点焊基础

第1章点焊第一篇电阻焊1.概述定义：工件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行的焊接方法。优点：焊接质量稳定，生产效率高，易实现机械化、自动化。缺点：设备复杂，耗电量大。应用：汽车、航空航天、电子、家电等，占整个焊接工作量的1/4。第一篇电阻焊2.电阻焊物理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、缝焊或对接接头。第一篇电阻焊3.电阻焊分类及方法:表1电阻焊分类（P7）第一篇电阻焊点焊凸焊缝焊第一篇电阻焊图1：电阻焊方法示意图电阻对焊闪光对焊高频对接缝焊（高频感应焊）第一篇电阻焊4.电阻焊的优缺点优点：和铆接或其它焊接方法相比：接头质量高、辅助工序少、无须填加焊接材料及文明生产等；尤其易于机械化、自动化，生产效率高，经济效益显著。应用在航空航天、电子、汽车、家用电器等领域发展，占整个焊接量1/4左右。例如：用闪光对焊代替氩弧焊生产铝合金车圈，每生产10万辆自行车，仅此一项，一年可节约人民币66万。缺点：电阻焊接头质量的无损检测较为困难，电阻焊设备复杂，维修困难和一次性投资高。第一篇电阻焊5.电阻焊的发展方向1）向节能方向发展2）采用计算机技术控制电阻焊过程焊接车间的集中控制和监视系统微机处理质量监控器的应用3）机械手在电阻焊方面的发展4）采用联合工艺第1章点焊本章主要内容：一.点焊基本原理二.点焊一般工艺三.常用金属材料的点焊四.特殊情况下的点焊工艺第1章点焊一、点焊基本原理点焊（电阻点焊）的定义:应用条件：焊接装配成搭接接头，并压紧在电极之间，利用电阻热融化母材金属，形成焊点。接头为搭接、接头不要求气密性、所焊厚度小于3mm。第1章点焊1.点焊接头的形成1.1点焊工艺简介工件点焊加工过程：备料→表面清理→焊接（点焊）→检验简单点焊工艺过程：加压—通电—维持—休止。4个连续过程组成。第1章点焊熔核形成原因：熔核处距离电极远，冷却慢，热量散不出去。图2：点焊原理图1.2点焊熔核的形成过程.\课件用视频\点焊熔核形成过程1.AVI接头的形成压力和电流下，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，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，熔核内的金属成分均匀化，结合界面迅速消失。第1章点焊接头冷却：断电-加热停止后，液态金属从熔核边界开始，沿着与散热相反方向不断以枝晶形式向熔核中间结晶。直至生长的枝晶相互抵住，接合面消失了，形成柱状晶形态的焊点组织。也可能因合金过冷条件不同，形成柱状晶+等轴晶混合形态的焊点组织。第1章点焊1.3点焊塑性环的形成和作用先于熔核形成，且随熔核的长大而长大。电极压力塑性变形电极通电热强烈再结晶塑性环作用：防止气体侵入熔核；防止液态金属沿板缝向外喷溅塑性环：熔核周围具有一定厚度的塑性金属区域。也有助于点焊接头承受载荷。----点焊特有第1章点焊1.4点焊接头的组织和结晶过程1.4.1柱状组织的形成过程金属结晶（焊接熔池）的两个基本过程：1.晶核的形成2.晶核的长大。焊接熔池温度分布不均匀，中心温度高，边缘处散热好，温度最低。母材熔合线处存在有半熔化的晶粒，构成了液体金属结晶的晶核，所以焊接熔池的结晶是从熔池边界处的熔合线处开始的（联生结晶）晶粒长大通常情况下是沿着与散热方向相反的方向以柱状形态向焊接熔池中心生长的，即由熔池边缘指向熔池中心温度最高处，直至这种柱状晶粒长大、相互接触，液体金属全部凝固时，结晶过程才结束。第1章点焊熔核全为柱状晶的形成过程：（eg：65Mn）图3：65Mn点焊接头第1章点焊图4：柱状晶形成过程模型第1章点焊Ⅰ.图4a在固—液相界面处为半熔化状态，为异质成核进行结晶提供有利条件。Ⅱ.图4b温度降低，熔合线处液态金属处于过冷状态，以半熔化晶粒作底面沿100晶向长出枝晶。电极急冷作用下的温度梯度大，枝晶主干伸入液体中较远，枝晶生长速度很快。枝晶臂间距H与冷却速度V关系如下：一次枝晶臂间距H1∝V-1/2二次枝晶臂间距H2∝V-(1/3～1/2)Ⅲ.图4c枝晶继续生长，凝固层推进,液体向枝晶间充填。枝晶间的液体向枝晶上凝固，使枝晶变长变粗倾斜生长的枝晶束被与最大温度梯度一致的枝晶束所阻碍而半途停止。凝固时的体积收缩和毛吸现象，均引起液态金属向正在凝固的枝晶间充填。Ⅳ.图4d凝固结束：剩余液体金属不足以完全充填枝晶间隙，未被液体充满的枝晶将暴露在前沿，而枝晶间将留下空隙，形成缩松。图4e具有缩松缺陷的熔核柱状组织断口形貌示意图图4f优质接头的熔核柱状组织断口形貌示意图。第1章点焊1.4.2（柱状+等轴）晶组织的形成过程（eg：2A12-T4）图5：2A12-T4点焊接头（P11）第1章点焊图6：柱状晶+等轴晶形成过程模型区别：2Al2-T4枝晶常有熔断，熔断后游离到熔核中心,成为等轴晶晶核。第1章点焊Ⅰ.图6a同图4a原理。Ⅱ.图6b以半熔化晶粒作底面沿001向（金属立方晶系）长出枝晶束。某些枝晶发生二次晶轴的熔断、游离和向熔核中心运送。Ⅲ.图6c连续凝固层向前推进；枝晶粗化；倾斜的枝晶束生长受阻，枝晶间距自动调整。更多的枝晶二次晶轴发生熔断、游离并被排挤到熔核心部；枝晶前沿液体金属的温度梯度逐渐变缓和溶质浓度的不断提高，均使等轴晶核在熔核心部增殖，Ⅳ.图6d液态金属成分过冷越来越大，大量的等轴晶核以树枝晶形态迅速长大，彼此相遇，以及与柱状晶的枝晶束相遇后呈现互相阻碍。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。图6e具有缩松缺陷的熔核“柱状＋等轴”组织图6f优质接头的熔核“柱状＋等轴”组织图5显示铝合金熔核由粗大柱状晶组织和粗大等轴晶组织共同组成。粗大柱状晶的内部微观结构为一枝晶束（图7），粗大等轴晶的内部微观结构为若干个等轴树枝状晶紧密结成一团（图8）。第1章点焊第1章点焊a)枝晶束内部形态（光镜）b)枝晶束侧视形貌（SEM）c)枝晶束顶端形貌（SEM）图7：枝晶束形貌第1章点焊图8：等轴晶形貌a)等轴晶表面形态（SEM）b)等轴晶内部枝晶形态（光镜）c)等轴晶群体形貌（SEM）第1章点焊1.4.3点焊熔核孕育处理国内学者赵熹华等人，在国家自然科学基金和美国GM基金资助下对多种难焊金属材料（铝合金、弹簧钢等）开展了“点焊熔核孕育处理理论与方法”的研究，现已取得如下成果：1.首次获得了全部凝固组织为等轴晶的点焊熔核（图9b）。第1章点焊（a）未孕育处理（柱状晶+等轴晶）（b）孕育处理（等轴晶）图9：2A12-T4铝合金点焊熔核第1章点焊2.首次使全部为柱状晶的点焊熔核贴合面处出现等轴晶区（图10b）。a）未孕育处理（柱状晶组织及贴合面）b）孕育处理（贴合面处的等轴晶组织）图10：65Mn弹簧钢点焊熔核第1章点焊3.扩大熔核等轴晶区,缩小熔核柱状晶区，使凝固组织晶粒显著细化。研究结果表明，孕育处理可显著提高点焊接头力学性能，尤其是疲劳强度。这就为点焊质量监控技术开辟了一条新路，从“质”的方面根本改善了点焊接头质量。第1章点焊2.点焊的热源与加热特点2.1点焊的热源点焊的热源是电流通过焊接区产生的电阻热.(图11)图11点焊焊接区示意图和等效电路图第1章点焊根据焦耳定律，总析（产）热量Q为：式中：i—焊接电流的瞬时值，是时间的函数rc—焊件间接触电阻的动态值，是时间的函数2rew—电极与焊件间接触电阻的动态值,时间的函数rw—焊件内部电阻的动态值，是时间的函数t—通电时间第1章点焊总析热量Q的影响因素：焊接电流；电阻；通电时间焊接电流：产生电阻热的外部条件电阻：产生电阻热的内部条件第1章点焊2.2电流对点焊加热Q的影响电流有效值的大小及电流波形;2Rw上电流场分布2.2.1电流有效值的大小及电流波形影响调节焊接电流有效值大小会使得内部热源的析热量发生显著变化，波形也有影响。电容式焊机或工频交流焊机直流式焊机IM—幅值；I—电流有效值ai—指数值，与电路时间常数有关图12：点焊时的电场与电流密度分布（计算机模拟）a）电场分布；b）典型截面电流密度分布2.2.2电流场分布的影响电流场特征造成加热强度不均匀，影响加热过程电流场特点：1.贴合面处电流线收缩，产生集中加热效果。2.贴合面边缘，电流密度大，首先出现塑性连接区。3.电流场不均匀，产热不均匀，造成不均匀温度场改变电流波形、电极形状和尺寸，可改变电流分布，控制熔核形状和尺寸。第1章点焊2.3电阻对Q的影响2.3.1接触电阻对Q的影响Rc+2Rew：接触电阻，产热量约占内部热源的5%~10%；软规范时:Rc+2Rew5%~10%;硬规范及精密点焊时:Rc+2Rew5%~10%第1章点焊焊件间接触电阻Rc决定因素:（真实接触点和面积）1.焊件材质:强度、塑性等2.表面状态(清理方法\表面粗糙度\存放时间)3.电极压力：压力增大，接触电阻变小。厚钢板或铝合金采用马鞍形的加压曲线，减少粘连和初期飞溅。4.温度：温度升高，接触电阻变小。近似计算公式(室温):Rc=rc’F-m式中:rc’—恒定系数,F=1N时的接触电阻值,实验测定F—电极压力或接触面承受的压力(N)m－与材料的性质有关（０.５～１.０范围内取值）第1章点焊异种金属点焊时候，接触电阻Rc取决于较软的材料Rc与Rew之间的关系：Rew≈Rc/2;钢材,表面化学清洗,铜合金电极Rew≈Rc/25;铝合金,表面化学清洗,铜合金电极第1章点焊2.3.2焊件内部电阻2Rw对Q的影响2Rw：焊件内部电阻，产热量约占内部热源的90%~95%；2Rw90%~95%2Rw90%~95%软规范时:硬规范及精密点焊时:焊件内部电阻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与焊件接触面为底的圆柱体体积—边缘效应。第1章点焊2Rw近似计算公式:式中:K-焊接不均匀加热系数(0.80~0.90)A-电场不均匀系数(0.82~0.84)ρT–焊接区金属的电阻率,是温度的系数,(Ω·mm)δ-单个焊件的厚度(mm)d–电极与焊件接触面直径(mm)第1章点焊2Rw的影响因素:1.金属材料的热物理性质ρT2.力学性能(金属材料的压溃强度σ’)3.点焊焊接参数及特征(电极压力、硬\软规范)4.焊件厚度δ焊接温度场和内部电阻是动态变化：焊接过程中焊接区非线性不均匀加热，加热区域的形态与温度分布始终处于不断变化,导致电阻2Rw(瞬时值)也复杂变化。在临近加热终了时候（减弱或断电时候）温度场才可进入准稳定状态，电阻也趋于一个稳定值。第1章点焊焊接区总电阻R=Rc+2Rew+2Rw随时间变化曲线(图13)注:动态总电阻r标志焊接区加热和熔核长大的特征,可用来监控焊点质量(动态电阻法)。图13.典型材料动态电阻1-低碳钢；2-不锈钢；3-铝及铝合金2.4点焊的热平衡2.4.1.热平衡方程:总热量Q=Q1+Q2+Q3+Q4图14.点焊热平衡组成母材熔化,形成熔核热量电极热传导损失热量焊件热传导损失热量对流/辐射损失热量金属物理性质及熔化金属量(占10%~30%)电极材料、形状及冷却条件(占30%~50%);控制：加垫片或更换电极材料焊件物理性质、板厚、焊接参数性质(占20%)空气温度等物理条件(占5%)第1章点焊2.4.2.焊接区温度分布最高温度总是处于焊接区的中心，且高于Tm部分形成熔核；核内温度要高于Tm（焊钢时超200~300K）但温度上升有限。图15.点焊时的温度分布A-焊钢时；B-焊铝时温度梯度：梯度主要由Q2与Q3确定被焊金属导热性差（eg.钢）或用硬规范时，梯度大；被焊金属导热性好（eg.铝）或用软规范时，梯度小；第1章点焊二.点焊一般工艺点焊工艺包含4个部分内容：1.点焊方法；2.点焊接头设计；3.焊前工件表面清理；4.焊接参数及相互关系。第1章点焊1.点焊方法1.1方法分类根据电极向焊接区馈电方式：双面点焊点焊单面点焊再根据一个点焊循环中所能形成的焊点数，可以进一步细分为各种点焊类型。第1章点焊双面点