电阻焊接材料第二章-点焊

第二章点焊主要内容一.概述二.点焊过程分析三.点焊规范参数及其相互关系四.点焊时的分流五.特殊情况的点焊工艺六.常用金属材料的点焊一.概述1.1定义1.2分类1.3特点1.4应用1.1定义电阻点焊(resistancespotwelding)，简称点焊。它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。1.2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1.3特点1)焊件间依靠尺寸不大的熔核进行连接，熔核应均匀、对称地分布在两焊件的贴合面上。2)点焊具有大电流、短时间、压力状态下进行焊接的工艺特点。3)点焊是热—机械(力)联合作用的焊接过程。4)点焊接头质量主要取决于熔核尺寸(直径和焊透率)、熔核本身及其周围热影响区的金属显微组织及缺陷情况。同时，若有压痕过深、表面裂纹、粘损等表面缺陷，也会使接头疲劳强度降低。1.4应用电阻点焊是一种高效率、低成本的主要焊接方法，广泛地应用在汽车、电子、航空、航天等重要工业领域。点焊适用于采用搭接、接头不要求气密、厚度小于3mm的冲压、轧制的薄板结构。它也可焊接厚度达到6mm或更厚的金属构件，但效果不如其他焊接方法。电阻点焊的双机位二.点焊过程分析2.1点焊原理2.2熔核2.1点焊原理两电极2将焊件3压紧，增加电极压力后，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，熔核内金属成分均匀化，结合界面迅速消失。图1电阻点焊原理1-阻焊变压器2-熔核3-焊件4-熔核2.2熔核由于材质和焊接规范特征的不同，熔核的凝固组织可有三种：1.柱状组织：纯金属(如镍、钼等)和结晶温度区间窄的合金(碳钢、合金钢、钛合金等)；2.等轴组织：较罕见；3.“柱状+等轴”组织：铝合金等。2.2.165Mn的熔核面SEM像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，得到了柱状晶生长较充分的焊点。图265Mn的熔核面SEM像2.2.2柱状组织形成过程a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，为异质成核进行结晶提供了有力条件。b随着温度的降低，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，由于液体金属冷却速度快，枝晶臂的间距甚小。c枝晶继续生长，凝固层向前推进，液体向枝晶间充填。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。图3柱状组织形成过程模型2.2.2柱状组织形成过程d凝固将结束，剩余液体金属不足以完全填充枝晶间隙，未被液体充满的枝晶暴露在前沿，形成缩松。e具有缩松缺陷的熔核柱状组织断口形貌。f优质接头的熔核柱状组织断口形貌。图4柱状组织形成过程模型图5柱状组织形成过程模型L-液态金属表面（1/2熔核高处）S-母材固态表面（熔核线处）-晶体生长方向100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，它有助于点焊接头承受载荷。图6熔核、塑性环直径（d、dco）测量曲线1-熔核直径的动态曲线2-塑性环直径的动态曲线（测试条件：δ=1+1mm(低碳钢)、I=8800A、Fw=2250N）图7熔核横截面积某部位SEM像(2AL2-T4)a)½熔核局部b)照片摄取位置示意2.2.3“柱状+等轴”组织形成过程a凝固前熔合线上许多晶粒处于半熔化状态，为异质成核结晶提供了有利条件。b液态熔核的温度降低，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＜001＞向(2Al2-T4铝合金属立方晶系)长出枝晶束。某些枝晶发生二次轴的熔断、游离和向熔核中心运送。c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;与热流方向倾斜的技晶束生长受阻，枝晶间距自动调整。图8“柱状+等轴”组织形成过程模型2.2.3“柱状+等轴”组织形成过程d液态金用成分过冷越来越大，大量的等轴晶核以树枝晶形态迅速长大，被此相遇，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。e具有缩松缺陷的熔核“柱状+等轴”组织断口形貌。f优质接头的熔核“柱状+等轴”组织断口形貌。图9“柱状+等轴”组织形成过程模型图10“柱状+等轴”组形成过程模型L-液态金属表面（1/2熔核高处）S-母材固态表面（熔核线处）-晶体生长方向001图12等轴树枝状晶群体形貌(SEM)a)粗大等轴晶表面形态(SEM)b)粗大等轴晶内部枝晶形态(光镜)c)等轴树枝状晶群体形态(SEM)图11枝晶束形貌a)粗大柱状晶内部枝晶形态b)枝晶群侧视形貌(SEM)c)枝晶群顶端俯视形貌(SEM)三.点焊规范参数及其相互关系3.1焊接循环定义3.2点焊焊接参数3.3焊接参数间相互关系及选择3.1焊接循环定义焊接循环(weldingcycle)：电阻焊中，完成一个焊点(缝)所包括的全部程序。1.焊接循环示意图图13复杂点焊焊接循环示意图1-加压程序2-热量递增程序3-加热1程序4-冷却1程序5-加热2程序6-冷却2程序7-加热3程序8-热量递减程序9-维持程序10-休止程序)Fpt—预压压力Ffo—锻压力tfo—施加锻压力时刻(从断电时刻算起)Fw—电极压力T—点焊周期t‘fo—施加锻压力时刻(从通电时刻算起)3.2点焊焊接参数1.焊接电流2.焊接时间3.电极压力4.电极头端面尺寸D或R1.焊接电流焊接时流经焊接回路的电流称焊接电流，焊接电流是最主要的点焊参数。AB段曲线呈陡峭段。由于焊接电流小使热源强度不足而不能形成熔核或熔核尺寸甚小。因此焊点拉剪裁荷较低且很不稳定。图14接头拉剪载荷与焊接电流的一般关系1-板厚1.6mmt以上2-板厚1.6mmt以下BC段曲线平稳上升。随着焊接电流的增加，内部热源发热量急剧增大，熔核尺寸稳定增大，因而焊点拉剪裁荷不断提高；临近C点区域．由于板间翘离限制了熔核直径的扩大和温度场进入准稳态，因而焊点拉剪裁荷变化不大。C点以后由于电流过大使加热过于强烈，引起金属过热、喷溅、压痕过深等缺陷，接头性能反而降低。上图还表明:焊件越厚BC段越陡峭，即焊接电流的变化对焊点拉剪裁荷的影响越敏感。2.焊接时间定义：自焊接电流接通到停止的持续时间，称焊接通电时间，简称焊接时间。点焊时一般在数拾周波(1周波＝0.02s)以内。焊接时间对接头力学性能的影响与焊接电流相似(如右图)。图15接头拉剪载荷与焊接时间的一般关系1-板厚1mm2-板厚5mm2.焊接时间但应注意二点：①c点以后曲线并不立即下降，这是因为尽管嫁接尺寸已达饱和。但塑性环还可有一定扩大，再加之热源加热速率较和缓，因而一般不会产生喷溅。②焊接时间对接头塑性指标影响较大，尤其对承受动载或有脆性倾向的材料(可淬硬钢、铝合金等)，较长的焊接时间将产生较大的不良影响。3.电极压力Fw点焊时通过电极施加在焊件上的压力一般要致千牛(N)。图16表明，电极压力过大或过小都会使焊点承载能力降低和分散性变大，尤其对拉伸裁荷影响更甚。当电极压力过小时，造成因电流密度过大而引起加热速度增大而塑性环又来不及扩展，产生严重喷溅。这不仅使焊接形状和尺寸发生变化，而且污染环境和不安全，这是绝对不允许的。图16接头拉剪载荷与电极压力的关系(低碳钢、δ=1mm)Fw-电极压力Ft-拉剪载荷Fθ-拉伸载荷3.电极压力Fw电极压力过大时使焊接区接触面积增大，总电阻和电流密度均减小，焊接散热增加，因此熔接尺寸下降，严重时会出现未焊透缺陷。一般认为，在增大电极压力的同时，适当加大焊接电流或焊接时间，以维持焊接区加热程度不变。压力增大可消除焊件装配间隙、刚性不均匀等因素引起的焊接区所受压力波动对焊点强度的不良影响。此时不仅使焊点强度维持不变，稳定性亦可大为提高。图16接头拉剪载荷与电极压力的关系(低碳钢、δ=1mm)Fw-电极压力Fτ-拉剪载荷Fσ-拉伸载荷4.电极头端面尺寸D或R电极头是指点焊时与焊件表面相接触时的电极端头部分。其中D为锥台形电极头端面直径，R为球面形电极头球面半径，h为端面与水冷端距离。图17常用电极头结构a)锥台形电极头b)球面性电极头电极头端面尺寸增大时，由于接触面积增大、电流密度减小、散热效果增强，均使焊接区加热程度减弱，因而熔核尺寸减小，使焊点承载能力降低。规定：锥台形电极头端面尺寸的增大△D＜15％D．同时对由于不断锉修电极头而带来的与水冷端距离h的减小也要给予控制。低碳钢点焊h＞3mm，铝合金点焊h＞4mm。图18接头拉剪载荷Fw与电极头端面直径D的关系(低碳钢δ=1mm)3.3焊接参数间相互关系及选择点焊时，各焊接参数的影响是相互制约的。当电极材料、端面形状和尺寸选定以后，焊接参数的选择主要是考虑以下三点：a焊接电流b焊接时间c电极压力这是形成点焊接头的三大要素，其相互配合可有两种方式。1.焊接电流和焊接时间的适当配合2.焊接电流和电极压力的适当配合1.焊接电流和焊接时间的适当配合这种配合是以反映焊接区加热速度快慢为主要特征。1.当采用大焊接电流、小焊接时间参数时，称硬规范；2.当采用小焊接电流、适当长焊接时间参数时，称软规范。软规范优点：1.加热平稳，焊接质量对焊接参数波动的敏感性低，焊点强度稳定2.温度场分布平缓，塑性区宽，在压力作用下易变形，可减少熔核内喷溅、缩孔和裂纹倾向3.对有淬硬倾向的材料，可减小接头冷裂纹倾向4.设备装机容量小，控制精度不高，较便宜缺点：1.易造成焊点压痕深，接头变形大，表面质量差2.电极磨损快，生产效率低，能量损耗较大硬规范硬规范的特点与软规范基本相反。1.硬规范适用于铝合金、奥氏体不锈钢、低碳钢及不等厚度板材的焊接。2.软规范较适用于低合金钢、可淬硬钢、耐热合金、放合金等。调节I、t使之配合成不同的硬、软规范时，必须相应改变电极压力Fw，以适应不同加热速度及不同塑性变形能力的要求。硬规范时所用电极压力显著大于软规范焊接时的电极压力。2.焊接电流和电极压力的适当配合这种配合是以焊接过程中不产生喷溅为主要原则，根据这一原则制定的I-Fw关系曲线，称喷溅临界曲线(如图)。曲线左半区为无喷溅区，这里Fw大而I小，但焊接压力选择过大会造成固相焊接(塑性环)范围过宽，导致焊接质量不稳定。曲线右半区为喷溅区，因为电极压力不足，加热速度过快而引起喷溅，使接头质量严重下降和不能安全生产。图19焊接电流与电极压力的关系(A、B、C为RWMA焊接规范中的三类)2.焊接电流和电极压力的适当配合当将规范选在喷溅临界曲线附近(无喷溅区内)时，可获得最大熔核和最高拉伸载荷。同时，由于降低了焊机机械功率，也提高了经济效果。以上讨论的两种情况，其结果常以金属材料点焊焊接参数表、列线图、曲线图和规范尺等形式表现出来，但在实际使用这些资料时均需进行试验修正。四.点焊时的分流4.1定义：分流(shuntingcurrent):电阻焊时从焊接区以外流过的电流。4.2点焊分流的影响因素1).焊点距的影响2).焊接顺序的影响3).焊件表面状态的影响4).电级(或二次回路)与工件的非焊接区相接触5).焊件装配不良或装配过紧6).单面点焊工艺特点的影响1).焊点距的影响连续点焊时，点距愈小，板材愈厚，分流愈大。图20低碳钢点距和分流率的关系2).焊接顺序的影响已焊点分布在两侧时，由于向两侧分流比仅在一侧时分流要大。图21焊接顺序对分流的影响(分流率c)﹥b)﹥a))3).焊件表面状态的影响表面治理不良时，油污和氧化膜等使接触电阻Rc+2Rew增大，因而导致焊接区总电阻R增加，分路电阻却相对减小，结果