第五章电阻点焊

第五章电阻点焊5.1概述点焊是电阻焊的一种,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工件接触面及邻近区域产生的电阻热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,如图5.1所示。点焊是一种高速、经济的连接方法。它适用于制造接头不要求气密,厚度小于3mm,冲压、轧制的薄板搭接构件,广泛用于汽车、摩托车、航空航天、家具等行业产品的生产。图5.1点焊示意图5.2点焊的基本原理5.2.1点焊过程(焊接循环)图5.2为点焊的基本焊接循环,图5.33为点焊焊接过程示表图。点焊过程由四个基本阶段组成。图5.2点焊的基本焊接循环图5.3点焊焊接过程示意图(1)预压阶段—将待焊的两个焊件搭接起来，置于上、下铜电极之间，然后施加一定的电极压力，将两个焊件压紧。(2)焊接时间—焊接电流通过工件，由电阻热将两工件接触表面加热到熔化温度，并逐渐向四周扩大形成熔核。(3)维持时间—当熔核尺寸达到所要求的大小时，切断焊接电流,电极压力继续保持，熔核在电极压力作用下冷却结晶形成焊点。(4)休止时间—焊点形成后，电极提起，去掉压力，到下一个待焊点压紧工件的时间。休止时间只适用于焊接循环重复进行的场合。为了提高焊点的物理和化学性能，可以在基本焊接循环中加入下列其中之一或多个过程:(1)预压力使电极和工件紧密、贴合;(2)预热来降低工件上开始焊接时的温度梯度;(3)顶锻力压实熔核，防止产生裂纹和缩孔;(4)回火、退火时间对硬化合金钢以达到所需求的强度;(5)后热以细化晶粒;(6)电流衰减以延迟AL的冷却。图5.4为一个比较复杂的焊接循环。图5.4复杂的点焊焊接循环示例5.2.2焊接热的产生及其影响因素5.2.2.1焊接热量的产生点焊时产生的热量由下式决定:Q=I2RT式中：Q—产生的热量(J)I—焊接电流(A)R—电极间电阻()T—焊接时间(S)点焊时导电通路上的总电阻及热量分布如图5.5所示。图5.5点焊时导电通路上的电阻及热量分布总电阻由以下七个部分组成:①1,7—电极电阻，与电极材料有关;②2,6—电极与工件之间的接触电阻，与电极和工件的表面状态，电极大小、形状及压力有关。此处产生的热量较多，但由于电极的热传导较好，并有水冷，母材达不到熔化温度。③3,5—母材本身电阻，正比于材料的电阻率和板厚，反比于导电面积。④4—母材间接触电阻，此处电阻最大，产热最多。对焊接形核有作用的是接触电阻4，其它的电阻应尽可能减少。在一定的焊接循环内,影响点焊接头热量多少的因素有：A.工件及电极电阻；B.工件间接触电阻以及工件与电极之间的接触电阻；C.工件及电极上的热量损失。5.2.2.2影响因素①电流的影响由公式1可知，电流对产热的影响比电阻和时间的影响都大，在点焊过程中它是一个必须严格控制的参数。其对焊点剪切强度的影响如图5.6所示。随着电流的增加，焊点尺寸及强度迅速提高，图中曲线较陡段，相当于非熔化焊接，倾斜段，相当于熔化焊接。过大的焊接电流会引起飞溅(产生内部孔洞)、焊接裂纹、压痕过深等缺陷，并导致接头强度下降,引起电极过热，加速电极损坏。②焊接时间的影响焊接时间对焊点强度影响与焊接电流的影响类似,如图5.7所示。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(强规范),也可以采用小电流和长时间(弱规范)。选取的原则取决于金属的性能,强度和焊机的功率。图5.6焊接电流对焊点剪切强度的影响图5.7焊接时间对焊点强度的影响③电极压力影响电极压力影响接触电阻,进而影响接头强度。随着电极压力的增大,接触电阻减小此时焊接电流虽略有增大,但不能补偿由于接触电阻减小而引起产热的减小。因此焊点强度总是随着电极压力的增大而减小。为保证焊点强度不变,在增大电极压力的同时,应增大焊接电流和延长焊接时间。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,将引起飞贱,也会使焊点强度降低。④电极的影响电极的接触面积影响电流密度大小,从而影响焊点尺寸。电极材料要求有好的导电导热性能,同时应具有一定的强度和硬度以抵抗焊接压力作用下产生变形和磨损。随着电极端头的变形和磨损，接触面积增大,焊点强度降低。⑤工件表面状态的影响工件表面的氧化物、污垢、油和其它杂质影响接触电阻的大小，过厚的氧化层会使电流不能通过。局部的导通会使电流密度过大，产生飞溅或表面烧损。表面不均匀的氧化层、锈皮及杂质会影响接触电阻的变化，引起焊接质量的波动，因此为了获得优质的焊点，焊前必须彻底清理。⑥母材成分的影响材料的成分决定着材料的熔点、熔化潜热、传导率等性能，因而决定着为了熔化母材形成焊点所需热量的多少。然而一般情况下,对于大多数金属材料来说，每单位物质加热到熔点所需的热量基本相同，所以电阻率和热传导率成为主要影响因素。如铝的热传导率是不锈钢的十倍，在电极及焊点周围金属的热量损失要比不锈钢大得多，因此焊接电流要比不锈钢大很多。5.2.2.3热平衡和散热点焊产生的热量除了一小部分，用于形成熔核外，大部分热量将通过向周围物质的传导和辐射而损失掉，如图5.8所示。图5.8点焊时的热量损失损失的热量主要包括通过电极传导的热量和通过工件传导的热量。通过电极传导的热量是主要热量损失。与电极的材料、形状、冷动条件，以及所用的焊接规范有关。例如采用硬规范较软规范损失的热量小。通过工件传导损失的热量与工件的热传导率有关。热传导好的金属材料,热损失比较大,对于导热性能好的材料一般用硬规范焊接。只有所点焊的两工件成分、板厚相同,所用的电极材料、形状相同时，两工件中的热量才能平衡、焊点熔深才能相同,否则焊点将发生偏移。在不同厚度工件的点焊中，可以通过控制电极的散热,改变电极材料或接触面积,采用附加垫片等以改善熔核的偏移,增加薄件一侧的熔透率,如图5.9所示。图5.9不同厚度工件的点焊5.3点焊设备机器人点焊设备主要由点焊控制器、焊钳(包括阻焊变压器)及水、电、气等辅助部分组成,如第一篇中图2.3所示。5.3.1点焊机器人焊钳从阻焊变压器与焊钳的结构关系上可将焊钳分成分离式和一体式二种形式，如图5.10所示。(a)分离式焊钳(b)一体式焊钳图5.10点焊机器人焊钳(1)分离式焊钳如图5.10a所示,减小了机器人的负载,运动速度高,价格便宜。其主要缺点是需要大容量的阻焊变压器,电力损耗较大,能源利用率低。此外粗大的二次电缆对机器人的手臂施加拉伸力和扭转力,限制了点焊工件区间与焊接位置的选择。(2)一体式焊钳焊钳与阻焊变压器安装在一起,共同固定在机器人手臂末端的法兰盘上,其主要优点是节省能量。如图5.10b所示。一体式焊钳的缺点是焊钳重量增大,要求机器人的负载能力变大,但随着逆变焊钳的发展,及机器人负载能力的提高,一体式焊钳会得到广泛的应用。目前的机器人点焊钳多数为气动,气动式焊钳电极的张开和闭合是通过气缸来实现的，电极张开一般有两级，大冲程时焊钳的张开度大，保证将焊钳伸入夹具或工件内部时与工件或夹具不发生碰撞；小冲程时焊钳的张开度小，在连续点焊时可缩短焊钳开合的时间。由于点焊焊接过程中需要较大的压力,由于压力的消失,使得所用空气的利用率只有10%,为了节约能源,国外开发了电伺服驱动的焊钳,如图5.11所示。焊钳和机器人一体化降低了焊接加压时产生的冲击噪音,使加压所需能量降低到1/10，而且焊钳的张开度和点焊压力可任意调节。除此之外,与气动相比电极磨损变小,并减少了焊接电流的消耗。图5.11一体式电驱动点焊钳点焊机器人用焊钳与手工焊钳一样有C型和X型两种，但与手工焊钳相比其使用寿命长、尺寸精度高、结构紧凑且重量轻。根据工件及焊接夹具的结构形式来选取焊钳的种类及结构尺寸，对于较复杂的工件一般需要通过仿真来确定焊钳的尺寸，图为常用的C型和X型点焊钳的基本结构形式。5.3.2点焊控制器点焊控制器的主要功能是完成点焊时的焊接参数输入,点焊程序控制,焊接电流控制及焊接系统故障自诊断,并实现与本体控制器的通讯联系。主要有二种结构形式。(1)中央结构型它将焊接控制部分作为一个模块与机器人本体控制部分共同安装在一个控制柜内,由主计算机统一管理并为焊接模块提供数据,焊接过程控制由焊接模块完成。其优点是设备集成度高,便于统一管理。(2)分散结构型焊接控制器与机器人本体控制柜分开,二者通过应答通讯联系,主计算机给出焊接信号后,其焊接过程由焊接控制器自行控制,焊接结束后给主机发出结束信号,以便主机控制机器人移动。这种结构优点是调试灵活,焊接系统可单独使用,但需要一定距离的通讯,集成度不如中央结构型高。由中国科学院沈阳自动化研究所研制的MWC-B型可编程控制器,应于松辽汽车、金杯汽车以及三水嘉陵公司的点焊机器人工作站,效果良好,其具有下列主要特点:①具有恒电流、恒电压两种控制功能;②具有电流阶梯上升控制功能,可显示阶梯数和焊点数,用于补偿由于电极磨损而引起的电流密度的变化。③具有两段通电的焊接规范。④可进行两个加压电磁气阀(双钳)控制及4序列和15序列的起动方式选拔。⑤自动进行焊接功率与焊接电流的调整。⑥断电数据保存功能。⑦利用示教盒可进行远距离(50M内)数据设定,操作简单方便。⑧焊接电流过低时,可自动再次通电。⑨直接进行焊接规范参数的数值设定,不需记忆数据地址。⑩故障自诊功能。5.4点焊电极点焊时电极的主要功能有:1.向工件传导电流。2.向工件传递压力。3.导散焊接区的部分热量。由于电极的端面直接与高温的工件表面接触,因此随了电极具有优良的导电、导热能力外,还应具有承受高温和高压的能力。点焊电极材料多为各种铜合金,一般来说合金越硬,其导电、导热能力越低。选择电极材料要根据其导电、导热及力学性能综合考虑。如焊接Al时,为防止粘附,要求电极材料具有高的导热性能而损失一定的抗压强度,而焊接不锈钢时正相反,为了获得高的焊接压力,不得不牺牲导热性能而获得高的抗压强度。电极大小和形状的选择应根据被焊材料成分及厚度来选择,表5.1为国内电阻焊的电极材料,表5.2为日本电阻焊的电极材料。表5.1国内电阻焊的电极材料名称成分(%)抗拉强度(MPa)电导率①(%)软化温度(℃)硬度(HBS)适用性冷硬纯铜Cu99.9250-3609820075-100点焊软的轻合金镉青铜Cd0.9-1.2其余为Cu400-90250100-120黑色和有色金属点焊铬青铜Cr其余为Cu500-85-130钢和耐热合金铬锌青铜Cr0.4-0.8Zn0.3-0.5其余Cu400-50070-80250110-140钢和耐热合金点焊仿苏MⅡ4Cr0.5-1.0Al0.1-1.25Mg0.1-0.25其余为Cu480-50065-75510110-135适用性较强,适于各种材料的点焊①以退火铜为100%。表5.2日本电阻焊的电极材料№合金合金成分(%)硬度(HV)抗拉强度(MPa)电导体①(%)软化温度(℃)1234567891011硬铜低银铜镍碲铜镉青铜高银铜银镉青铜铬青铜镍磷青铜镍硅青铜低铍青铜高铍青铜O20.04Ag1Te0.6,Ni0.1Cd0.8Ag6Ag6,Cd1Cr0.6Ni1,P0.2Ni2.5,Si0.5Be0.5,Co0.5Be2.3,C00.5105105105130140140155165200260360340340310465455455500550660--9790908885858060455025180400400300400400500450450500300①以退火铜为100%。图5.13为点焊标准电极和特殊电极形状,表5.3为电极的基本尺寸。图5.13点焊电极形状表5.3电极的基本尺寸D(mm)daca管螺纹G5～10(KVA)20～75(KVA)100(KVA)(mm)(mm)(mm)()(in)12～1620～3535～50根据点焊工艺参数确定13～355～6105(1/2)、15.5常用金属材料的点焊5.5.1点焊前的工件清理由于工件表面质量影响接触电阻的大小,当工件表面存在油污、氧化膜、油漆及其它杂质时会降低接头强度,影响接头质量的稳定性,因此点焊前工件必须进