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1、电阻点焊生产与 质量控制哈尔滨工业大学现代焊接生产技术 国家重点实验室 李冬青 电阻点焊的原理概述一、定义焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间， 利用电流通过焊件时产生的电阻热，熔化母材金 属，冷却后形成焊点，这种电阻焊方法称为点焊 。 二、特点1. 靠尺寸不大的熔核连接； 2. 在大电流、短时间的条件下焊接； 3. 在热和机械力联合作用下形成焊点。三、分类1. 按焊接电流波形分工频 50或60Hz 低频 310Hz2.5kHz450kHz交流 高频脉冲电容储能直流冲击波2. 按工艺特点分双面单点单面双点单面单点四、对点焊质量的要求1）熔核直径或板厚2）焊透率3）压痕520%1. 熔核尺寸的
2、几个基本概念2）少数金属材料（如可淬硬钢等）对焊接热 循环极为敏感，当点焊工艺不当时，接头由于 被强烈淬硬而使强度、塑性急剧降低。这时， 尽管具有足够大的熔核尺寸也是不能使用的。 其点焊接头强度不仅取决于熔核尺寸，而且与 熔核及热影响区的组织及缺陷有关。1）多数金属材料（如低碳钢等）对焊接热循 环不敏感，焊接区的组织无显著变化，也不易 产生组织缺陷，其点焊接头强度主要与熔核尺 寸有关；2. 对点焊质量的要求点焊时的电阻及加热一、点焊时的电阻1. 接触电阻接触电阻形成原因示意图1）形成原因：焊件表面的微观凸凹不平及不良导体层 。2)影响因素：（1)表面状态a) 清理方法b) 存放时间c) 表面粗
3、糙度(2)压力电极压力接触电阻“滞后”效应(3)温度等于与并联值2. 焊件内部电阻 1) 几何特点:导电区域远远大于以电极与焊件 接触面为底，焊件厚度为高的圆柱体体积 2）边缘效应与绕流现象边缘效应：在点焊过程中，当电流流过焊件时 ，电流将从板的中部向边缘扩展，使整个焊件 的电流场呈双鼓形。 原因：焊件的横截面积远大于焊件与电极间的 横截面积 。绕流效应：由于焊接区温度不均匀，促使电 流线从中间向四周扩散的现象。 3）影响因素： 综上所述，边缘效应、绕流现象，均使点焊 时焊件的导电范围不能只限制在以电极与焊件接 触面为底的圆柱体内，而要向外有所扩展，因而 使悍件的内部电阻比圆柱体所具有的电阻要
4、小。 凡是影响电流场分布的因素必然影响内部电阻。 这些因素可归纳为；（1）金属材料的热物理性质（2）机械性能（3）点焊规范参数及特征（4）焊件厚度等。3. 焊接区的总电阻点焊过程中，焊件焊件和电极电极的接 触状态、焊接温度场及电场都在不断地变化，因 此，引起焊接区的电阻也不断交化。描述焊接过 程中电阻变化的曲线叫做动态电阻曲线。需要强 调的是，由于材料性能的不同，不同金属材料在 加热过程中焊接区动态总电阻变化相差很大 。低碳钢动态电阻曲线不同焊接电流时动态电阻曲线 二、点焊时的加热特点 1. 电阻对点焊加热的影响 1）接触电阻：产热510% 作用：接触电阻产热对建立焊接初期的温度场 及焊接电流
5、的均匀化流过起重要作用 2）内部电阻：9095% 作用：这部分热量是形核的基础，与电流场共 同建立了焊接区的温度场分布及其变化规律。 2. 电流场分布对点焊加热的影响 点焊时的电场其中电流线的含义是在它所限定的范围内的 电流占总电流的百分数，例如，80的电流线是 指它限定的范围内通过的电流占总电流的80。1)集中加热 点焊时，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，而该处正是点 焊时所需要连接的部位2)塑性环 贴合面的 边缘电流密度 出现峰值，该 处加热强度最 大，因而将首 先出现密封的 塑性连接区， 此密封环对保 证熔核的正常 生长，防止氧 化和飞溅
6、的产 生有利。3)不均匀的温度场 4. 点焊的热平衡 熔化母材金属形成熔核的热量，占总产热量 的1030%，其大小取决于金属热物理性质 、 熔核大小（熔化金属量），与规范特征无关 。 由散热而损失的热量，占总产热量的7090% 。散热途径：工件热传导，对流，辐射。最主 要是电极散热，占3050%（铜电极水冷）其 次是工件热传导20%，对流辐射占5%，与电 极形状，材料物理性质，焊接规范均有关. 5. 点焊热源的特点1) 电阻焊热源产生于焊件内部，与熔化焊时的 外部热源相比，对焊接区的加热更为迅速、集中 。 2) 内部热源使整个焊接区发热，为获得合理的 温度分布（例如，点焊时应使焊件贴合面处温度
7、 高，而表面温度低），散热作用在电阻点焊的加 热中具有重要意义。电阻点焊工艺点焊过程分析一、焊接循环 1. 定义：在电阻焊接过程中，完成一个焊点或焊 缝所需要的全部过程或全部阶段 2. 点焊的基本焊接循环 F，I加压通电焊接维持休止加压F，I3. 复杂的点焊焊接循环 二、点焊接头形成过程 点焊接头形成的三个阶段a) 预压 b) 、c)通电加热 d)冷却结晶1. 预压阶段 1）机电特点：，= 2）作用：减少接触电阻，增大导电截面，增加物理接触点 ，为以后焊接电流顺利通过创造条件；此外，在压力作用下，金属挤向间隙所引起的塑 性变形，有助于在熔核四周形成密封熔核的环带 (密封环)。 预压时，电极压力
8、的应力分布2. 通电加热阶段 1)机电特点：， 2)作用：在热和机械力联合作用下，形成塑性环 和熔核，直到熔核长到所要求尺寸. 3. 冷却结晶阶段 1)机电特点：，= 2)作用：保证熔核在压力状态下进行冷却结晶， 冷却结晶时间很短（一般周波），但 是结晶凝固过程符合金属学的凝固理论 点焊时的分流点焊分流的影响因素n焊点距的影响：连续点焊时，点距愈小，板 材愈厚，分流愈大；如果所焊材料是导电性 良好的轻合金，分流将更严重，为此必须加 大点距。n焊件表面状态的影响n焊接顺序的影响n电极(或二次回路)与工件的非焊接区相接触n单面点焊工艺特点的影响分流的不良影响n使焊点强度降低n单面点焊产生局部接触表
9、面过热和喷溅消除和减少分流的措施n选择合理的焊点距n严格清理被焊工件表面n注意结构设计的合理性n连续点焊时，可适当提高焊接电流。n单面多点焊时，采用调幅焊接电流波形点焊时各种电流波形 及其适应范围工频交流电流波形n这种电源是电能由电网经开关进入单相焊接变压器降压 后输给焊件。设备简单，因此使用最为广泛。其特点是 电流每周有二次过零。虽简单的工频点焊机的电流幅值 ，用调节焊接变压器的变压比来进行有级调节(非同期 有触点开关时)。因合闸时的过渡过程导致起始时的冲 击电流可能很大，使电网负荷严重不平衡，故焊机容量 不宜过大。对于容量大或要求调节精度高的场合，一般 采用同期控制(或称同步控制)，这样在
10、同一级内尚可用 改变晶闸管导通角来进行热量调节，并可避免起始时的 不正常冲击电流，还能精确控制通电时间为 20ms(50Hz时)的整倍数。这种同期控制的焊机能满足 常用厚度的各种钢材(碳钢、合金结构钢、不锈钢)、高 温合金及镀层钢板的点焊。低频电流波形n将电能由电网经复杂的变频电路变成 20Hz，再降压至l0V之内输人焊件。因 低频，二次回路的感抗极小，再加上三相 输入，电网负荷平衡，故焊机容量大、电 流峰值高，且具有缓馒上升、下降的特性 。但设备昂贵，只有在工艺上需要缓慢上 升、电流峰值大的场合(例铝合金点焊或厚 钢板点焊时)采用。二次整流n将电能由电网先经焊接变压器降压再用二 极管整流后输
11、入焊件，二次回路的感抗几 乎为零。它有单相、三相及逆变式三种， 后二种电网负荷平衡，一般用于需要大电 流和电感变化较大的场合(例如厚板、长臂 和铁磁体在回路中大幅变动等)。电容放电n电能先从电网向电容器充电，当达到一定 电压后停止充电，焊接时瞬时向焊接变压 器一次绕组放电，在其二次侧感应出一个 高的脉冲电流施入焊件。其特点是电流上 升极快，一般在3ms左右，峰值大。主要 用于点焊热时间常数很小的超薄板及有色 金属，亦用于点焊厚薄差较大的板材等。点焊接头的质量检验电阻焊接头的等级划分n一级：承受很大的静、动载荷或交变载荷 。接头的破坏会危及人员的生命安全。n二级：承受较大的静、动载荷或交变载荷
12、。接头的破坏会导致系统失效，但不危及 人员的安全。n三级：承受较小静载荷或动载荷的一般接 头。接头检验方法与内容n破坏性检验撕破检验断口检验低倍检验金相检验力学性能试验n无损检验目视检验密封性检验射线检验超声波检验其它检验破坏性检验n破坏性检验能提供各种确切的定量数据，如力学 性能、熔核尺寸、缺陷性质和多寡以及耐腐蚀性 能等。因此它是取得接头质量定量数据的主要手 段。但检验试祥已经破坏，而实际产品仍未直接 检验，因此检验结果仅能提供代表性的参考信息 。如何使试祥更真实地代表产品本身，是一个复 杂的数学问题。因此在样品的分组、取样数量和 方法上各专业标准均作具体现定。撕破检验n这是一种针对薄板点
13、、凸和缝焊接头的简易检 验方法，用于粗略判断熔核大小和力学性能。 便于现场操作，常用来作为确定焊接参数的前 期筛选手段和生产中考查质量稳定性的自检手 段。断口检验n这是一种针对对焊接头检验的简易现场 检验方法，亦用于确定焊接参数的前期 筛选及生产过程中定期自检。断口检验的内容n断口检验，除了能观察到有无裂纹、过烧和夹杂 等缺陷外，还能观察到灰斑的多寡与分布状态。 也是观察灰斑分布情况的唯一方法。n闪光对焊时在端面形成一薄层液态金属，而其表 面必有氧化膜，顶锻时当氧化膜不能完全随液态 金属挤出接口时将残留在接口局部组成脆性的 灰斑区，而在冷弯或冲击时极易在此开裂。低倍检验n适用场合：主要针对点、
14、凸及缝焊接头。n具体步骤：磨片、腐蚀、读数显微镜检验n检验内容：测定熔核直径、焊透率及压痕深度等数值观察有无宏观缩孔、裂纹和夹杂等缺陷的 数量。金相检验n用于检验接头显微组织，如结晶特征、组 织形貌及微观缺陷等，亦用于鉴别冶金缺 陷如裂纹、胡须等。n点、凸和缝焊时，一般仅作为对低倍捡验 疑问的裁定手段；n对焊时常作为重要产品的必检项目。电阻焊接头力学性能试验无损检验n无损检验以不损坏产品使用性能为前提的 检测方法，可以推广到每个零件的每个焊 接接头，因此是保证产品安全的最可靠手 段。但在电阻焊接头中由于接头的特殊性 ，仅有少量方法获得工业应用，大多数方 法处于实验研究阶段。目视检验n目视检验是
15、用小于20倍的放大镜作外部缺 陷的检验。n此法能发现表面裂纹、烧穿、压痕过深、 电极粘附、焊件错位等多种外表缺陷。同 时，从接头外形尚能对焊透情况粗略判断 。密封性检验n任何有密封要求的焊缝均作密封性检验。n要求作此项检验的焊缝有缝焊、对接缝焊 和对焊几类。射线检验n 射线检验在压力容器制造业广为采用，它 能有效地发现焊接区的裂纹、夹杂、末焊 透及缩孔等缺陷。在电阻焊接头中，亦可 用来发现裂纹、缩孔及内部飞溅等。点焊 及缝焊接头一船均用于薄板结构，除少数 热敏感性强的合金钢和有色合金外，较少 出现裂纹，其它缺陷对强度影响较少。而 影响强度最敏感的熔核大小一般用射线检 验。超声波检验n超声波检验
16、主要用于厚板探伤。在点、缝 焊等的薄板焊件中未见应用报导。在大型 对接零件的探伤检阅中该法应用甚广例 如铁路钢轨对接焊接头、石油钻杆对接焊 口等均采用该法。它能发现末熔合、夹杂 物和裂纹等缺陷。但对严重影响塑性指标 的灰斑缺陷尚不能用此法检验。其它检验方法n磁粉、涡流和萤光n这些方法均用于检测接头表层的缺陷，主 要是延伸到表层的细小裂纹。电阻焊接头的缺陷n电阻焊的缺陷按显现部位不同，可分为外 表缺陷与内部缺陷。缺陷的形成原因众多 ，分析时应抓住主导原因。n由于工艺过程的差别，在搭接接头与对接 接头中产生的缺陷不尽相同，分别叙述如 下：搭接接头中的缺陷n末熔合与未完全熔合n缩孔n裂纹n结合线伸入n喷溅n压痕过深缩孔n由于金属加热时体积膨胀，因此当熔核金 属为液态时具有最大的体积，冷却收缩时 如周围塑性环未及时变形使内部体积相应 减小，则产生缩孔。n缩孔呈不规则的空穴，虽会成小熔核截面 ，但对结合面的静载强度影响不大，而对 动载或冲击则有一定影响。缩孔
