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电阻对焊和闪光对焊
双击自动滚屏 发布者:chinaweld 发布时间:11/16/2007 阅读:18438

电阻对焊和闪光对焊

 

 

一、电阻对焊

1. 电阻对焊的特点和适用范围

1)特点  电阻对焊具有接头光滑、毛剌小、焊接过程简单、无弧光和飞溅,易于操作等优点。但是,接头的力学性能较低,焊前对接头待焊面的准备要求较高,特别是大端面对焊尤为困难。

2)适用范围  主要适用于对接直径在20mm以内的棒材或线材,不适于大端面对接和薄壁管子对接。大端面对接时,因端面很难做到全面接触,而未接触部分被氧化,顶锻时难以把它排挤出去,从而导致接头质量下降。薄壁管对焊的困难主要是顶锻时容易引起管壁压曲失稳。

可焊的金属材料有碳钢、不锈钢、铜合金和许多铝合金等。对于低碳钢焊件,其直径宜在16mm以下,个别可达25mm左右。铜对焊时用电量大,一般不采用电阻对焊。有一些铝合金焊接时,需要精确的控制顶锻力才能成功。

2. 电阻对焊的过程分析

电阻对焊过程分为预压、加热、顶锻、维持和休止等程序。其中前三个程序参与电阻对焊接头的形成,后两个则是操作中的必要辅助程序。等压式电阻对焊时,顶锻与维持合一,较难区分。

1)预压  预压的目的是建立良好且分布均匀的物理接触点。为此,焊件的连接而及其电流导入的表面应很好清理干净,其连接面平行度的误差应尽可能小些,以保证初始接触点尽可能均匀。

2)加热  加热是电阻对焊的主要阶段,在机械力与电阻热的综合作用下,接触点迅速加热变形,导致接触面积增加,最后扩展到整个结合面,从而接触电阻趋向于零。焊件电阻则随温度上升而增大。在热传导作用下端面温度将趋均匀,而沿焊件端部纵深则形成一定的温度分布,同时在压力作用下焊件渐渐产生塑性变形而缩短。

在加热期间应注意下列要点。

① 两焊件结合面上的最高温度不应超过其材料的熔点,一般为材料熔点的80%~90%(按摄氏温度计算)。端面上各处的温度分布应借热传导而均匀化。

② 减少和防止结合面在加热过程中的氧化。必要时可导入保护气氛(如ArN2CO气体等单一或混合气体);也可开坡口,以便在加热最初使端面与大气隔绝。

3)顶锻  当焊件端面温度达到均匀,且沿焊件纵深温度分布合适时,塑性变形速度会明显的加快,进入顶锻阶段,此时应切断电流。顶锻时应彻底排除端面的氧化物等杂质,使后续纯净金属在获得一定的塑性变形下导致金属界面消失,组成共同晶粒,从而形成接头。当采用等压式电阻对焊时,顶锻力与加热力相同,因此两阶段的区分不清晰。当采用变压式电阻对焊时,顶锻力大于加热力。顶锻除彻底排除氧化物等杂质外还应获得足够的塑性变形。

4)维持  维持的目的是使焊件在加压下冷却,避免收缩应力所产生的缺陷。

5)休止  用于设备的复位。

3. 电阻对焊的焊接参数

1)电流密度(或比功率)  碳钢电阻对焊时,一般取电流密度J900070000A/cm2(或比功率为1050kVA/cm2),当焊件截面较小时取上限值。

2)焊接时间  碳钢的电阻对焊时间tw0.020.3sJtw可按经验公式J(tw)1/2103k选用。其中k为常数,碳钢取k810,纯铝取k20Jtw的单位分别为A/cm2s

3)压力  等压式电阻对焊时,对碳钢取2030MPa;有色金属取1045MPa;变压式电阻对焊时,加热力对碳钢取1015MPa,有色金属取18MPa;顶锻力则为10至数十倍的加热力。

4)伸出长度  一般单边取0.62.0倍焊件的直径或边长(方形)。伸出长度增大将导致温度分布趋缓和焊件的稳定性下降,从后者考虑,形状不同,伸出长度不尽相同。当焊件的稳定性极差时(极细丝),可在焊件上套一玻璃套或陶瓷套,以防止顶锻时错位,焊后敲去即可。

二、闪光对焊

1. 闪光对焊的特点及其适用范围

闪光对焊接头形成的实质是金属在高温塑性变形状态下,在接合面上进行再结晶,产生共同晶粒而形成接头。电阻对焊和闪光对焊极为相似,两者的焊接热都是由接头电阻通电后产生。但是,前者主要由焊件自身的电阻产生的电阻热,而后者必须通过闪光过程,靠闪光时产生的接触电阻热实现焊接。

与电阻对焊相比,闪光对焊有下列优缺点。

1)优点

① 适用范围比电阻对焊广。同种或异种金属可焊,展开截面或紧凑截面的零件也可焊,可焊的截面积也比电阻对焊大得多。

② 接合面上的熔化金属层或氧化物在顶锻进被挤出,起到清除接合面杂质的作用。因此,接头可靠性高,强度比电阻对焊大。

③ 闪光对焊对工件待焊面的准备和清理要求不严格。

④ 接头热影响区比对焊窄很多。

2)缺点

① 焊接时喷射出的熔融金属颗粒有造成火灾的危险,还可能使操作人员受飞溅烧伤,并损坏机器的滑轨、轴和轴承等。

② 焊后在接头处形成毛剌(飞边),需去除。为此,可能需用专门设备而增加制造成本。特别是管子闪光对焊后内壁上的毛剌,妨碍了流体流动,降低接头疲劳强度,而且是产生腐蚀或污损集中的部位。去除小直径内壁的焊接毛剌相当困难,甚至不可能。

也和电阻对焊一样,当采用单相大功率电源时,会在三相电网上造成负荷不平衡;对被焊工件要求有差不多相同的截面;被焊工件截面越小,对中就越困难等。

3)闪光对焊的适用范围  凡是可以锻造的金属,原则上都可以进行闪光对焊,所以许多钢铁材料及非钢铁金属都能焊接。

同种金属,如碳素钢、低合金钢、不锈钢、铝合金、镍合金、铜合金和钛合金等均可进行闪光焊。但是,焊接钛合金时最好处在惰性气体保护下进行,以免接头塑性下降;焊接高淬硬性的碳钢和合金钢时,焊后热影响区性能与母材差别较大,通常焊后须进行热处理;铅、锌、锡、铋和锑及其合金不能用闪光焊,一些有毒金属,如铍及铍合金,没有严格预防措施,也不能用闪光对焊。

异种金属只要它们之间的闪光和顶锻相近似,也可采用闪光对焊。焊接时可以通过合理的工件设计、调整工件调伸长度、闪光量和其他工艺参数等措施来克服它们之间的差别。

2. 闪光对焊的焊接循环

连续闪光对焊焊接循环由闪光、顶锻、保持、休止等程序组成,其中闪光、顶锻两个连续阶段组成连续闪光对焊接头形成过程,而保持、休止等程序则是对焊操作中所必需的。预热闪光对焊是在上述焊接循环中增设有预热程序(或预热阶段)。预热方法有两种:电阻预热和闪光预热。

1)闪光阶段  闪光是闪光对焊时从焊件对口间飞散出闪光的金属微滴现象。

闪光的形成实质:闪光的实质是称作过梁的液态金属在焊件的间隙中形成的快速爆破的交替过程。在任何时刻过梁的总截面仅占焊件截面的极小部分,因此过梁上通过的电流密度极高,很快就达到爆破阶段。图1为过梁示意。过梁上受到电磁收缩力Fem和表面张力σ的交互作用,前者趋向于使过梁收缩,后者则相反。当前者作用超过后者时,过梁收缩,其截面减小,电流密度升高,加速发热而爆破。部分热量导入焊件纵深而加热焊件。爆破时部分液态金属连同其表面的氧化物一起呈飞溅物抛出接口。爆破后转入短暂的电弧过程,电弧熄灭后留下凹坑。因此新的过梁必在另一隆起处形成。闪光过程中各处形成过梁的机会基本相同,即使是展开截面的焊件亦能较均匀的加热。过梁存在的时间越长,则向焊件纵深加热的时间越长,热效率越高;故过梁上施加电压一般不宜太高,以免过早发生爆破。但电压也不宜过低,过低将会导致电磁收缩间的力Fb及其与变压器的力Ft(1b)趋使过梁在焊件端面的间隙中作横向运动,一般可延缓爆破时间,但处于焊件边缘的过梁在它与变压器作用下,可能将过梁推出间隙,会加速过梁的爆破。

2)顶锻阶段  顶锻是闪光对焊后期,对焊件施加顶锻力,使烧化端面紧密接触,并使其实现优质结合所必需的操作。

顶锻开始时,动夹具突然加速使对口间隙迅速缩小,过梁端面增大而不再爆破,闪光骤然停止。对口及邻近区域开始承受愈来愈大的挤压力。

实质:顶锻是一个快速的锻击过程。它的前期是封闭焊件端面的间隙,防止再氧化。这段时间愈快愈好,一般受焊机机械部分运动加速度的限制。然后是把液态金属挤出,对后续的高温金属进行锻压,以便形成共同晶粒。为达到上述目的,常在顶锻的初期继续进行通电,称为有电顶锻,以补充热量。顶锻留量包括间隙、爆破留下的凹坑、液态金属层尺寸即变形量。加大顶锻留量有利于彻底排除液态金属和夹杂物,保证足够的变形量。

3)预热阶段  预热是在焊机上,通过预热而将焊件端面温度提高到一合适值后,再进行闪光和顶锻的过程。这是预热闪光对焊所特有的。

3. 闪光对焊的焊接参数及选择

闪光对焊焊接参数选择适当时,可以获得几乎与母材等性能的优质接头。主要焊接参数有:闪光阶段的调伸长度、闪光留量、闪光速度、闪光电流密度;顶锻阶段的顶锻留量、顶锻速度、顶锻力、夹紧力;预热阶段的预热温度、预热时间等。

1)调伸长度ι  焊件从静夹具或活动夹具中伸出的长度,又称调置长度。它的作用是保证必要的留量(焊件缩短量)和调节加热时的温度场,可根据焊件端面和材料性质选择。

2)闪光留量△ƒ  闪光对焊时,考虑焊件因闪光而减短的预留长度,又称烧化留量。它是一个重要加热参数,可使沿焊件长度获得合适的温度分布,应根据材料性质、焊件截面尺寸和是否采取预热等因素来选择。

3)闪光速度υf  在稳定闪光条件下,零件的瞬时接近速度,亦即动夹具的瞬时进给速度,又称烧化速度。它是一加热参数,只要按事先给定的动夹具位移曲线S选择,即可获得最佳的加热效果。

4)闪光电流密度Jf(或次级空载电压U20),JfU20对加热有重大影响,在实际生产中是通过调节U20来实现的,U20一般在1.514V之间。其选择原则,应是在保证稳定闪光条件下尽量选用较低值。同时,也应考虑Jf的选择又与焊接方法、材料性质和焊件截面尺寸等有关。

5)顶锻留量△u  闪光对焊时,考虑两焊件因顶锻缩短而预留的长度称顶锻留量。它影响液态金属、氧化物的排出及塑性变形程序,通常△u略大些有利,可根据材料性质、焊件截面尺寸等因素来选择。

6)顶锻速度υu  闪光对焊时,顶锻阶段动夹具的移动速度称顶锻速度,它是获得优质接头的重要参数。通常υu略大些有利,因为足够高的υu能迅速封闭对口端面间隙、减少金属氧化,在高速状态下可较容易地排除液态金属和氧化夹杂,使纯净的端金属紧密贴合,促进交互结晶。如果υu较小,不仅使闭合间隙和塑性变形所需时间增长,而且由于对口金属温度早已降低,导致去除和破坏氧化膜变的困难。

7)顶锻力Fu  闪光对焊时,顶锻阶段施加给焊件端面的力,常用单位面积上压力Pu来表示。它主要影响对口塑性变形程度,且为一从属参数,但其过大或过小均会使接头冲击韧性明显降低。

8)夹紧力Fc  Fc是为防止焊件在夹钳电极中打滑而施加的力。它与顶段力及焊机结构有关。

9)预热温度Tpr  Tpr与材料性质、焊件端面尺寸等因素有关。Tpr过高,会使接头韧性、塑性降低;太低,会使闪光困难、加热区变窄而不利于顶锻塑性变形。

10)预热时间tpr  tpr与材料性质、焊件截面尺寸、焊机功率等因素有关,其取值大小所带来的影响与预热温度Tpr相似。

综上所述,闪光对焊焊接参数的选择应从技术条件出发,结合焊件材料性质、截面形状及尺寸、设备条件和生产规模等因素综合考虑。一般可先确定工艺方法,然后参照推荐的有关数据及试验资料初步选定焊接参数,最后由工艺试验并结合接头性能分析予以确定。

4. 常用金属材料的闪光对焊

1)金属材料的性能对闪光对焊工艺的影响

① 材料的导电和导热性  导电、导热性越好的金属,其焊接时析热小、散热快,焊接性能越不好。

② 材料的高温强度  高温强度越高的材料,其塑性变形阻力越大,顶锻时必须用较大的压强,焊接性不好。

③ 材料的结晶温度区间的宽窄  结晶区间越宽的金属,顶锻时就应采用较大的顶锻留量和顶锻力才能把这半熔化状态的金属完全挤出。否则容易产生缩孔、疏松等缺陷。

④ 材料对热的敏感性  材料对热越敏感,越易生成与热循环有关的缺陷,焊接性能越差。

⑤ 材料的氧化性  金属在没有保护的情况下闪光,被氧化难以避免。如果生成的氧化物熔点低于被焊金属,其流动性较好,则顶锻时,易排挤出去。如果生成的氧化物熔点高于被焊金属,则将残留在结合面中,接头质量将降低。

2)常用金属闪光对焊的特点

① 低碳钢的闪光对焊  低碳钢闪光对焊焊接性良好。对焊接接头中存在不同程度的过热,产生的过热组织将使接头塑性有所降低,但在一般使用条件下是允许的;严重过热时,可通过退火处理消除。焊接参数不当会在接头中产生过烧,这是低碳钢对焊时应予避免的缺陷,因为它使接头塑性急剧降低,而且又无法通过焊后热处理来改善。

② 易淬硬钢的闪光对焊

a.中碳钢和高碳钢  这类可淬硬钢闪光对焊焊接性稍好,因为氧化物FeO熔点低于母材,顶锻时易被排出等。但在对焊接头中会出现白带(贫碳层)而使对口软化,在采用长时间热处理后可改善或消除脱碳区。

b.合金钢  这类易淬硬钢闪光对焊焊接性较差,随着合金元素含量的增加使淬硬倾向增大,难熔氧化夹杂增加;另外,高温强度大,结晶温度区间宽,将使塑性变形困难和易于生成疏松等。

可淬硬钢常采用预热闪光对焊,并应提高闪光速度和顶锻速度,焊后进行局部或整体热处理。

③ 铝合金的闪光对焊  铝及其合金由于具有导电导热性好、易氧化和氧化物Al2O3熔点高等特点,闪光对焊焊接性较差。在焊接参数不当时,接头中易形成氧化冷作强化型铝合金,焊接性较差,必须采用较高的闪光速度和强制成形的顶锻模式,并且焊后要进行固溶时效处理。铝合金推荐选用矩形波电源闪光对焊。

三、典型零件的对焊

1)线材的对焊  直径小于5mm的线材通常采用电阻对焊。为了保证加热均匀和挤出氧化物,应根据焊件材料和线径大小对待焊端面加工成图2和图3所示的形状。对焊热强钢线材时,端面加工成10º~30º斜面。开始用1030MPa压强加压,当通电加热后,焊件缩短量达到总缩短量的20%~25%,再以300400MPa压强顶锻,即可获得优良接头。

 

焊接平端面的线材时,应采用较大的电流密度,以保证端面加热集中。先用较大压力预压端面,再接能电流,然后降低压力,待加热温度达到(0.50.8Tf时,再以较高压力进行顶锻,Tf为焊件金属的熔点。

有色金属线材对焊时,调伸长度应加大,并注意保证两焊件的同心度。

2)型材的对焊  碳素钢的棒材和钢筋对焊比较容易。直径小于10mm的可用电阻对焊,大于10mm的宜用连续闪光对焊,大于30mm的用预热闪光对焊。直径大于80100mm的棒材可采用程控降低电压闪光对焊或脉冲闪光对焊,夹钳电极双面导电。当方钢或长方形钢闪光对焊时,因四角的散热条件好,对加热不利,易形成夹杂物。为改善加热,多采用预热闪光对焊。

3)管材的对焊  管材对焊在锅炉制造、石油化工、设备制造和管道工程中广泛应用。由于管材多用在高温、高压及腐蚀性介质中工作,对焊接质量要求严格。通常根据管子截面和材料选择连续或预热闪光焊,如大直径厚壁钢管一般用预热闪光对焊。

4)板材的对焊  在冶金工业薄板连续轧制生产线上或各种拼板生产中广泛使用平板对接焊工艺。在轧制生产中,所焊的接头要承受很大塑性变形。因此接头不仅要具有足够的强度,而且还要有良好的塑性。厚度小于5mm的钢板,一般采用连续闪光对焊,板材较厚时,采用预热闪光对焊。

5)环形零件对焊  汽车轮辋、自行车车圈、链环、轴承环、齿轮的轮缘等环形零件常用对焊来制造。环形零件对焊的主要问题是焊接电流有分流和焊件有变形反弹力。

汽车轮辋和自行车车圈多用连续闪光对焊。锚链、传动链等连环多用低碳钢和低合金钢制造,直径小于20mm时,可用电阻对焊;大于20mm时,可用预热闪光对焊。

 
 
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