电阻焊方法和工艺

一、点焊方法:
   点焊通常分为双面点焊和单面点焊两大类。双面点焊时,电极由工件的两侧向焊接处馈电。典型的双面点焊方式如图11-5所示。图中a是最常用的方式,这时工件的两侧均有电极压痕。图中b表示用大焊接面积的导电板做下电极,这样可以消除或减轻下面工件的压痕。常用于装饰性面板的点焊。图中c为同时焊接两个或多个点焊的双面点焊,使用一个变压器而将各电极并联,这时,所有电流通路的阻抗必须基本相等,而且每一焊接部位的表面状态、材料厚度、电极压力都需相同,才能保证通过各个焊点的电流基本一致。图中d为采用多个变压器的双面多点点焊,这样可以避免c的不足。
    单面点焊时,电极由工件的同一侧向焊接处馈电,典型的单面点焊方式如图11-6所示,图中a为单面单点点焊,不形成焊点的电极采用大直径和大接触面以减小电流密度。图中b为无分流的单面双点点焊,此时焊接电流全部流经焊接区。图中C有分流的单面双点点焊,流经上面工件的电流不经过焊接区,形成风流。为了给焊接电流提供低电阻的通路,在工件下面垫有铜垫板。图中d为当两焊点的间距l很大时,例如在进行骨架构件和复板的焊接时,为了避免不适当的加热引起复板翘曲和减小两电极间电阻,采用了特殊的铜桥A,与电极同时压紧在工件上。
    在大量生产中,单面多点点焊获得广泛应用。这时可采用由一个变压器供电,各对电极轮流压住工件的型式(图11-7a),也可采用各对电极均由单独的变压器供电,全部电极同时压住工件的型式(图11-7b).后一型式具有较多优点,应用也较广泛。其优点有:各变压器可以安置得离所联电极最近,因而。
其功率及尺寸能显著减小;各个焊点的工艺参数可以单独调节;全部焊点可以同时焊接、生产率高;全部电极同时压住工件,可减少变形;多台变压器同时通电,能保证三相负荷平衡。
二、点焊工艺参数选择
    通常是根据工件的材料和厚度,参考该种材料的焊接条件表选取,首先确定电极的端面形状和尺寸。其次初步选定电极压力和焊接时间,然后调节焊接电流,以不同的电流焊接试样,经检查熔核直径符合要求后,再在适当的范围内调节电极压力,焊接时间和电流,进行试样的焊接和检验,直到焊点质量完全符合技术条件所规定的要求为止。最常用的检验试样的方法是撕开法,优质焊点的标志是:在撕开试样的一片上有圆孔,另一片上有圆凸台。厚板或淬火材料有时不能撕出圆孔和凸台,但可通过剪切的断口判断熔核的直径。必要时,还需进行低倍测量、拉抻试验和X光检验,以判定熔透率、抗剪强度和有无缩孔、裂纹等。
    以试样选择工艺参数时,要充分考虑试样和工件在分流、铁磁性物质影响,以及装配间隙方面的差异,并适当加以调整。
三、不等厚度和不同材料的点焊
    当进行不等厚度或不同材料点焊时,熔核将不对称于其交界面,而是向厚板或导电、导热性差的一边偏移,偏移的结果将使薄件或导电、导热性好的工件焊透率减小,焊点强度降低。熔核偏移是由两工件产热和散热条件不相同引起的。厚度不等时,厚件一边电阻大、交界面离电极远,故产热多而散热少,致使熔核偏向厚件;材料不同时,导电、导热性差的材料产热易而散热难,故熔核也偏向这种材料(见图11-8)
    调整熔核偏移的原则是:增加薄板或导电、导热性好的工件的产热而减少其散热。常用的方法有:
    (1)采用强条件   使工件间接触电阻产热的影响增大,电极散热的影响降低。电容储能焊机采用大电流和短的通电时间就能焊接厚度比很大的工件就是明显的例证。
    (2)采用不同接触表面直径的电极在薄件或导电、导热性好的工件一侧采用较小直径,以增加这一侧的电流密度、并减少电极散热的影响。
    (3)采用不同的电极材料   薄板或导电、导热性好的工件一侧采用导热性较差的铜合金,以减少这一侧的热损失。
    (4)采用工艺垫片    在薄件或导电、导热性好的工件一侧垫一块由导热性较差的金属制成的垫片(厚度为0.2-0.3mm),以减少这一侧的散热。
点焊接头的设计
    点焊通常采用搭接接头和折边接头(图11-9)接头可以由两个或两个以上等厚度或不等厚度的工件组成。在设计点焊结构时,必须考虑电极的可达性,即
电极必须能方便地抵达工件的焊接部位。同时还应考虑诸如边距、搭接量、点距、装配间隙和焊点强度诸因素。
    边距的最小值取决于被焊金属的种类,厚度和焊接条件。对于屈服强度高的金属、薄件或采用强条件时可取较小值。
    搭接量是边距的两倍,推荐的最小搭接量见表11-2。
表11-2  接头的最小搭接量(mm)3
最薄板件厚度
单排焊点
双排焊点
结构钢
不锈钢及高温合金
轻合金
结构钢
不锈钢及高温合金
轻合金
0.5
0.8
1.0
1.2
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
8
9
10
11
12
14
16
18
20
22
6
7
8
9
10
12
14
16
18
20
12
12
14
14
16
20
24
26
28
30
16
18
20
22
24
28
32
36
40
42
14
16
18
20
22
26
30
34
38
40
22
22
24
26
30
34
40
46
48
50
    点距即相邻两点的中心距,其最小值与被焊金属的厚度、导电率,表面清洁度,以及熔核的直径有关。表11-3为推荐的最小点距。
表11-3  焊点的最小点距(mm)3
最薄板件厚度
点距
结构钢
不锈钢及高温合金
轻合金
0.5
0.8
1.0
1.2
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
10
12
12
14
14
16
18
20
22
24
8
10
10
12
12
14
16
18
20
22
15
15
15
15
20
25
25
30
35
35
    规定点距最小值主要是考虑分流影响,采用强条件和大的电极压力时,点距可以适当减小。采用热膨胀监控或能够顺序改变各点电流的控制器时,以及能有效地补偿分流影响的其他装置时,点距可以不受限制。
    装配间隙必须尽可能小,因为靠压力消除间隙将消耗一部分电极压力,使实际的焊接压力降低。间隙的不均匀性又将使焊接压力波动,从而引起各焊点强度的显著差异,过大的间隙还会引起严重飞溅,许用的间隙值取决于工件刚度和厚度,刚度、厚度越大,许用间隙越小,通常为0.1-2mm。
    单个焊点的抗剪强度取决于两板交界上熔核的面积,为了保证接头强度,除熔核直径外,焊透率和压痕深度也应符合要求,焊透率的表达式为:η=h/δ-c×100%(参见图11-10)。两板上的焊透率只允许介于20-80%之间。镁合金的最大焊透率只允许至60%。而钛合金则允许至90%。焊接不同厚度工件时,每一工件上的最小焊透率可为接头中薄件厚度的20%,压痕深度不应超过板件厚度的15%,如果两工件厚度比大于2:1,或在不易接近的部位施焊,以及在工件一侧使用平头电极时,压痕深度可增大到20-25%。图11-10示低倍磨片上的熔核尺寸。
    点焊接头受垂直面板方向的拉伸载荷时的强度,为正拉强度。由于在熔核周围两板间形成的尖角可引起应力集中,而使熔核的实际强度降低,因而点焊接头
一般不这样加载。通常以正拉强度和抗剪强度之比作为判断接头延性的指标,此比值越大,则接头的延性越好。
    多个焊点形成的接头强度还取决于点距和焊点分布。点距小时接头会因为分流而影响其强度,大的点距又会限制可安排的焊点数量。因此,必须兼顾点距和焊点数量,才能获得最大的接头强度,多列焊点最好交错排列而不要作矩形排列。
常用金属的点焊
    一、电阻焊前的工件清理
    无论是点焊、缝焊或凸焊,在焊前必须进行工件表面清理,以保证接头质量稳定。
    清理方法分机械清理和化学清理两种。常用的机械清理方法有喷砂、喷丸、抛光以及用纱布或钢丝刷等。
    不同的金属和合金,需采用不同的清理方法。简介如下:
    铝及其合金对表面清理的要求十分严格,由于铝对氧的化学亲合力极强,刚清理过的表面上会很快被氧化,形成氧化铝薄膜。因此清理后的表面在焊前允许保持的时间是严格限制的。
    铝合金的氧化膜主要用以化学方法去除,在碱溶液中去油和冲洗后,将工件放进正磷酸溶液中腐蚀。为了减慢新膜的成长速度和填充新膜孔隙,在腐蚀的同时进行纯化处理。最常用的纯化剂是重铬酸钾和重铬酸纳(见表1)。纯化处理后便不会在除氧化膜的同时,造成工件表面的过分腐蚀。
    腐蚀后进行冲洗,然后在硝酸溶液中进行亮化处理,以后再次进行冲洗。冲洗后在温度达75℃的干燥室中干燥,活用热空气吹干。这样清理后的工件,可以在焊前保持72h。
    铝合金也可用机械方法清理。如用0-00号纱布,或用电动或风动的钢丝刷等。但为防止损伤工件表面、钢丝直径不得超过0.2mm,钢丝长度不得短于40mm,刷子压紧于工件的力不得超过15-20N,而且清理后须在不晚于2-3h内进行焊接。
    为了确保焊接质量的稳定性,目前国内各工厂多在化学清理后,在焊前再用钢丝刷清理工件搭接的内表面。
    铝合金清理后必须测量放有两铝合金工件的两电极间总阻值R。方法是使用类似于点焊机的专用装置,上面的一个电极对电极夹绝缘,在电极间压紧两个试件,这样测出的R值可以最客观地反映出表面清理的质量。对于LY12、LC4、LF6铝合金R不得超过120微欧姆,刚清理后的R一般为40-50微欧,对于导电性更好的LF21、LF2铝合金以及烧结铝类的材料,R不得超过28-40微欧。
    镁合金一般使用化学清理,经腐蚀后再在铬酐溶液中纯化。这样处理后会在表面形成薄而致密的氧化膜,它具有稳定的电气性能,可以保持10昼夜或更长时间,性能仍几乎不变。镁合金也可以用钢丝刷清理。
    铜合金可以通过在硝酸及盐酸中处理,然后进行中和并清除焊接处残留物。
    不锈钢、高温合金电阻焊时,保持工件表面的高度清洁十分重要,因为油、尘土、油漆的存在,能增加硫脆化的可能,从而使接头产生缺陷。清理方法可用激光、喷丸、钢丝刷或化学腐蚀。对于特别重要的工件,有时用电解抛光,但这种方法复杂而且生产率低。
    钛合金的氧化皮,可在盐酸、硝酸及磷酸钠的混合溶液中进行深度腐蚀加以去除。也可以用钢丝刷或喷丸处理。
    低碳钢和低合金钢在大气中的抗腐蚀能力较低。因之,这些金属在运输、存放和加工过程中常常用抗蚀油保护。如果涂油表面未被车间的赃物或其它不良导电材料所污染,在电极的压力下,油膜很容易被挤开,不会影响接头质量。
    钢的供货状态有:热轧,不酸洗;热轧,酸洗并涂油;冷轧。未酸洗的热轧钢焊接时,必须用喷砂、喷丸,或者用化学腐蚀的方法清除氧化皮,可在硫酸及盐酸溶液中,或者在以磷酸为主但含有硫脲的溶液中进行腐蚀,后一种成份可有效地同时进行涂油和腐蚀。
    有镀层的钢板,除了少数例外,一般不用特殊清理就可以进行焊接,镀铝钢板则需要用钢丝刷或化学腐蚀清理。带有磷酸盐涂层的钢板,其表面电阻会高到在地电极压力下,焊接电流无法通过的程度。只有采用较高的压力才能进行焊接。
二、镀锌钢板的点焊
    镀锌钢板大致分为电镀锌钢板和热浸镀锌钢板,前者的镀层比后者薄。
    点焊镀锌钢板用的电极,推荐用2类电极合金。相对点焊外观要求很高时,可以采用1类合金。推荐使用锥形电极形状,锥角120度-140度。使用焊钳时,推荐采用端面半径为25-50mm的球面电极。
为提高电极使用寿命,也可采用嵌有钨极电极头的复合电极,以2类电极合金制成的电极体,可以加强钨电极头的散热。
    下表是日本焊接学会第3委员会推荐的镀锌钢板点焊的焊接条件
                                 镀锌钢板点焊的焊接条件
镀层种类
电镀锌
热浸镀锌
镀层厚(um)
2-3
2-3
2-3
10-15
15-20
20-25
焊接条件
级别
板厚(mm)
0.8
1.2
1.6
0.8
1.2
1.6
电极压力(KN)
A
B
2.7
2.0
3.3
2.5
4.5
3.2
2.7
1.7
3.7
2.5
4.5
3.5
焊接时间(周)
A
B
8
10
10
12
12
15
8
10
10
12
12
15
电流(KA)
A
B
10.0
8.5
11.5
10.5
14.5
12.0
10.0
9.9
12.5
11.0
15.0
12.0
抗剪强度
A
B
4.6
4.4
6.7
6.5
11.5
10.5
5.0
4.8
9.0
8.7
13
12
三、低碳钢的点焊
    低碳钢的含碳量低于0.25%。其电阻率适中,需要的焊机功率不大;塑性温度区宽,易于获得所需的塑性变形而不必使用很大的电极压力;碳与微量元素含量低,无高熔点氧化物,一般不产生淬火组织或夹杂物;结晶温度区间窄、高温强度低、热膨胀系数小,因而开裂倾向小。这类钢具有良好的焊接性,其焊接电流、电极压力和通电时间等工艺参数具有较大的调节范围。
    钢具有良好的焊接性,其焊接电流、电极压力和通电时间等工艺参数具有较大的调节范围。
    下表为美国RWMA推荐的低碳钢点焊的焊接条件,可供参考:
                      低碳钢点焊的焊接条件
板厚
电极
最小点距
最小搭接距
最佳条件(A类)
中等条件(B类)
电极
最小点距
最小搭接距
最佳条件(A类)
中等条件(B类)
最大
d
最小D
电极压力
焊接时间
焊接电流
熔核直径
抗剪强度±14%
电极压力
焊接时间
焊接电流
熔核直径
抗剪强度±17%
电极压力
焊接时间
焊接电流
0.4
0.5
0.6
0.8
1.0
1.2
1.6
1.8
2.0
2.3
3.2
3.2
4.8
4.8
4.8
6.4
6.4
6.4
8.0
8.0
8.0
9.5
10
10
10
10
13
13
13
16
16
16
16
8
9
10
12
18
20
27
31
35
40
50
10
11
11
11
12
14
16
17
18
20
22
1.15
1.35
1.50
1.90
2.25
2.70
3.60
4.10
4.70
5.80
8.20
4
5
6
7
8
10
13
15
17
20
27
四、淬火钢的点焊
    由于冷却速度极快,在点焊淬火钢时必然产生硬脆的马氏体组织,在应力较大时会产生裂纹。为了消除淬火组织、改善接头性能,通常采用电极间焊后回火的双脉冲点焊方法,这种方法的第一个电流脉冲为焊接脉冲,第二个为回火处理脉冲,使用这种方法时应注意两点:
    (1)两脉冲之间的间隔时间一定要保证使焊点冷却到马氏体转变点Ms温度以下;
    (2)回火电流脉冲幅值要适当,以避免焊接区的金属重新超过奥氏体相变点而引起二次淬火。
    淬火钢的双脉冲点焊工艺参数实例,示于下表可供参考:
25CrMnSiA、30CrMnSiA钢双脉冲点焊的焊接条件
板厚(mm)
电极端面直径(mm)
电极压力(KN)
焊接时间(周)
1.0
1.5
2.0
2.5
5-5.5
6-6.5
6.5-7
7-7.5
1-1.8
1.8-2.5
2-2.8
2.2-3.2
22-32
24-35
25-37
30-40
板厚(mm)
焊接电流(KA)
间隔时间(周)
回火时间(周)
回火电流(KA)
1.0
1.5
2.0
2.5
5-6.5
6-7.2
6.5-8
7-9
25-30
25-30
25-30
30-35
60-70
60-80
60-85
65-90
2.5-4.5
3-5
3.5-6
4-7
五、镀铝钢板的点焊
    镀铝钢板分为两类,第一类以耐热为主,表面镀有一层厚20-25微米的Al-Si合金(含有Si6-8.5%),可耐640度高温。第二类以耐腐蚀为主,为纯铝镀层,镀层厚为第一类的2-3倍。点焊这两类镀锌钢板时都可以获得强度良好的焊点。
    由于镀层的导电、导热性好,因此需要较大的焊接电流。并应采用硬铜合金的球面电极。下表为第一类镀铝钢板点焊的焊接条件。对于第二类,由于镀层厚,应采用较大的电流和较低的电极压力。
                                 耐热镀铝板点焊的焊接条件
板厚(mm)
电极球面半径(mm)
电极压力(KN)
焊接时间(周)
焊接电流(KA)
抗剪强度(KN)
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
2.0
25
25
50
50
50
50
1.8
2.0
2.5
3.2
4.0
5.5
9
10
11
12
14
18
8.7
9.5
10.5
12.0
13.0
14.0
1.9
2.5
4.2
6.0
8.0
13.0
六、不锈钢的点焊
    不锈钢一般分为:奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和马氏体不锈钢三种。由于不锈钢的电阻率高、导热性差,因此与低碳钢相比,可采用较小的焊接电流和较短的焊接时间。这类材料有较高的高温强度,必须采用较高的电极压力,以防止产生缩孔、裂纹等缺陷。不锈钢的热敏感性强,通常采用较短的焊接时间、强有力的内部和外部水冷却,并且要准确地控制加热时间、焊接时间及焊接电流,以防热影响区晶粒长大和出现晶间腐蚀现象。
    点焊不锈钢的电极推荐用2类或3类电极合金,以满足高电极压力的需要。下表为不锈钢点焊焊接条件:
                                  不锈钢点焊的焊接条件
板厚(mm)
电极端面直径(mm)
电极压力(KN)
焊接时间(周)
焊接电流(KA)
0.3
0.5
0.8
1.0
1.2
1.5
2.0
2.5
3.0
3.0
4.0
5.0
5.0
6.0
5.5-6.5
7.0
7.5-8.0
9-10
0.8-1.2
1.5-2.0
2.4-3.6
3.6-4.2
4.0-4.5
5.0-5.6
7.5-8.5
8.5-10
10-12
2-3
3-4
5-7
6-8
7-9
9-12
11-13
12-16
13-17
3-4
3.5-4.5
5-6.5
5.8-6.5
6.0-7.0
6.5-8.0
8-10
8-11
11-13
七、铝合金的点焊
    铝合金的应用十分广泛,分为冷作强化和热处理强化两大类。铝合金点焊的焊接性较差,尤其是热处理强化的铝合金。其原因及应采取的工艺措施如下:
    (1)电导率和热导率较高   必须采用较大电流和较短时间,才能做到既有足够的热量形成熔核;又能减少表面过热、避免电极粘附和电极铜离子向纯铝包复层扩散、降低接头的抗腐蚀性。
    (2)塑性温度范围窄、线膨胀系数大   必须采用较大的电极压力,电极随动性好,才能避免熔核凝固时,因过大的内容拉应力而引起的裂纹。对裂纹倾向大的铝合金,如LF6、LY12、LC4等,还必须采用加大锻压力的方法,使熔核凝固时有足够的塑性变形、减少拉应力,以避免裂纹产生。在弯电极难以承受大的定锻压力时,也可以采用在焊接脉冲之后加缓冷脉冲的方法避免裂纹。对于大厚度的铝合金可以两种方法并用。
    (3)表面易生成氧化膜  焊前必须严格清理,否则极易引起飞溅和熔核成形不良(撕开检查时,熔核形状不规则,凸台和孔不呈圆形),使焊点强度降低。清理不均匀则将引起焊点强度不稳定。
    基于上述原因,点焊铝合金应选用具有下列特性的焊机:
    1)能在短时间内提供大电流;
    2)电流波形最好有缓升缓降的特点;
    3)能精确控制工艺参数,且不受电网电压波动影响;
    4)能提供价形和马鞍形电极压力;
    5)机头的惯性和摩擦力小,电极随动性好。
    当前国内使用的多为300-600KVA的直流脉冲、三相低频和次级整流焊机,个别的达到1000KVA,均具有上述特性。也有采用单相交流焊机的,但仅限于不重要工件。
    点焊铝合金的电极应采用1类电极合金,球形端面,以利于压固熔核和散热。
    由于电流密度大和氧化膜的存在,铝合金点焊时,很容易产生电极粘着。电极粘着不仅影响外观质量,还会因电流减小而降低接头强度。为此需经常修整电极。电极每修整依次后可焊工件的点数与焊接条件、被焊金属型号、清理情况、有无电流波形调制,电极材料及其冷却情况等因素有关。通常点焊纯铝为5-10点,点焊LF6,LY12时为25-30点。
    防透铝LF21强度低,延性后,有较好的焊接性,不产生裂纹,通常采用固定不变电极压力。硬铝(如LY11、LY12),超硬铝(如LC4、LC5)强度高、延性差,极易产生裂纹,必须采价形曲线的压力。但对于薄件,采用大的焊接压力或具有缓冷脉冲的双脉冲加热,裂纹也不是不可避免的。
    采用价形压力时,锻压力滞后于断电的时刻十分重要,通常是0-2周。锻压力加得过早(断电前),等于增大了焊接压力,将影响加热,导致焊点强度降低和波动。锻压力加得过迟,则熔核冷却结晶时已经形成裂纹,加锻压力已无济于事