材料成形装备及自动化 第3版 课件 第四章 5 金属连接成形装备及自动化

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EquipmentandAutomationofMaterialsProcess2024-2025学年第二学期EAMP

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2目录第一章

绪

论（2学时）

第二章金属液态成形装备及自动化（10学时）

第三章

金属塑性成形装备及自动化（10学时）第四章

金属连接成形装备及自动化（10学时）第五章

高分子材料成形设备及自动化（2学时）

第六章

快速成形装备及控制（6学时）第七章

其它材料成形装备（4学时）第八章热处理工业炉及其控制（2学时）第九章材料加工中的环境保护装备（2学时）4.1概述4.2电弧焊设备及自动化4.3电阻焊装备及自动化4.3.1概述4.3.2电阻焊机的基本结构4.3.3点焊装备4.3.4缝焊装备4.3.5对焊装备4.4激光焊接设备（自学、不考试）4.5焊接机器人（自学、不考试）第四章

金属连接成形装备及自动化EAMP

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34.3.1电阻焊原理及分类电阻焊的定义：将准备连接的工件置于两电极之间加压，并对焊接处通以电流，利用工件电阻产生的热量加热并形成局部熔化（或达到塑性状态），断电后，在压力继续作用下，形成牢固接头。EAMP

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4电阻焊的物理实质：利用焊接区金属本身的电阻热和大量塑性变形能量，使两个分离表面的金属原子之间接近到晶格距离，形成金属键，在结合面上产生足够量的共同晶粒而得到焊点，焊缝或对接接头。电阻焊的基本特点：内部热源——利用电流通过焊接区的电阻产生热量进行加热。施加压力——在压力作用下，通电加热、冷却，形成接头。形成电阻焊接头的基本条件：适当的热（焊接电流Iw）和机械力（电极压力Fw）。EAMP

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54.3.1电阻焊原理及分类EAMP

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64.3.1电阻焊原理及分类电阻焊的热源：Q=Iw2RtwR=2Rew+Rc+2Rw（μΩ）电阻焊电源的特点：低电压（固定式<10V；悬挂式24V左右）大电流（1~100千安，常用为2～40千安；150~200千安，用于铝合金构件和钢轨对焊）EAMP

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74.3.1电阻焊原理及分类电阻焊的优点：接头质量高：冶金过程简单、热影响区小、变形小；易于得到复杂形状的零件：电阻焊结构简化、重量轻；生产效率高：易于实现自动化；接头气密性好：接头表面较好。电阻焊的缺点：焊接质量不稳定，缺少简单而又可靠的无损检验方法，导致一些重要的受力构件不能采用电阻焊装配；设备复杂，功率大，维修困难，一次性投资大；焊件的尺寸、形状、厚度受到设备的限制；点焊与缝焊多采用搭接接头，增加了构件的重量，焊缝受力时会有附加力矩，使承载条件变坏，降低了接头的承载能力。

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84.3.1电阻焊原理及分类图4-45电阻焊分类电阻焊机：向焊接区提供热和机械力，即电流和压力而实现电阻焊的装置。特点：机械化和自动化程度高。分类：点焊机、凸焊机、缝焊机和对焊机。EAMP

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94.3.1电阻焊原理及分类图4-46各种电阻焊机的主电力电路

a)交流单相电阻焊机b)电容储能电阻焊机

c)低频电阻焊机d)次级整流电阻焊机4.3.2电阻焊机的基本结构基本结构：主电力电路、机械结构、控制装置1.主电力电路功率电路，所有初、次级主电流所流经的组件。EAMP

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102.机械结构机械结构是实施电阻焊时给焊接区加压的重要部件。包括机架、电极加压机构和传动机构。电极加压机构和传动机构在点焊机、缝焊机、对焊机中不同。点焊机主要有电极臂、电极握杆及杠杆或气/液压加压传动机构。缝焊机主要有电极臂、滑动轴承、气/液压加压系统、滚轮电极转动传动系统。对焊机主要有动、静夹具的夹紧机构和顶锻机构。EAMP

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114.3.2电阻焊机的基本结构3.控制装置电阻焊大电流、短时间、高速度的焊接特点，要求控制装置能够满足工艺要求的全部控制、响应速度快，并能实现焊接过程自动化，具有高的使用可靠性。控制装置的任务：实现焊接电流、电极压力、夹紧力、顶锻力等工艺参数的调节与控制。保证焊接循环中各阶段工艺参数的动态波形相互匹配及时间控制。此外，对要求严格控制焊接质量的焊机还需要实现工艺参数的自动调整和焊接质量的监控。控制装置的组成：电流控制器、焊接程序控制器和电网同步装置等。电流控制器和程序控制器是核心部分。EAMP

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124.3.2电阻焊机的基本结构焊接电流的控制：电磁接触器式和精确的电子开关式。电子开关可以实现与电网同步控制，使焊接电流在电网电压的固定相位接通和断开。采用移动相位角可实现热量控制。

焊接程序的控制：由程序转换电路和定时电路组合的控制单元实现。简单循环程序：预压、加热焊接、冷却结晶（维持加压）、休止四个程序段，其中电极压力和焊接电流值保持不变。当电极压力使用梯形、马鞍形或任意可调的压力循环，电流使用预热、焊接、回火等阶段值时，焊接程序就会变成复杂的循环程序。EAMP

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134.3.2电阻焊机的基本结构4.3.3点焊装备通用点焊机的组成：

图4-47点焊机组成示意图1-加压机构2-焊接回路3-阻焊变压器4-电力开关5-控制器6-功率调节机构7-冷却系统8-机身机械装置：加压机构、冷却系统、机身供电装置：焊接回路、阻焊变压器、功率调节机构控制装置：主电力开关、控制器EAMP

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14点焊机分类：按用途分为：通用型、专用型、特殊型。按安装方式分为：固定式、移动式或轻便式。按加压机构传动方式分为：脚踏式、电动凸轮式、电磁式、气压式、液压式、复合式。按活动电极移动方式为：垂直行程式、圆弧行程式。按焊接电流波形分为：交流型、低频型、电容贮能型、直流型（包括二次整流式和逆变式）。按电极类型可分为：单点、双点、多点。EAMP

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154.3.3点焊装备名称电极压力Fw/N压力变化曲线应用杠杆弹簧传动＜3000不变25kVA以下点焊机电动凸轮传动＜4000不变75kVA以下点焊机电磁传动－不变或可变小功率精密点焊机气压传动＜150000不变或可变1000kVA以下点（凸）焊机液压传动＜3500不变2800kVA以下多点焊机气压－液压传动＜9000不变200kVA以下悬挂式点焊机表4-4常用加压机构类型1、加压机构刚性好、动作灵活、随动性好，具有适应焊接工艺要求的压力变化曲线（恒定压力、阶梯形压力及马鞍形压力等）。EAMP

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164.3.3点焊装备2.焊接电流波形（1）工频焊接电流波形阻焊变压器经级数换接器（即功率调节机构）和开关（晶闸管电力开关）接于工频交流电网，由控制装置决定开关导通时刻的不同，二次回路中可获得不同电流波形。图4-49工频交流点焊机电气框图及焊接电流波形

a）连续波形b）断续波形

c）调幅波形d）半波波形a）简单点焊b）质量要求较高的点焊c）预热、缓冷有要求的金属材料的点焊d）单脉冲用于微型零件精密点焊，连续脉冲用于热压焊和电阻钎焊EAMP

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174.3.3点焊装备工频交流点焊机的特点：通用性强，控制简单，易于调整，容易实现波形变换和多脉冲规范控制，广泛应用；单相，负载持续率低，电网电压波动；功率因数低，耗能大；应用范围：零件的电阻较大，电极臂长和开度不大。EAMP

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184.3.3点焊装备（2）次级整流焊接电流波形由次级整流点焊机提供，电流波形属直流型。在阻焊变压器的二次输出端接入大功率硅整流器，使得二次回路中流过的是整流后的直流电流。图4-50二次整流电阻焊机电气框图及焊接电流波形

a）电气框图b）焊接电流波形EAMP

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194.3.3点焊装备图4-51二次整流电阻焊机主电路的三种基本形式

a）单相全波整流b）三相半波整流c）三相全波整流一般次级整流点焊机有单相全波整流、三相半波整流和三相全波整流三种类型。EAMP

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204.3.3点焊装备次级整流点焊机的特点：1）二次侧输出为直流，回路感抗几乎为零，且电流不过零，热效率高，获得同样大小的焊接电流所需的二次空载电压和功率比交流焊机低得多，视在功率只有交流焊机的1/3～1/5；2）通常采用三相供电，负载均衡，线电流小，对供电电网冲击小，利用率高；3）二次输出为直流，回路感抗几乎为零，焊机臂伸长、大开度以及回路内伸入磁性物质均不影响焊接电流输出大小，适用于大面积钢板件的点焊和长臂悬挂式点焊机的应用；4）直流电的集束效应，电流更集中地流过焊件的中心部，焊点在电极对轴向上尺寸长，穿透力强，可多层钢板一次焊成；5）直流电受回路电阻影响，回路电流可随焊接区电阻的变化作自动补偿，可减小电极与焊件的粘损和喷溅、分流的影响；通用性很强，能焊接碳钢、导热性好的轻合金、铜合金，适于大型构件的焊接。EAMP

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214.3.3点焊装备（3）点焊电极1）电极的功用向焊接区传输电流向焊接区传递压力导散焊件表面及焊接区的部分热量调节和控制点焊加热过程中的热平衡将工件定位、夹持于适当的位置2）对电极材料的要求有足够的高温硬度与强度，再结晶温度高有高的抗氧化能力并与焊件材料形成合金的倾向小在常温和高温下都有合适的导电、导热性具有良好的加工性能常用电极材料：冷硬铜、镉青铜、铬青铜、钨铜合金、扩散硬化铜合金EAMP

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224.3.3点焊装备图4-52点焊电极的典型形式

a)标准直电极b)弯电极c)帽式电极d)旋转头电极

e)插头电极f)螺纹电极g)盖式电极电极结构：端部、主体、尾部、冷却水孔。EAMP

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234.3.3点焊装备各种点焊电极的特点:标准电极(a)：应用最广泛，结构简单，承载强度高，变形小，冷却好，加工方便，成本低；弯电极(b)：用于直电极不可达的情况，承受偏心力矩，易出现挠曲，上、下电极对中不良，允许的电极压力小，加工复杂；帽式电极(c)：电极帽变形或磨损后可单独更换，节省电极材料消耗，但是电极帽与接杆部位会发热和磨损；旋转头电极(d)：采用铰链连接电极头和接杆，电极头可以随焊接平面转动，接触良好，自适应焊接位置的能力强，应用于焊件表面平整的点焊和凸焊；插头电极(e)：尺寸小，小型点焊机或多点焊机使用；螺纹电极(f)：装配空间小或焊接压力较大的凸焊和多点焊机使用；盖式电极(g)：与帽式电极类似，电极头通过螺纹与接杆连接。EAMP

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244.3.3点焊装备（4）控制系统通用点焊机采用集成电路组成的同步控制系统，主电力开关在电网电压每半周固定相位下接通，而在电流过零时断开。图4-53典型主电力电路原理图EAMP

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254.3.3点焊装备图4-54集成电路组成的控制器的通用控制原理框图控制系统原理:同步脉冲发生电路、定时和程序转换电路、热量调节和触发电路，功率因素自适应与单管导通保护电路。EAMP

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264.3.3点焊装备图4-54集成电路组成的控制器的通用控制原理框图1）同步脉冲发生电路产生与网压同步的50Hz和100Hz脉冲信号，分别用于控制定时和程序转换电路及移相电路。EAMP

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274.3.3点焊装备图4-54集成电路组成的控制器的通用控制原理框图2）定时和程序转换电路同步定时控制电路：8421数字拔码盘和“二～十进制”加法计数器，设定加压、焊接、维持、休止程序的延时时间，范围为0~99周的整周数。程序转换电路：程序选通门、延时电路、程序转换门，由两组J-K触发器组成的二位二进制计数器输出四种不同状态的程序循环，程序信号再经译码器输出，分别轮流控制加压、焊接、维持、休止四个程序。EAMP

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284.3.3点焊装备图4-54集成电路组成的控制器的通用控制原理框图3）热量调节和触发电路移相器、脉冲列发生器、功放电路、触发电路。移相器电路：通过调节触发脉冲相位角来调节晶闸管的导通角，实现连续的焊接电流调节。脉冲列发生器：将输入的100Hz移相脉冲调制为3～4KHz的高频脉冲列，然后触发晶闸管，保证触发的可靠性及焊接电流波形正负对称。EAMP

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294.3.3点焊装备4.3.4缝焊装备用滚轮电极取代点焊电极，焊件置于两滚轮电极间，滚轮连续或断续滚动并通以电流脉冲，形成一系列焊点组成焊缝。除加压和馈电功能外，还需要滚轮电极转动的传动机构。图4-55缝焊机组成示意图1-加压机构2-二次回路3-阻焊变压器4-机身5-功率调节机构6-主电力开关7-控制设备8-传动机构9-冷却系统10-机头11-焊轮缝焊机的分类：按电极类型：单缝焊、双缝焊、多缝焊。按电极运动方向：纵向缝焊、横向缝焊、万能缝焊。EAMP

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30机械装置：加压机构、传动机构、电极（1）传动机构获得焊接速度，机头承担传递焊接压力和电流的作用。由电动机通过减速变速器和方向轴等带动滚轮转动。1）连续传动机构用于连续缝焊和断续缝焊的缝焊机。典型的带轮调速、减速传动机构。焊接汽车油箱的专用缝焊机双轮传动机构。图4-56连续转动的传动机构a)带轮调速减速传动机构b)双轮传动机构EAMP

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314.3.4缝焊装备2）步进传动机构用于步进式缝焊机。磁力离合器式步进传动机构，通过磁力离合器中的电磁线圈与焊接循环同步接通和断开，实现焊轮的同步步进运动，转速可通过齿轮组和电动机进行调节。

图4-57具有磁力离合器的步进式传动机1-直流电动机2-磁力离合器3-锥齿轮对4-蜗轮蜗杆减速器5-可变换齿轮组6-万向轴7-下焊轮EAMP

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324.3.4缝焊装备3）机头集传动、加压和导电功能为一体，不仅影响焊接速度、电极压力的稳定性，还决定了焊接电流的大小及稳定性。导电方式有滚动接触导电、滑动接触导电及耦合导电，常用滑动接触导电。

对滑动触点的基本要求是：能在转动及低应力条件下传导大电流保证低功率损耗接触电阻低而且稳定使用可靠、寿命长、维护方便中小功率：a)中等功率以上：b)、c)、d)，将加压与导电分开，使滑动触点在工作中不承受电极压力，以改善触点的导电效果和使用寿命EAMP

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334.3.4缝焊装备（2）缝焊电极圆形滚盘式，称作滚轮或焊轮。由轮缘端面外形、焊轮直径、焊轮宽度、冷却方式和安装形式等因素决定。根据被焊工件的材料及工艺要求不同，焊轮轮缘端面可以分别选用多种形式。图4-59缝焊焊轮形状a）平面形b）单边倒角形c）双边倒角形d）球面形EAMP

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344.3.4缝焊装备图4-59缝焊焊轮形状a）平面形b）单边倒角形c）双边倒角形d）球面形平面形焊轮：较为常用，2mm以内的低碳钢板，安装要求较高，需将上、下轮平面平行且与工件均匀接触，才能获得好的焊接质量和电极使用寿命。球面形焊轮：安装要求较低，散热好，压痕过渡均匀，焊缝外观最好，用于铝和铝合金等有色金属焊接。单边倒角、双边倒角焊轮：强度比平面形焊轮高，散热较好，镀锌钢板焊接。EAMP

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354.3.4缝焊装备4.3.5对焊装备电阻对焊的原理：将焊件端面相对放置，利用焊接电流通过焊件的电阻热加热，并施加压力完成焊接的电阻焊方法。图4-60对焊接头设计a)正确设计b)错误设计对焊的特点：对接接头截面尺寸相同对焊机的容量较大，1000kVAEAMP

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361.对焊的分类电阻对焊闪光对焊对焊机：夹紧焊件、送进焊件、顶锻、向焊件输送焊接电流图4-61对焊原理图a）电阻对焊b）闪光对焊图4-62对焊机组成示意图1-控制设备2-机身3-二次回路4-固定台板5-钳口（电极）6-夹紧机构7-可动台板8-送进机构9-导轨10-冷却系统11-阻焊变压器12-功率调节装置13-主电力开关EAMP

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374.3.5对焊装备对焊机分类：按加热方法：电阻对焊机、连续闪光对焊机、预热闪光对焊机、脉冲闪光对焊机。按主电源：工频、电容储能、二次整流、低频、逆变电源对焊机。按夹紧机构：杠杆夹紧、螺旋夹紧、偏心夹紧、气压夹紧、气液压夹紧、液压夹紧对焊机。按送进机构：杠杆传动、弹簧传动、电动凸轮传动、气压传动、气液压传动、液压传动对焊机。按焊接过程自动化：非自动(手工传动)对焊机、半自动(非自动预热、自动烧化和顶锻)对焊机、自动对焊机。按用途：通用和专用。EAMP

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384.3.5对焊装备图4-63两种夹紧机构a）有顶座形式b）无顶座形式2.对焊机的机械装置和电极部分（1）机械装置机身、夹紧机构、送进机构1）夹紧机构静夹具和动夹具，前者直接安装在固定台板上，与焊接变压器二次绕组的一端相连，并与机身在电气上绝缘；后者安装在活动台板上，与焊接变压器的另一端相连。主要功能：夹紧焊件并从电源向焊件输送焊接电流。有顶座：通过顶座传递顶锻力，所需的夹紧力较小。无顶座：通过钳口和焊件之间的摩擦力传递顶锻力，需要较大的夹紧力，适用于长焊件（平板、钢轨、钢管），应用广泛。EAMP

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394.3.5对焊装备图4-64对焊机的气压夹紧机构1-焊件2-下电极3-上电极4-杠杆5-活塞杆6-气缸中、小功率对焊机：手动夹紧机构和气压夹紧机构大功率对焊机：气-液压夹紧或液压夹紧机构

图4-65对焊机的气-液压夹紧机构

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404.3.5对焊装备2）送进机构决定焊接质量的关键部分主要完成以下功能：在电阻对焊时，使焊件端面压紧，并在通电加热和顶锻时使焊件产生一定的变形；在闪光对焊时，先使焊件按一定的烧化曲线平稳送进，并在顶锻时提供必要的顶锻力和顶锻速度，使焊件快速压紧和塑性变形；在有预热的闪光对焊中，能使动夹具中的焊件作多次往复直线移动。分类：弹簧加压式、杠杆加压式、凸轮加压式、气体加压式、气—液加压式和液体加压式。中等功率的对焊机采用电动凸轮式送进机构。EAMP

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414.3.5对焊装备图4-66凸轮加压式送进机构

a）机构传动图b）凸轮及位移曲线图凸轮式加压送进机构：依靠凸轮外形和转速决定闪光和顶锻Ⅰ：初始位置，焊接开始后凸轮顺时针转动Ⅱ：激起闪光，小凸台Ⅲ：闪光阶段，弧线部分Ⅳ：顶锻阶段，大凸台上升沿Ⅴ