哈工大电阻焊-第1章电阻点焊的原理

电阻焊原理及工艺主讲人哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室张忠典绪论电阻焊定义：焊件组合后，通过电极施加压力，利用电流流过焊接区所产生的电阻热加热工件，使要焊接部位达到局部熔化或高温塑性状态，通过热和机械力的联合作用完成连接的方法。物理本质：利用焊接区金属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。分类：1.按接头形式和工艺特点分：点焊；缝焊；对焊。2.按电流分:交流、直流、脉冲优点：1）接头质量高；2）辅助工序少3）不需要填充材料4）生产效率高，易于实现自动化缺点：1）无损检验困难；2）设备复杂，维修困难，一次性投资高。第一章电阻点焊的原理第一节概述一、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3~10Hz2.5kHz~450kHz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32d5d或板厚2）焊透率)(mmd(%)A%100chAchd3）压痕c5~20%%70~30A1。熔核尺寸的几个基本概念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。对点焊质量的要求第二节点焊时的电阻及加热一、点焊时的电阻ewRewRwRwRcRwewcRRRR22dttrtiQ)()(24.02VAC3801。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)表面粗糙度(2)压力电极压力接触电阻“滞后”效应(3)温度1R2RRR等于1R与2R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电流场与电流密度分布a)导线中b)单块板中c)点焊时i一电流线j一电流密度jc一平均电流密度预压时，电极压力的应力分布电流场与电流密度分布a)导线中b)单块板中c)点焊时i一电流线j一电流密度jc一平均电流密度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）焊件内部电阻的近似计算4222021dKKRTW。电极与焊件接触面直径单个焊件的厚度；焊接区金属的电阻率；展的系数；绕流现象引起电流场扩展的系数；边缘效应引起电流场扩021dKKT1K0d84.0~82.01K01234561.00.80.60.40.2与不均匀加热程度有关，可在0.8~0.9范围内选取。硬规范点焊时，焊接区温度很不均匀，应选低值；软规范点焊时，则取高值。2K3）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。1）低碳钢在低碳钢的点焊过程中，焊接区动态阻的变化规律可以分为以下几个阶段：下降段〔t0～t1〕：由于接触电阻的迅速降低及消失所造成。该阶段的主要特点是时间短，曲线呈陡降（例如，点焊1.2＋1.2mm冷轧低碳钢板，该段时间约为(1～2周波)，焊接区金属未熔化但有明显加热痕迹。值得注意的是，当加热速度较快时，该阶段将难以观测到。上升段〔t1～t2〕：随着加热的进行，焊接区温度升高，金属电阻率ρ的增加很快．由于焊接区金属基本处于固态，接触面增加缓慢，因而ρ的增大起主要作用，曲线上升较快。经过一段时间加热后，焊接区温度已比较高，ρ的增大速率减小，而焊接区导电面积增加较快，结果使动态电阻增加速率减缓,最终达到最大值。一般认为，接近峰值点时焊接区金属已局部熔化，开始形成熔核，达到温度稳定点。因为继续加热，金属将不断由固态变成液态，使熔核逐渐增大，但此时输入功率作为潜热消耗，焊点温度不再升高。再次下降段〔t2～t3〕：继续加热使熔化区及塑性环不断扩展，虽然金属由固相向液相转变时电阻率有突然的增大，但由于绕流现象，使得主要通过焊接电流的金属区域电阻率并没有明显增大。绕流现象使电极下的导电通路截面增大：另一方面，由于金属的明显软化使接触面积迅速增大，电流场的边缘效应减弱。结果均使得焊接区的电阻减小，曲线下降。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（板缝翘离），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，动态电阻曲线将日趋平稳。焊接通电时间动态电阻(Cycle)1---6.30kA2---6.48kA3---6.88kA4---8.38kA181614121086420455055606570758580不同焊接电流时动态电阻曲线2）不锈钢二、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：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。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％。点焊时各典型截面的电流密度分布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，防止氧化和飞溅的产生有利。3)不均匀的温度场4。点焊的热平衡21QQQ1Q2Q熔化母材金属形成熔核的热量，占总产热量的10~30%，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70~90%。散热途径：工件热传导，对流，辐射。最主要是电极散热，占30~50%（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。