第五章 电阻点焊.doc

第五章 电阻点焊5.1概述点焊是电阻焊的一种, 是将被焊工件压紧于两电极之间, 并通过电流利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热将其加热到熔化或塑性状态, 使之形成金属结合的一种方法, 如图5.1所示。 点焊是一种高速、经济的连接方法。它适用于制造接头不要求气密,厚度小于3mm,冲压、轧制的薄板搭接构件,广泛用于汽车、摩托车、航空航天、家具等行业产品的生产。图5.1 点焊示意图5.2点焊的基本原理 5.2.1点焊过程(焊接循环)图5.2为点焊的基本焊接循环, 图5.33为点焊焊接过程示表图。点焊过程由四个基本阶段组成。图5.2 点焊的基本焊接循环 图5.3 点焊焊接过程示意图 (1) 预压阶段将待焊的两个焊件搭接起来，置于上、下铜电极之间，然后施加一定的电极压力，将两个焊件压紧。 (2) 焊接时间焊接电流通过工件，由电阻热将两工件接触表面加热到熔化温度，并逐渐向四周扩大形成熔核。 (3) 维持时间当熔核尺寸达到所要求的大小时，切断焊接电流,电极压力继续保持，熔核在电极压力作用下冷却结晶形成焊点。 (4) 休止时间焊点形成后，电极提起，去掉压力，到下一个待焊点压紧工件的时间。休止时间只适用于焊接循环重复进行的场合。 为了提高焊点的物理和化学性能，可以在基本焊接循环中加入下列其中之一或多个过程: (1) 预压力使电极和工件紧密、贴合; (2) 预热来降低工件上开始焊接时的温度梯度; (3) 顶锻力压实熔核，防止产生裂纹和缩孔; (4) 回火、退火时间对硬化合金钢以达到所需求的强度; (5) 后热以细化晶粒; (6) 电流衰减以延迟AL的冷却。图5.4为一个比较复杂的焊接循环。图5.4 复杂的点焊焊接循环示例5.2.2 焊接热的产生及其影响因素5. 2.2.1焊接热量的产生 点焊时产生的热量由下式决定: Q=I2RT 式中： Q产生的热量(J) I焊接电流(A) R电极间电阻(W) T焊接时间(S)点焊时导电通路上的总电阻及热量分布如图5.5所示。图5.5 点焊时导电通路上的电阻及热量分布 总电阻由以下七个部分组成: 1,7电极电阻，与电极材料有关; 2,6电极与工件之间的接触电阻，与电极和工件的表面状态，电极大小、形状及压力有关。此处产生的热量较多，但由于电极的热传导较好，并有水冷，母材达不到熔化温度。 3,5母材本身电阻，正比于材料的电阻率和板厚，反比于导电面积。 4母材间接触电阻，此处电阻最大，产热最多。 对焊接形核有作用的是接触电阻4，其它的电阻应尽可能减少。在一定的焊接循环内,影响点焊接头热量多少的因素有：A.工件及电极电阻；B.工件间接触电阻以及工件与电极之间的接触电阻；C.工件及电极上的热量损失。 5. 2.2.2影响因素1 电流的影响由公式1可知，电流对产热的影响比电阻和时间的影响都大，在点焊过程中它是一个必须严格控制的参数。其对焊点剪切强度的影响如图5.6所示。随着电流的增加，焊点尺寸及强度迅速提高，图中曲线较陡段，相当于非熔化焊接，倾斜段，相当于熔化焊接。过大的焊接电流会引起飞溅(产生内部孔洞)、焊接裂纹、压痕过深等缺陷，并导致接头强度下降,引起电极过热，加速电极损坏。 焊接时间的影响焊接时间对焊点强度影响与焊接电流的影响类似, 如图5.7所示。为了保证熔核尺寸和焊点强度, 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(强规范), 也可以采用小电流和长时间(弱规范)。选取的原则取决于金属的性能,强度和焊机的功率。图5.6 焊接电流对焊点剪切强度的影响图5.7 焊接时间对焊点强度的影响 电极压力影响 电极压力影响接触电阻, 进而影响接头强度。随着电极压力的增大, 接触电阻减小此时焊接电流虽略有增大, 但不能补偿由于接触电阻减小而引起产热的减小。因此焊点强度总是随着电极压力的增大而减小。为保证焊点强度不变,在增大电极压力的同时, 应增大焊接电流和延长焊接时间。采用这种焊接条件有利于提高焊点强度的稳定性, 电极压力过小, 将引起飞贱, 也会使焊点强度降低。 电极的影响 电极的接触面积影响电流密度大小, 从而影响焊点尺寸。电极材料要求有好的导电导热性能, 同时应具有一定的强度和硬度以抵抗焊接压力作用下产生变形和磨损。随着电极端头的变形和磨损，接触面积增大,焊点强度降低。 工件表面状态的影响 工件表面的氧化物、污垢、油和其它杂质影响接触电阻的大小，过厚的氧化层会使电流不能通过。局部的导通会使电流密度过大，产生飞溅或表面烧损。表面不均匀的氧化层、锈皮及杂质会影响接触电阻的变化，引起焊接质量的波动，因此为了获得优质的焊点，焊前必须彻底清理。 母材成分的影响 材料的成分决定着材料的熔点、熔化潜热、传导率等性能，因而决定着为了熔化母材形成焊点所需热量的多少。然而一般情况下,对于大多数金属材料来说，每单位物质加热到熔点所需的热量基本相同，所以电阻率和热传导率成为主要影响因素。如铝的热传导率是不锈钢的十倍，在电极及焊点周围金属的热量损失要比不锈钢大得多，因此焊接电流要比不锈钢大很多。 5. 2.2.3热平衡和散热点焊产生的热量除了一小部分，用于形成熔核外，大部分热量将通过向周围物质的传导和辐射而损失掉，如图5.8所示。图5.8 点焊时的热量损失 损失的热量主要包括通过电极传导的热量和通过工件传导的热量。通过电极传导的热量是主要热量损失。与电极的材料、形状、冷动条件，以及所用的焊接规范有关。例如采用硬规范较软规范损失的热量小。通过工件传导损失的热量与工件的热传导率有关。热传导好的金属材料,热损失比较大,对于导热性能好的材料一般用硬规范焊接。只有所点焊的两工件成分、板厚相同,所用的电极材料、形状相同时，两工件中的热量才能平衡、焊点熔深才能相同, 否则焊点将发生偏移。在不同厚度工件的点焊中，可以通过控制电极的散热, 改变电极材料或接触面积, 采用附加垫片等以改善熔核的偏移, 增加薄件一侧的熔透率, 如图5.9所示。图5.9 不同厚度工件的点焊5.3点焊设备机器人点焊设备主要由点焊控制器、焊钳(包括阻焊变压器)及水、电、气等辅助部分组成, 如第一篇中图2.3所示。5.3.1点焊机器人焊钳从阻焊变压器与焊钳的结构关系上可将焊钳分成分离式和一体式二种形式，如图5.10所示。(a)分离式焊钳 (b)一体式焊钳图5.10 点焊机器人焊钳 (1) 分离式焊钳 如图5.10a所示, 减小了机器人的负载, 运动速度高, 价格便宜。其主要缺点是需要大容量的阻焊变压器, 电力损耗较大, 能源利用率低。此外粗大的二次电缆对机器人的手臂施加拉伸力和扭转力, 限制了点焊工件区间与焊接位置的选择。 (2) 一体式焊钳焊钳与阻焊变压器安装在一起, 共同固定在机器人手臂末端的法兰盘上, 其主要优点是节省能量。如图5.10b所示。一体式焊钳的缺点是焊钳重量增大, 要求机器人的负载能力变大, 但随着逆变焊钳的发展, 及机器人负载能力的提高, 一体式焊钳会得到广泛的应用。目前的机器人点焊钳多数为气动, 气动式焊钳电极的张开和闭合是通过气缸来实现的，电极张开一般有两级，大冲程时焊钳的张开度大，保证将焊钳伸入夹具或工件内部时与工件或夹具不发生碰撞；小冲程时焊钳的张开度小，在连续点焊时可缩短焊钳开合的时间。由于点焊焊接过程中需要较大的压力, 由于压力的消失, 使得所用空气的利用率只有10%, 为了节约能源, 国外开发了电伺服驱动的焊钳, 如图5.11所示。焊钳和机器人一体化降低了焊接加压时产生的冲击噪音, 使加压所需能量降低到1/10，而且焊钳的张开度和点焊压力可任意调节。除此之外, 与气动相比电极磨损变小, 并减少了焊接电流的消耗。图5.11 一体式电驱动点焊钳 点焊机器人用焊钳与手工焊钳一样有C型和X型两种，但与手工焊钳相比其使用寿命长、尺寸精度高、结构紧凑且重量轻。根据工件及焊接夹具的结构形式来选取焊钳的种类及结构尺寸，对于较复杂的工件一般需要通过仿真来确定焊钳的尺寸，图 为常用的C型和X型点焊钳的基本结构形式。5.3.2点焊控制器 点焊控制器的主要功能是完成点焊时的焊接参数输入, 点焊程序控制, 焊接电流控制及焊接系统故障自诊断, 并实现与本体控制器的通讯联系。主要有二种结构形式。 (1) 中央结构型 它将焊接控制部分作为一个模块与机器人本体控制部分共同安装在一个控制柜内, 由主计算机统一管理并为焊接模块提供数据,焊接过程控制由焊接模块完成。其优点是设备集成度高,便于统一管理。 (2) 分散结构型 焊接控制器与机器人本体控制柜分开, 二者通过应答通讯联系, 主计算机给出焊接信号后, 其焊接过程由焊接控制器自行控制, 焊接结束后给主机发出结束信号, 以便主机控制机器人移动。这种结构优点是调试灵活, 焊接系统可单独使用, 但需要一定距离的通讯, 集成度不如中央结构型高。 由中国科学院沈阳自动化研究所研制的MWC-B型可编程控制器, 应于松辽汽车、金杯汽车以及三水嘉陵公司的点焊机器人工作站, 效果良好, 其具有下列主要特点: 具有恒电流、恒电压两种控制功能; 具有电流阶梯上升控制功能,可显示阶梯数和焊点数,用于补偿由于电极磨损而引起的电流密度的变化。 具有两段通电的焊接规范。 可进行两个加压电磁气阀(双钳)控制及4序列和15序列的起动方式选拔。 自动进行焊接功率与焊接电流的调整。 断电数据保存功能。 利用示教盒可进行远距离(50M内)数据设定,操作简单方便。 焊接电流过低时,可自动再次通电。 直接进行焊接规范参数的数值设定,不需记忆数据地址。10 故障自诊功能。5.4点焊电极 点焊时电极的主要功能有: 1. 向工件传导电流。 2. 向工件传递压力。 3. 导散焊接区的部分热量。 由于电极的端面直接与高温的工件表面接触, 因此随了电极具有优良的导电、导热能力外,还应具有承受高温和高压的能力。 点焊电极材料多为各种铜合金, 一般来说合金越硬,其导电、导热能力越低。选择电极材料要根据其导电、导热及力学性能综合考虑。如焊接Al时, 为防止粘附, 要求电极材料具有高的导热性能而损失一定的抗压强度,而焊接不锈钢时正相反, 为了获得高的焊接压力, 不得不牺牲导热性能而获得高的抗压强度。电极大小和形状的选择应根据被焊材料成分及厚度来选择, 表5.1为国内电阻焊的电极材料, 表5.2为日本电阻焊的电极材料。表5.1 国内电阻焊的电极材料名 称成 分(%)抗拉强度(MPa)电导率(%)软化温度()硬度(HBS)适用性冷硬纯铜Cu99.9250-3609820075-100点焊软的轻合金镉 青 铜Cd0.9-1.2其余为Cu400-90250100-120黑色和有色金属点焊铬 青 铜Cr其余为Cu500-85-130钢和耐热合金铬锌青铜Cr0.4-0.8 Zn0.3-0.5其余Cu400-50070-80250110-140钢和耐热合金点焊仿苏M4Cr0.5-1.0 Al0.1-1.25Mg0.1-0.25其余为Cu480-50065-75510110-135适用性较强,适于各种材料的点焊1 以退火铜为100%。表5.2 日本电阻焊的电极材料合 金合金成分(%)硬 度(HV)抗拉强度(MPa)电导体(%)软化温度()1234567891011硬 铜低 银 铜镍 碲 铜镉 青 铜高 银 铜银镉青铜铬 青 铜镍磷青铜镍硅青铜低铍青铜高铍青铜O20.04Ag1Te0.6,Ni0.1Cd0.8Ag6Ag6,Cd1Cr0.6Ni1,P0.2Ni2.5,Si0.5Be0.5,Co0.5Be2.3,C00.5105105105130140140155165200260360340340310465455455500550660-97909088858580604550251804004003004004005004504505003001 以退火铜为100%。图5.13为点焊标准电极和特殊电极形状, 表5.3为电极的基本尺寸。图5.13 点焊电极形状表5.3 电极的基本尺寸D(mm)daca管螺纹G510(KVA)2075(KVA)100(KVA)(mm)(mm)(mm)()(in)121620353550根据点焊工艺参数确定133556105(1/2)、15.5常用金属材料的点焊5. 5.1点焊前的工件清理 由于工件表面质量影响接触电阻的大小, 当工件表面存在油污、氧化膜、油漆及其它杂质时会降低接头强度, 影响接头质量的稳定性, 因此点焊前工件必须进行表面清理, 不同的金属和合金, 采用不同的清理方法, 简介如下: (1) 铝合金 铝合金对氧的化学亲合力极强, 刚清洗过的表面很快被氧化, 形成氧化铝薄膜。因此清理后的表面在焊前允许保持的时间是有严格限制的。 铝表面可以用细砂布和钢丝刷进行机械清理。在批量生产中多用化学方法清理。 (2) 镁合金 由于镁与铜易合金化,镁的清理是非常重要的, 以保证工件与电极间的接触电阻尽可能小。镁合金可用化学清理,然后再用铬酐溶液钝化。也可用钢丝刷清理。 (3) 铜合金 铜合金的清理是非常重要的, 铍铜和铝青铜化学清理方法很难, 应首选机械清理。为了产生均匀的比纯铜高的电阻, 有时在铜表面蒸镀一薄层锡。 (4) 镍及其合金 镍及其合金在电阻焊时, 保持工件表面的高度清洁是十分重要的,因为油、尘土、油漆的存在能增加硫脆化的可能性, 从而使接头产生缺陷, 热处理产生的厚氧化膜也应除去。清理方法可用抛光、喷丸、打磨或化学腐蚀。钢丝刷清理不太理想。 (5) 钛 焊前钛表面要严格清理, 因为钛及其合金在焊接温度能与多种元素及化合物反应, 氢、氧、碳、氮很容易进入熔核, 影响显微组织, 降低接头的塑性和韧性。表面用丙酮或氢氧化钠溶液脱脂处理。氧化膜可用硝酸和氢氟酸的混合溶液清理。 (6) 钢 表面涂有抗蚀油的碳钢和低合金钢, 如果未被其它车间脏物或不良导电材料所污染, 油膜的存在不影响接头质量。未酸洗的热轧钢焊接时, 必须用喷砂、喷丸或者用化学腐蚀的方法清除氧化皮。 高合金钢和不锈钢由于抗腐蚀能力强, 焊前只需去油脱脂即可。 (7) 镀层钢 除了少数例外, 一般不同特殊处理就可以进行焊接, 镀铝钢板则需要用钢丝刷或化学腐蚀清理, 带有磷酸盐涂层钢板, 其表面电阻会高到在低电极压力下, 焊接电流无法通过的程度, 只有采用较高的压力才能进行焊接。 5.5.2各种材料的点焊5. 5.2.1低碳钢的点焊低碳钢具有良好的焊接性,其焊接电流,电极压力和通电时间等工艺参数,具有较大的调节范围, 表5.4、表5.5分别列出了低碳钢薄板及中厚板点焊的焊接工艺参数,可供参考。表5.4 低碳钢薄钢板点焊接工艺参数板 厚截锥形电极尺寸A 级B 级C 级(mm)d(mm)D(mm)焊接通电时间(周波数)电极压力(N)焊接电源(A)焊接通电时间(周波数)电极压力(N)焊接电源(A)焊接通电时间(周波数)电极压力(N)焊接电源(A)0.40.50.60.81.01.21.41.61.82.02.32.83.23.64.05.03.23.54.04.55.05.56.06.36.77.07.68.59.09.510.011.21212121212121212161616161620202056781012141618202429324150701177132414711716215826973138326942174707559068658042902210199135335400600066008000900010000108001160012500132001440016000174001840019800224008111315202326303336445260729012073689398111771471171619612256255029403236421747075296598276494400500055006400720080008600920098001040011000124001320014000150001680020242630364046525458657278102155210392441490686834981117713241520171619612256279530893530431535003900430050005600610066007100760080008600950010200108001130012700注: 1.单相交流电源,频率60Hz。2.A、B、C级不一定与接头等级相对应,A级是高速焊接条件,C级则适用于小容量焊机的场合。3.在50Hz交流电时周波数应乘以5/6。表5.5 低碳钢中厚板点焊的焊接工艺参数(IIW推荐)板厚(mm)电极端部直径(mm)电极压力(N)焊接电流(A) 焊接通电时间(s)3.04.05.06.07.08.09.010.012.010.012.514.516.517.519.021.023.026.0740010000162002020026000310003500041500510001700021000245002750030000325003600038000430000.480.941.582.43.14.45.47.511.6注:1.本表的焊接条件系将分流影响忽略不计。 2.交流电源,频率60Hz。 5.5.2.2淬火钢的点焊淬火钢通常采用电极焊后回火的双脉冲点焊方法,以消除淬火组织,改善接头性能,这种方法的第一个电流脉冲为焊接脉冲,第二个为回火热处理脉冲,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。回火脉冲幅值要适当,以避免焊接区的金属重新超过奥化体相变点而引进二次淬火。表5.6为淬火钢的双脉冲点焊工艺参数的实例,可供参考。表5.6 可淬硬碳钢点焊的焊接工艺参数钢板厚度截锥体电极端焊接通电时间(周波数)(60Hz)电极压力(N)焊接电流(A)焊核最最小抗拉强度(mm)面尺寸d(mm)焊接冷却回火总计A级焊接B级焊接C级焊接焊接回火大直径(mm)力(N)应力(MPa)0.230.260.290.350.400.500.600.700.800.901.001.201.601.802.002.303.204.003.23.23.23.43.43.84.04.24.85.25.86.88.69.510.512.015.216.0333444455667111519264664666778101113162030525687112244352333344455661021283648921451212121415161821232832478499142186382561100010001100125014501900250033003900470054006900965011600125001460020500230007307508009001050140018502400300035004100510073008400940011000160002000048050052058065090012001600200024002800340046005600630073001060014000119001210012200124001260012900132001340013600138001390014300151001560016300175002240026300990010000102001040010500108001110011400116001180012000122001280013200139001490018900210001.92.02.22.42.63.03.43.84.24.75.15.97.58.39.210.414.117.3137214701568186020092450294036264410548867629555164152058024745323405537075950495470430420380355330320325330345360380390380390380390注:边缘距离、焊点间距与碳钢(未经处理)标准相同。 本表适用于含碳量为0.15%0.60%,抗拉强度为500800Mpa的碳钢,板厚相同的二板搭接点焊,接合面不得有油脂、锈、氧化铁皮及污垢。 使用RWMA2级或与之相当的电极,表中给出端面尺寸,使用球面电极也很好。 总断裂强度(抗拉强度)与母材强度有关,栏中数据为大致标准。 5.5.2.3镀层钢板的点焊 镀层钢板点焊时,容易出现的主要问题: (1) 电极易当镀层粘附,缩短电极使用寿命。 (2) 适用的焊接工艺范围较窄,易于形成未焊透或飞溅。 (3) 由于加热过程中低熔点的镀层金属首先熔化,增大了两板间的焊接面积,电流密度变小,因此焊接电流应比无镀层大。 (4) 为了将已熔化的镀层金属排挤出接合面,电极压力应比无镀层时高。 表5.7为日本焊接学会推荐的镀锌钢板点焊焊接条件。表5.8为耐热镀铝钢板点焊,焊接条件对于耐蚀镀铝钢板由于镀层厚应采用较大的电流和较低的电极压力。表5.7 镀锌钢板点焊的焊接条件镀层种类电 镀 锌热 浸 镀 锌镀层厚(mm)2-32-32-310-1515-2020-25焊接级板厚(mm)条件别0.81.21.60.81.21.6电极压力(KN)AB2.72.03.32.54.53.22.71.73.72.54.53.5焊接时间(周)AB8101012121581010121215电 流(KA)AB10.08.511.510.514.512.010.09.912.511.015.012.0抗剪强度(KN)AB4.64.46.76.511.510.55.04.89.08.71312表5.8 耐热镀铝钢板点焊的焊接条件板厚(mm)电极球面半径(mm)电极压力(KN)焊接时间(周)焊接电流(KA)抗剪强度(KN)0.60.81.01.21.42.02525505050501.82.02.53.24.05.5910111214188.79.510.512.013.014.01.92.54.26.08.013.0 5.5.2.4不锈钢点焊 不锈钢由于电阻率高,导热性差,高温强度高,与低碳钢相比,可采用较小的焊接电流,较短的焊接时间和较高的电极压力。为防止热影响区晶粒长大和出现晶间腐蚀现象,需准确地控制加热时间和焊接电流,并采用强有力的内部和外部水冷却。马氏体不锈钢由于有淬火倾向,点焊时要求采用较长焊接时间,为消除淬硬组织,最好采用焊后回火的双脉冲点焊。表5.9为不锈钢点焊的焊接条件。表5.9 不锈钢点焊工艺参数板厚电极端部尺寸电极压力焊接通电时间焊接电流(A)(mm)d(mm)D(mm)(N)(周波数)母材抗拉强度低于830MPa母材抗拉强度高于830MPa0.40.50.60.81.01.21.52.02.53.03.23.63.94.24.75.25.76.57.68.89.710.212121212121216161620201422174621092942392049056475873110693142251481344567810141619202900380047006250770090001070013700165001820018800245030003800490055007300870011000130001490015600注:1.本表钢种系1Cr17Ni7、0Cr19Ni9、0Cr25Ni20、0Cr17Ni12M02等奥氏体不锈钢。2.电源为单相交流60Hz或单相三相整流。 5.5.2.5高温合金点焊 高温合金比不锈钢具有更大的电阻率和高温强度,因而需要较小的焊接电流和较大的电极压力。点焊较厚板件(2mm以上)时,最好在焊接脉冲之后再加缓冷脉冲并施加锻压力,以防止缩孔和裂纹,同时采用球面电极,以利于熔核的压固和散热。表5.10为推荐的高温合金点焊的焊接条件。表5.10 高温合金GH44、GH33点焊焊接条件板厚(mm)电极端面直径(mm)电极压力(KN)焊接时间(周)焊接电流(KA)0.30.50.81.01.21.52.02.53.03.04.05.05.06.05.5-6.57.07.5-8.09-104-55066.5-88-1010-1212.5-1515.5-17.518.5-19.520-21.57-109-1211-1716-2019-2422-3129-3839-4850-655-64.5-5.55-66-6.56.2-6.86.5-77-7.57.5-8.28-8.8 5.5.2.6铝合金的点焊 铝合金分冷作强化和热处理强化两大类,其点焊焊接性较差,特别是热处理强化的铝化金。由于铝合金电导率和热导率较高,塑性温度范围窄,线膨胀系数大,凝固时易形成裂纹,表面易生成氧化膜等特点,要求铝合金点焊时,应选用短时间、大电流,较大的电极压力(阶梯形或马鞍形电极压力),电极的随动性要好,要求控制精确和加压系统灵敏。表5.11、5.12为铝合金的点焊规范参数,仅供参数。表5.11 铝合金LF21,LF3,LF5点焊的焊接条件板厚(mm)电极球面半径(mm)电极压力(KN)焊接时间(周)焊接电流(KA)锻压压力(KN)0.81.01.52.02.53.0751001502002002002.0-2.52.5-3.63.5-4.04.5-5.06.0-6.5822355-76-925-2829-3235-4045-5049-5557-60-22表5.12 铝合金LY12CZ、LC4CS点焊的焊接条件板厚(mm)电极球面半径(mm)电极压力(KN)焊接时间(KN)焊接电流(KA)锻压压力(KN)锻压滞后断电时刻(周)0.50.81.01.31.61.82.02.32.53.0751001001001502002002002002002.3-3.13.2-3.53.6-4.04.0-4.25.