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电阻焊的加热
双击自动滚屏 发布者:chinaweld 发布时间:11/8/2007 阅读:10722

 

 

 

 

电阻焊的加热

 

 

电阻焊过程的物理本质,是利用焊接区本身的电阻热和大量塑性变形能量,使两个分离表面的金属原子之间接近到晶格距离形成金属键,在结合面上产生足够量的共同晶粒而得到焊点、焊缝或是对接接头。因此,电阻焊接头是在热-机械(力)联合作用下形成的。而电阻焊时的加热,是建立焊接温度场、促进焊接区塑性变形和获得优质连接的基本条件。

一、电阻点焊的加热

焊件装配成搭接接头,并压紧在两电极之间,利用电流通过焊件时产生的电阻热熔化母材金属,冷却后形成焊点,这种电阻焊方法称为点焊。

1. 电阻点焊的热源

电阻点焊的热源是电流通过焊接区(图 1)产生的电阻热。根据焦耳定律,总热量Q

                           QI2Rt

                       RRc2Rew2Rw

式中    I──焊接电流;

       Rc──焊件间接触电阻;

      2Rew──电极与焊件间接触电阻;

       2Rw──焊件内部电阻;

        t──通过焊接电流的时间。

1Rew上产生的热量  Rew产生的热量与各自材料的热导率分配给电极和焊件成正比。通常点焊时,电极采用高热导率的铜合金,焊件则为低热导率的被焊金属,因此分配给焊件的这部分热量对焊件的加热贡献甚微,可以忽略。

2Rw上产生的热量  焊件的电阻Rw就是电流流经两电极直径所限定的金属圆柱体的电阻,该与焊件厚度、材料的电阻率成正比,与电极与焊件间接触面的直径平方成反比。

3Rc上产生的热量  接触电阻Rc大小与电极压力、材料性质、表面状态及温度有关。随着电极压力增大,焊件表面凸点被压溃,氧化膜也被破坏,接触点数量和面积随之增加,接触电阻相应减小。

2. 熔核形成过程

熔核是液态金属冷凝后的产物,因此熔核中央均被加热到金属熔点之上,其边界则是最高温度为熔点的等温面,研究焊件内部各点温度分布规律对了解熔核形成过程有重要意义。

根据热传导原理,各点的温度变化是由该点瞬时输入、输出热量之差与该点本身发热量有代数和引起的。输入或输出的热量是由其与相邻点的温度差引起的。各点的发热量则是电流通过产生的电阻热。由于各点电流密度、电阻率均随温度而变化,各点的发热量亦是变化的,为此要精确计算极为复杂。目前只能对简单模型在大型计算机上用有限元法估算。

1)加热时的电流分布  对于最普遍采用的圆锥形电极点焊等厚度钢板时,可忽略接触电阻,做计算机计算,可以绘出在通电开始时的电场分布和电流密度分布,如图2所示。图2(a)中与电流线垂直的曲面代表电场等位面,以下电极为基准值φ=0,上电极为全部电压降φ=100%。图2(b)则表示三个不同截面上电流密度分布状况。由图可见接触面处边缘电流密度最高。随着焊件的加热进程,温度不均匀上升,各点的电阻率不同,中央温度较高,电阻率较大,电流向外围扩散,电流密度分布亦将变化。中央熔化后,由于液态金属电阻率的跃变,电流较多向外围扩散,这种现象称绕流现象。

2)加热时的温度分布  加热开始时,焊件各点温度相同,无热传导,所以各点温升与各点的发热量成正比,电流密度高处温度最高。进一步通电加热,各点温升将取决于各点的发热和热传导的综合。热量总是由高温区向低温区传递,而温差越大热量传导越快。最后当发热量与散热量达到平衡时,温度不再上升。

3)热时间常数  自开始加热至达到热平衡需要一定时间,这段时间的长短与材料的热物理性和厚度有关。

二、对焊的加热

将焊件端面相对放置,利用焊接电流通过焊件产生的电阻热加热,并施加压力完成焊接的电阻焊方法成为对焊。

1. 对焊的分类

对焊可分为电阻对焊与闪光对焊两大类。

1)电阻对焊  将焊件装配成对接接头,使其端面紧密接触后通电,利用电阻热加热至塑性状态,然后施加顶锻力完成焊接的方法。分为等压式和变压式。

2)闪光对焊  将焊件装配成对接接头,接通电源后使其端面逐渐达到局部接触,利用电阻热加热这些接触点产生闪光,使端面金属熔化,直至端部在一定深度范围内达到预定温度分布时,迅速施加顶锻力完成焊接的方法。分为连续闪光对焊和预热闪光对焊两种。

2. 对焊的热源和加热

与点焊一样,对焊主要热源为电阻热。由于夹钳电极对焊件的夹紧力很大,所以电极与焊件间接触电阻很小。同时,该电阻又远离接合面,其析热对加热过程所起作用很小,可忽略不计。根据焦耳定律总热量Q

                           QI2Rt

                       RRc2Rew2Rw

焊件内部电阻Rw的计算公式为

                            RwmρTL/S                                                     1

式中    m──集肤效应系数;

ρT──焊接区金属的电阻率,是温度的函数,Ω·mm

L──焊件的调伸长度,mm

S──焊件的截面积,mm2

ρT随温度升高而增大,可用下式计算

ρT=ρ01+αθ)                                             2

式中   ρ0──273K时的电阻度,Ω·cm

α──材料电阻率的温度系数,K-1

θ──温度,K

由于焊接时温度成一定分布规律,且随加热过程的进行温度不断上升,在粗略估算时,ρT常取其平均值。

集肤效应系数随着导体直径而减小,随电流密度增大而增大。当圆钢直径小于2025mm时或铁磁性金属加热超过1036K(居里点)时,集肤效应可以忽略,即m1

电阻对焊和闪光对焊的接触电阻Rc在成因与数值上均有较大差别。

1)电阻对焊的接触电阻  因焊件间的接触面上存在微观不平或阻碍导电的杂质,所以电流在流过接触面附近时电流线会产生扭曲,使实际导电面积缩小而引起的附加电阻称为接触电阻。室温时的接触电阻可用下面的经验公式计算

Rcrc(F/10)-α                                                3

式中    rc──F10N时的接触电阻,Ω;

        F──焊件间所作用的压力,N

       α──与材料有关的指数,钢为0.650.75,铝为0.750.85

2)闪光对焊的接触电阻  当两焊件缓慢靠近时,端面上仅个别点接触。电流通过这些点时,由于电流密度极高,很快就形成熔化金属小滴(称作过梁)。当过梁进一步升温气化而爆破后即转入短暂的电弧过程,而后很快熄灭。随着焊件的靠近,在其他凸出部位又形成新的过梁。这种过梁与电弧不断交替的平均电阻即为闪光对焊的接触电阻。其值可用下列经验公式计算

式中    k──与材料性质有关的系数,对碳钢取1;对奥氏体钢取1.1

S──焊件截面积,cm2

υ──闪光速度,cm/s

J──电流密度,A/cm2

闪光对焊的接触电阻远比焊件导电部分的电阻Rw大,一般为1001500μΩ,且在闪光过程中始终存在,不像电阻对焊加热到某温度时将逐渐消失。闪光结束进入顶锻后,此接触电阻立即消失。

对焊过程中总电阻R的变化规律见图3

3)对焊时的温度分布  焊接区的温度分布是吸热与散热的综合结果,其分布曲线见图4

三、高频对接缝焊的加热

高频对接缝焊是电阻缝焊时焊件采用对接形式,利用10500kHz的高频电流进行焊接的方法。主要用于高频直缝焊管。根据高频电能导入方式,高频对接缝焊可分为高频接触焊和高频感应焊两类。

1. 高频接触焊

高频接触焊原理见图5(a)。带材成形为管坯并在挤压辊作用下,使对口两端面呈V形焊接区,V形顶端点成为会合点。高频接触焊时电流从电极直接输入,由于集肤效应和邻近效应的作用,使电流主要集中于V形焊接区端面表层,并在邻近会合点处电流密度最大,因而焊透性极好。同时,为集中V形回路磁场、增大管坯内表面感抗而减小分流,需要在管坯内安置阻抗器(采用铁氧体磁芯),其位置在挤压辊中心线略靠下。

2. 高频感应焊

高频感应焊原理见图5(b)。焊接是地,感应器通过高频电流在管坯中产生高频感应电流,可分为两部分:一部分为流过V形焊接区的电流即为焊接电流I;另一部分I′则从管坯外周表面流向内周表面形成循环电流并引起较大的能量损失。在管坯内需安装一种成组的簇氏阻抗器(铝质集管)。

3. 高频对接缝焊的热源和加热特点

1)高频对接缝焊的热源  高频焊接电流流过V形焊接区所析出的电阻热,即是高频对接缝焊的热源。

2)焊接区的温度分布  V形焊接区如图6所示。其中①~⑤为加热区间;⑤~⑦(或⑧)为挤压顶锻区间。在加热区间沿管坯中层面y方向(即加热深度方向)温度分布如图7所示。

图中曲线表明,由于集肤效应和邻近效应的强烈作用,越靠近对口端面表层电流密度越大,加热强度越大,因而该处温度亦越高;在加热区间沿指向会合点方向的不同位置上(中层面x方向上)温度分布如图8(a)所示,图中曲线表明,由于管坯对口端面形成V形回路使邻近效应逐渐加强,电流密度逐渐增大而使加热强度增大,因而该位置上温度亦越高,加热深度也越大。会合点及其邻近区域温度已超过金属熔点形成液态金属层,此时往往出现连续喷射的细滴火花-闪光(与连续闪光焊时的闪光相似,但较弱),这就使焊口获得了需要的焊接温度,为挤压顶锻焊接创造了条件。应该指出,管坯对口沿厚度加热温度是否均匀,即管坯对口内、外圆周表面温度是否达到相同,将直接影响焊接质量。同时,管坯对口形成焊缝前的每一点的温度变化,实际上都要经历加热区间中①~⑤各位置所处的温度。

4. 挤压顶锻焊接

挤压顶锻区间的温度分布如图8(b)所示,此时,在挤压辊产生的挤压力(焊接压力)作用下,将熔化金属及氧化物夹杂挤出,并使焊口受到强烈顶锻(管坯周长挤去一定挤压量),促使形成共同晶粒获得牢固对接接头。其实质仍属于塑性状态下的固相焊接。

 
 
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