welcome to www.chinaweld.com.cn   [英文版]
 
焊接工艺
   您现在的位置是:中国焊接网
 
电阻点焊
双击自动滚屏 发布者:chinaweld 发布时间:11/16/2007 阅读:29979

 

 

 

 

        

 

 

 

一、概述

电阻点焊是一种高效率、低成本的焊接方法,广泛的应用在汽车、电子、航空等重要工业领域。点焊有如下基本特点。

① 焊件间依靠尺寸不大的熔核进行连接,熔核应均匀、对称的分布在两焊件的贴合面上。

② 点焊上仍大电流、短时间、压力状态下进行焊接的工艺特点。

③ 点焊是热-机械(力)联合作用的焊接过程。

④ 点焊接头质量主要取决于熔核尺寸(直径和焊透率)、熔核本身及其周围热影响区的金属显微组织及缺陷情况。同时,若有压痕过深、表面裂纹、贴损等表面缺陷,也会使接头疲劳强度降低。

为保证点焊接头质量,接头设计应能使金属在点焊时具有尽可能好的焊接性,见下表。同时,焊前对焊件表面必须进行认真地清理,除掉表面脏物与氧化膜。机械法清理主要有喷砂、刷光、抛光及磨光等。

二、点焊的原则

对焊件进行点焊时,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,保证各点质量恒定(在使用工频交流时)。点焊方式分为双面单点焊、单面单点焊、单面双点焊、双面双点焊和多点焊。

三、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,必要时可增加附加程序。图1为点焊时序图。

1. 预压F>O, I=O

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,尤其当需要连续点焊时,需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较稳定的电流密度。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=Fw,  I=Iw

这个阶段是焊件加热熔化形成焊核的阶段。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。当焊接参数恰当时,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。

1)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流动。对于同种金属点焊,搅拌仅需将焊件的氧化膜搅碎即可,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。

2)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。

3)胡须  在加热到半熔化温度的熔核边缘,当某些材料(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而产生空隙。在随后过程中,空隙有时能被液态金属充填满,但也可能未充填满,这种组织形貌在金相试样上称胡须,而未填满的胡须犹如裂纹,是一种危险缺陷。

3. 维持F>O,  I=O

此阶段不再有输入热量,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,一般在几个周波内凝固结束。由于液体金属处于封闭的塑性壳内,如无外力,冷却收缩将产生三维拉应力,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。

4. 休止F-O,  I=O

此阶段为恢复到起始状态所需的工艺时间。

5. 回火F=Fw,  O<I<Iw

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,其目的是改善金属组织。

四、点焊焊接参数及其相互关系

点焊焊接参数的选择,主要取决于金属材料的性质、板厚、结构形式及所用设备的特点(能提供焊接电流波形和压力曲线),工频交流点焊在点焊中应用最广且主要采用电极压力不变的单脉冲点焊。

1. 点焊焊接参数

1)焊接电流I  焊接时流经焊接回路的电流称焊接电流,一般在数万安培以内。焊接电流是最主要的点焊参数。

2)时间t  自焊接电流接通到停止的持续时间,称焊接通电时间,简称焊接时间。点焊时t一般在数十周波(1周波=0.02s)以内。焊接时间对接头力学性能的影响与焊接电流相似。

3)电极压力Fw  点焊时通过电极施加在焊件上的压力一般要数千牛。电极压力过大或过小都会使焊点承载能力降低和分散性变大,尤其对拉伸载荷影响更甚。

4)电极头端面尺寸DR  电极头是指点焊时与焊件表面相接触时的电极端头部分。其中D为锥台形电极头端面直径,R为球面形电极头球面半径,h为端面与水冷端距离(见图2)。电极端面尺寸增大时,由于接触面积增大、电流密度减小、散热效果增强,均使焊接区加热程度减弱,因而熔核尺寸减小,使焊点承载能力降低(图3)。应该指出,点焊过程中,由于电极工作条件恶劣,电极头产生压溃变形和粘损是不可避免的,因此要规定,锥台形电极头端面尺寸的增大量D<15D;同时对于不断锉修电极头而带来的与水冷端距离h的减小也要给予控制。

 

2. 焊接参数间相互关系及选择

点焊时,各焊接参数的影响是相互制约的。当电极材料、端面形状和尺寸选定以后,焊接参数的选择主要是考虑焊接电流、焊接时间及电极压力,这是形成点焊接头的三大要素,其相互配合可有两种方式。

1)焊接电流和焊接时间的适当配合  这种配合是以反映焊接区加热速度快慢为主要特征。当采用大焊接电流、小焊接时间参数时,称为硬规范;而采用小焊接电流、适当长焊接时间参数时,称软规范。

软规范的特点:加热平稳,焊接质量对焊接参数波动的敏感性低,焊点强度稳定;温度场分布平缓,塑性区宽,在压力作用下易变形,可减少熔核内喷溅、缩孔和裂纹倾向;对有淬硬倾向的材料,软规范可减小接头冷裂纹倾向;所用设备装机容量小,控制精度不高,因而较便宜。但是,软规范易造成焊点压痕深,接头变形大,表面质量差,电极磨损快,生产效率低,能量损耗大。

硬规范的特点与软规范基本相反。一般情况下,硬规范适用于铝合金、奥氏体不锈钢、低碳钢及不等厚板材的焊接;而软规范较适用于低合金钢、可淬硬钢、耐热合金、钛合金等。

2)焊接电流和电极压力的适当配合  这种配合是以焊接过程中不产生喷溅为主要原则,根据这一原则制定的IFw关系曲线,称喷溅临界曲线(见图4)。曲线左半区为无喷溅区,这里Fw大而I小,但焊接压力选择过大会造成固相灶接(塑性环)范围过宽,导致焊接质量不稳定。曲线右半区为喷溅区,因为电极压力不足,加热速度过快而引起喷溅,使接头质量严重下降和不能安全生产。当规范选在喷溅临界曲线附近(无喷溅区内)时,可获得最大熔核和最高拉伸载荷。

五、常用金属材料的点焊

1. 金属材料的点焊焊接性的评估

判断金属材料点焊焊接性的主要标志:

① 材料的导电性和导热性,即电阻率小而热导率大的金属材料,其焊接性较差;

② 材料的高温塑性及塑性温度范围,即高温屈服强度大的材料(如耐热合金)、塑性温度区间较窄的材料(如铝合金),其焊接性较差;

③ 材料对热循环的敏感性,即易生成与热循环作用有关缺陷(裂纹、淬硬组织等)的材料,其焊接性较差;

④ 熔点高、线膨胀系数大、硬度高等金属材料,其焊接性一般也较差。当然,评定某一金属材料点焊焊接性时,应综合考虑各种因素。

2. 低碳钢的点焊

低碳钢具有很好的点焊焊接性。由于碳的质量分数低〔Wc<0.25%〕,其电阻率和热导率适中,需要焊机的功率不大;塑性温度区宽,易获得所需的塑性变形而不必使用很大的电极力;碳和其他合金元素含量低,无高熔点氧化物,一般不产生淬火组织或夹杂物;结晶温度区间窄、高温强度低,热膨胀系数小,因而开裂倾向小。

所以低碳钢可以在通用交流点焊机上焊接,采用简单焊接循环。在较大范围内调节各焊接工艺参数,也能获得满意的焊接质量。

3. 易淬硬钢的点焊

一般淬硬钢是指加热后快速冷却时易产生马氏体组织的钢,其含碳量一般都较高。由于点焊冷却速度快,焊接这类钢时必然产生硬脆的马氏体组织,当应力较大时,就会产生裂纹。为了消除淬硬组织、改善接头性能,通常采用电极间焊后回火的双脉冲点焊工艺。采用双脉冲点焊工艺时应注意:两脉冲之间的间隔时间一定要保证使焊点冷却到马氏体转变点Ms温度以下;回火电流脉冲的幅值要适当,以避免焊接区的金属重新超过奥氏体相变点而引起二次淬火。

4. 镀层钢板的点焊

1)焊接特点  镀层钢板通常是指表面镀锌或铝的钢板。点焊这类钢板有如下特点。

① 镀层极易破坏而失去镀层的保护作用。

② 电极易与镀层黏附,使用寿命缩短。

③ 与低碳钢点焊相比,适用的点焊工艺参数范围较窄,特别对焊接电流的波动极敏感。

④ 镀层金属的熔点通常低于钢板,加热时先熔化的镀层金属使两板间的接触面扩大,电流密度减小。

因此,焊接电流应比无镀层钢时大;为了将已熔化的镀层金属排挤于接合面,电极压力应比无镀层钢时为高。

2)镀锌钢板的点焊  镀锌钢板大致分为电镀锌钢板和热浸镀锌钢板,前者的镀层较后者薄。

镀锌钢板点焊比低碳钢点焊困难,除上述一些特点外,锌层黏附到电极上锌原子易向电极扩散,使铜电极合金化,其导电、导热性能变坏。连续点焊时,电极头将迅速过热变形,焊点强度逐渐降低,直到产生未焊透。

焊镀锌钢板时的焊接电流比无镀锌层低碳钢板增大约50%,镀层越厚,越不均匀,所需电流越大。焊接时间也应增加25%~50%,以使两焊件间的熔化锌层能均匀的排挤于焊接区周围。焊后锌层均布于焊点周围,仍可保持原有保护作用。

由于所用焊接电流较朋,焊接时间又较长,为了避免产生飞溅,在增加焊接电流和通电时间的同时,也应增加电极力,这也有利于把熔化的镀层挤到焊接区周围。一般电极力应增加10%~25%。

3)镀铝钢板的点焊  镀铝钢板有两种,一种是以耐热为主,表面镀有一层厚2025μmAl-Si合金的钢板,可耐640高温;另一种是以耐腐蚀为主,表面为纯铝镀层,其厚度为前者的23倍。点焊这两种镀铝钢板都可获得强度满意的焊点。由于镀层的导电、导热性好,故需用较大的焊接电流,并应采用硬铜合金的球面电极。

5. 不锈钢的点焊 

不锈钢含有大量CrNi等合金元素,按含合金成分不同分奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和马氏体不锈钢。在点焊结构上用得最多的是奥氏体不锈钢,其次为马氏体不锈钢。

奥氏体不锈钢电阻率大,常温时约为低碳钢的5倍,热导率小,仅为低碳钢的1/3,具有很好的焊接性,可采用较小的焊接电流,较短的通电时间。由于电阻率大,减少了通过已焊焊点的分流,故可适当减小点距。不锈钢线膨胀系数大,焊接薄壁钢结构时,易产生翘曲变形。不锈钢的高温强度高,故需提高电极力,否则,会出现缩孔及结晶裂纹。推荐采用硬度较高的电极,采用偏硬的焊接条件。

马氏体不锈钢多在淬火后低温或高温回火状态下使用。这种钢点焊后将再次淬硬,使接头塑性下降。为了改善接头力学性能,应采用焊后在电极间回火处理的又脉冲点焊工艺。一般不采用电极的外部水冷,以免因淬火而产生裂纹。

6. 高温合金的点焊

高温合金分铁基合金(GH140GH35等)和镍基合金(GH30GH44GH128等),常温下多为奥氏体组织。

高温合金具有比奥氏体不锈钢更大的电阻率,更小的热导率和更高的高温强度,故采用较小的焊接电流,但须用高的电极压力进行焊接。多数高温合金对硫、磷、铅、锡等杂质非常敏感,因这些元素在铁、镍中的溶解度极小,易形成低熔点共晶,产生热裂纹。杂质较多、晶粒大小均匀度差的高温合金(特别是铁基合金)对裂纹更为敏感。大多数耐热钢及高温合金在熔化区与近缝区易产生“胡须”状的不均匀组织。为了防止裂纹,点焊时要减少过热和加强散热,还要注意表面清理和保证有大的电极力。

7. 铝及铝合金的点焊

铝及铝合金密度小、耐大气腐蚀好、资源广、价格相对便宜,广泛应用于厨房餐具、飞行器、大型客车或高速列车等制造业。铝合金分非热处理强化型和热处理强化型两类,一般表面包覆纯铝层以提高耐大气腐蚀性。

铝及铝合金的电阻率低(低碳钢的1/41/2),热导率高(低碳钢的24倍),因此虽然其熔点较低仍需采用极大电流焊接,通电时间要短,以免散热过多。一般需要焊接等厚低碳钢时的3倍电流,通电时间则约为焊接等厚低碳钢的1/10

铝在高温时迅速软化,为此应采用低惯性焊机,以保证接触面上失压不至太严重。硬化后的铝及铝合金比软化后的焊接性好,因此尽可能在硬化状态焊接。

铝及铝合金在空气中很快生成致密的氧化膜,故必须在焊前很好清理,清理以化学法为佳,清理后应在短期内完成焊接以免再次氧化。

与纯铝相比,铝合金的塑性变形温度区窄,线膨胀率大,伸长率小,因此需精确控制焊接参数才能避免裂纹和缩孔。此种缺陷在厚板焊接时尤为严重,推荐采用低频半波电源。

总之铝合金的焊接性较差。

8. 铜及铜合金的焊接

铜的导电和导热性能极好、焊接性很差。一般认为纯(紫)铜极难焊接,不能凸焊和缝。某些铜合金由于加入合金元素后导电导热性能下降很多,硬度也有所提高,故已成功地进行了点焊、凸焊和缝焊。

铜合金点焊要求使用具有足够容量和适当电极力的点焊机。由于这类合金的塑性范围很窄,故最好使用机头惯性小的焊接,而且须精确控制焊接电流和通电时间。最好采用强焊接条件进行焊接,以防止飞溅和电极与焊件的粘连。

9. 钛合金的点焊

钛合金点焊的焊接性与不锈钢相似,点焊的工艺也大致相同。焊前一般不需要特别清洗,有氧化膜时可酸洗。钛合金的热敏感性强,即使采用较强的焊接条件,晶粒也会严重长大。

六、凸焊

凸焊是点焊的一种变型,焊接前首先在一个工件上预制凸点(或凸环等),焊接时在电极压力下电流集中从凸点通过,电流密度很大,凸点很快被加热、变形和熔化而形成焊点。凸焊在接头上一次可焊成一个或多个焊点。在汽车、飞机、仪器、无线电等工业部门应用较多,如紧固件、金属网的焊接和无线电元器件的封装等。

 
 
打印本页 | 关闭窗口
把中国焊接网作为我的首页    把中国焊接网放入收藏    和中国焊接网联系
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
地址:大连市甘井子区东纬路472-2号1单元1层6号公建
电话: 0411-86851981 86851956
传真:0411-86851835 技术支持:中易互联
辽ICP备05012178号