电阻焊及各种焊机原理剖析Word格式.docx

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３.1、点焊

•电阻点焊，简称点焊；

将焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法。

•点焊是一种高速、经济的重要连接方法，适用于制造可以采用搭接、接头不要求气密、厚度小于3MM的冲压、轧制的薄板构件

3.1.1点焊接头的形成

•电阻点焊原理和接头形成,可简述为：

将焊件压紧在两电极之间，施加电极压力后，阻焊变压器向焊接区通过强大焊接电流，在焊件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，继续加热形成熔化核心，简称“熔核”。

•熔核中的液态金属在电动力作用下发生强烈搅拌，熔核内的金属成分均匀化，结合界面迅速消失。

•加热停止后，核心液态金属以自由能量最低的熔核边界半熔化晶粒表面为晶核开始结晶，然后沿与散热相反方向不断以枝晶形式向中间延伸。

•通常熔核以柱状晶形式生长，将合金浓度较高的成分排至晶叉及枝晶前端，直至生长的枝晶相抵住，获得牢固的金属键合，接合面消失了，得到了柱状晶生长较充分的焊点或因合金过冷条件不同，核心中心区同时形成等轴晶粒，得到柱状晶与等轴晶两种凝固组织并存的焊点。

•同时，液态熔核周围的高温固态金属，在电极压力作用下产生塑性变形和强列再结晶而形成塑性环，该环先于熔核形成始终伴随着熔核一起长大，它的存在可防止周围气体侵入和保证熔核态金属不至于沿板缝向外喷溅。

•

3.2、凸焊

•凸焊，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。

•凸焊是点焊的一种变形，主要用于焊接低碳钢和低合金钢的冲压件

•凸焊在线材、管材等连接上也获得普遍应用

3.2.1焊接头形成过程

凸焊和点焊一样也是在热-机械（力）联合作用下形成的,但是由于凸点的存在不仅改变了电流场和温度场的形态,而且在凸点压溃过程中使焊接区产生很大的塑性变形,这此情况均对获得优质接头有利。

但同时也使凸焊过程比点焊过程复杂和有其自身特点,在一良好凸焊焊接循环下,由预压、通电加热和冷却结晶三个连续阶段组成

3.3、缝焊

•缝焊，焊件装配成搭接或对接接头并置于两滚轮电极之间，滚轮电极加压焊件并转动，连续或断续送电，形成一条连续焊缝的电阻焊方法

3.3.1缝焊接头形成过程

缝焊时,每一焊点同样要经过预压、通电加热和冷却结晶三个阶段

•但由于缝焊时滚轮电极与焊件间相对位置的迅速变化，使此三阶段不像点焊时区分得那样明，可以认为：

1、在滚轮电极直接压紧下，正被通电加热的金属，系处于“通电加热阶段”。

2、即将进入滚轮电极下面的邻近金属，受到一定的预热和滚轮电极部分压力作用，系处在“预压阶段”。

3、刚从滚轮电极下面出来的邻近金属，一方面开始冷却，同时尚受到滚轮电极部分压力作用，系处在“冷却结晶阶段”

因此，正处于滚轮电极下的焊接区和邻近它的两边金属材料，在同一时刻将分别处于不同阶段。

而对于焊缝上的任一焊点来说，从滚轮下通过的过程也是经历“预压—通电加压—冷却结晶”三个过程。

由于该过程是在动态下进行的，预压和冷却结晶阶段时的压力作用不够充分，就使缝焊接头质量一般比点焊时差，易出现裂纹、缩孔等缺陷。

3.4、对焊

•对焊，把两工件端部相对放置，利用焊接电流加热，然后加压完成焊接的电阻焊方法。

对焊包括电阻对焊及闪光对焊两种

对焊缝焊

四、电阻焊基本原理

焊接热的产生及影响产热的因素。

点焊时产生的热量由下式决定：

Q=I2RT

•公式中：

Q-产生的热量（J）I-焊接电流（A）

R-电极间电阻（Ω）T-焊接时间（S）

4.1电阻R及影响R的因素

•公式中的电极间电阻包括工件本身电阻Rw两工件间接触电阻Rc，电阻与工件间接触电阻Rew.

•R=2Rw+Rc+2Rew

•当工件和电极已定时，工件的电阻取决于它的电阻率。

由于，电阻率是被焊材料的重要性能。

电阻率高的金属其导热性差（如不锈钢），电阻率低的金属其导热性好（如铝合金）。

因此，点焊不锈钢时产热快而散热慢，点焊铝合金时产热慢而散热快，点焊时，前者可以用较小电流（几千安培），后者就必须用很大电流（几万安培）。

•电阻率不仅取决于金属种类，还与金属的热处理状态和加工方式有关。

•通常金属中含合金元素越多，电阻率就越高。

•淬火状态又比退火状态的高：

例如退火状态的LY12铝合金电阻率为4.3μΩ.cm,淬火时效则的则高达7.3μΩ.cm

•各种金属的电阻率还与温度有关,随着温度的升高,电阻率增高,并且金属熔化时的电阻率比熔化前高1-2倍

•随着温度升高，除电阻率增高使工件增高外，同时金属的压溃强度降低，使工件与工件、工件与电极间的接触面增大，因而引起工件电阻减小，

•点焊低碳钢时，在两种矛盾的因素影响下，加热开始时工件电阻逐渐增高，熔核形成时又逐渐降低，这一现象，给当前已开始应用于生产的动态电阻监控提供了依据。

•电极压力变化将改变工件与工件、工件与电极间的接触面，从而也将影响电流线的分布，随着电极压力的增大，电流线的分布将较分散，因而工件电阻将减小。

•熔核开始形成时，由于熔化区的电阻增大，将迫使更大部分电流从其周围的压接区（塑性环）流过，使该区再陆续熔化，熔核不断扩展，但熔核直径受电极端面直径的制约，一般不超过电极端机直径的20%，熔核过分扩展，将使塑性环因失压而难以形成，而导致熔化金属的溅出（飞溅）。

电阻公式中的接触电阻Rc由两方面原因形成：

1、工件和电极表面有高电阻系数的氧化物或脏物层，使电流受到较大电阻碍，过厚的氧化物和脏物层甚至会使电流不能导通。

2、在表面十分洁净的条件下，由于表面的微观不平度，使工件只能在粗糙表面的局部形成接触点，在接触点处形成电流线的收拢，由于电流通道的缩小而增加了接触处的电阻。

电极压力增大时,粗糙表面的凸点将被压溃，凸点的接触面增大，数量增多，表面上的氧化膜也更易被挤破；

温度升高时，金属的压溃强度降低（低碳钢600度时，铝合金350度时，压溃强度急趋于0），即使电极压力不变，也会有凸点接触面增大、数量增多的结果，可见，接触电阻将随电极压力的增大和温度的升高而显著减小，因此，当表面清理十分洁净时，接触电阻仅在通电开始极短的时间内存在，随后会迅速减小以至消失。

接触电阻尽管存在的时间极短，但以很短的加热时间点焊铝合金薄件时，对熔核的形成和焊点强度的稳定性仍有非常显著的影响。

4.2焊接电流的影响

从公式中可见，电流对产热的影响比电阻和时间两者都大；

因此，在点焊过程中，它是一个必须严格控制的参数；

引起电流变化的主要原因是电网电压波动和交流焊机次级回路阻抗变化；

阻抗变化是因回路的几何形状或因在次级回路中引入了不同量的磁性金属；

对于直流焊，次级回路阻抗变化对电流无明显影响。

除焊接电流总量小，电流密度也对加热有显著影响，通过已成型焊点的分流，以及增大电极接触面积或凸焊时的凸点尺寸，都会降低电流密度和焊接热，从而使接头强度显著下降。

　　　随着电流的增大，熔核尺寸和接头的抗翦强度将增大，图中曲线的陡峭段ＡＢ，相当于未熔化焊接，倾斜段ＢＣ，相当于熔化焊接，接近Ｃ点处，抗剪强度增强缓慢，说明电流的变化对抗剪强度影响小；

因此，点焊时应选用接近Ｃ点的电流，越过Ｃ点后，由于飞溅或工件表面压痕过深，抗剪强度会明显降低。

4.3焊接时间的影响

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（硬规范），也可以采用小电流和长时间（软规范）；

选用硬规范还是软规范，则取决于金属的性能、厚度和所用焊机的功率；

但对于不同性能和厚度的金属所需的电流时间，都仍有一个上、下限，超过此限，将无法形成合格的熔核。

4.4电极压力的影响

•电极压力对两电极间总电阻R有显著影响,随着电极压力的增大,R显著减小,此时焊接电流虽略有增大,但不能影响因R减小而引起的产热减小,因此,焊点强度总是随着电极压力增大而降低,在增大电极压力的同时,增大焊接电流或延长焊接时间,以弥补电阻减小的影响,可以保持焊点强度不变,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,将引起飞溅,也会使焊点强度降低。

4.5电极形状及材料性能的影响

•由于电极的接触面决定着电流密度，电极材料的电阻率和导热性关系着热量的产生和散失，因而电极的形状和材料对熔核的形成有显著的影响。

•随着电极端头的变形和磨损，接触面积将增大，焊点强度将降低。

4.6工件表面状况的影响

工件有面上的氧化物、污垢、油和其他杂质增大了接触电阻。

过厚的氧化物层甚至会使电流不能通过。

局部的导通，由于电流密过大，则会产生飞溅和表面烧损，严重时会出现炸火现象。

氧化物层的不均匀性还会影响各个焊点加热不一致，引起焊接质量的波动。

彻底清理工件表面是保证获得段质接头的必要条件。

4.7热平衡、散热及温度分布

•点焊时，产生的热量Q只有较小部分用于形成熔核，较大部分将因向邻近物质的传导和辐射而损失掉，其热平衡方程式如下：

Q=Q1+Q2

式中　Q1=形成熔核的热量

　Q2=损失的热量

有效热量Q1取决于金属的热理性质及熔化金属量，而与所用的焊接条件无关

•Q1≈10～30%Q：

电阻率低、导热性好的金属（铝、铜合金等）取低限；

电阻率高、导热性差的金属（不锈钢、高温合金等）取高限。

•损失的热量Q2主要包括通过电极传导的热量（≈30～50%Q）和通过工件传导的热量（≈20%Q）；

辐射到大气中的热量只约点5%，可以忽略不计

•通过电极传导的热量是主要的散热损失，它与电极的材料、形状、冷却条件，以及所采用的焊接条件有关，例如采用硬规范的热损失，就要比采用软规范小得多。

•由于损失的热量随焊接时间的延长和金属温度的升高而增加，因此，当焊接电流不足时，只延长焊接时间，会在某一时刻达到热量的产生与散失相平衡，继续延长焊接时间，将无助于熔核的增大，这说明了用小功率焊机不能焊接厚钢板和铝合金的原因。

•在不同厚度工件的点焊中，还可以通过控制电极的散热（改变电极的材料或接触面积，采用附加垫片等）以改善熔核的偏移，增加薄件一侧的焊透率。

•焊接区的温度分布是产热与散热的综合结果；

最高温度总是处于焊接区中心，超过被焊金属熔点TM的部分形成熔化核心，核内温度可超过TM（焊钢时超出200-300度），但在电磁力的强烈搅动下，进一步升高是困难的。

由于电极的强烈散热，温度从核界到工件外表面降低得很快，外表面上的温度通常不超过（0.4-0.6）TM。

温度在径向内也随着离开核界的距离而比较迅速地降低，被焊金属的导热性越好，

所用条件越软，这种降低就越平缓，温度梯度也越小。

缝焊时，由于熔核不断形成，对已焊部位起到回火作用，未焊部位起到预热作用，

故缝焊时的温度分布要比点焊时平坦，又因已焊部分有分流加热，以及由于滚轮离开后散热条件变坏的影响，因此，温度在焊轮圆周分布沿工件前进方向前后不对称，刚从滚盘下离开的金属温度较高，焊接速度越大，则散热条件越坏，预热作用越小，因此温度分布不对称的现象越明显，采用硬规范或步进缝焊能够改善这种现象，使温度分布更接近点焊。

温度分布曲线越平坦，则接头的热影响越大，工件表面越容易过热，电极越容易磨损，因此，在焊机功率允许的条件下，宜采用硬规范焊接。

五、焊接参数的意义

•预压时间—启动焊接开关到焊接开始放电的时间。

•加压时间—启动焊接开关到加压阀打开的时间

•焊接时间—焊机放电的持续时间，焊接电流通过工件，产热形成熔核。

•焊接电流—焊接时的电流大小。

（08B控制器是100A为单位；

拔码控制器是

千分之几比例。

）

•保持时间—焊机放电完毕后，保持压力的时间，没有焊接电流，电极压力继续维持至熔核凝固到足够强度。

•储能电压—指电容上储存的电压值（最高为420V）

大多数的电阻焊是在数十个周波的极短的时间内完成的，而且因为是发生在金属接触内部的现象，很难在焊接中边观察边控制电流以及其他影响焊接的诸因素，因此，实际焊接时都是通过对下图的诸多因素进行事前研究、把握、实验、观察来决定最适用的组合条件。

※焊接电流、焊接压力、通电时间被称为电阻焊焊接的三大要素。

5.1焊接电流

•由于电阻产生的热量与通过的电流的平方成正比，因此焊接电流是产生热量中最重要的因素；

焊接电流的重要性还不单纯指电流的大小，电流密度的高低也是很重要的。

5.2焊接压力

•焊接压力是热量产生的重要因素；

焊接压力是施加给焊接处的机械力量，通过压力使接触电阻减小，使电阻值均匀，可防止焊接时的局部加热，使焊接效果均匀。

5.3通电时间

·

通电时间也是产生热量的重要因素，通电产生的热量通过传导来释放，即使总的热量一定，由于通电时间的不同，焊接处的最高温度就不同，焊接结果也不一样。

5.4电流波形

·

发热与加压在时间上的最佳组合对电阻焊是非常重要的，为此焊接过程中各瞬间的温度分布必须适当；

根据被焊特材质及尺寸，使一定时间内流过一定的电流，对于接触部的发热，若加压迟缓，将引起局部加热，恶化焊接效果；

另外，若电流急剧停止，焊接部骤冷会产生裂痕和材质脆化。

因此，应在主电流通过的之前或之后，通以小电流或在上升和下降电流中加入脉冲。

5.5材料的表面状态

•接触电阻是与接触部的发热直接相关因素，在压力一定时，接触电阻决定于焊接物表面的状态，即材质决定后，接触电阻取决于金属表面的氧化膜。

•细小凹凸有利于得到接触电阻期望的发热范围，但由于氧化膜的存在，使电阻增大，会导致局部加热，所以还是应当清除掉氧化膜。

六、调试时的安全要求

验证各种保护装置功能有效后才能启动设备。

在说明书没看或不清楚操作的情况下，不允许开动设备。

个人身体状态不好的情况下不允许开动设备。

要先手动下试动作，正常后再试自动。

调试时，先开气，确认电极分开，后开水无漏水渗水时，再开电试机。

确认气压设置正确后，把焊机调到不放电状态，试几次动作，然后再开始工作。

调整设备时，机器周围1米内不能有外人（需要帮助时除外）。

修整电极时应关闭焊机电源。

调试时应考虑设备自身安全，切勿粗暴操作。

7、特种电阻焊机

•电阻焊应用得最广的是工频电阻焊机，为了适应某些特殊材料或焊接工艺的需要，如有色金属的电阻焊，需用非工频电源的电能进行焊接才能获得良好的质量。

•目前常用的有电容贮能、二次整流及中频逆变二次整流等几种方式

•焊机的机体结构与相应的工频焊机相同，但电极压力系统要求机械惯性小，压力反应灵敏

7.1电容储能焊机

电容储能焊接的特点，是利用一个能量比较集中的脉冲电流，通过被焊工件的接触点产生热量将金属熔接，因此它特别适宜于导热、导电性能好或焊后要求热影

响区小的材料焊接，脉冲电能的储存，是利用工频交流电经整流器整流后向电容器充电，被充储的电能再经焊接变压器放电转换成低电压的脉冲焊接电流，见图10-1，储能焊的焊接热能稳定，对保证焊接质量的稳定性起着良好的作用。

10-1电容储能焊接原理图

V1（SCR）-充电晶闸管V2（SCR）-放电晶闸管

V3-阻尼二极管

•电容器能量的充放，由晶闸管（可控硅）控制，为了避免对供电网路的影响，容量较大的焊机一般采用三相桥式整流，电容器中储存的能量，取决于电容量与充电电压的大小，见公式

W=1/2CU2

公式中Ｗ-贮存能量（J）

Ｃ-电容量（F）

Ｕ-充电电压（V）

10-2非振荡性放电特性　

10-3.1电容量增加，焊接热能按（C1/C2）比例增加，电流峰值不变

10-3.2充电电压增加，焊接热能按　　　　　　10-3.3变压器增加,焊接热能不变，焊

（U1/U2）2比例增加，电流峰值改变　　　　　　接电流峰值按（K1/K2）比例减小

电容储能焊机焊接规范的调节，可以借改变电容器的容量C、充电电压U和焊接变压比K来获得，改变三种参数所得的放电特性，见图10-3；

•小容量贮能焊机，为了简化控制线路常采用改变电容器容量和变压比的方法调整焊接规范；

•电容贮能焊机的焊接变压器因是在直流电路中工作的，为了避免铁心直流磁化，在每一次焊接放电后，应将焊接变压器电源输入端正负极换接一次。

7.2二次整流电阻焊机

•二次整流电阻焊是利用半导体整流元件将二次交流电整流为直流用以焊接，见10-4，一次端以晶闸管控制焊接电流的通断，并可利用移相装置进行电网电压补偿与热量控制；

•整流元件是将多只低电压（10-15V）大电流的硅整流器并联接成；

•整流电路通常是采用三相半波或全波，但因直流电阻焊有其独特的优点，因此单相全波整流电路也常被采用，见图10-5，为了减小整流元件的电压降，不宜用桥式整流电路。

•焊机的结构形式，除焊接回路接有大电流整流元件组外，其他的部分均与相应的工频点焊机、缝焊机、凸焊机和对焊机相同。

图10-4三相半波二次整流电路　　　　　　　图10-5单相全波二次整流电路

7.3二次整流焊机的特点

1、与交流焊机比较，焊接变压器用料省，重量可大大减轻，效率可以更高，因是直流（有一定的纹波）故焊接回路中感抗很小，功率因数高达85%以上，一般工频交流焊机仅为30-65%。

2、焊接电流不像工频交流或低频交流需经过零值，对焊接有色金属、耐热钢等材料特别有利，不易产生裂纹。

3、由焊接电流产生的直流磁场对电流有集束作用，不像交流焊机那样扩散，因而焊点圆整且与焊件板面垂直，特别适宜于多层钢板点焊，可以用点焊两块金属板同样的焊接规范来焊接板厚不同而总厚度相同的多层金属板。

与一般工频交流点焊机相比，功率可减小25%以上，电极压力可减少30-50%

4、因焊接电流不过零值，缝焊时焊接速度可大大提高不受频率的限制，闪光对焊时闪光过程稳定，闪光电压可以降低，比一般工频交流可减小一半，因此焊机容量可以减小。

5、用交流电流点焊铅或镀层材料，如镀铅、镀锌板时，电极易产生污染或粘附，采用直流焊时，当通初期因电感分量大会产生2-3周的电流过渡过程，自动地形成斜率控制波形，使粘附、飞溅减少。

6、焊接时当磁性工件插入次级回路，不会引起电流变化而影响焊接规范。

二次整流焊机也存在某些缺点，如价格较高，焊接变压器加工较复杂等。

7.4逆变二次整流电阻焊机基本原理和类型

•逆变二次整流电阻焊机是将三相交流电经地整流后变为直流，通过逆变器将此直流变换成高频交流，提供给焊接变压器的一次，让变压器的二次输出低电压、大电流的高频交流，将此高频交流再经过整流后变为直流，以供焊接用，见图10-6

10-6中频逆变次级整流焊机

•逆变二次整流式焊机的逆变电路可分为晶闸管式，场效应管式，大功率晶体三极管式GTR，可关断晶闸管GTO式，和绝缘门极双极性晶体管IGBT式等类型

•其中IGBT元件是集场效应管的输入阻抗高、开关速度高、控制功率小，驱动电路简单的优点，又有双极达林顿晶体管的饱和压降小，电流容量大的优点，是一种新型的半导体功率器件。

•不同类型的逆变整流式电阻焊机其逆变频率是不同的，据资料介绍多选在400-1000HZ的范围内，一般为600HZ左右，因为逆变频率超出了一定值以后，继续增大逆变频率，对于继续减小输出电流的脉冲效果不显著了，而且会产生较大的噪声并降低效率。

7.5逆变二次整流式电阻焊机的主要特点

1、大幅度降低电阻焊变压器的重量，由于输入交流电压的频率与变压器铁心截面积成反比，逆变二次整流电阻焊机焊接变压器输入的频率为高频，故可减小铁心截面积，降低变压器重量80%以上。

2、高速的动态响应速度和精密的控制，一般电阻焊机其输入频率为50-60HZ，限制了响应速度，而逆变二次整流电阻焊机采用高频控制，可以提高动态响应速度，实现更为精密的波形控制，能在0。

01S内控制，其电流稳定性控制在±

1%的范围内。

3、电网平衡，功率因数高；

逆变二次整流电阻焊机本身为三相平衡负载，而且输出为直流，消除了次级回路感抗所造成的无功损耗，故功率因数很高，减小了输入功率，且有明显的节能效果。

4、且有良好的焊接工艺性；

逆变二次整流电阻焊机输出的焊接电流的脉动率比普通的二次整流机还要低，稳定的焊接电流减小了电极和焊件接触部位的温度变化，形成稳定熔核的电流范围广，因此特别适合焊接有镀层的钢板，并还有延长电极的使用寿命。

5、逆变二次整流电阻焊机也存在着造价高，控制线路复杂，维修较困难等缺点。