电阻焊及各种焊机原理.docx

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电阻焊及各种焊机原理

电阻焊及各种焊机原理

一、电阻焊定义

电阻焊是将被焊工件压紧于两电极之间，并通过电流，利用电流流经接触面及邻近区域产生的电阻热將其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。

电阻焊是压（力）焊的一种。

二、电阻焊的优、缺点

1、优点：

※熔核形成时，始终被塑性环包围，熔化金属与空气隔绝，冶金过程简单。

※加热过程短、热量集中。

故热影响区小，变形与应力也小，通常在焊后不必安排校正和热处理工序。

※不需要焊丝、焊条等填充金属，以及氧、乙炔、氦等焊接材料，焊接成本低。

※操作简单，易于实现机械化和自动化,改善了劳动条件。

※生产效率高，且无噪声及有害气体，在大批量生产中，可以和其他制造工序一起编到组装线上。

2、缺点

※目前还缺乏可靠的无损检测方法，焊接质量只能靠工艺试样和工件的破坏性试验来检

查，靠各种监控技术来保证焊接稳定性。

※点、缝焊的搭接接头不仅增加了构件的重量，且因在两板之间的熔核周围形成夹角，

致使接头的抗拉强度和疲劳强度均较低

※设备功率大，机械化、自动化程度较高，使设备成本较高、维修较困难，并且常用的大功率单相交流焊机不利于电网的正常运行。

三、电阻焊工艺分类

※点焊

※凸焊

※缝焊

※对焊

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