电阻焊接材料第一章-电阻焊

第一章电阻焊主要内容一、电阻焊概述二、电阻焊的加热三、点焊时的电阻及加热四、对焊时的电阻及加热一、电阻焊概述1.1电阻焊定义及特点1.2电阻焊的分类1.3各类电阻焊的特征1.4电阻焊的优缺点1.5电阻焊的发展方向一、电阻焊概述1.1电阻焊(resistancewelding)定义：将工件组合后通过电极施加压力，利用电流流过接头的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，使之形成接头的一种焊接方法。特点：一是焊接的电源是电阻热，故称电阻焊；二是焊接时需施加压力，故属于压力焊。1.2电阻焊的分类按接头形式分：搭接和对接点焊（spotwelding）缝焊（seamwelding）按工艺方法分：凸焊（ProjectionWelding）对焊（ButtResistanceWelding）按电源种类分：电阻焊交流脉冲二次整流工频低频中频高频一次单相一次三项一次变频电容贮能直流冲击波1.3各类电阻焊的特征1.4电阻焊的优缺点焊接成本低焊接质量好生产率高劳动条件好焊后难于无损检测结构受较多限制，接头强度低设备功率大、复杂缺点：优点：1.5电阻焊的发展方向1．保证焊接质量(1)监控与自控的发展。(2)改进焊机机械系统。(3)发展无损探伤。(4)基础理论研究。2．扩大使用范围(1)扩大焊机功率。(2)改进电源特性。(3)采用联合工艺。1.5电阻焊的发展方向3．提高生产率为了提高生产率，缩短辅助生产时间，在焊机结构、电极、控制方面皆有发展。(1)焊机专业化。(2)改进工艺过程。(3)寻求性能更好的电极，来延长电极寿命。二、电阻焊的加热2.1物理本质2.2电阻焊的热源2.3影响产热的因素2.4热平衡和温度分布2.5焊接循环2.6焊接电流的种类和适用范围2.7电阻焊对金属的要求2.8电阻焊热源的特点2.1物理本质本质：利用焊接区本身的电阻热和大量塑性变形能量，使两个分离表面的金属原子之间接近到晶格距离形成金属键，在结合面上产生足够量的共同晶粒而得到焊点，焊缝或对接接头。电阻焊接头是在热-机械（力）联合作用下形成的。2.2电阻焊的热源1、电阻焊的热源电阻焊的热源——电阻热：Q=I2Rt式中：I—焊接电流的有效值；R—焊接区总电阻的平均值；t—通过焊接电流的时间。2、总析热量由于焊接过程中焊接电流和焊接区电阻并非保持不变，因此总析热量Q的确切表达式：Q=式中：R—焊接区总电阻的动态电阻值，R=Rc+2Rew+2Rw是时间的函数；Rc—焊件间接触电阻的动态值；2Rew—电极与焊件间接触电阻；2Rw—焊件内部电阻的动态值。tRdtI02图1-1点焊焊接区示意图和等效电路图3、不同焊接方法的析热量1).点焊和缝焊：Q=2).对焊：电极和焊件间接触电阻很小。电阻又远离接触面，其析热过程可忽略不计。Q=式中：Rc—焊件间接触电阻的动态值；2Rew—电极与焊件间接触电阻；2Rw—焊件内部电阻的动态值。tdtRwRcI02)2(tdtRwwRcI02)2Re2(2.3影响产热的因素⑴电阻•焊件本身电阻RW=ρL/s。其中ρ是电阻率，L为材料的长度,s为面积，材料的电阻大小正比于材料的长度，而反比于其面积。其中ρ是一个重要参数，会随温度的升高而增大。•接触电阻RC（可从R=ρL/s进行解释）当焊接表面清理十分洁净时，RC仅在通电开始极短的时间内存在，随后会迅速消失。但它在焊接时间很短的情况下（如焊薄铝），对熔核的形成和焊点强度的稳定性仍有显著影响。2.3影响产热的因素⑵焊接电流焊接电流（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。⑶通电时间与焊接电流在一定范围内可互为补充。⑷电极压力对总电阻R影响显著，压力增大，R显著降低。⑸电极形状及材料电极基础面积决定电流密度，电极材料的电阻率和导热性关系产热和散热。⑹焊件表面状况主要影响接触电阻。彻底清理工件表面是保证获得优质接头的必要条件。2.4热平衡和温度分布（1）热平衡：热量小部分（10~30%）有用，大部分散失，其中主要通过电极的热传导而散失。。（2）温度分布：•点（对）焊——中心高，四周低缝焊——由于焊点间相互影响，温度分布比点焊的平坦，且沿焊件前进方向前后不对称。温度分布曲线越平缓，接头HAZ越大，工件表面越容易过热，电极越容易磨损。图1-2点焊原理图及加热时焊点形貌2.5焊接循环点焊和凸焊的焊接循环由四个基本阶段组成：1）预压时间t12）通电时间t23）维持时间t34）休止时间t4图1-3焊接循环示意图F–电极压力I–焊接电流t1–预压时间t2–通电加热时间t3–维持时间t4–休止时间通电焊接必须在电极压力达到规定的值后才能进行，否则会因压力过低引起飞溅。电极提升必须在焊接电流切断后进行，否则电极间引起火花，有时会烧穿焊件。2.5焊接循环•为了改善接头的性能，有时会将下列各项中的一项或多项加于基本循环：1).加入预压力，以消除厚焊件之间的间隙。2).预热提高金属的塑性。使焊件之间紧密结合，防止飞溅。3).加大锻压力，以使熔核致密，防止产生裂纹和缩孔。4).用回火或缓流脉冲消除合金钢的淬火组织，提高接头的力学性能。2.6焊接电流的种类和适用范围•交流电和直流电都可以用于点焊、缝焊和凸焊，其适用范围有所不同。•1).交流电：单相50Hz，电压为1~25V，电流为1~100kA。交流电可通过调幅是电流缓升与缓降，以达到预热和缓冷的作用。另外，交流电还可以用于多脉冲点焊，主要用于厚板的焊接。•2).直流电：用于大电流场合，可避免单相交流焊机造成的三项负荷不平衡。2.7电阻焊对金属的要求主要从下列各项指标进行评定：1、材料的导电性和导热性导电性和导热性越高，焊接性越差。2、材料的高温强度高温（0.5~0.7Tm）屈服强度越高，焊接性越差。3、材料的塑性温度范围塑性温度范围越小，对工艺参数波动越敏感，焊接性越差。4、材料对热循环的敏感性敏感性越强，焊接性越差。另外，熔点高、线膨胀系数大、易形成致密氧化膜的金属，其焊接性也比较差。2.8电阻焊热源的特点1).热源产生于焊件内部，与熔化焊时的外部热源(电弧、气体火焰等)相比，对焊接区的加热更敏为迅速、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。3).产生电阻热的外部条件是电阻焊时焊接区要通以强大的焊接电流。由于该热源产生于焊件内部，具有内部热源的特点。三、点焊时的电阻及加热3.1点焊时的电阻3.2点焊时的加热特点3.3点焊的热平衡3.1点焊时的电阻点焊时R=Rc+2Rew+2Rw式中：Rc—焊件间接触电阻的动态值；Rew—电极与焊件间接触电阻；Rw—焊件内部电阻的动态值。3.1.1接触电阻：(Rc+2Rew)接触电阻是一种附加电阻，指的是在点焊电极压力下所测定的接触面(焊件-焊件接触面、焊件-电极接触面)处的电阻值。形成原因：接触表面微观上的凹凸不平及不良导体(表面氧化膜、油、绣以及吸附气体层等)的存在。图1-4接触电阻形成原因示意图3.1.2影响接触电阻的主要因素清理方法1).表面状态：加工表面的粗糙度焊前存放时间2).电极压力：压力增大，金属的弹性和塑性变形增加。使接触压力变小，随着压力的减小，接触点数目和接触面积不能恢复，接触电阻将低于原值而呈“滞后”现象。3.1.2影响接触电阻的主要因素3).加热温度：温度升高金属变形阻力下降，塑性变形增大，接触电阻急剧降低直至消失。钢材的温度升高到600℃、铝合金温度升高到350℃时的接触电阻接近于零。异种金属材料相接触，其接触电阻取决于较软的材料。同一焊接区的接触电阻Rc与Rew存在一定的关系：Rew≈(1/2)Rc(钢材、表面化学清洗、铜合金极)Rew≈(1/25)Rc(铝合金、表面化学清洗、铜合金极)Rew≈Rc(钼材、表面化学清洗、铜合金极)3.1.3焊件内部电阻2Rw定义：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-焊件接触面为底的圆柱体体积。主要是点焊的边缘效应造成的。定义：指电流通过板件时，其电流线在板件(单块板)中间部分将向边缘扩展，使电流场呈现鼓形的现象。当电流通过重合的两焊件时，由于边缘效应，电极下的电流场将呈双鼓形。特点：边缘效应是一种仅与几何因素有关的物理现象，产生的根本原因是电极与焊件接触面积远远小于焊件的横截面。点焊加热是不均匀的，焊接区内各点温度不同(由于热传导，通常中心温度高而向边缘温度逐渐降低)，电阻率亦不同，这就引起焊接电流绕过较热部分金属呈现绕流现象，进一步促进电流场向边缘扩展。边缘效应(fringingeffect):3.1.4总电阻R•不同的金属材料在加热过程中焊接区动态总电阻R的变化规律相差很大。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；低碳钢在点焊加热过程中期总电阻R的变化曲线上却明显的有一峰值。1).典型材料的动态电阻比较焊接时间t/ms图1-5典型材料的动态电阻比较1-低碳钢；2-不锈钢；3-铝5014012010080604020100150200250300321总电阻(动态度)R/UΩ2)、低碳钢动态电阻曲线•1).下降段(t0~t1)时间短，曲线呈陡降，焊接区金属未熔化但有明显加热痕迹。•2).上升段(t1~t2)焊接区温度升高，金属电阻率增加，焊接区金属处于固态，ρ增大起主要作用，曲线上升快。加热一段时间后，ρ增大速率变小，焊接区导电面积增加较快，总电阻R增加速率减慢，最终到最大值。Rt3t0t2t1tO图1-6低碳钢典型动态电阻曲线图2)、低碳钢动态电阻曲线•3).再次下降段(t2~t3)由于绕流现象，主要通过焊接电流的金属区域电阻率没有明显增大，另外，由于金属软化使金属接触面积迅速增大，电流场的边缘效应减弱。使得焊接区电阻减小，曲线下降。•4).平稳段(t3以后)由于电极与焊件接触面尺寸的限制以及塑性金属被挤到两焊件之间，使焊件间间隙加大，限制了熔核和导电面积的增大。同时，由于电流场和温度场均进入准稳态，熔核和塑性环尺寸也基本保持不变，动态电阻曲线进入平稳阶段，此时R(或内部2Rw)趋于定值2R’w。3.2点焊时的加热特点3.2.1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部因素。1)接触电阻：产热5~10%作用：接触电阻产热对建立焊接初期的温度场及焊接电流的均匀化流过起重要作用2)内部电阻：产热90~95%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。3.2.2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，它通过二个途径对点焊的加热过程施加影响。其一：调节焊接电流有效值的大小会使内部热源的析热量发生变化，影响加热过程；其二，焊接电流在内部电阻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。•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％。图1-7点焊时的电场图1-8点焊时各典型截面的电流密度分布3.2.2电流对点焊加热的影响3.3点焊的热平衡热平衡Q=Q1+Q2+Q3+Q4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。324图1-9点焊的热平衡组成3.3.1点焊的热平衡特征•Q的大小取决于焊接参数特征和金属的热物理性质。•例如：电焊时2Al2-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=0.02s)时Q=1200J；点焊钢材时：同样获得6mm熔核，则Q=1700J。•Q1取决于金属的热物理性质及熔化金属量，与热源种类和焊接参数无关，点焊时Q1=(10~30)%Q。•Q2与电极材料、形状及冷却条件有关，是主要的散热损失，Q1=(30~50)%Q。•Q3与