金属焊接技术基础教材.docx
《金属焊接技术基础教材.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属焊接技术基础教材.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
金属焊接技术基础教材
电阻焊焊接原理
[摘要]：
电阻焊作为一种高效、廉价且机械化和自动化程度较高的连接技术，工业中得到了广泛的应用。
电阻焊在工业中各个领域都占了相当重要且相当数量比例的地位。
本文介绍了国内外电阻焊设备的发展现状，并对我国电阻设备的发展前景进行分析。
着重介绍了电阻焊焊接原理、电阻焊的常用设备以及主要参数对焊接的影响。
[关键词]：
电阻焊；应用发展；焊接；电极；
1、电阻焊的应用及发展
1.1电阻焊的应用现状
电阻焊一经出现，便因其生产效率高、焊接质量容易得到保证、易实现机械化、自动化，在焊接领域中得到了广泛的应用。
随着科学术的不断发展，对产品质量要求的不断提高，尤其是在大量使用电阻焊设备的汽车工业中出现的复合板、高合金钢及各种有色金属材料，对电阻焊设备提出了新的要求。
电阻焊设备需要解决的主要问题是：
提高生产效率、保证质量监控、新型材料电阻焊、节约能源。
电阻点焊在汽车白车身焊装中占据主导地位，其中一辆轿车的白车身上焊点数：
3000~5000个，电阻电焊的汽车白车身以及薄板件的生存如图1-1。
此外，电阻焊适用于各种薄板构件的生产，如：
轿车外壳拼装，仪表柜、钢家俱的生产；油桶、油箱、化工原料盛器、食品罐等[1]。
图1-1电阻焊接件
1.2电阻焊设备的发展及现状
1885年美国的发明家汤姆森解决了电源问题，制作出了首种电阻焊焊机—对焊机。
哈马特发明了点焊法，，但是由于和以对焊机的专利获得者汤姆森之间发生的争论，直到1924年才有了结论，因此点焊的实际开始使用也是从那时开始的。
在二次世界大战中，由于战斗机的轻型化以及大批量生产的需要，开始采用铝合金，并进行了精密的点焊。
战后电阻焊接技术得到突飞猛进式的发展，不仅仅在汽车行业，在铁路机车、家用电器等众多的工业领域中也得到广泛应用，随着机器人等的普及其自动化也得到了发展。
现在已经出现了和机器人一体化的点焊机，点焊机和汤姆森发明的对焊机如图1-2。
图1-2电阻焊设备
电阻焊的发展以其开关器件的进步为标志，先后经历了机械开关、继电器、引燃管、晶闸管等阶段。
机械开关式电阻焊机仍有部分在使用，但由于没有时间控制装置，焊接质量不稳定，在加上整流元件后便演变成现在广泛使用的工频交流电阻焊机，实现了时间和电流的控制。
随着电力电子技术的发展，先后出现了三相低频、次级整流、电容储能以及逆变式电阻焊机。
但目前应用较为广泛的仍是工频交流电阻焊机。
就节能而言，工频电阻焊机的效率低下，而三相低频、次级整流焊机输人容量是单相交流电阻焊机的33%-25%。
但由于其体积庞大、成本高，未能得到普及[1]。
普通工频交流电阻焊机在焊接时，电流频繁过零，且停留时间相对较长，减弱了焊机的加热能力。
目前主要通过采用低频或直流波形来弥补这一缺点。
2、电阻焊及其焊接原理
2.1电阻焊定义
电阻焊（resistancewelding）就是将工件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法。
电阻焊利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热效应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。
电阻焊方法主要有四种，即点焊、缝焊、凸焊、对焊。
电阻焊接示意图见图2-1。
图2-1电阻焊接示意图
2.2电阻焊形成的几个阶段
电阻焊形成一般经过四个阶段：
预压阶段、焊接时间、维持时间、冷却结晶阶段。
预压阶段：
通电之前向焊接件加压，建立良好的接触与导电通路，保持电阻稳定。
焊接时间：
向焊件通电加热形成熔核。
维持时间：
切断焊接电流，电极压力继续维持至熔核凝固到足够强度。
冷却结晶阶段：
当熔核达到合格的形状与尺寸之后，切断焊接电流，熔核在电极力作用下冷却[7]。
为了改善焊接点的性能，有时需要将下列各项中的一个或多个加于基本循环：
加大预压力以消除厚工件之间的间隙，使之紧密贴合。
用预热脉冲提高金属的塑性，使工件易于紧密贴合、防止飞溅；加大锻压力以压实熔核，防止产生裂纹或缩孔。
用回火或缓冷脉冲消除合金钢的淬火组织，提高焊接点的力学性能。
2.3影响电阻焊焊接的因素
2.3.1电阻
电阻主要有焊件本身的电阻和接触电阻对电阻焊进行影响，其定义如下：
焊件本身电阻RW:
，其中ρ是一个重要参数且随温度的升高而增大。
接触电阻RC:
工件表面生成的氧化薄层引起的电阻（表面电阻）与由于电流的流通截面引起的电（集中电阻），接触电阻是指图2-2中的：
R1、R3、R5。
R1、R5-电极与工件之间的电阻；R3-上下工件电阻；R2、R4-材料自身电阻
图2-2电阻的影响
2.3.2电流密度和工件表面
电流密度是指单位横截面中的电流值。
如果电流密度保持稳定，其直接影响焊核的形成。
当多次焊接后，截面增大，电流密度减小时，容易产生虚焊或无法焊接。
焊接电流（密度）对产热的影响比电阻和时间两者都大，在焊接过程中是一个必须严格控制的参数[2]。
工件表面的氧化物、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，由于电流密度过大，则会产生飞溅和表面烧损。
氧化物层的存在还会影响各个焊点加热的不均匀性，引起焊接质量波动。
因此彻底清理工件表面是保证获得优质接头的必要条件。
2.3.3电极压力
电极压力对两电极间总电阻R有明显的影响，随着电极压力的增大，R显著减小，而焊接电流增大的幅度却不大，不能影响因R减小引起的产热减少接触电阻和电极压力曲线图见2-3。
因此，焊点强度总随着焊接压力增大而减小。
解决的办法是在增大焊接压力的同时，增大焊接电流，以弥补电阻减小的影响，保持焊接强度不变。
电极压力过小，将引起飞溅，也会使焊点强度降低[8]。
图2-3电极压力的影响
2.3.4通电时间和电极材料及端面形状
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相互补充。
为了获得一定强度的焊点，可以采用大电流和短时间（强条件，又称硬规范），也可采用小电流和长时间（弱条件，也称软规范）。
选用硬规范还是软规范，取决于金属的性能、厚度和所用焊机的功率。
对于不同性能和厚度的金属所需的电流和时间，都有一个上下限,使用时以此为准。
电极是保证阻焊质量的重要零件，它应具备向工件传导焊接电流、压力、散热等功能。
电极材质应具有足够高的电导率、热导率和高温硬度。
电极的结构必须有足够的强度、刚度以及充分冷却的条件。
由于电极的接触面积决定着电流密度，电极材料的电阻率和导热性关系着热量的产生和散失，因此，电极的形状和材料对熔核的形成有显著影响。
3、电阻焊的分类和优缺点
3.1电阻焊的优缺点
3.1.1电阻焊–优点：
1、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。
加热时间短，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。
2、不需要焊丝、焊条等填充金属，以及氧、乙炔、氢等焊接材料，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。
3、生产率高，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。
但闪光对焊因有火花喷溅，需要隔离。
3.1.2电阻焊-缺点：
1、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，以及靠各种监控技术来保证。
2、缝焊的搭接接头不仅增加了构件的重量，且因在两板焊接熔核周围形成夹角，致使接头的抗拉强度和疲劳强度均较低。
3、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平衡运行。
3.2电阻焊的分类
电阻焊分为点焊、缝焊、对和凸焊4种形式。
（1）点焊：
将焊件压紧在两个柱状电极之间，通电加热，使焊件在接触处熔化形成熔核，然后断电，并在压力下凝固结晶，形成组织致密的焊点。
点焊适用于焊接4mm以下的薄板（搭接）和钢筋，广泛用于汽车、飞机、电子、仪表和日常生活用品的生产，见图3-1。
（2）缝焊：
缝焊与点焊相似，所不同的是用旋转的盘状电极代替柱状电极。
叠合的工件在圆盘间受压通电，随圆盘的转动而送进，形成连续焊缝。
缝焊适宜于焊接厚度在3mm以下的薄板搭接，主要用于生产密封性容器和管道等，见图3-2。
（3）对焊：
根据焊接工艺过程不同，对焊可分为电阻对焊和闪光对焊，见图3-4。
（4）凸焊：
凸焊是点焊的一种变型形式；在一个工件上有预制的凸点，凸焊时，一次可在接头处形成一个或多个熔核，见图3-3。
图3-1点焊图3-2缝焊图3-3凸焊
图3-4对焊
3.2.1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，其中点焊的几个小注意点见表3-1。
点焊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
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”[3]。
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。
表3-1焊点最小间距
厚
度
点距
结构钢
不锈钢及高温合金
轻合金
0.5
10
8
10
0.8
12
10
15
1.0
12
10
15
1.2
14
12
15
1.5
14
12
20
2.0
16
14
25
2.5
18
16
25
3.0
20
18
30
3.2.2对焊
对焊是利用电阻热将两工件沿整个端面同时焊接起来的一类电阻焊技术。
对焊的生产率高、易于实现自动化，因而获得广泛应用。
其主要特点是效率高、易于实现自动化，凸焊可分为：
电阻对焊、闪光对焊和滚对焊，见图3-5和图3-6。
闪光对焊：
将两个工件接上电源，并使其接触面移近直至接触，产生的电阻热使金属强烈加热而烧化，并以火花形式从接口中射出，当加热到一定程度时，迅速施加压力完成焊接。
闪光对焊可将熔化的金属、渣和氧化物从接口中挤出。
因此，工件不需要焊前清理。
闪光对焊在工业中应用较广，可用于焊接棒材、板材、管子、钢轨、链条和刀具，以及汽车和自行车轮圈等[3]。
电阻对焊：
将两工件接触面压紧，通电加热达到热塑性状态时，迅速施加顶锻力完成焊接。
接头外形比较匀称，没有毛刺,但焊前端面清理要求较高,仅适用于焊接小断面的工件，例如直径为20毫米以下的棒材或管子。
对焊主要应用在以下几个方面：
工件的接长，如钢带、型材、线材、钢筋、钢轨、钢管、石油和天然气输送等管道；环形工件的对接，；部件的组对，将简单轧制、锻造、冲压或机加工件对焊成复杂的零件，以降低成本；异种金属的对接，如刀具的工作部分（高速钢）与尾部（中碳钢）对焊，内燃机排气阀的头部（耐热钢）与尾部（结构钢）的对焊，铝铜导电接头的对焊等。
图3-5电阻对焊图3-6闪光对焊
3.3.3凸焊
凸焊是点焊的一种变形。
在一个工件上有预制的凸点，凸焊时一次可在接头处形成一个或多个熔核。
与点焊相比，工件表面的油、锈、氧化皮、镀层和其他涂层对凸焊的影响较小，但干净的表面仍能获得较稳定的质量。
凸焊主要用于焊接低碳钢和低合金钢的冲压件，最适宜的厚度为0.5～4mm。
另外，铁线制品等的焊接也属于凸焊。
图3-7是其它一些凸焊结构。
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[6]。
图3-7凸焊结示例
3.2.4缝焊
缝焊又称滚焊，采用旋转的圆盘形电极。
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，它能加压、通电并带动工件前进，形成一条连续焊缝的电阻焊方法。
焊缝要求密封时，焊点间重叠30％以上。
缝焊主要用于直线、环状或圆形焊缝的焊接，如油箱、气瓶、喷气发动机的火焰筒，以及壳体和安装边等，板厚一般在2毫米以下,焊接速度约0.5～3米／分。
4、电阻焊常用设备
4.1对焊机
对焊机是由机架，导轨，固定座板和动板，送进机构，夹紧机构，支点（顶座），变压器，控制系统几部分组成。
对焊机其主要部分是，机架和导轨，送进机构，夹紧机构。
机架和导轨。
机架上固定着对焊机的全部基本部件。
导轨用来保证动板可靠的移动，以便送进焊件。
送进机构的作用是使焊件同动板一起移动，并保证有所需的顶锻力。
夹紧机构由两个夹具构成，一个是固定的，称为固定夹具，另一个是可移动的，称为动夹具。
固定夹具直接安装在机架上，动夹具安装在动板上，可随动板左右移动，图4-2为常见对焊机设备。
图4-2对焊机设备
4.2点焊机
点焊机系采用双面双点过流焊接的原理，工作时两个电极加压工件使两层金属在两电极的压力下形成一定的接触电阻，而焊接电流从一电极流经另一电极时在两接触电阻点形成瞬间的热熔接，且焊接电流瞬间从另一电极沿两工件流至此电极形成回路，并且不会伤及被焊工件的内部结构[8]。
点焊机是由机座，加压机构，焊接回路，电极，传动机构和开关及调节装置组成，其中主要部分是加压机构，焊接回路和控制装置。
加压机构是电阻焊在焊接是负责加压的机构。
焊接回路是指除焊接之外参与焊接电流导通的全部零件所组成的导电通路。
控制装置是由开关和同步控制两部分组成，在点焊中开关的作用是控制电流的通断，同步控制的作用是调节焊接电流的大小，精确控制焊接程序，当网路电压有波动时，能自动进行补偿。
点焊机按照用途分：
有万能式（通用式）、专用式；按照同时焊接的焊点数目分：
有单点式、双点式、多点式；按照运转的特性分：
有非自动化、自动化；按照安装的方法分：
有固定式，移动式或轻便式；按照焊机的活动电极（普通是上电极）的移动方向分：
有垂直行程、圆弧行程；按照电能的供给方式分：
有工频焊机（采用50赫兹交流电源）、脉冲焊机（直流脉冲焊机、储能焊机等）、变频焊机（如低频焊机）。
固定式点焊机和固定式螺帽点焊机如图4-1。
图4-1点焊机设备
4.3焊接机的维护保养
冷却系统：
每日检查水流是否畅通，是否有漏水现象，电极、握杆局部是否发热。
每月检查冷却系统是否畅通，及时发现和清除水管中的水垢或阻塞物，对各个水管接头进行检查，若有渗透现象应及时排除，以确保变压器、可控硅等重要部件的工作安全和焊接作业的正常进行。
每年检查水管等有无老化破损，若有请及时更换。
加压系统：
每日检查空气过滤器内是否有积水，应及时将其排去。
每周检查油雾器和空气过滤器。
每周检查油雾器和空气过滤器。
控制系统：
每日对控制系统进行检查，检查焊接参数的设置是否正确。
每月对主电路板可控硅组件等部件上的灰尘油污等杂质应及时清除以及电缆接头是否有松动，表面是否有破损及是否发烫（应切断电源后进行）。
电极：
电极头表面应符合工艺要求，若磨损、氧化、变形或有其他不正常现象，应及时修磨或更换，以保证焊接作业的质量。
需要定义电极形状及更换标准。
电极间的距离及对中程度应保证电极压紧时有压力，若不能满足要求，必须及时调整，否则会产生飞溅或焊接不良或压坏产品的风险。
调整电极时，不允许用铁锤等硬物敲击，应用木锤轻敲调整。
调整后，应拧紧各紧固件，确保电极工作稳定可靠。
5、电阻焊常见故障与焊接检验
5.1焊点常见故障
无焊点而烧穿孔主要原因如下：
次极电流过大；电极压力不够；工件不相称；工件间或工件与电极间有圬物；电极接触不良；金属有缺陷。
电极头有飞溅主要原因如下：
次极电流过大；电极压力不够；工件间有圬物；工件不相称；电极冷却不良。
焊点压痕痕迹过大：
压紧力过大；电极头接触直径太小或电极变形；电极头未对准；次极电流过大。
未焊接或焊点太小：
电流过小；电极压力太大；工件不相称；接触不良或电极头变形；工件间有圬物；焊接时间太短；焊机动作有故障。
焊点有裂纹：
次极电流过大；电极压力太小；电极头未对准；工件间有圬物；工件不相称；焊机未调整好[5]。
5.2电阻焊焊接检验
电阻焊质量检验包括焊前、焊接过程中和焊后各个工序的质量检验。
由于目前电阻焊焊接质量尚无有效的无损检验方法，因此焊前和焊接过程中的检验显得十分重要，他对保证产品质量起着决定性的作用。
焊前工序的检验偶设备、电极、材料和工艺检验[4]。
电阻焊试件及产品的质量检验方法依据检验内容而选择，产用的检验方法分为无损检验和破坏性检验两大类，见表5-1和表5-2。
焊点的破坏性质量检验主要是判断焊点的焊接强度，焊接强度的判断通常分为焊点外观检验（在前面已经进行了描述）与焊点内部质量检验两个方面。
表5-1电阻焊方法适用的检验
在实际生产中，为了防止脱焊，保证焊点强度，经常以一定的比例抽检部分焊点进行非破坏性的牢度检验。
稍微用力，在焊件之间，焊点周围楔入用凿子，不能撕裂母材，检查焊点是否直接脱开，如果焊点脱开，则焊点脱焊；如果钢板翘曲而焊点没有脱开，则焊点具有一定牢度，没有发生脱焊。
非破坏性牢度检验可以用常规的凿子作为工具，也可以专门制作的工具。
非破坏性检验容易造成焊点周围一些微裂纹，降低焊点的强度，所以焊点牢度检验的频次也不能过高。
表5-2非破坏性检验及微观检验
结束语
通过对金属焊接技术基础的学习，掌握了基本的一些金属焊接方法，例如：
手工焊条电弧焊、气体保护焊埋弧焊和压力焊等焊接方法。
充分了解了各种焊接方法的的原理以及焊接的结构装配和焊接工艺设备等内容，通过写本次读书报告，对课本知识又进行了一次全面的复习和查缺补漏，相信在以后的工作学习中会用到本次课程学习的知识。
参考文献：
[1]路文院.浅谈电阻焊设备和工艺的应用现状和发展前景[J].农家科技旬刊,2014（7）.
[2]邓洪军主编．焊接结构生产．高等教育出版社，2009，2
[3]世明主编．焊接方法与设备．北京：
机械工业出版社，2008，6
[4]乌日根主编．焊接质量检测．北京：
化学工业出版社，2008，12
[5]李亚江主编．焊接质量控制检验．北京：
化学工业出版社，2005，11
[6]国家机械工业委员会编．焊接接头试验方法．北京：
机械工业出版社，1988，6
[7]雷玉成，陈希章，朱强主编．金属材料焊接工艺．北京：
化学工业出版社，2007，8
[8]上海市工农教育教材编写组主编．焊接工艺基础．上海科学技术出版社出版，1979，12
升级会员 