——利用电流通过焊接区的电阻产生的热量进行加热。

·必须施加压力——在压力的作用下，通电加热、经过水冷或风冷冷却后，形成接点。

由此可见，要获得适当的电阻热，必须有外加电源，并始终在压力的作用下进行焊接。所以，焊接电流IW，电极压力Fw是形成电阻焊接头的最基本条件。至于焊接过程中这两个参数如何变化，则要根据焊件的材料、结构特点、性能及焊接设备而定。

2．电阻（焊接）热的产生及影响产热的因素

焊接时产生的热量可由下式计算：

Q=I²Rt…… (1) 

式中Q-产生的热量(J)；

I——焊接电流(A)；

R——电极间电阻(Q)；

t——焊接时间(S)。

电阻R及影响R的因素  式(1)中的电极问电阻包括桶件本身电阻Rw，两桶件间接触电阻Rc电极与桶件间接触电阻Rw（图1）。

R = 2Rw + Rc + 2Rew…… (2)

当桶件和电极已定时，桶件的电阻取决于它的电阻率。因此，电阻率是被焊钢桶材料的重要性能指标。电阻率高的材料其导热性差，电阻率低的材料其导热性好。这是因为，电阻率与电阻成反比。

电极压力的变化将改变桶件与桶件、桶件与电极间的接触面积，从而也将影响电流线的分布（参见图1）。随着电极压力的增大，电流线的分布将较分散，因此桶件电阻将减小。

图1  点焊时的电阻分布和电流线

熔核开始形成时，由于溶化区的电阻增大，将迫使更大部分电流从其周围的压接区（塑性焊接环）流过。使该区再陆续熔化，熔核不断扩大，但熔核直径受电极端面直径的制约，一般不超过电极端面直径的20 070，熔核过分扩大，将使塑性焊接因失压而难以形成，从而导致熔化金属的溅出（飞溅）。

接触电阻R是桶件与桶件之间接触通电时所形成的电阻。当桶件和电极表面都清理得十分洁净时，接触电阻仅在通电开始极短的间内存在，随后就会迅速减小以至消失。

接触电阻尽管存在的时间极短，但在以很短的加热时间点焊薄钢板时，对熔核的形成和焊点强度的稳定性仍有非常显著的影响。

Rew与Rc相比，由于铜合金（电极材料）的电阻率和硬度一般比桶件低，因此Rew比Rc更小，对熔核形成的影响也更小。

焊接电流的影响  从式(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。

焊接时间的影响  为了保证熔核尺寸和焊接强度，焊接时间与焊接电流在一定范围内可以互为补充。为了获得一定强度的焊点，可以采用大电流和短时间；也可以采用小电流和长时间。最终选择哪种方法，取决于焊接金属的性能、厚度及使用焊机的功率。

电极压力的影响  电极压力对两电极间总电阻R有显著影响，随着电极压力的增大，R显著减小。此时焊接电流虽略有增大，但不能影响因R减小而引起产热的减少。因此，焊接强度总是随着电极压力的增大而降低，如图2所示。

图2    电极压力F对焊点抗强度Fi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，因而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，接触面积将增大，焊点强度将降低oQ

桶件表面状况的影响  桶件表面上的氧化物、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。氧化物层的不均匀性还会影响各个焊点加热的不一致，引起焊接质量的波动。因此，彻底清理桶件表面是保证获得优质焊接质量的必要条件。

二、钢桶电阻焊的优缺点

（一）优点

1．熔核形成时，始终被塑性环包围，熔化金属与空气隔绝，冶金过程简单。

2．加热时间短，热量集中，故热影响区小，变形与应力也小。

3．不需要焊丝、焊条等填充金属，以及氧、乙炔、氩等焊接材料，焊接成本低。

4．操作简单，易于实现机械化和自动化，改善了劳动条件。

5．生产率高，且无噪声及有害气体，适用于大批量生产。

（二）缺点

1．目前还缺乏可靠的无损检测方法，焊接质量只能靠工艺试样和钢桶的破坏性试验来检查，以及靠各种监控技术来保证。

2．点、缝焊的搭接接头不仅增加了桶件的重量，且因在两板问熔核围形成夹角，致使接头的抗菌素拉强度和疲劳强度均较低。

3，设备功率大，机械化、自动化程度较高，使设备成本较高、维修较困难，并且常用的大功率单相交流焊机不利于电网的正常运行。

三、钢桶焊接工艺

应用于钢桶上的焊接主要是点焊和缝焊，这里我们着重谈谈点焊和缝焊工艺。

（一）钢桶点焊工艺

1．点焊的一般要求

一个好的焊点，从外观上，要求表面压坑浅、平滑呈均匀过渡，无明显凸肩或局部挤压的表面鼓起；不允许外有环状或径向裂纹；表面不得有熔化或粘附的铜合金。从内部看，焊点形状应规则、均匀，焊点尺寸应满足结构和强度的要求；核心内部无贯穿性或超越规定值的裂纹，结合线伸人及缩孔皆在规定范围内，焊点核心周围无严重过热组织及不允许的缺陷。

如果焊点的缺陷都在规定值内，那么，决结构接头强度与质量的便是焊点的形状与尺寸。焊点直径的大小直接决定了接头强度，不同的材料、厚度及厚度比，对焊点直径d要求不同，详见表1。

表1  钢桶点焊、缝焊接头推荐使用尺寸

一般取焊点直径d= 2δ+3（δ为板厚），在板件搭边厚度允许的条件下，焊点直径尽量选大一些。焊点高度用焊透率A%表示，单板焊透率（符号可参看图3）：

图3

A%=[单板上熔化核心高度α/（单板板厚δ-压坑深度c）]×100%

单板焊透率可取为20%～80%之间，按焊件的材料、板厚、结构特点等决定。焊透率过大，熔化核心接近表面，桶件表面易过热。造成深压坑或大量飞溅，结果导致应力集中，使承载性能变坏。从核心条件考虑，焊透率越大，熔化金属量越大，凝固结晶时收缩量也增大，易出现缩孔；同时，因收缩内应力增大，易出现裂纹，故焊透率一般取40%较好，焊透率过小，强度也低。薄件点焊时，因散热强烈，焊透率选用较小，有的取IO%左右，而不同厚度件点焊时，薄件焊透率取10%～20%即可。

2．钢桶点焊的规范参数

点焊质量与焊机的性能、焊接工艺规范有很大关系。焊接工艺规范指组成焊接循环过程和决定点焊规范特点的参数，主要有焊接电流IW，焊接压力Fw，通电时间tw。电极工作端面几何形状与尺寸等。这些参数之间有着密切的关系，可以在相当大的范围内变化以便控制焊接质量。为了正确选用规范参数，应掌握个参数的特点、作用及相互关系；了解规范选择的方法。

最简单的办法，可以用核心直径做为依据，将已知的规范换算为新的条件下的规范参数。材料类似时，宜用近似方法计算焊点直径d变化后的主要规范参数，常按下列关系式计算：

式中do、Io、t、Fo——已知的规范参数；

Dx、lx、tx、Fx——待定的规范参数。

表2为低碳钢板在点焊时按硬、中、软三种规范所推荐用的参数，可用来比较三种规范有关参数的差别，作为选用参数的参考。

表2 低碳钢钢桶点焊规范

板厚（mm）		0.5	0.8	1.0	1.2
电极	最小d	4.8	4.8	6.4	6.4
	最大D	10	10	13	13
最佳规范	焊接时间（周）	6	8	10	12
	电板压力（N）	1350	1900	2250	2700
	焊接电流（kA）	6.0	7.8	8.8	9.8
	核心直径（mm）	4.3	5.3	5.8	6.2
	抗剪强度±14%（N）	2400	4400	6100	7800
中等规范	焊接时间（周）	11	15	20	23
	电极压力（N）	900	1250	1500	1750
	焊接电流（kA）	5.0	6.5	7.2	7.7
	核心直径（mm）	4.0	4.8	5.4	5.8
	抗剪强度±17%（N）	2100	4000	5400	6800
一般规范	焊接时间（周）	24	30	36	40
	电极压力（N）	450	600	750	850
	焊接电流（kA）	4.0	5.0	5.6	6.1
	核心直径（mm）	3.6	4.6	5.3	5.5
	抗剪强度±20%	1750	3550	5300	6500
备注

3．桶身点焊定位

一般容积在50L以上的钢桶，桶身缝焊前均要进行点焊定位，为了使桶身在缝隙时不产生歪斜，搭边不均等缺陷。

对于200L钢桶来说，一般应有两端及中问三个焊点，焊点直径为6mm。要求搭边均匀一致，不得有错，搭边尺寸一般为12±1 mm，焊点要牢固，但不允许有烧焦及烧穿等现象；对于200L以下的钢桶来说，焊点至少也要有两个方能定位。

一般要求桶身两边的焊点不要离边缘太近，防止影响其翻边及卷封的质量。

（二）钢桶缝焊工艺

1．钢桶缝焊的特点

常用缝焊焊缝均由一个个焊点组成。按核心熔化重叠度不同，可以分为滚点焊或气密缝焊。钢桶桶身的缝焊属于气密缝焊。组成I气密缝焊的各个焊点的形成过程与点焊一样。

2．桶身缝焊的一般要求

缝焊接头的形成本质上与点焊相同，因而影响焊接质量的诸因素也是类似的。

表3为低碳钢板的桶件缝焊时所用规范。

以焊接200L钢桶桶身为例，一般钢材为：08号优质炭素钢板、热轧板或A2、A3普通炭素钢冷轧板。材料厚度多为δ = 1.25mm。

采用FNl-150-5型缝焊机进行缝焊时，焊接速度为1.5～3m/min；焊接电流为14000～18000A;电极压力为2～3kg/cm²；焊缝宽度为5 .5^+0.5 mm。

工艺要求为：焊缝两端应脱焊，但脱焊长度不得超过3 mm，也不允许出现拉长凸嘴，焊缝强度不得低于原材料的抗拉强度。焊缝要求平直，不得扁斜或脱出搭边，无开焊或裂边。焊缝外观要均匀，不得出现起泡、飞刺、烧黑或烧起皮现象。

四、钢桶材料点焊、缝焊的特点

钢桶的材料多为低碳钢。低碳钢因电阻率较高，要求焊机功率不很大；塑性温度区宽，易于获得应有塑性变形，不需要很高的电极压力；结晶温度区窄，高温塑性良好，线膨胀系数不很高，因而热裂纹倾向小；碳元素与微量元素低，无高熔点氧化物，一般不会出现淬火组织或夹杂物。因此，点焊、缝焊中不需要采用复杂工艺措施，焊接质量良好。但对冷轧低碳薄钢板，在用软规范点焊时，会因长时间加热使核心周围热影响区扩大，晶粒长大及软化区显，所以当接头强度要求较高时，不宜采用过长的脉冲时间加热。热轧低碳薄钢板表面有较厚的氧化皮，若清理不良时，易使电极与桶件表面粘连，在材料加热膨胀中，可能形成深压坑，焊后抬起电极时，可能因粘连而拔松电极头，使冷却水渗出，并严重影响焊件表面质量与电极寿命，故应认真清理氧化皮。冷轧钢板表面的防锈油在点焊中可以挤出焊接点之外，一般不影响焊接质量，可以不清理。但涂油过厚时也要拭净，以免因油内杂质进人焊接区而增加电极损耗。缝焊时应进行表面清理（磨边），否则会出现气孔、裂纹，影响焊缝气密性。

低碳钢薄桶件点焊、缝焊规范如表2和表3。

表3 低碳钢钢桶缝焊规范

板厚（mm）		0.4	0.8	1.0	1.2
焊轮宽度	最小b（mm）	3.7	4.7	5.1	5.4
	标准b（mm）	5.3	6.5	7.1	7.7
	最小B（mm）	11	13	14	14
电极压力	最小（N）	2000	2500	2800	3000
	标准（N）	2200	3300	4000	4700
最小搭边尺寸	最小（mm）	7.2	9.3	10	11
	标准（mm）	10.2	12.5	13.5	14.5
高速缝焊	焊接时间（周）	2	2	2	2
	间隔副局级（周）	1	1	2	2
	焊接速度（m/min）	2.8	2.6	2.5	2.4
	焊接点数（点数/10mm）	4.2	4.6	3.6	3.7
	焊接电流（kA）	12	15.5	18	19
中速缝焊	焊接时间（周）	2	3	3	4
	间隔时间（周）	2	2	3	3
	焊接速度（m/min）	2	1.8	1.8	1.7
	焊接点数（点数/10mm）	4.5	4.9	3.4	3.0
	焊接电流（kA）	9.7	13	14.5	16
低速缝焊	焊接时间（周）	3	2	2	2
	间隔时间（周）	3	4	4	4
	焊接速度（m/min）	1.2	1.1	1.0	0.9
	焊接点数（点数/10mm）	5.1	5.7	6.0	5.3
	焊接电流（kA）	8.6	11.7	13	14
备注	焊轮形状尺寸

表中焊点直径按板厚决定，即d=aδ，系数a按所用规范的软硬程度分别为5、5.6、6（软规范选用大的直径系数）。电极多用圆锥形，工作端面直径与核心直径接近。通电时间tw与板厚8成正比增加，而电流密度j与板厚8 5成反比。电极压力Fw应参考焊接电流IW，选用适当值，以便使生产飞溅的Fw为最佳值。Fw过大，会使熔化核心尺寸过小，因而由扩大的塑性环参与受力，结果使强度降低，波动性增大。

缝焊前定位点焊的规范小于正式点焊规范。定位点焊偏离焊缝轴线不超过1mm。

低碳钢缝焊焊速一般为1.5 m/min，如焊接过程全自动化，无须手动控制焊缝位置，而且焊机容量足够时，也可采用2～3m/min的焊接速度。当焊件厚度增大时，焊速应降低，以保证核心质量及焊透率。

钢桶材料也常采用镀锌钢板、镀锡钢板等。点焊时主要问题是表面层易破坏，失去原有涂覆层的作用，电极易与板件表面层粘连，电极寿命短；缝焊时不易保证气密性等。

因锌的熔点仅为692K，点焊时，板件间接触表面上锌层熔化范围比板间原擎触范围宽，焊接区涂覆层熔化而挤出的锌与焊接区周围超过692K地带熔融的锌同时挤于板缝内，形成两板间良好的导电条件，电流场被扩大，接触面上电流密度大为降低。当核心直径处于临界状态时，电流略有波动则出现未焊透。从这一点出发，点焊涂覆层钢板时，应增大电接电流Iwo而镀层熔点越低，Iw应越大。为了能冲破涂覆层使点焊时各接触面有良好接触，并将已溶化的涂层挤于接触面之外，所以电极压力比低碳钢点焊时应提高20%～25%。国际焊接学会推荐镀锌钢板点焊规范见表4。当焊机功率不足时，也可采用小电流、低压力进行镀锌钢板的焊接，但必须避免出现压力与电流的分流现象。

表4  镀锌桶钢板点焊规范

涂覆钢板缝焊的问题与点焊相似，因镀层熔化范围更宽，分流严重，要求更大的电流方能焊接。当焊接接温度超过1173℃时，锌元素向热影响区扩散，接头组织脆性增加，一定条件下便形成由核心延伸到热影响区的裂纹。板件表面熔化锌层，与铜焊轮形成Cu-Zn。合金，增大了焊轮表面电阻，使散热更加加剧，粘连愈加严重：而表面层的过热进一步加强锌元素向热影响区的扩散，扩大了形成裂纹的机会。当核心内锌的蒸气由固熔的金属中析出时，便形成气孔。虽然气孔对焊缝气密性影响较小，但对裂纹的影响很大，是目前涂覆层钢桶缝焊的关键问题。为了减少裂纹，首先需要改善规范。试验证明，焊透率较小( 10%～20%)，裂纹等缺陷越少。而焊速高则表面过热、熔深大，易于出现裂纹。一般在满足因涂覆层熔化使分流增大的条件，尽量选用小电；焊接速度应低些，并使用强烈外部水冷。焊轮用压花滚轮带动，以随时修正并清理滚轮表面保持预定的滚轮密度。镀锌板缝焊规范参考表5。

表5  镀锌桶钢板缝焊规范

其他镀覆层钢板焊接时，出现的问题及采取措施与镀锌板类似。

五、钢桶点焊、缝焊接头的缺陷分析

钢桶点焊、缝焊焊件的缺陷分为焊接接头外部缺陷，内部缺陷和焊接件结构缺陷等三类。

1．外部缺陷    焊点外表面应平滑，没有裂纹及粘附的电极金属、深压坑、飞溅、边缘胀裂、焊点烧穿等外部缺陷。板间间隙一般以不大于两外侧板平均厚度的10%为限，表面压坑深度一般不超过10%。接头常见外部缺陷，其产生原因和改进措施等综合列于表6；各类接头允许存在的最大缺陷的数量，包括修补后允许的缺陷数量参考表7。

表6 钢桶点焊、缝焊接头常见外部缺陷及其产生原因

表7 各类等级的钢桶焊接接头允许的最大缺陷数量级

注：①缺陷总数/焊点总数：A级接头不大于10%；B级接头不大于15%；C级接头不大于20%。

②缝焊时不允许有延伸到表面的裂纹。

③超过允许值的缺陷数。

2．内部缺陷  接头常见的内部缺陷及其形成的主要原因，现综合列于表8。

表8 钢桶焊接接头的内部缺陷及其产生原因

3．焊接件缺陷  当焊接件装配不良，选规范不当或机臂刚度差时，则可能出现板件间起皱、错位或变形等结构缺陷，严重时不能使用。其形成原因及改进措施参看表9。

表9  桶件焊接的缺陷及其产生原因

接头内部和外部缺陷在一定范围内是允许修复的。修复点焊、缝焊接头缺陷的常用方法可参考表10。

表10  钢桶焊接缺陷修复的方法