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点焊工艺基础知识 点焊的形成 点焊过程可分为彼此相联的三个阶段 预加压力 通电加热和锻压 点焊的定义 焊接是两种或两种以上同种或异种材料通过分子或原子间的结合和扩散而连成一体的工艺加工过程 电阻焊就是将工件置于两个电极之间加压 通以电流 利用工件的电阻产生热量并形成局部熔化 或达到塑性状态 断电后 压力继续作用 形成牢固接头 点焊的三个阶段 预压 预加电极压力是为了使焊件在焊接处紧密接触 若压力不足 则接触电阻过大 导致焊件烧穿或将电极工作面烧损 因此 通电前电极力应达到预定值 以保证电极与焊件 焊件与焊件之间的接触电阻保持稳定 点焊三个阶段 通电加热 通电加热是为了供焊件之间形成所需的熔化核心 在预加电极压力下通电 则在两电极接触表面之间的金属圆柱体内有最大的电流密度 靠焊件之间的接触电阻和焊件自身的电阻 产生相当大的热量 温度也很高 尤其是在焊件之间的接触面处 首先熔化 形成熔化核心 电极与焊件之间的接触电阻也产生热量 但大部分被水冷的铜合金电极带走 于是电极与焊件之间接触处的温度远比焊件之间接触处为低 正常情况下是达不到熔化温度 在圆柱体周围的金属因电流密度小 温度不高 其中靠近熔化核心的金属温度较高 达到塑性状态 在压力作用下发生焊接 形成一个塑性金属环 紧密地包围着熔化核心 不使熔化金属向外溢出 在通电加热过程中有两种情况可能引起飞溅 一种是开始时电极预压力过小 熔化核心周围未形成塑性金属环而向外飞溅 另一种是加热结束时 因加热进间过长 熔化核心过大 电极压力下 塑性金属环发生崩溃 熔化金属从焊件之间或焊件表面溢出 点焊三个阶段 锻压 锻压是在切断焊接电流后 电极继续对焊点挤压的过程 对焊点起着压实作用 断电后 熔化核心是在封闭的金属 壳 内开始冷却结晶的 收缩不自由 如果此时没有压力作用 焊点易出现缩孔和裂纹 影响焊点强度 如果有电极挤压 产生的挤压变形使熔核收缩自由并变得密实 因此 电极压力必须在断电后继续维持到熔核金属全部凝固之后才能解除当焊件厚度较大 铝合金为1 6 2mm 钢板为5 6mm 时 因熔核周围金属壳较厚 常需增加锻压力 加大压力的时间须控制好 过早 会把熔化金属挤出来变成飞溅 过晚 熔化金属已凝固而失去作用 一般断电后在0 0 2秒内加大锻压力 点焊电极 是点焊机中重要但又易损耗的零件 它的材质 结构形状直接影响焊接质量 生产成本和劳动生产率 也对自身使用寿命有影响电极功能 传输电流 传递压力和迅速散热 点焊电极功能 a 传输电流 点焊时焊接电流靠电极传输 流过电极工作面的电流密度很大 点焊时的电流密度是常用导线电流密度的数十到数百倍 已超过一般导线所能承受能力 点焊电极功能 b 传递压力 点焊时须通过电极向焊件施加一定的焊接压力和锻压力 按被焊材料不同 电极压力高达几十千牛 焊接低碳钢时其内部压强达30 140MPa 焊不锈钢时为250 400MPa 焊高温合金时 高达400 900MPa 电极工作面直接接触焊点 它承受着焊接产生的高温 所以电极必须具有足够的高温强度 否则会导致电极工作面迅速变形与压溃而无法进行工作 点焊电极功能 c 散热作用 点焊时 焊接区的大部分热量是从上 下电极传导而散失 被焊板件越薄 其散失的热量就越多 焊接厚度为1mm的低碳钢 电极散走的热量约占输入点总热量的70 80 复合电极 把钨 钼 棒或钨 钼 片镶嵌于铜合金电极的头部构成复合电极 可提高电极的导电性 改善钨极的散热效果 此外 可以防止钨极在焊接时受冲击而碎裂 由于用纯钨 钼 作电极的镶嵌件 其尺寸受到限制而不能做得过大 且电极形式有限 因此 用得较多的是铜 钨和银 钨粉末烧结材料 可加工成不同形状和尺寸的电极 这些钨 钼 镶嵌件或烧结材料均用钎焊焊于电极主体的头部 点焊工艺 前处理 当焊件表面有油污 水分 油漆 氧化膜及其它脏物时 使表面接触电阻急剧增大 且在很大范围内波动 直接影响到焊接质量的稳定 为保证接头质量稳定 点焊 也包括凸焊 前必须对工件表面进行清理 清理方法分机械清理和化学清理两种 前者有喷砂 喷丸 刷光 抛光 磨光等 后者常用的是酸洗或其它化学药品 主要是将金属表面的锈皮 油污 氧化膜 脏物溶解和剥蚀掉 这两种清理方法一般是根据焊件材料 供应状态 结构形状与尺寸 生产规模 生产条件及对焊接质量要求等因素选定 低碳钢和低合金钢在大气中耐腐蚀能力弱 在运输 存放和加工过程中常用抗蚀油保护 若涂油表面未被脏物或其他不良导电材料所污染 在电极压力下 油膜很容易被挤开 不影响接头质量 对未经酸洗过的热轧钢板 焊前必须用喷砂 喷丸或用化学腐蚀的方法清除氧化皮 有镀层的钢板 除少数外 一般不用特殊清理就可以进行焊接 镀铝钢板则需要用钢丝刷或化学腐蚀清理 不锈钢 高温合金点焊时 需保持焊件表面高度清洁 若有油 尘土 油漆物存在 有增加硫脆化可能 需用抛光 喷丸或化学腐蚀方法清理 对重要焊件有时用电解抛光 但其工艺较复杂 生产率低 点焊工艺参数 点焊的工艺参数主要有焊接电流I 焊接时间t 电极力F和电极工作面尺寸d等 它们之间密切相关 而且可在相当大的范围内变化来控制焊点的质量 点焊工艺参数 电流 焊接电流是影响析热的主要因素 析热量与电流的平方成正比 随着焊接电流增大 熔核的尺寸或焊透率A是增加的 在正常情况下 焊接区的电流密度应有一个合理的上 下限 低于下限时 热量过小 不能形成熔核 高于上限 加热速度过快 会发生飞溅 使焊点质量下降 但是 当电极力增大时 产生飞溅的焊接电流上限值也增大 在生产中当电极力给定时 通过调节焊接电流 使其稍低于飞溅电流值 便可获得最大的点焊强度 点焊工艺参数 焊接时间 焊接时间是指电流脉冲持续时间 它既影响析热又影响散热 在规定焊接时间内 焊接区析出的热量除部分散失外 将逐渐积累 用于加热焊接区使熔核逐渐扩大到所需的尺寸 所以焊接时间对熔核尺寸的影响也与焊接电流的影响基本相似 焊接时间增加 熔核尺寸随之扩大 但过长的焊接时间就会引起焊接区过热 飞溅和搭边压溃等 通常是按焊件材料的物理性能 厚度 装配精度 焊机容量 焊前表面状态及对焊接质量的要求等确定通电时间长短 点焊工艺参数 电极力 电极力对焊点形成有着双重作用 它既影响焊点的接触电阻 即影响热源的强度与分布 又影响电极散热的效果和焊接区塑性变形及核心的致密程度 当其它参数不变时 增大电极力 则接触电阻减小 散热加强 因而总热量减少 熔核尺寸减小 特别焊透率降低很快 甚至没焊透 若电极力过小 则板间接触不良 其接触电阻虽大却不稳定 甚至出现飞溅和烧穿等缺陷 由于电极力对焊接区金属塑性环的形成 对消除焊点的内 外缺陷和改善金属组织有较大的作用 因此 在一般情况下 若焊机容量足够大 就可以采取增大电极力的同时 相应地也增大焊接电流 以提高焊接质量的稳定性 点焊工艺参数 电极形状等 电极端面和电极本体的结构形状 尺寸及其冷却条件影响着熔核几何尺寸与焊点强度 对于常用的圆锥形电极 其电极体越大 电极头的圆锥角 越大 则散热越好 但 角过大 其端面不断受热磨损后 电极工作面直径de迅速增大 若 过小 则散热条件差 电极表面温度高 更易变形磨损 为了提高点焊质量的稳定性 要求焊接过程电极工作面直径de变化尽可能小 为此 角一般在90 140 范围内选取 对于球面形电极 因头部体积大 与焊件接触面扩大 电流密度降低及散热能力加强 其结果是焊透率会降低 熔核直径会减小 但焊件表面的压痕浅 且为圆滑地过度 不会引起大的应力集中 而且焊接区的电流密度与电极力分布均匀 焊点质量易保持稳定 此外 上 下电极安装时对中要求低 稍有偏斜 对焊点质量影响小 显然 焊接热导率低的金属 如不锈钢焊接 宜使用电极工作面较大的球面或弧面形电极 各工艺参数之间的关系 实际上点焊过程上述各工艺参数间并非孤立变化 常常变动其中一个参数会引起另一个参数的改变 彼此相互制约 改变焊接电流IW 焊接时间tW 电极力FW 电极工作面直径de都会影响散热 而tW和FW与焊点塑性区大小有密切关系 增加IW 和tW 降低FW 使析热增多 可以增大熔核尺寸 这时若散热不良 de小 就可能发生飞溅 过热等现象 反之 则熔核尺寸小 甚至出现未焊透 增加IW 和tW 都使熔核尺寸和焊透率增大 提高焊点的抗剪强度 如果对这两个工艺参数进行不同的配合调节 就会得出加热速度快慢不同的两种焊接条件 即强条件 规范 强条件是焊接电流大 焊接时间短 其效果是加热速度快 焊接区温度分布陡 加热区窄 接头表面质量好 过热组织少 接头的综合性能好 生产率高 因此 只要焊机功率允许 各工艺参数控制精确 均应采用 但由于加热速度快 这就要求加大电极力和散热条件与之配合 否则易出现飞溅等缺陷 弱条件是焊接电流小而焊接时间长 其效果是加热速度慢 焊接区温度分布平缓 塑性区宽 在压力作用下易变形 因此 对于焊机功率不足 工件厚度大 变形困难或易淬火的材料 采用弱条件焊接是有利的 根据不同金属材料或结构对焊接质量的要求 工艺参数的调节是多种多样的 在点焊所有工艺参数中 焊接电流和通电时间是影响焊接区温度的主要参数 通过改变焊接电流的脉冲次数 幅值大小和通断时间的长短 就可以在焊接区获得不同温度变化过程 以达到顺利焊接不同材质和不同厚度的焊件的目的 分流 焊接时不能过焊接区而流经焊件其它部分的电流为分流 同一焊件上已焊的焊点对正在焊的焊点就能构成分流 焊接区外焊件间的接触点也能引起分流 见图7 不希望产生分流现象 因为 分流使焊接区的有效电流减小 析热不足而使熔核尺寸减少 导致焊点强度下降 分流电流在电极 焊件接触面一侧集中过密 将因局部过热造成飞溅 烧伤焊件或电极 熔核偏斜等 由于形成分流的偶然因素很多 使得焊接电流不稳定 从而焊接质量也不稳定 影响分流的因素很多 零件材料 结构 点距 表面和装配质量等都能影响分流的大小 实质上分流的大小是取决于焊接区的总电阻与分路阻抗之比 分路阻抗越小 则分流就越大 减少分流 选择合适的点距 为了减小分流 通常按焊件材料的电阻率和厚度规定点距的最小值 材料的电阻率越小 板厚越大 焊件层数越多 则分流越大 所允许的最小点距也应增大 焊前清理焊件表面 表面上存在有氧化膜 油垢等脏物时 焊接区总电阻增大 使分流增大 提高装配质量 待焊处装配间隙大 其电阻增加 使分流增大 因此 结构刚性较大或多层板进行组装时 应提高装配质量 尽量减小装配间隙 适当增大焊接电流 以补偿分流的影响 由于结构设计需要或其它原因 分流不可避免时 为了保证熔核具有足够几何尺寸 应加大焊接电流 以补偿分流的损失 例如 焊接不锈钢与高温合金连续点焊时 采用比正常点焊的焊接电流高40 60 其它特殊措施 分流对单面双点焊影响较大 见图7b 对于厚度相等的焊件 因分路阻抗小于焊接区的总电阻 故分流大于焊接区通过的电流 为了减小分流 通常在焊件下面衬以导电金属板 见图8a 使IW I1 I2 I1 对于厚度不同或材料不同的焊件 应尽量将两电极放在分路电阻较大的一侧 即放在较薄板件或导电性差的材料的一侧 不同厚度焊接 当材料相同而厚度不等的焊件点焊时 若用相同尺寸的电极 则由于接合面与强烈散热的两电极距离不同 使上 下两焊件散热条件不同 所以其温度场分布不对称 熔核偏向厚板侧偏移结果使接合面上熔核尺寸小于核心最大尺寸 降低了焊点强度 严重时会造成未焊合 产生熔核偏移现象 随两焊件厚度比增大而加剧 焊接条件 规范 越软 其散热作用越强 偏移也越大 如何保证强度 提高接触面上的电流密度 增强发热 在薄件或零件上预制凸点 或在接触面上放工艺垫片 使接触面上电流密度增大 析热集中于接触面附近 从而使熔核形成在接合面上 垫片材料 厚度由薄件厚度和材质而定 一般用厚为0 2 0 3mm的箔片 导热性差而熔点较高的不锈钢箔可用于焊接铜或铝合金 坡莫合金箔片可用于焊耐热合金 调节散热条件尽量使接触面两侧散热均衡 可以采用不同直径的电极 在厚件一侧用较大直径的电极以增大厚件的散热 在薄件一侧用小直径电极以减少薄件的散热 或者上 下电极采用不同的电极材料 在薄件一侧用热导率 较厚件侧为小的电极材料 或者增加薄板侧电极端面至其内部冷却水孔底部的距离 均能起到减小薄件的散热条件的作用 使熔核恰好在接合面上形成 采用 硬规范 焊接硬规范电流大 通电时间短 能充分利用接合面处接触电阻的集热作用 而且加热时间短 热损失相对地减少 使接合面上的温度较高 核心偏移较小 所以电容储能点焊不同厚度板时 其熔核偏移小 常用金属材料点焊工艺要求