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点焊技术

点焊机原理

焊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称为电阻焊。

电阻焊具有生产效率高、低成本、节省材料、易于自动化等特点，因此广泛应用于航空、航天、能源、电子、汽车、轻工等各工业部门，是重要的焊接工艺之一。

一、焊接热的产出及影响因素

点焊时产生的热量由下式决定：

Q=IIRt（J）————

（1）

式中：

Q——产生的热量（J）、I——焊接电流（A）、R——电极间电阻（欧姆）、t——焊接时间（s）

1.电阻R及影响R的因素

电极间电阻包括工件本身电阻Rw，两工件间接触电阻Rc，电极与工件间接触电阻Rew.即R=2Rw+Rc+2Rew——

（2）如图.

当工件和电极一定时，工件的电阻取决与它的电阻率.因此，电阻率是被焊材料的重要性能.电阻率高的金属其导电性差（如不锈钢）电阻率低的金属其导电性好（如铝合金）。

因此，点焊不锈钢时产热易而散热难，点焊铝合金时产热难而散热易.点焊时，前者可用较小电流（几千安培），而后者就必须用很大电流（几万安培）。

电阻率不仅取决与金属种类，还与金属的热处理状态、加工方式及温度有关。

接触电阻存在的时间是短暂，一般存在于焊接初期，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质层，会使电流遭到较大阻碍。

过厚的氧化物和脏物质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。

由于电流通路的缩小而增加了接触处的电阻。

电极与工件间的电阻Rew与Rc和Rw相比，由于铜合金的电阻率和硬度一般比工件低，因此很小，对熔核形成的影响更小，我们较少考虑它的影响。

2.焊接电流的影响

从公式

（1）可见，电流对产热的影响比电阻和时间两者都大。

因此，在焊接过程中，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。

阻抗变化是因为回路的几何形状变化或因在次级回路中引入不同量的磁性金属。

对于直流焊机，次级回路阻抗变化，对电流无明显影响。

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。

4.电极压力的影响

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。

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。

5.电极形状及材料性能的影响

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。

随着电极端头的变形和磨损，接触面积增大，焊点强度将降低。

6.工件表面状况的影响

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。

二、热平衡及散热

点焊时，产生的热量只有一小部分用于形成焊点，较大部分因向临近物质传导或辐射而损失掉了，其热平衡方程式：

Q=Q1+Q2————（3）其中：

Q1——形成熔核的热量、Q2——损失的热量

有效热量Q1取决与金属的热物理性能及熔化金属量，而与所用的焊接条件无关。

Q1=10%-30%Q，导热性好的金属（铝、铜合金等）取下限；电阻率高、导热性差的金属（不锈钢、高温合金等）取上限。

损失热量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左右）。

辐射到大气中的热量5%左右。

三、焊接循环

点焊和凸焊的焊接循环由四个基本阶段（如图点焊过程）：

1）预压阶段——电极下降到电流接通阶段，确保电极压紧工件，使工件间有适当压力。

2）焊接时间——焊接电流通过工件，产热形成熔核。

3）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（点焊机设有时间继电器待时间一到即切断电流。

）。

4）休止时间——电极开始提起到电极再次开始下降，开始下一个焊接循环。

为了改善焊接接头的性能，有时需要将下列各项中的一个或多个加于基本循环：

1）加大预压力以消除厚工件之间的间隙，使之紧密贴合。

2）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；凸焊时这样做可以使多个凸点在通电焊接前与平板均匀接触，以保证各点加热的一致。

3）加大锻压力以压实熔核，防止产生裂纹或缩孔。

4）用回火或缓冷脉冲消除合金钢的淬火组织，提高接头的力学性能，或在不加大锻压力的条件下，防止裂纹和缩孔。

四、焊接电流的种类和适用范围

1.交流电可以通过调幅使电流缓升、缓降，以达到预热和缓冷的目的，这对于铝合金焊接十分有利。

交流电还可以用于多脉冲点焊，即用于两个或多个脉冲之间留有冷却时间，以控制加热速度。

这种方法主要应用于厚钢板的焊接。

2.直流电主要用于需要大电流的场合，由于直流焊机大都三相电源供电，避免单相供电时三相负载不平衡。

五、金属电阻焊时的焊接性

下列各项是评定电阻焊焊接性的主要指标：

1.材料的导电性和导热性电阻率小而热导率大的金属需用大功率焊机，其焊接性较差。

2.材料的高温强度高温（0.5-0.7Tm）屈服强度大的金属，点焊时容易产生飞溅，缩孔，裂纹等缺陷，需要使用大的电极压力。

必要时还需要断电后施加大的锻压力，焊接性较差。

3.材料的塑性温度范围塑性温度范围较窄的金属（如铝合金），对焊接工艺参数的波动非常敏感，要求使用能精确控制工艺参数的焊机，并要求电极的随动性好。

焊接性差。

4.材料对热循环的敏感性在焊接热循环的影响下，有淬火倾向的金属，易产生淬硬组织，冷裂纹；与易熔杂质易于形成低熔点的合金易产生热裂纹；经冷却作强化的金属易产生软化区。

防止这些缺陷应该采取相应的工艺措施。

因此，热循环敏感性大的金属焊接性也较差。

（附表：

常用金属的热物理性能）

点焊技术

点焊

电阻点焊（resistancespotwelding），简称点焊。

是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。

当然，它也可焊接厚度达6mm或更厚的金属构件，但这时其综合技术经济指标将不如某些熔焊方法。

一、点焊基本原理

1．1点焊接头的形成

电阻点焊原理和接头形成如图1所示。

可简述为：

将焊件3压紧在两电极2之间，施加电极压力后，阻焊变压器1向焊接区通过强大的焊接电流，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4，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，直至生长的枝晶相互抵住，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，如图2所示。

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，如图3所示。

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烈再结晶而形成塑性环①〔注：

塑性环（coronabond）熔核周围具有一定厚度的塑性金属区域称为塑性环，它也有助于点焊接头承受载荷〕，该环先于熔核形成且始终伴随着熔核一起长大，如图4所示。

它的存在可防止周围气体侵入和保证熔核液态金属不至于沿板缝向外喷溅。

熔核凝固组织为全部柱状晶者，以65Mn熔核为例，其形成过程模型如图5所示。

图中：

图5a凝固前，在熔合线上（固－液相界面）有许多晶粒处于半熔化状态，显然熔核的液态金属能很好的润湿取向不同的半熔化晶粒表面，为异质成核进行结晶提供了有利条件。

图5b液态熔核的温度降低时，由于成分过冷较大，以半熔化晶粒作底面沿<100>向长出枝晶束。

在电极与母材的急冷作用下，凝固界面前形成较大的温度梯度，因而使枝晶主干伸入液体中较远，枝晶生长很快，枝晶臂间距H与冷却速度V间存在以下关系。

一次枝晶臂间距H1∝V-?

二次枝晶臂间距H2∝V-（?

～?

）

由于薄件脉冲点焊熔核尺寸小，电极与母材的急冷作用强，液体金属的冷却速度极快，因此枝晶臂的间距甚小。

图5c枝晶继续生产、凝固层向前推进，液体向枝晶间充填。

枝晶间的液体逐渐向枝晶上凝固，使枝晶变长变粗，靠近母材处由于温度低，液体向枝晶上凝固快，以至形成连续的凝固层。

由于65Mn合金具有较宽的凝固温度范围，故凝固层呈锯齿形起状，由于晶界在凝固层内形成，这就造成柱状晶A段表面呈平坦的形貌。

越向熔核内部，温度梯度越小，液体向枝晶上凝固越少，使向前推进的凝固层界面起伏更大。

倾斜生长的枝晶束被与最大温度梯度一致的枝晶束（这类枝晶束生产较快）所阻碍而半途停止。

当一次枝晶晶臂间距过大时，则从二次枝晶晶臂上可以长出三次臂来，这个三次臂可赶上一次臂而成为其中的一个。

液体金属凝固时产生的体积收缩和毛吸现象，均引起熔核内液态金属向正在凝固的枝晶间充填。

图5d凝固即将结束，剩余液体金属不足以完全充填枝晶间隙，未被液体充满的枝晶将暴露在前沿，而枝晶间将留下空隙，这些空隙即将成为缩松。

图5e具有缩松缺陷的熔核柱状组织断口形貌示意图。

图5f优质接头的熔核柱状组织断口形貌示意图。

图2显示的65Mn钢点焊熔核断口形貌表明，熔核由粗大柱状晶组织组成。

粗大柱状晶的内部微观结构为一枝晶束，在缩松处清晰可见。

熔核凝固组织为“柱状+等轴”晶者，以2A12-T4熔核为例，其形成过程模型如图6所示。

图中：

图1-6a凝固前，熔合线上许多晶粒处于半熔化状态，液态金属能很好的润湿取向不同的半熔化晶粒表面，为异质成核结晶提供了有利条件。

图6b液态熔核的温度开始降低，熔合线处液态金属首先处于过冷状态，结果以半熔化晶粒作底面沿<100>向（2A12-T4铝合金金属立方晶系）长出枝晶束（枝晶束形貌见图7）。

某些枝晶发生二次晶轴的熔断、游离和向熔核中心运送。

图6c枝晶继续生长，锯齿形的连续凝固层向前推进，液体向枝晶间充填，使枝晶粗化；与热流方向倾斜的枝晶束生长受阻，枝晶间距自动调整。

更多的枝晶二次晶轴发生熔断、游离并被排挤到熔核心部；由于枝晶前沿液体金属的温度梯度逐渐变缓和溶擀浓度的不断提高，均使等轴晶核在熔核心部增殖，个别晶核以树枝晶形态生长。

图6d液态金属成分过冷越来越大，大量的等轴晶核以树枝晶形态迅速长大，彼此相遇（等轴树枝状晶群形貌见图8），以及与柱状晶的枝晶束相遇后呈现互相阻碍。

凝固即将结束，当剩余液体金属不足以完全充填枝晶间隙时，即将形成缩松缺陷。

图6e具有缩松缺陷的熔核“柱状＋等轴”组织断口形貌示意图。

图6f优质接头的熔核“柱状＋等轴”组织断口形貌示意图。

图3显示的铝合金点焊熔核断口形貌表明，熔核由粗大柱状晶组织和粗大等轴晶组织共同组成。

粗大柱状晶的内部微观结构为一枝晶束，粗大等轴晶的内部微观结构为若干个等轴树枝状晶紧密结成一团。

1．2点焊的热源及加热特点

1.点焊的热源

电阻点焊的热源是电流通过焊接区（图9）产生的电阻热。

根据焦耳定律，总析热量Q为

（1）

式中i——焊接电流的瞬时值，是时间的函数；

rc——焊件间接触电阻的动态电阻值，是时间的函数；

2rcw——电极与焊件间接触电阻的动态电阻值，是时间的函数；

2rw——焊件内部电阻的动态电阻值，是时间的函数；

t——通过焊接电流的时间。

2.电流对点焊加热的影响

焊接电流是产生内部热源——电阻热的外部条件。

从式

（1）可知，电流对析热的影响比电阻和时间两者都大，它通过如下二个途径对点焊的加热过程施加影响。

（1）调节焊接电流有效值的大小会使内部热源的析热量发生显著变化，影响加热过程。

另外，薄件点焊时，电流波形特征对加热效果亦有影响。

例如，根据热时间常数概念，低碳钢在0.4mm＋0.4mm以下点焊时，使用工频交流电的有效值就不如使用电流脉冲幅值更能表征加热效果。

焊接电流有效值I与其脉冲幅值IM之间有如下关系：

当电容式焊机或工频交流焊机并在全相导通下焊接时，其焊接电流脉冲幅值为

（2）焊接电流在焊件内部电阻（平均值）2Rw上所形成的电流场分布特征，将使焊接区各处加热强度不均匀，从而影响点焊的加热过程。

点焊时的电流场和电流密度分布如图10所示，具有如下特点：

⑴电流线在两焊件的贴合面处要产生集中收缩，其结果就使贴合面处产生了集中加热效果；⑵贴合面边缘电流密度j出现峰值，该处加热强度最大，因而将首先出现塑性连接区，可保证熔核正常生长；⑶点焊时的电流场特征，使其加热为一不均匀热过程，焊接区内各点温度不同，即产生一不均匀温度场。

通过选择不同的焊接电流波形、改变电极形状和端面尺寸等，均可改变电流场形态并控制电流密度分布，以达到控制熔核形状及位置的目的。

3.电阻对点焊加热的影响

点焊的电阻是产生内部热源——电阻热的基础，是形成焊接温度场的内在因素。

研究表明，接触电阻（平均值）Rc＋2Rew的析热量约占内部热源Q的5％～10％。

软规范时可能要小于此值，硬规范及精密点焊时要大于此值。

接触电阻Rc与导体真实物理接触点的分布和接触点的面积有关，即与焊件材质、表面状态（清理方法、表面粗糙度、存放时间等）、电极压力及温度等有关。

有时为避免发生粘损、初期喷溅等不良现象，可在厚钢板、铝合金等的点焊中采用马鞍形压力变化曲线以获得低而均匀的接触电阻值，这不仅可充分利用电功率，又可取得提高焊接质量、节约电能的双重效果。

在厚钢板点焊时，若采用预热电流脉冲、调幅电流波形等点焊循环，亦可获得与采用马鞍形压力变化曲线相同之功效，并且由于可不必增大预压电极压力而降低了设备的造价。

应该指出，虽然接触电阻析热量占热源比例不大，并且在焊接开始后很快降低、消失，但这部分热量对建立焊接初期的温度场、扩大接触面积、促进电流分布的均匀化是有重要作用的。

室温下的接触电阻Rc可用下列关系式表示：

Rc＝r′cF-m

式中r′c——恒定系数，F为1N时的接触电阻值，可由试验测得（Ω）；

F——电极压力或接触面承受的压力（N）；

m——与材料性质有关的指数（0.5～1.0范围内选取）。

研究表明，异种金属材料相接触，其接触电阻值取决于较软的材料。

同时，同一焊接区的接触电阻Rc与Rew之间存在一定的关系，即

Rew≈（1/2）Rc（钢材，表面化学清洗、铜合金电极）

Rew≈（1/25）Rc（铝合金，表面化学清洗、铜合金电极）

焊件内部电阻2Rw的析热量约占总析热量Q的90％～95％。

软规范时要大于此值，硬规范及精密点焊时可能要小于此值。

焊件内部电阻是焊接区金属材料本身所具有的电阻，该区域的体积要大于以电极与焊件接触面为底的圆柱体体积（图10a），可由下式近似确定：

2δ

2Rw＝KAρT────（5）

πd2/4

式中K——考虑焊件不均匀加热系数（0.80～0.90范围内选取）；

A——考虑电场不均匀性的系数（0.82～0.84范围内选取）；

ρT——焊接区金属的电阻率，是温度的函数（Ω·mm）；

δ——单个焊件的厚度（mm）；

d——电极与焊件接触面直径（mm）。

影响内部电阻2Rw的因素可归纳为：

金属材料的热物理性质（ρT）、力学性能（金属材料压溃强度σ′）、点焊焊接参数及特征（电极压力F及硬、软规范）和焊件厚度（δ）等。

同时，还应该指出，在点焊加热过程中焊接区这一不均匀加热的非线性空间导体，其形态和温度分布始终处于不断变化中。

因而，焊件的内部电阻2rw（瞬时值）也具有复杂的变化规律，只有在加热临近终了时（正常点焊时，减弱或切断焊接电流的时刻），非线性空间导体的形态和温度分布才呈现暂时稳定状态，即此时焊接电流场和温度场进入准稳态，2rw趋近于一个稳定的数值2R′w（金属材料点焊断电时刻焊件内部电阻的平均值）。

研究表明，不同的金属材料在加热过程中焊接区动态总电阻r（动态值）的变化规律相差甚大（图11）。

不锈钢、钛合金等材料呈单调下降的特性；铝及铝合金在加热初期呈迅速下降后趋于稳定；而低碳钢r的变化曲线上却明显有一峰值。

由于动态总电阻r标志着焊接区加热和熔核长大的特征，可用来作为监控焊点质量的物理参量，例如在低碳钢点焊质量监控中的“动态电阻法”。

4.点焊的热平衡

点焊热平衡组成如图12所示。

热平衡方程式如下：

Q＝Q1＋Q2＋Q3＋Q4（6）

式中Q——焊接区总析热量；

Q1——熔化母材金属形成熔核的热量；

Q2——通过电极热传导而损失的热量；

Q3——通过焊件热传导而损失的热量；

Q4——通过对流、辐射散失到空气介质中的热量。

Q的大小取决于焊接参数特征和金属的热物理性质。

例如，点焊2A12-T4（LY12CZ）铝合金板材，获得直径6mm熔核时，硬规范（t＝0.02s）时Q＝400J；软规范（t＝0.2s）时Q＝1200J；而点焊钢材时，同样获得6mm熔核，则Q＝1700J；Q1仅取决于金属的热物理性质及熔化金属量，而与热源种类和焊接参数特征无关，点焊时Q1≈（10～30）％Q，导热性好的金属材料（铝、铜合金等）取低限；Q2与电极材料、形状及冷却条件有关，点焊时Q2≈（30～50）％Q，是最主要的散热损失；Q3与板件厚度、材料的热物理性质以及焊接参数特征等因素有关，Q3≈20％Q；Q4≈5％Q，在利用热平衡方程式进行有关计算时可忽略不计。

应该指出，在实际生产中往往利用控制Q2来获得合适的焊接温度场。

例如，在不同厚度焊件的点焊中，采用附加垫片或改换电极材料等措施以减小Q2，可改善熔核偏移，增加薄件一边的焊透率。

焊接区的温度分布是析热与散热的综合结果，点焊加热终了时的温度分布如图13所示。

最高温度总是处于焊接区中心，超过被焊金属熔点Tm的部分形成熔核，核内温度可能超过Tm（焊钢时超出200～300K），但在电动力强烈搅拌下，进一步升高是困难的。

由于Q2、

Q3的强烈作用，离开熔核边界温度降低很快。

当被焊金属导热性差（钢）或用硬规范点焊时，温度梯度将很大；而被焊金属导热性好（铝）或用软规范点焊时，温度梯度则将较小。

二、点焊一般工艺

2．1点焊方法

根据点焊时电极向焊接区馈电方式，分为双面点焊和单面点焊。

同时，又根据在同一个点焊焊接循环中所能形成的焊点数，将其进一步细分，如图14和图15所示。

双面点焊应用最广，尤其图14a是最常用的方式；图14c常用于装饰性面板点焊，装饰面因处于大面积的导电板电极一侧，会得到浅压痕或无压痕的焊点；图14d因采用多个变压器单独双面馈电，仅用于下电极无法抵达构件背面或里面的场合。

其中图15a常用于零件较大、二次回路过长情况；图15b因无分流产生而优于图15c，为降低分流可在工件下面附设铜垫板，以提供低电阻通路；图15d各对电极均由单独变压器供电，可同时通电，具有焊接质量高、生产率高、变形小和三相负载平衡等优点，在汽车组件生产中常可遇到。

有时因焊件的结构形式和所拥有的点焊设备限制，也会采用一些特殊的点焊形式，如图16所示。

加入铜芯棒可增强构件点焊部位刚度，使点焊能正常进行，同时铜芯棒又提供了低电阻通路，降低了分流。

其中图16b中接头设计优于图a的设计，因为分流减到最小，保证了点焊质量。

总之，对焊件馈电点焊时应遵循以下原则：

尽量缩短二次回路长度及减小回路所包围的空间面积，以减少能耗；尽量减少伸入二次回路的铁磁体体积，特别是在不同位置焊点焊接时伸入体积有很大变化，以避免焊接电流产生较大波动（尤其使用工频交流焊机）；尽量防止和减小分流。

2．2点焊接头设计

1.点焊接头主要尺寸的确定

点焊通常采用搭接接头或折边接头（图17）。

接头可以由两个或两个以上等厚度或不等厚度、相同材料或不相同材料的零件组成，焊点数量可为单点或多点。

在电极可达性良好的条件下，接头主要尺寸设计可参见表1、表2和表3。

表2接头的最小搭接量（单位：

mm）

最薄板件厚度

单排焊点的最小搭接量

双排焊点的最小搭接量

结构钢

不锈钢及高温合金

轻合金

结构钢

不锈钢及高温合金

轻合金

0.5

0.8

1.0

1.2

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

表3焊点的最小点距（单位：

mm）

最薄板件厚度

最小点距

结构钢

不锈钢及高温合金

轻合金

0.5

0.8

1.0

1.2

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

2.焊点布置的合理性

点焊焊接结构通常由多点连接而成，其排列型式多为单排，有时也可为多排。

在单排点焊接头中焊点除受切应力外，还承受由偏心力引起的拉应力，在多排点焊的接头中，拉应力较小。

研究表明，焊点排数多于3是不合理的，因为多于3排并不能再增加承载能力。

同时，还应注意，单排的点焊接头是不可能达到接头与母材等强度，只有采用多排（3排）布置焊点，才可以改善偏尽力矩的影响，降低应力集中系数，如果采用交错的排法，情况将会更好。

理论上说，可以得到与基本金属等强度的点焊接头。

应当注意，点焊接头的疲劳强度很低，增加焊点数量也无效。

点焊接头静载强度计算方法及焊点布置见表4。

通常焊点强度用每点切力（FT）及正拉力（Fσ）评定，正拉力与切力之比（Fσ/FT）称塑（延）性比，其值越大表明塑（延）性越好，而且与材质关系密切。

例如钢焊件一般随含碳量增加而塑性

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