（机械设计及理论专业论文）带有联结件的电阻点焊新工艺研究.pdf

摘要 电阻点焊因其生产率高、环境污染小、焊接质量高、易于实现自动化等特点，广 泛应用于航空航天、汽车、农机及轻工家电等制造业。但传统电阻点焊也存在一定的 缺陷，这主要包括：焊件表面有压痕；热影响区较大；焊核的大小与工件的厚度有关， 当工件较薄时，焊核较小，连接强度低；电极磨损严重。 针对传统电阻点焊的不足，本文提出了带有联结件的电阻点焊新工艺，介绍了新 工艺的焊接原理，以q 2 3 5 钢板为试件对新工艺和传统工艺进行了试验对比分析。在 试验过程中，对焊接质量进行了拉剪力检测和金相显微结构分析，证明带有联结件的 电阻点焊新工艺与传统电阻点焊工艺相比有明显优越性，这包括焊点的表面压痕小、 电极磨损小；热影响区小，焊核直径几乎与焊件的厚度无关；在达到相同的焊点强度 时，若焊接时间相同，带有联结件的电阻点焊新工艺所需的焊接电流较小，可实现节 能。其不足是有时在工件焊核边留下缝隙、有附加件。 关键词：电阻点焊；联结件；新工艺 s t u d yo nn e wt e c h n o l o g yo f r e s i s t a n c es p o tw e l d i n gw i t ht h e j o i n i n ge l e m e n t a b s t r a c t t h er e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ( r s w ) i sw i d e l yu s e d i nm a n u f a c t u r eo fa e r o s p a c e ， a u t o m o b i l e ，a g r i c u l t u r a lm a c h i n e r ya n do t h e ra p p l i a n c e sd u et oi t sa d v a n t a g e so fh i g h p r o d u c t i v i t y , l o wp o l l u t i o n ，g o o dw e l dq u a l i t y , a n de a s yt o a u t o m a t i o n h o w e v e r ，t h e t r a d i t i o n a lr s wt e c h n o l o g yh a st h es h o r t c o m i n g so fs u r f a c ed e f o r m a t i o n ，b i g g e rh a z ， w e l dn u g g e td e p e n d e do nt h et h i c k n e s so ft h es p e c i m e n s ，s m a l lw e l dn u g g e ta n dl o w i n t e n s i t yf o rt h et h i nw o r k p i e c e ，a s w e l la st h eh e a v i e re l e c t r o d ew e a r i nt h i sp a p e r ，an e wt e c h n o l o g yo fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n gw i t ht h ej o i n i n ge l e m e n ti s p r o p o s e d t h ep r i n c i p l eo ft h en e wt e c h n o l o g yi sp r e s e n t e da n dt h ec o m p a r i s o n t e s t sw i t h t h et r a d i t i o n a ls p o tw e l d i n gi sp e r f o r m e du s i n gl o wc a r b o ns t e e lp l a t e sa st h es p e c i m e n s t h ew e l dq u a l i t yo ft h ew e l d i n gi o i n tw a sc h e c k e db yt h et e n s i l e s h e a rt e s t s a n dt h e m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e wt e c h n o l o g yh a st h ea p p a r e n t a d v a n t a g e s h a v i n gs o l v e dt h ep r o b l e m st h a tt h et r a d i t i o n a ls p o tw e l d i n g h a s ，t h i si n c l u d e s t h es m a l ls u r f a c ed e f o r m a t i o n 1 0 we l e c t r o d ew e a r , w e l dn u g g e td i a m e t e ru n r e l a t e dt ot h e s p e c i m e nt h i c k n e s s ，a n de n e r g ys a v i n gb e c a u s et h e n e ws p o tw e l d i n gt e c h n o l o g yw i t h j o i n i n ge l e m e n tr e q u i r e sl o w e rw e l d i n gc u r r e n ti nt h ec a s eo fs a m e w e l dq u a l i t ya c q u i r e d a n ds a m ew e l d i n gt i m eu s e d t h ed i s a d v a n t a g e so ft h en e wt e c h n o l o g yi st h a ti tn e e d sa a d d i t i o n a le l e m e n ta n ds o m e t i m e sag a pi sl e f tb e s i d et h ew e l dn u g g e t k e yw o rds ：r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ；j o i n i n ge l e m e n t ；n e wt e c h n o l o g y d ir e c t e db y ：p r o w up e i a p p i ic a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：tia nx u e y a n ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) ( c o l l e g eo fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n # n e e f i n g , i n n e rm o n g o l i aa g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y , h u h h o t o lo ols , c h i n a ) 插图和附表清单 图1电阻点焊原理图1 图2电阻点焊电阻2 图3 电阻热分布图2 图4 焊接过程示意图3 图5电阻凸焊原理图4 图6 点焊新工艺原理图8 图7 焊接区示意图和等效电路图：9 图8d n 一2 5 q 气动工频交流电阻焊机1 0 图9 电极几何尺寸图1 0 图1 0 工件的几何尺寸1 l 图1 l 联结件的结构简图1 l 图1 2 联结件实物照片1 1 图1 3电流测试装置图1 3 图1 4w d w 一2 0 c 型微机控制万能试验机1 3 图1 5 焊接质量好的图片1 4 图1 6 焊不上的图片1 4 图1 7 产生飞溅的图片1 5 图1 8 联结件不同外径焊点强度1 5 图1 9 联结件不同厚度的焊点强度1 6 图2 0 联结件不同内径焊点强度1 6 图2 1 焊接电流对焊接接头拉剪力的影响1 7 图2 2电极力对焊接接头拉剪力的影响。1 8 图2 3 焊接时间对焊接接头拉剪力的影响1 8 图2 4 两种工艺下的焊接电流对比1 9 图2 5 未加联结件的点焊照片2 0 图2 6 加入联结件的点焊照片2 l 图2 7 未加联结件的焊点照片2 l 图2 8 加入联结件的焊核照片2 1 图2 9 不同尺寸的联结件的焊核2 2 图3 0 未加联结件的焊核2 2 图3 1 金相图片采集系统2 3 图3 2 带有联结件的焊点照片( 1 6 0 x ) 2 3 图3 3 母材的金相组织( 6 4 0x ) ：2 4 l z 乱 t 曩 & t & 吼 加 n 圪 坞 m 掩 埔 坞 坞 加 扒 拢 捣 孔 龉 弱 砑 鹬 趵 钉 弛 鸥 3 4 图3 4新工艺焊点的不完全重结晶区( 6 4 0x ) ： 3 5 图3 5未加联结件焊点的不完全重结晶区( 6 4 0 x ) 3 6 图3 6 新工艺焊点的完全重结晶区( 6 4 0x ) 3 7 图3 7未加联结件焊点的完全结晶区( 6 4 0x ) 3 8 图3 8 新工艺焊点的过热区组织( 6 4 0x ) 3 9 图3 9 未加联结件焊点的过热区组织( 6 4 0x ) 4 0 图4 0 新工艺焊点的焊缝组织 4 1 图4 1未加联结件的焊缝组织 4 2 图4 2 加联结件的焊核照片 4 3 表1 4 4 表2 4 5 表3 4 6 表4 d n 一2 5 q 气动工频交流电阻焊机性能参数 内径和厚度相同，外径不同的联结件 内径相同，外径相同，厚度不同的联结件 内径不同，厚度相同，横截面积相同的联结件 殂 弱 蓝 拍 弱 盯 卯 勰 勰 加 屹 屹 心 内蒙古农业大学研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：亟重拯j 日 期：兰! 竺皇：墨： 我指导下独立开展研j 究- r _ 作及取得的研究结果，属于我现任岗位职务 工作的结果，并严格按照国家及学校有关学术道德规范的规定要求而 获得的研究结果。如果违反，我必须接受按国家及学校有关规定的处 罚处理并承担相 指导教师签名： 日 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，即：研 究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学。本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他手 论文作者签名：遇重拖指导教师签名： 日 期：释 段 一 内蒙吉农业大学硕士学位论文 1 1 引言 1 1 电阻焊简介 电阻焊，是工件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区 域产生的电阻热进行焊接的方法n 。它与其它的焊接方法如铆接等相比，具有焊接 质量高、辅助工序少、无需添加其它焊接材料、生产率高、环境污染小、便于实现自 动化等特点。电阻焊分为电阻点焊、电阻凸焊、电阻对焊、电阻缝焊，其广泛应用于 航空航天、汽车、农机及轻工家电等行业。 1 1 1 电阻点焊 电阻点焊广泛应用于薄板结构的连接，特别是汽车制造的主导加工工艺，每辆汽 车上的电阻焊点约为4 0 0 0 6 0 0 0 个，例如，上海大众生产的“帕萨特 车身的焊点 总数达到了5 8 9 2 个口鲥，电阻点焊的质量很大程度上影响着汽车的质量。 电阻点焊的工作原理如图1 所示，工件3 、4 被压紧在电极1 和5 之间，施加电 极压力后，阻焊变压器6 向焊接区输入高电流，在焊件的接触面上形成真实的物理接 触点，并随着通电加热的进行而不断扩大，塑变能与热能使接触点的原子不断激活， 消失了接触面，继续加热形成熔核2 n 1 。 1 上电极2 熔核3 、4 工件5 下电极6 阻焊变压器 图1电阻点焊原理图 电阻点焊热源是电流通过焊接区所产生的电阻热，其产生的电阻热可由焦耳定 律确定： q ( r ) = 1 1 2 ( f ) r ( f ) d t 0 ( 1 ) 2 带有联结件的电阻点焊新工艺研究 其中： q 为焦耳热，r 为电阻，为焊接电流，t 为通过焊接电流的时间。 在电阻点焊中存在7 个电阻，如图2 所示： 图2 电阻点焊电阻 r 1 、r 7 为电极本身的电阻，r 2 、r 6 为电极与工件接触面间的接触电阻，r 3 、 r 5 为工件本身的电阻，r 4 为工件间的接触电阻。由于电极是由高导电和高导热率的 铜合金制成，所以在7 个电阻中，工件接触面间的接触电阻最大，产生的热量最高， 这个热量正是电阻电焊形成焊核的主要热源，各电阻产生的热量分布如图3 所示口1 。 ；i 7 电阻温度 图3 电阻热分布图 点焊过程由预压、焊接、维持、和休止四个阶段组成，如图4 所示。 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 煺 吾 r 肇 哥 图4 焊接过程示意图 预压是通电之前对焊件的加压，这个阶段包括电极压力的上升和恒定两部分， 其作用是建立良好的接触和导电通路，以保持接触电阻的稳定，为获得优质接头作了 初步准备；焊接阶段是向焊件通入电流的阶段，是加热熔化形成熔核的阶段；在维持 阶段焊接电流停止，熔核快速散热、冷却结晶；休止阶段为恢复到起始状态所必须的 工艺时间。 1 1 2电阻凸焊 电阻凸焊( 如图5 所示) ，是在一工件的贴合面上预先加工出一个或多个突起 点，使其与另一工件表面相接触并通电加热，然后压塌使这些接触点形成焊点的电阻 焊方法瞳3 1 。凸焊是点焊的一种变形，焊点的形成机理与点焊基本相似，但焊点的形 成过程却有明显的区别，凸焊时，焊件的连接按凸点所限定的接触面积进行，焊点的 形状和位置是由凸点本身的几何尺寸、分布状况和规范参数所决定。凸点的存在限制 了电流流经焊件的面积，提高了焊接区的电流密度，使焊接区集中加热，有利于实现 接头的连接瑚。 根据凸焊接头的结构形式，凸焊分为单点凸焊、多点凸焊、环焊、t 形焊、滚凸 焊、线材交叉焊等。根据凸焊的方法不同，凸焊的接头可分为熔化连接或固相连接， 其中单点凸焊、多点凸焊和线材交叉焊多为熔化连接；环焊、t 形焊等多为固相连接， 主要是因为环焊和t 形焊的贴合面范围大，焊接时焊接区电流密度减小、散热作用相 对增加，焊接区温度往往比熔点低，但是由于凸点、凸环在焊接过程中的迅速压溃、 消失，使焊接区产生很大的塑性交形，这不仅使贴合面处的氧化膜易于破碎挤出，而 且促进了焊接区的再结晶，使晶界转移完善及获得热锻性的细晶粒去，显著提高了连 接强度，保证了固相连接的可靠性n 1 ： 4 带有联结件的电阻点焊新工艺研究 f 尸 1 上电极2 试件i3 试件i i4 下电极 图5 电阻凸焊原理图 一般电阻点焊机既可以进行点焊，也可以进行凸焊，目前应用较广泛的机型有： 固定座式单点焊机、悬挂式点焊机、多点焊机和点焊机器人等b t t ”。 1 2 国内外研究现状 目前国内外对电阻点焊的研究主要涉及电阻点焊机理、电阻点焊工艺、焊接机器 性能、电阻点焊过程的数值模拟，焊接过程及焊接质量的在线监控等。 1 2 1焊接机理的研究 随着汽车工业和飞机制造业的迅猛发展，对汽车和飞机用材的性能提出了更高的 要求，镀层钢板、铝合金、镁合金、高强钢等材料的应用日益广泛睁1 。1 ，其点焊连接 问题成为应用这些材料的关键，因此对这些材料电阻点焊焊接机理的研究是目前的一 个研究热点。例如南昌航空大学吴继等人对镀锌钢板点焊形核机理做了研究，通过比 较板厚为1 + 1 舳的镀锌钢板与等厚度的普通钢板的点焊形核过程，针对表面镀锌层对 点焊形核的影响，研究了镀锌钢板在单脉冲和双脉冲点焊时的形核机理嘲。赵熹华等 人应用熔核孕育处理新技术对难焊金属材料6 5 m n 、l y l 2 c z 的点焊接头进行了系统的工 艺试验和微观分析，较好地解释和评价了孕育处理可提高点焊接头力学性能的机理和 效果；能生成和扩大等轴晶组织区，减小和消除熔核薄弱面，晶粒显著细化，抑制宏 观缺陷的产生等伸】。 1 2 2 焊接工艺的研究 目前国内外学者对点焊工艺的研究主要集中在新工艺、新方法方面。例如温家伶 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 等人对镀锌钢板的点焊工艺及性能做了研究，用正交试验的方法优化了点焊工艺1 。 叶永青等人分析了镀锌板材点焊工艺的焊接性以及中频点焊的应用，给出了轿车前纵 梁总成电阻点焊的主要工艺参数和影响n 习。彭永昌等人针对l f 2 1 防锈铝薄壁件，研 究了不同的表面处理工艺对焊接质量的影响，点焊试验后检测表明选择合适的表面处 理工艺方法、工艺规范，使表面处理后的膜层耐腐蚀性能满足要求、表面电阻特性适 应后续的点焊要求，点焊过程稳定，无喷溅现象，焊点牢固，质量可靠n 钉。上海交通 大学焊接研究所朱新民等人对电梯不锈钢面板正面无压痕焊接新工艺做了研究，通过 改造及自制部分焊机和夹具、模具，进行了试验研究，证明了单面无压痕焊接工艺是 可以实现的n 钔。西北工业大学马铁军等人采取特殊的工艺方法对阀芯进行了电阻 焊试验研究，通过焊接接头机械性能试验及金相组织分析，表明所采取的工艺方 法是可行的，既满足了焊接质量要求，又明显提高了生产效率钔。 1 2 3 电阻点焊设备的研究 目前，对电阻点焊设备的研究主要集中在逆变式电阻焊机，点焊机器人用伺服点 焊枪等的研究伽，例如江苏科技大学崔怀香，方臣富通过实验，验证了软开关逆变式 点焊电源具有很高的热效率，系统输出电流平稳连续，加热过程平缓稳定，焊接过程 中产生飞溅小，焊点压痕尺寸小，接头表面成形优良，能够满足逆变式电阻点焊电源 的精密控制要求玎刀。重庆大学机械工程学院王笑川、刘明宇研制了基于单片机的新型 点焊机，首次实现了最佳电流波形点焊新工艺。该焊机用于微型零件桥带的焊接，成 功地解决了采用传统点焊方法时存在的焊点强度不稳、飞溅等问题，为精密焊接提供 了有效的方法n 钔。另外微机技术在电阻点焊机的控制方面得到了广泛的应用，国内外 许多公司己采用微机控制n 可以方便储存多种焊接规范，获得各种形式的焊接循环， 又可以比较简便地实现质量监控与群控，使点焊的质量更加可靠。点焊机器人完全采 用微机控制呦1 并采用电伺服驱动，消除了液压元件漏油等隐患。 由于越来越多地使用铝，不锈钢和带镀层的钢板等材料，对加工设备和焊接质量 以及其稳定性都提出了更高的要求。目前中频电阻点焊机也迅速发展起来，中频技术 的经济性体现在提供对称的电网负载，因而降低了电网成本、优化了功率参数、节省 了能源消耗、提高了电极的使用寿命，因此中频逆变焊机应是未来电阻焊机的发展方 向。 1 2 4 焊接过程的数值模拟 电阻点焊焊接过程较为复杂，它涉及机械、电、热、及冶金方面的知识，特别是 电阻焊的焊接时间很短及熔核形成不可见证卜2 羽，通常在进行一项新的焊接工艺或焊接 材料，需做大量的试验去寻找最佳焊接参数，不但耗时，而且也造成巨大的浪费。随 6带有联结件的电阻点焊新工艺研究 着计算机技术的发展，电阻焊数值模拟得到了很大发展。数值模拟不但可对焊接过程 进行模拟、优化，而且可预测焊接质量，对实际焊接具有重要的指导作用。丹麦技术 大学( d t u ) w e n q iz h a n g 博士等人利用有限元技术开发了电阻焊专业模拟软件 s o r p a s ，该软件实现了机械模型、电模型和热模型的相互耦合，可对点焊、凸焊及 微型电阻焊进行模拟心钉。天津大学徐进、牛占文等人利用有限元软件建立了球形电 极条件下低碳钢电阻点焊的预压接触有限元分析模型，分析了电极工件间、工件- 工 件间接触行为，解释了接触压力分布的形成原因，通过数值模拟发现，电极压力和电 极球面半径是影响电极工件间接触面大小的主要因素；电极压力、电极球面半径和 板厚对工件间接触面的大小和两接触面上的接触压力分布形态都有较大影响m 1 。杨小 卫等人采用试验和有限元数值模拟的方法，对汽车车身低碳钢电阻点焊的过程进行了 研究，得到了焊接工艺参数及焊件厚度对熔核尺寸的影响，确定了焊接工艺参数与接 头质量的影响关系嘲。西安交通大学的贾利兵采用二维轴对称模型，用有限元法对铝 合金点焊过程进行了数值模拟，研究了铝合金点焊时接触电阻对点焊熔核形成和焊接 热源分布的影响，通过在界面接触单元高斯积分点上附加电阻率的办法来模拟界面处 的接触电阻，探讨了接触电阻的变化规律及其对点焊熔核形成过程的影响。北京科 技大学谭佃龙、章三红等人用g l e e b l e - - 1 5 0 0 热模拟机研究了超低碳贝氏体( u l c b ) 钢， 在不同焊接模拟热循环条件下h a z 的组织与性能妲7 1 。m h a m e d i 、h p a s h a z a d e h 用有限 元法模拟了电阻点焊焊核的形成，针对点焊过程涉及到电、热、机的相互作用，整个 焊接工序高非线性难以模拟，提出了用有限元a n s y s 来模拟，建立二维轴对称模型来 模拟电、热、机耦合过程瞠引。 1 2 5 焊接过程监控及焊接质量检测研究 传统的电阻点焊质量监控方法只是选取一个对电阻点焊接头形成有直接或间接 关系的参量作为控制系统的控制变量进行监控，如焊接电流、焊接时间、电极压力、 焊接速度、电极间压力、焊接过程中的动态电阻等。主要的检测方法有恒流控制法、 电极位移监控法、动态电阻法、电极间电压法及能量控制法等b 0 2 4 1 捌。为了扩大点焊 质量监控技术的使用范围，提高控制效果及其稳定性，国内外一些学者提出了多参量 综合监控技术的观点口观3 。随着计算机应用技术和人工智能的发展，又出现了模糊控 制、人工神经网络、和专家系统等人工智能控制方法。其中主要的控制方法有多监测 参量综合监控法和人工智能神经网络方法等2 。洲。天津大学史涛等人设计了基于 l a b v i e w 平台的铝合金点焊过程电压、声信号和电极位移等信号的实时采集系统， 有效反映了焊接过程中焊点熔核的变化，实现了焊接参数的实时监测。d u r s u n 对 3 0 4 奥氏体不锈钢电阻点焊的质量预测做了研究，提出一种人工神经网络方法，焊接 参数作为输入，焊接质量为输出，通过这种方法得到很好的预测结果m 1 。j o h a n n e sr u i s z 内蒙古农业大学硕士学位论文7 等人提出了一种新颖的基于计算机视觉的电阻点焊质量评价方法，系统的输入是焊点 照片，其焊痕形状和大小与焊核面积相关，通过图像分割及特征值提取，来检测焊接 质量口”。总之，点焊质量控制技术由单模式控制发展为多模式控制；由一种监测参数 的监控方法发展为多参数的监控方法；由初始的单变量调节( 焊接时间或焊接电流) 发展为多变量调节，即在焊接过程中同时对焊接电流、焊接时间和焊接压力进行调节； 由常规的控制决策方式( 由被控制参数的偏差值通过查表确定其控制参数的调节量) 向人工智能( 神经网络、模糊逻辑等) 决策方式发展汹3 。 电阻点焊接头的质量检测的研究主要集中在破坏性检测和无损件检测方面，常用 的破坏性检测方法有：低倍检测、撕破检测、金相检测、断口分析、力学性能试验； 无损检测方法有：目视检测、密封性检测、x 射线检验、超声波探伤、涡流探伤。s r s i n 等人通过拉剪试验分析了多层高强度钢点焊的疲劳强度，并提出了确定高强度钢多层 点焊疲劳强度的方法m 3 。w o n s e o kj u n g 等人研究了不同类型点焊焊接接头的疲劳设 计，分析了不同的点焊接头的应力分布，比如i b 类型，t s 类型，c t 类型，利用这 些结果，尸一，曲线精确的从每种类型的疲劳测试中得到，并被重新排列到g n ， 联系着点焊焊核边缘的最大应力汹3 。随着焊接技术的发展，自动检测技术应用到焊接 接头的质量检测，出现了点焊接头的射线实时成像法自动检测和点焊接头的自动超声 检测。针对传统检测方法的不足，目前又有人提出了一些新的检测方法：河海大学机 电工程学院姚河清等人通过比较传统的电阻点焊及检验方法， 提出了一种新的电阻 点焊方法_ d e l t a 电阻点焊系统，并对其工作原理、过程和优点做了较详细的阐述， 应用结果表明，该方法能在检验点焊质量的同时有效地提高焊点质量和工作效率m 1 。 b yvk a r t h i k 等人提出了一种更为精确的确定焊接热影响区各个区域的力学性能 的测试方法，对2 2 5 c r - l m o 钢焊件热影响区的三个区域包括粗晶粒贝氏体区、细晶 粒贝氏体区和不完全重结晶区做了研究，用冲压剪切测试方法来确定热影响区的各个 区域的力学性能，建立了拉伸性能和从不同的热加工结构的冲压剪切测试中得到的相 应力学性能的线性相关性，用来描述实际焊件热影响区的各个区域的力学性能h 。内 蒙古农业大学的金龙存采用图像处理的方法对焊点接头进行了无损检测h 习。 综上所述目前国内外学者对电阻点焊的研究比较广泛，虽然电阻点焊有许多优 点，但也有很多不足：为了使工件间较好地接触，电极间施加较大的压力，因此工件 在焊完后存在压痕，影响工件的外表美观性；热影响区较大，热影响区的金属容易脆 裂：焊核的大小与工件的厚度有关，当工件较薄时，焊核较小，连接强度低。焊接时 所用的电流较大，耗能大，而且电极磨损严重。大部分研究者只是通过优化工艺参数、 自制或改造电阻焊设备的方法来弥补电阻点焊的不足，这些方法一方面不能够完全解 决点焊存在的问题，另一方面通过自制或改造电阻焊设备，成本较高，不易得到推广。 8 带有联结件的电阻点焊新工艺研究 1 3 选题意义及研究目的 随着电阻焊技术在航空、航天、能源、电子、车辆及轻工家电等部门应用，对点 焊质量和外观的要求也越来越高。为了适应电阻焊技术在生产中的要求，研究开发新 的点焊工艺，克服上述缺点，有着重要意义。为此本文提出了一种新的点焊工艺，即 在工件中加入联结件进行焊接，类似于电阻凸焊。联结件的存在使电流集中，焊接时 可采用平头大电极，可采用较小的电极力，从而解决了焊点表面存在压痕和凹陷、电 极瘩损严重的问题；减小了热影响区；并能使用较小的焊接电流，实现节能，提高了 焊点的质量。 14 本课题研究内容 1 ) 以q 2 3 5 钢板为试件，加入联结件( 联结件的材料也为q 2 3 5 ) ，进行点焊试 验，测试焊点强度，研究新工艺的最佳焊接参数等，并与未加联结件的点焊工艺进行 比较； 2 ) 对焊点作金相显微结构分析，评价新工艺的焊接质量； 3 ) 对焊接新工艺的焊接特性和焊接机理进行研究。 2 带有联结件的电阻点焊新工艺试验研究 21带有联结件的电阻点焊新工艺的工作原理 带有联结件电阻点焊新工艺工作原理是( 如图6 所示) ：在焊接试件之间加一环 形联结件，其作用类似于电阻凸焊，焊接时，联结件3 夹在试件2 、4 之间，并与上 下电极对中，压紧在电极之间。阻焊变压器6 向焊接区通入焊接电流，焊接电流流经 拯 琴： l ； 上电授2 试件i3 联结件4 试件i i5 下电极6 阻焊变压器 重6 点焊新工艺雁建田 r 内蒙古农业大学硕士学位论文9 上电极、试件i 、联结件、试件i i 、下电极并形成回路，由于联结件的接触面积较小， 提高了焊接区的电流密度，使焊接区集中加热，有利于实现焊接接头的形成。由于联 结件使得电流集中，故可采用平头大电极，使电极接触面积增大，从而解决了焊点表 面存在压痕和凹陷、电极磨损严重的问题，并能使用较小的焊接电流，实现节能。 电阻点焊的热源是电流通过焊接区( 如图7 所示) 产生的电阻热。根据焦耳定律， 总析热量q 为 r p q ( t ) = f 1 2 ( 小尺( ，) d t 占 式中，( ，) 一通过焊接区的瞬时电流( a ) e ( t ) 一焊接区的电阻( q ) t 一通过焊接电流的时间( s ) 在焊接的过程中，电阻和电流都是时间的函数。 如图7 所示，焊接时存在有7 个电阻，分成两部分：接触电阻和焊件、联结件内 部电阻，这两部分电阻在焊接过程中起着不同的作用。带有联结件的点焊新工艺的热 源主要是由联结件与焊件间的接触电阻r 3 、r 5 和联结件本身的电阻r 4 产生。r 3 和 r 5 主要与焊件、联结件的表面状态( 表面粗糙度、存放时间等) 、电极压力及温度有 关；主要与联结件材料及其几何形状、尺寸有关。 图7 焊接区示意图和等效电路图 2 2 工艺参数对焊接性能的影响试验 2 2 1试验设备 试验所采用的焊接设备为d n 2 5 q 气动工频交流电阻焊机，电阻焊机如图8 所 ! q鲎要壁堑笪堕皇里皇堡堑三至堡墨 示，其性能参数如表1 所示，电极直径为l o m m ，如图9 所示。 田8d n - 2 5 0 气动工频室流电阻焊机 寰ld 卜2 气动工臻交流电阻焊机性糖参戤 1 ：l o 口 ii卜咖凶i 一 2 51 9 8 5 田9 电极几何尺寸田 内蠢古农业走学硕士学位论文 1 1 2 22 试验材料 试件所选材料为q 2 3 5 钢板，厚度为l r a m ，几何尺寸如图1 0 所示。联结件的材 料选择和焊件的材料相同，其结构简圈如图1 1 所示，实物照片如图1 2 所示当电极 尺寸确定后联结件的尺寸变化不大，考虑联结件起到电流集中的作用，联结件的外 径不能超过电极的尺寸，联结件的厚度也不能太大，联结件的内径在3 6 m m , 外径 在4 - - 8 m m , 厚度在0 4 一l m m ，选择联结件的尺寸如表2 、3 、4 所示。 目1 0 工件的几何尺寸 目1 i 联结件的结构简由 墨 12带有联结件的电阻点焊新工艺研究 表2 内径和厚度相同外径不同的联结件 表3内径相同，外径相同，厚度不同的联结件 表4内径不同，厚度相同，横截面积相同的联结件 2 2 3 试验过程 当焊件表面有油污、水分、锈迹及其他赃物时，使表面的接触电阻增大，直接影 响焊接质量的稳定性，为了保证焊接质量的稳定，有利于比较，焊前对焊件和联结件 的表面进行清理，除掉表面脏物与锈迹，使所有试件得到近乎相同的表面状况。基于 试验的实际情况选取简单常用的方法机械打磨的方法。用百洁布打磨清除表面赃物 和锈迹，清除完之后在空气中放置一段时间。 根据普通点焊规范选取焊接参数：电极力2 3 0 0 n ，焊接电流9 8 k a ，焊接时间 2 0 周波，对加入不同尺寸联结件的焊件进行焊接，重复焊接3 次，焊接时点焊机控 制器上只能以电流的百分比设定电流，而实际的焊接电流用罗氏线圈、z h j 1 b 型电 阻焊测试仪进行测试，测试装置如图1 3 所示。 电阻焊 测武仪 田 3 自洼测试装置田 焊接完成之后，在w d w - 2 0 c 型微机控制万能试验机( 如图1 4 所示) 上做拉剪 试验，以拉剪强度评定焊接质量。做拉剪试验时，先根据试件的形状选择搬把式楔形 拉伸央具，安装在万能试验机上，调节实验台夹具使试样与工作台保持垂直。取测试 过程中焊点棱拉开时所对应的最大拉剪力为焊点拉剪强度，拉剪力取同一焊接参数下 焊件的三次试验的平均值。 圈1 4m ) - v - 2 0 c 微机拉髓月能试验机 计算机 4带有联结件的电阻点焊新工艺研究 选定一组联结件的尺寸，固定焊接时间、焊接电流、电极力三个焊接参数中的任 意两个，改变另一个参数进行焊接，测试焊接电流测试装景如图1 3 所示，重复试 验3 次，在万能试验机上做拉剪实验，测量焊点的拉剪力，拉剪力取三次平均值，根 据拉剪力的大小寻找一组最优的焊接参数。 焊点拉剪试验之后根据焊点的最大拉剪力、母材的撕裂程度和飞溅状况对焊接 质量进行分级，本试验将焊点质量分为焊接质量好、焊不上和飞溅三种，焊接质量好 的为经过拉剪试验，焊点周围的母材被撕裂，而焊点处未被拉开，焊点的最大拉剪力 约达到6 0 0 0 n 以上，如图1 5 所示；焊不上为经拉剪试验后，焊点拉剪力约低于6 0 0 0 n ， 焊点处没有形成焊核或焊核尺寸较小，如图1 6 所示：飞溅定义为经拉剪试验，焊点 周围的母材被撕裂，或呈纽扣状，且焊点周围有明显的飞溅产生的毛刺如图1 7 所 示。 田15 焊接质量* 的图片 田1 6 蜱不上前田片 旦要直墨些查芏墅主堂堡丝塞 ! 圉i7 产生飞最的图片 224 试验结果与分析 ( 1 ) 联结件尺寸对焊接接头强度的影响 图1 8 表示的是电极尺寸 o n u n 、联结件内径4 m m 、厚度o5 r a m 的情况下，联结 件不同外径对焊点拉剪力的影响。从图可看出联结件的外径为5 m m 时焊点的拉剪 力最大，联结件的外径为8 m m 时焊点拉剪力最小。这说明联结件的外径增大，横截 面积增大，焊接后焊点的拉剪力减小。因此联结件内径和厚度一定的情况下，联结件 的外径越小越好。 素 京 皇 联结件外径舢 田1 8 联结件不目讣径埠点强度 图1 9 为电极尺寸l o m m ，联结件内径( 为4 m m ) 、外径相同( 为5 m m ) 时，厚 度对焊点拉剪强度的影响。从图可以看出联结件的厚度不同时，焊点的拉剪强度也不 相同。联结件的厚度为o6 蚴时，焊点的拉剪强度最大；联结件的厚度为l n e o 时焊点 的拉剪强度最小。随着联结件厚度的增加，焊点的拉剪强度先增大后减小。试验过程 中联结件越厚，焊接时越容易产生飞溅。 16带有联结件的电阻点焊新工艺研究 0 40 6o 8 1 联结件厚度m m 图1 9 联结件不同厚度的焊点强度 图2 0 为电极尺寸l o m m 、联结件厚度相同( 为0 5m m ) 、横截面积相同( 为7 1m m 2 ) 的情况下，联结件内径对焊接接头拉剪力的影响，由图可以看出内径不同焊点的拉剪 强度不同，内径为3m m 和6m m 焊点的拉剪力较小。试验过程中联结件内径越小， 焊接时越容易产生飞溅；联结件内径越大，焊接时联结件内孔存在的空气越多，无法 被排除，造成焊点强度降低。 图2 0 联结件不同内径焊点强度 经过试验和分析可以看出，联结件外径越小，焊点的强度越高：焊件的厚度越大 越容易产生飞溅，使得焊点的强度降低：内径越小越容易产生飞溅，内径越大，焊接 时联结件内孔存在的空气越多，不容易被排出，导致焊点的强度降低。所以电极尺寸 为1o m m 时，联结件的内径为4 m m 5 m m ，厚度为0 4 m m 0 8 m m ，外径和内径差越 小的情况下，焊接质量越好。 o o 0 0 o o 0 o 0 0 o 0 o o 0 o o o o o 0 0 0 0 o 8 7 6 5 4 3 2 1 臣二豁露 内蒙古农业大学硕士学位论文17 ( 2 ) 焊接参数 选择联结件的外径d 为5 r a m ，内径d 为4m m ，厚度h 为0 5 m m ，用单因素轮换 法进行试验，寻找一组最佳的焊接工艺参数。 a 、焊接电流 设定电极力为2 2 5 0 n ，焊接时间为1 6 周波，改变电流进行焊接。焊点的强度用 接头的拉剪力来表示，试验结果如图2 1 所示。由图可以看出随着电流的增加，接头 的拉剪力逐渐增大。这是因为在焊接电流较小时，由于热量不足，焊点金属未能达到 完全熔融，因此得到接头拉剪强度低。随着电流的增加，熔核尺寸随着内部热源发热 量的增加而增大，焊点的剪切力不断提高。试验过程中，当电流达到9 6 k a 以后，开 始产生飞溅，由于热量过大造成工件表面烧伤，影响了焊点的表面质量。综合考虑焊 接接头的强度、表面质量和耗能，焊接电流为8 8 k a 时焊接效果比较好，焊接接头的 拉剪力为6 2 4 4 n 。 8 u u u 鲋 7 0 0 0 6 0 0 0 7 一 jj z5 0 0 0 、 羹4 0 0 0 f 捌3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 图2 1焊接电流对焊接接头拉剪力的影响 b 、焊接压力 固定焊接电流为8 8 k a ，焊接时间为1 6 周波，改变电极力进行焊接，焊点的强 度用接头的拉剪力来表示，试验结果如图2 2 所示。由图可知在开始阶段接头拉剪力 随着电极压力的增大而逐渐增大，随后随着电极力的增大而减小。这是由于电极力过 小导致电阻的增大、析热量过多且散热较差，引起飞溅，使得焊点强度降低；当电极 压力过大时电极一焊件、焊件一联结件接触面积增大，导致电阻减小、析热量少、散 热良好、熔核尺寸减小，焊点的接头强度降低。综合考虑节能和焊点质量，电极力为 18 0 0 n 时焊接效果最好。 18带有联结件的电阻点焊新工艺研究 图2 2 电极力对焊接接头拉剪力的影响 c 、焊接时间 固定焊接电流为8 8 k a ，电极力为1 8 0 0 n ，改变焊接时间进行焊接，焊点的强 度用接头的拉剪力来表示，试验结果如图2 3 所示，由图可以看出，焊接时间对焊接 接头拉剪力的影响类似于焊接电流。焊接时间太短，输入的热量太小，焊点区的熔融 状态差，无法形成足够大的熔核，接头强度低。焊接时间过长会引起表面过热、烧伤 等缺陷，降低表面质量。试验过程中时间为2 0 周波时开始产生微小飞溅。从焊点的 强度、表面状况、节省时间方面进行综合考虑，焊接时间为1 6 周波最好。 图2 3 焊接时间对焊接接头拉剪力的影响 通过试验可以确定联结件的外径d 为5 m m ，内径d 为4 m m ，厚度h 为0 5 m m 时， 一组最佳的焊接工艺参数为：焊接电流8 8 k a ，电极力为1 8 0 0 n ，焊接时间1 6 周波。 内蒙古农业大学硕士学位论文19 2 3 带有联结件和未加联结件焊接电流的对比分析 根据焦耳定律( 公式1 ) 可知，在焊接过程中电能的消耗与电流的平方成正比， 因此焊接电流越小，耗能越小。选择外径d 为5 m m ，内径d 为4 m m ，厚度h 为o 5 m m 的联结件和l m m 厚的q 2 3 5 钢板作为试件；并对试件进行焊前处理，用百洁布打磨 清除表面的赃物和锈迹，固定焊接参数：电极力为1 8 0 0 n ，焊接时间为1 6 周波，改 变焊接电流在d n 2 5 q 气动工频交流电阻焊机( 如图8 所示) 上进行焊接，每组重复 3 次，并通过罗氏线圈、z h j 1 b 型电阻焊测试仪( 如图1 3 所示) 测试焊接电流的值； 焊接完成之后在w d w - 2 0 c 型微机控制万能试验机( 如图1 4 所示) 上作拉剪试验， 用焊点被拉开时所对应的最大拉剪力作为评定焊点质量的目标，最大拉剪力取3 次试 验的平均值。用同样的方法对l m m 厚的q 2 3 5 钢板不加联结件时的情况进行试验， 并选电极力为3 0 0 0 n 、焊接时间为1 6 周波，改变焊接电流进行试验。然后对两种工 艺下的焊接电流进行比较。 图2 4 为加联结件和不加联结件时在达到同等焊接质量时，所用焊接电流的对比。 由图可以看出，两种焊接工艺达到相同或相近的拉剪力时，所需要的电流和电极力不 同，加入联结件的钢板焊接时需要的电极力和电流要比未加入联结件的小，这说明有 联结件时焊接可以省电。也证明了联结件可使电流集中，相对未加入联结件时电流密 度大，产生的热量集中，所以达到同等的焊接质量所需要的电流较小。 运 遮 御 辎 驶 拉剪力f n 图2 4 两种工艺下焊接电流的对比 2 0带有联结件的电阻点焊新工艺研究 2 4 焊点微观结构观察与分析 选取焊接质量好的焊件制取试样，用作焊点的显微结构分析。首先手工锯割切取 试样，锯割时留出足够的加工余量，以便保证打磨后的分析表面是焊核的中心面。另 外锯割过程中适当控制锯割力和锯割速度以免试样过热。表面打磨时先采用平面 砂轮机进行磨平，砂轮磨平之后进行砂纸磨制，粗磨选择1 2 0 号、2 4 0 号、3 2 0 号砂 纸，每换一道砂纸消除前一道砂纸的痕迹，垂直转换9 0 。再进行下一道磨制，粗磨 时保证磨面达到平整，避免把观察表面磨成凸出或下凹状。租摩完成后开始进行细磨， 选择0 l 、0 2 、0 3 、0 4 号砂纸进行细磨，先从粗颗粒号砂纸开始向细颗粒号以顺序磨 制，同样每磨制一道转9 0 。去除前一道磨痕，最后的磨痕为轻细并且有规则的朝向 同一方向，避免出现不规则方向磨痕及粗大划痕磨好后在光线明亮处检查摩面的均 匀程度以及磨纹的状况，直到台格为止。经过金相砂纸细磨后的试样待检测表面，仍 然