點焊

科學知識 9547 380 2016-06-01

點焊通常分為雙面點焊和單面點焊兩大類。雙面點焊時,電極由工件的兩側向焊接處饋電。典型的雙面點焊方式是最常用的方式,這時工件的兩側均有電極壓痕。大焊接面積的導電板做下電極,這樣可以消除或減輕下面工件的壓痕。常用于裝飾性面板的點焊。同時焊接兩個或多個點焊的雙面點焊,使用一個變壓器而將各電極并聯,這時,所有電流通路的阻抗必須基本相等,而且每一焊接部位的表面狀態、材料厚度、電極壓力都需相同,才能保證通過各個焊點的電流基本一致采用多個變壓器的雙面多點點焊,這樣可以避免c的不足。

基本信息

  • 中文名稱

    點焊

  • 外文名稱

    Spot welding

目錄
1點焊簡介
2點焊方法
3點焊電極
4

參數選擇

5常用的方法
6常用點焊

點焊簡介

點焊是一種高速、經濟的連接方法。它適于制造可以采用搭接、接頭不要求氣密、厚度小于3mm的沖壓、軋制的薄板構件。是把焊件在接頭處接觸面上的個別點焊接起來。點焊要求金屬要有較好的塑性。如圖1所示,為最簡單的應用點焊的例子。

圖1 最簡單點焊

焊接時,先把焊件表面清理干凈,再把被焊的板料搭接裝配好,壓在兩柱狀銅電極之間,施加壓力P壓緊,如圖2所示。當通過足夠大的電流時,在板的接觸處產生大量的電阻熱,將中心最熱區域的金屬很快加熱至高塑性或熔化狀態,形成一個透鏡形的液態熔池。繼續保持壓力P,斷開電流,金屬冷卻后,形成了一個焊點。如圖3所示,是一臺點焊機的示意圖。

圖2點焊過程 圖3點焊機

點焊由于焊點間有一定的間距,所以只用于沒有密封性要求的薄板搭接結構和金屬網、交叉鋼筋結構件等的焊接。如果把柱狀電極換成圓盤狀電極,電極緊壓焊件并轉動,焊件在圓盤狀電極只間連續送進,再配合脈沖式通電。就能形成一個連續并重疊的焊點,形成焊縫,這就是縫焊。它主要用于有密封要求或接頭強度要求較高的薄板搭接結構件的焊接,如油箱、水箱等。

點焊方法

單面點焊時,電極由工件的同一側向焊接處饋電,典型的單面點焊方式,單面單點點焊,不形成焊點的電極采用大直徑和大接觸面以減小電流密度。無分流的單面雙點點焊,此時焊接電流全部流經焊接區。有分流的單面雙點點焊,流經上面工件的電流不經過焊接區,形成風流。為了給焊接電流提供低電阻的通路,在工件下面墊有銅墊板。當兩焊點的間距l很大時,例如在進行骨架構件和復板的焊接時,為了避免不適當的加熱引起復板翹曲和減小兩電極間電阻,采用了特殊的銅橋A,與電極同時壓緊在工件上。

在大量生產中,單面多點點焊獲得廣泛應用。這時可采用由一個變壓器供電,各對電極輪流壓住工件的型式,也可采用各對電極均由單獨的變壓器供電,全部電極同時壓住工件的型式。后一型式具有較多優點,應用也較廣泛。其優點有:各變壓器可以安置得離所聯電極近,因而其功率及尺寸能顯著減小;各個焊點的工藝參數可以單獨調節;全部焊點可以同時焊接、生產率高;全部電極同時壓住工件,可減少變形;多臺變壓器同時通電,能保證三相負荷平衡。

點焊電極

點焊電極功能

點焊電極是保證點焊質量的重要零件,它的主要功能有:(1)向工件傳導電流;(2)向工件傳遞壓力;(3)迅速導散焊接區的熱量。

制造材料條件

基于電極的上述功能,就要求制造電極的材料應具有足夠高的電導率、熱導率和高溫硬度,電極的結構必須有足夠的強度和剛度,以及充分冷卻的條件。此外,電極與工件間的接觸電阻應足夠低,以防止工件表面熔化或電極與工件表面之間的合金化。

常見電極材料

電極材料按我國航空航天工業部航空工業標準HB5420-89的規定,分為4類,但常用的是前三類。

1類高電導率、中等硬度的銅及銅合金。這類材料主要通過冷作變形方法達到其硬度要求。適用于制造焊鋁及鋁合金的電極,也可用于鍍層鋼板的點焊,但性能不如2類合金。1類合金還常用于制造不受力或低應力的導電部件。

2類具有較高的電導率、硬度高于1類合金。這類合金可通過冷作變形與熱處理相結合的方法達到其性能要求。與1類合金相比,它具有較高的力學性能,適中的電導率,在中等程度的壓力下,有較強的抗變形能力,因此是最通用的電極材料,廣泛地用于點焊低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、高溫合金、電導率低的銅合金,以及鍍層鋼等。2類合金還適用于制造軸、夾鉗、臺板、電極夾頭等電阻焊機中各種導電構件。

3類電導率低于1類和2類,硬度高于2類的合金。這類合淦可通過熱處理或冷作變形與熱處理相結合的方法達到其性能要求。這類合金具有更高的力學性能和耐磨性能好,軟化溫度高,但噸導率較低。因此適用于點焊電阻率和高溫高強度的材料。點焊電極由四部分組成:端部、主體、尾部和冷卻水孔。標準電乏(即直電極)有五種形式。電極的端面直接與高溫的工件表面接觸,在焊接生產中反復元受高溫和高壓,因此,粘附、合金化和變形是電極設計中應著重隱的問題。

點焊電極結構

點焊電極由4部分組成:端部、主體、尾部、冷卻水孔。

參數選擇

通常是根據工件的材料和厚度,參考該種材料的焊接條件表選取,首先確定電極的端面形狀和尺寸。其次初步選定電極壓力和焊接時間,然后調節焊接電流,以不同的電流焊接試樣,經檢查熔核直徑符合要求后,再在適當的范圍內調節電極壓力,焊接時間和電流,進行試樣的焊接和檢驗,直到焊點質量完全符合技術條件所規定的要求為止。最常用的檢驗試樣的方法是撕開法,優質焊點的標志是:在撕開試樣的一片上有圓孔,另一片上有圓凸臺。厚板或淬火材料有時不能撕出圓孔和凸臺,但可通過剪切的斷口判斷熔核的直徑。必要時,還需進行低倍測量、拉抻試驗和X光檢驗,以判定熔透率、抗剪強度和有無縮孔、裂紋等。

以試樣選擇工藝參數時,要充分考慮試樣和工件在分流、鐵磁性物質影響,以及裝配間隙方面的差異,并適當加以調整。

點焊方法

點焊難度

當進行不等厚度或不同材料點焊時,熔核將不對稱于其交界面,而是向厚板或導電、導熱性差的一邊偏移,偏移的結果將使薄件或導電、導熱性好的工件焊透率減小,焊點強度降低。熔核偏移是由兩工件產熱和散熱條件不相同引起的。厚度不等時,厚件一邊電阻大、交界面離電極遠,故產熱多而散熱少,致使熔核偏向厚件;材料不同時,導電、導熱性差的材料產熱易而散熱難,故熔核也偏向這種材料

調整熔核偏移的原則

增加薄板或導電、導熱性好的工件的產熱而減少其散熱。

常用的方法

(1)采用強條件使工件間接觸電阻產熱的影響增大,電極散熱的影響降低。電容儲能焊機采用大電流和短的通電時間就能焊接厚度比很大的工件就是明顯的例證。

(2)采用不同接觸表面直徑的電極在薄件或導電、導熱性好的工件一側采用較小直徑,以增加這一側的電流密度、并減少電極散熱的影響。

(3)采用不同的電極材料薄板或導電、導熱性好的工件一側采用導熱性較差的銅合金,以減少這一側的熱損失。

(4)采用工藝墊片 在薄件或導電、導熱性好的工件一側墊一塊由導熱性較差的金屬制成的墊片(厚度為0.2-0.3mm),以減少這一側的散熱。

點焊設計

點焊通常采用搭接接頭和折邊接頭接頭可以由兩個或兩個以上等厚度或不等厚度的工件組成。在設計點焊結構時,必須考慮電極的可達性,即電極必須能方便地抵達工件的焊接部位。同時還應考慮諸如邊距、搭接量、點距、裝配間隙和焊點強度諸因素。

邊距的最小值取決于被焊金屬的種類,厚度和焊接條件。對于屈服強度高的金屬、薄件或采用強條件時可取較小值。

點距即相鄰兩點的中心距,其最小值與被焊金屬的厚度、導電率,表面清潔度,以及熔核的直徑有關。

規定點距最小值主要是考慮分流影響,采用強條件和大的電極壓力時,點距可以適當減小。采用熱膨脹監控或能夠順序改變各點電流的控制器時,以及能有效地補償分流影響的其他裝置時,點距可以不受限制。

裝配間隙必須盡可能小,因為靠壓力消除間隙將消耗一部分電極壓力,使實際的焊接壓力降低。間隙的不均勻性又將使焊接壓力波動,從而引起各焊點強度的顯著差異,過大的間隙還會引起嚴重飛濺,許用的間隙值取決于工件剛度和厚度,剛度、厚度越大,許用間隙越小,通常為0.1-2mm。

單個焊點的抗剪強度取決于兩板交界上熔核的面積,為了保證接頭強度,除熔核直徑外,焊透率和壓痕深度也應符合要求,焊透率的表達式為:η=h/δ-c×100%。兩板上的焊透率只允許介于20-80%之間。鎂合金的最大焊透率只允許至60%。而鈦合金則允許至90%。焊接不同厚度工件時,每一工件上的最小焊透率可為接頭中薄件厚度的20%,壓痕深度不應超過板件厚度的15%,如果兩工件厚度比大于2:1,或在不易接近的部位施焊,以及在工件一側使用平頭電極時,壓痕深度可增大到20-25%。

點焊接頭受垂直面板方向的拉伸載荷時的強度,為正拉強度。由于在熔核周圍兩板間形成的尖角可引起應力集中,而使熔核的實際強度降低,因而點焊接頭一般不這樣加載。通常以正拉強度和抗剪強度之比作為判斷接頭延性的指標,此比值越大,則接頭的延性越好。

多個焊點形成的接頭強度還取決于點距和焊點分布。點距小時接頭會因為分流而影響其強度,大的點距又會限制可安排的焊點數量。因此,必須兼顧點距和焊點數量,才能獲得最大的接頭強度,多列焊點最好交錯排列而不要作矩形排列。

常用點焊

電阻焊前的工件清理

無論是點焊、縫焊或凸焊,在焊前必須進行工件表面清理,以保證接頭質量穩定。

清理方法分機械清理和化學清理兩種。常用的機械清理方法有噴砂、噴丸、拋光以及用紗布或鋼絲刷等。

不同的金屬和合金,需采用不同的清理方法。簡介如下:

鋁及其合金對表面清理的要求十分嚴格,由于鋁對氧的化學親合力極強,剛清理過的表面上會很快被氧化,形成氧化鋁薄膜。因此清理后的表面在焊前允許保持的時間是嚴格限制的。

鋁合金的氧化膜主要用以化學方法去除,在堿溶液中去油和沖洗后,將工件放進正磷酸溶液中腐蝕。為了減慢新膜的成長速度和填充新膜孔隙,在腐蝕的同時進行純化處理。最常用的純化劑是重鉻酸鉀和重鉻酸鈉。純化處理后便不會在除氧化膜的同時,造成工件表面的過分腐蝕。

腐蝕后進行沖洗,然后在硝酸溶液中進行亮化處理,以后再次進行沖洗。沖洗后在溫度達75℃的干燥室中干燥,活用熱空氣吹干。這樣清理后的工件,可以在焊前保持72h。

鋁合金也可用機械方法清理。如用0-00號紗布,或用電動或風動的鋼絲刷等。但為防止損傷工件表面、鋼絲直徑不得超過0.2mm,鋼絲長度不得短于40mm,刷子壓緊于工件的力不得超過15-20N,而且清理后須在不晚于2-3h內進行焊接。

為了確保焊接質量的穩定性,目前國內各工廠多在化學清理后,在焊前再用鋼絲刷清理工件搭接的內表面。

鋁合金清理后必須測量放有兩鋁合金工件的兩電極間總阻值R。方法是使用類似于點焊機的專用裝置,上面的一個電極對電極夾絕緣,在電極間壓緊兩個試件,這樣測出的R值可以最客觀地反映出表面清理的質量。對于LY12、LC4、LF6鋁合金R不得超過120微歐姆,剛清理后的R一般為40-50微歐,對于導電性更好的LF21、LF2鋁合金以及燒結鋁類的材料,R不得超過28-40微歐。

鎂合金一般使用化學清理,經腐蝕后再在鉻酐溶液中純化。這樣處理后會在表面形成薄而致密的氧化膜,它具有穩定的電氣性能,可以保持10晝夜或更長時間,性能仍幾乎不變。鎂合金也可以用鋼絲刷清理。

銅合金可以通過在硝酸及鹽酸中處理,然后進行中和并清除焊接處殘留物。

不銹鋼、高溫合金電阻焊時,保持工件表面的高度清潔十分重要,因為油、塵土、油漆的存在,能增加硫脆化的可能,從而使接頭產生缺陷。清理方法可用激光、噴丸、鋼絲刷或化學腐蝕。對于特別重要的工件,有時用電解拋光,但這種方法復雜而且生產率低。

鈦合金的氧化皮,可在鹽酸、硝酸及磷酸鈉的混合溶液中進行深度腐蝕加以去除。也可以用鋼絲刷或噴丸處理。

低碳鋼和低合金鋼在大氣中的抗腐蝕能力較低。因之,這些金屬在運輸、存放和加工過程中常常用抗蝕油保護。如果涂油表面未被車間的贓物或其它不良導電材料所污染,在電極的壓力下,油膜很容易被擠開,不會影響接頭質量。

鋼的供貨狀態有:熱軋,不酸洗;熱軋,酸洗并涂油;冷軋。未酸洗的熱軋鋼焊接時,必須用噴砂、噴丸,或者用化學腐蝕的方法清除氧化皮,可在硫酸及鹽酸溶液中,或者在以磷酸為主但含有硫脲的溶液中進行腐蝕,后一種成份可有效地同時進行涂油和腐蝕。

有鍍層的鋼板,除了少數例外,一般不用特殊清理就可以進行焊接,鍍鋁鋼板則需要用鋼絲刷或化學腐蝕清理。帶有磷酸鹽涂層的鋼板,其表面電阻會高到在地電極壓力下,焊接電流無法通過的程度。只有采用較高的壓力才能進行焊接。

鍍鋅鋼板的點焊

鍍鋅鋼板大致分為電鍍鋅鋼板和熱浸鍍鋅鋼板,前者的鍍層比后者薄。

點焊鍍鋅鋼板用的電極,推薦用2類電極合金。相對點焊外觀要求很高時,可以采用1類合金。推薦使用錐形電極形狀,錐角120度-140度。使用焊鉗時,推薦采用端面半徑為25-50mm的球面電極。

為提高電極使用壽命,也可采用嵌有鎢極電極頭的復合電極,以2類電極合金制成的電極體,可以加強鎢電極頭的散熱。

低碳鋼的點焊

低碳鋼的含碳量低于0.25%。其電阻率適中,需要的焊機功率不大;塑性溫度區寬,易于獲得所需的塑性變形而不必使用很大的電極壓力;碳與微量元素含量低,無高熔點氧化物,一般不產生淬火組織或夾雜物;結晶溫度區間窄、高溫強度低、熱膨脹系數小,因而開裂傾向小。這類鋼具有良好的焊接性,其焊接電流、電極壓力和通電時間等工藝參數具有較大的調節范圍。

鋼具有良好的焊接性,其焊接電流、電極壓力和通電時間等工藝參數具有較大的調節范圍。

淬火鋼的點焊

由于冷卻速度極快,在點焊淬火鋼時必然產生硬脆的馬氏體組織,在應力較大時會產生裂紋。為了消除淬火組織、改善接頭性能,通常采用電極間焊后回火的雙脈沖點焊方法,這種方法的第一個電流脈沖為焊接脈沖,第二個為回火處理脈沖,使用這種方法時應注意兩點:

(1)兩脈沖之間的間隔時間一定要保證使焊點冷卻到馬氏體轉變點Ms溫度以下

(2)回火電流脈沖幅值要適當,以避免焊接區的金屬重新超過奧氏體相變點而引起二次淬火。

鍍鋁鋼板的點焊

鍍鋁鋼板分為兩類,第一類以耐熱為主,表面鍍有一層厚20-25微米的Al-Si合金(含有Si6-8.5%),可耐640度高溫。第二類以耐腐蝕為主,為純鋁鍍層,鍍層厚為第一類的2-3倍。點焊這兩類鍍鋅鋼板時都可以獲得強度良好的焊點。

由于鍍層的導電、導熱性好,因此需要較大的焊接電流。并應采用硬銅合金的球面電極。下表為第一類鍍鋁鋼板點焊的焊接條件。對于第二類,由于鍍層厚,應采用較大的電流和較低的電極壓力。

不銹鋼的點焊

不銹鋼一般分為:奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼三種。由于不銹鋼的電阻率高、導熱性差,因此與低碳鋼相比,可采用較小的焊接電流和較短的焊接時間。這類材料有較高的高溫強度,必須采用較高的電極壓力,以防止產生縮孔、裂紋等缺陷。不銹鋼的熱敏感性強,通常采用較短的焊接時間、強有力的內部和外部水冷卻,并且要準確地控制加熱時間、焊接時間及焊接電流,以防熱影響區晶粒長大和出現晶間腐蝕現象。

點焊不銹鋼的電極推薦用2類或3類電極合金,以滿足高電極壓力的需要。

鋁合金的點焊

鋁合金的應用十分廣泛,分為冷作強化和熱處理強化兩大類。鋁合金點焊的焊接性較差,尤其是熱處理強化的鋁合金。其原因及應采取的工藝措施如下:

(1)電導率和熱導率較高必須采用較大電流和較短時間,才能做到既有足夠的熱量形成熔核;又能減少表面過熱、避免電極粘附和電極銅離子向純鋁包復層擴散、降低接頭的抗腐蝕性。

(2)塑性溫度范圍窄、線膨脹系數大 必須采用較大的電極壓力,電極隨動性好,才能避免熔核凝固時,因過大的內容拉應力而引起的裂紋。對裂紋傾向大的鋁合金,如LF6、LY12、LC4等,還必須采用加大鍛壓力的方法,使熔核凝固時有足夠的塑性變形、減少拉應力,以避免裂紋產生。在彎電極難以承受大的定鍛壓力時,也可以采用在焊接脈沖之后加緩冷脈沖的方法避免裂紋。對于大厚度的鋁合金可以兩種方法并用。

(3)表面易生成氧化膜焊前必須嚴格清理,否則極易引起飛濺和熔核成形不良(撕開檢查時,熔核形狀不規則,凸臺和孔不呈圓形),使焊點強度降低。清理不均勻則將引起焊點強度不穩定。

基于上述原因,點焊鋁合金應選用具有下列特性的焊機:

1)能在短時間內提供大電流

2)電流波形最好有緩升緩降的特點

3)能精確控制工藝參數,且不受電網電壓波動影響

4)能提供價形和馬鞍形電極壓力

5)機頭的慣性和摩擦力小,電極隨動性好。

當前國內使用的多為300-600KVA的直流脈沖、三相低頻和次級整流焊機,個別的達到1000KVA,均具有上述特性。也有采用單相交流焊機的,但僅限于不重要工件。

點焊鋁合金的電極應采用1類電極合金,球形端面,以利于壓固熔核和散熱。

由于電流密度大和氧化膜的存在,鋁合金點焊時,很容易產生電極粘著。電極粘著不僅影響外觀質量,還會因電流減小而降低接頭強度。為此需經常修整電極。電極每修整依次后可焊工件的點數與焊接條件、被焊金屬型號、清理情況、有無電流波形調制,電極材料及其冷卻情況等因素有關。通常點焊純鋁為5-10點,點焊LF6,LY12時為25-30點。

防透鋁LF21強度低,延性后,有較好的焊接性,不產生裂紋,通常采用固定不變電極壓力。硬鋁(如LY11、LY12),超硬鋁(如LC4、LC5)強度高、延性差,極易產生裂紋,必須采價形曲線的壓力。但對于薄件,采用大的焊接壓力或具有緩冷脈沖的雙脈沖加熱,裂紋也不是不可避免的。

采用價形壓力時,鍛壓力滯后于斷電的時刻十分重要,通常是0-2周。鍛壓力加得過早(斷電前),等于增大了焊接壓力,將影響加熱,導致焊點強度降低和波動。鍛壓力加得過遲,則熔核冷卻結晶時已經形成裂紋,加鍛壓力已無濟于事。有時也需要提前于斷電時刻施加鍛壓力,這是因為電磁氣閥動作延遲,或氣路不暢通造成鍛壓力提高緩慢,不提前施加不足以防止裂紋的緣故。

銅和銅合金的點焊

銅合金的電阻率比鋁合金要低而導熱率要強,所以銅及銅合金的焊接相比較而言是比較困難的,要求短時間內大的熱輸出和較大的壓力。厚度小于1.5mm的銅合金,尤其是低電導率的銅合金在生產中用的最廣泛。純銅電導率極高,點焊比較困難。

通常需要在電極與工件間加墊片,或使用在電極端頭嵌入鎢的復合電極,以減少向電極的散熱。鎢極直徑通常為3-4mm。

焊接銅和高導電率的黃銅和青銅時,一般采用1類電極合金做電極,焊接低導電率的黃銅、青銅和銅鎳合金時,采用2類電極合金。也可以用嵌入鎢極的復合電極焊接銅合金。由于鎢的導熱性差,故可使用小得多的焊接電流,在常用的中等功率的焊機上進行點焊,但鎢電極容易和工件粘著,影響工件的外觀。下面兩表為點焊黃銅的焊接條件。銅和高電導率的銅合金因電極粘附嚴重,很少采用點焊,即使用復合電極也只限與點焊薄銅板。