點焊方法與工藝

一、點焊方法分類
　　對焊件饋電進行電焊時，應(yīng)遵循下列原則：①盡量縮短二次回路長度及減小回路所包含的空間面積，以節(jié)省能耗;②盡量減少伸入二次回路的鐵磁體體積，特別是避免在焊接不同焊點時伸入體積有較大的變化，以減小焊接電流的波動，保證各點質(zhì)量衡定(在使用工頻交流時)。
　　1.雙面單點焊所有的通用焊機均采用這個方案。從焊件兩側(cè)饋電，適用于小型零件和大型零件周邊各焊點的焊接。
　　2.單面單點焊當(dāng)零件的一側(cè)電極可達性很差或零件較大、二次回路過長時，可采用這個方案。從焊件單側(cè)饋電，需考慮另一側(cè)加銅墊以減小分流并作為反作用力支點.
　　3.單面雙點焊從一側(cè)饋電時盡可能同時焊兩點以提高生產(chǎn)率。單面饋電往往存在無效分流現(xiàn)象(圖1f及g)，浪費電能，當(dāng)點距過小時將無法焊接。在某些場合，如設(shè)計允許，在上板二點之間沖一窄長缺口(圖1f)可使分流電流大幅下降。
　　4.雙面雙點焊方案雖可在通用焊機上實施，但兩點間電流難以均勻分配，較難保證兩點質(zhì)量一致。而圖1j由于采用推挽式饋電方式，使分流和上下板不均勻加熱現(xiàn)象大為改善，而且焊點可布置在任意位置。其唯一不足之處是須制作二個變壓器，分別置于焊件兩側(cè)，這種方案亦稱推挽式點焊。兩變壓器的通電需按極性進行。
　　5.多點焊當(dāng)零件上焊點數(shù)較多，大規(guī)模生產(chǎn)時，常采用多點焊方案以提高生產(chǎn)率。多點焊機均為專用設(shè)備，大部分采用單側(cè)饋電方式以i方式較靈活，二次回路不受焊件尺寸牽制，在要求較高的情況下，亦可采用推挽式點焊方案。目前一般采用一組變壓器同時焊二或四點(后者有二組二次回路)。一臺多點焊機可由多個變壓器組成�？刹捎猛瑫r加壓同時通電、同時加壓分組通電和分組加壓分組通電三種方案�？筛鶕�(jù)生產(chǎn)率、電網(wǎng)容量來選擇合適方案。
　　二、點焊循環(huán)
　　點焊過程由預(yù)壓、焊接、維持和休止四個基本程序組成焊接循環(huán)，必要時可增附加程序，其基本參數(shù)為電流和電極力隨時間變化的規(guī)律。
　　1.預(yù)壓(F>0，I=0)這個階段包括電極壓力的上升和恒定兩部分。為保證在通電時電極壓力恒定，預(yù)壓時間必須保證，尤其當(dāng)需連續(xù)點焊時，須充分考慮焊機運動機構(gòu)動作所需時間，不能無限縮短。
　　預(yù)壓的目的是建立穩(wěn)定的電流通道，以保證焊接過程獲得重復(fù)性好的電流密度。對厚板或剛度大的沖壓零件，有條件時可在此期間先加大預(yù)壓力，而后再回復(fù)到焊接時的電極力，使接觸電阻恒定而又不太小，以提高熱效率。
　　2.焊接(F=Fω，I=Iω)這個階段是焊件加熱熔化形成熔核的階段。焊接電流可基本不變(指有效值)，亦可為漸升或階躍上升。在此期間焊件焊接區(qū)的溫度分布經(jīng)歷復(fù)雜的變化后趨向穩(wěn)定。起初輸入熱量大于散失熱量，溫度上升，形成高溫塑性狀態(tài)的連接區(qū)，并使中心與大氣隔絕，保證隨后熔化的金屬不氧化，而后在中心部位首先出現(xiàn)熔化區(qū)。隨著加熱的進行熔化區(qū)擴大，而其外圍的塑性殼(在金相試片上呈環(huán)狀故稱塑性環(huán))亦向外擴大，最后當(dāng)輸入熱量與散失熱量平衡時達到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)焊接參數(shù)適當(dāng)時，可獲得尺寸波動小于15%的熔化核心。在此期間可產(chǎn)生下列現(xiàn)象：
　�、乓簯B(tài)金屬的攪拌作用液態(tài)金屬通電時受電磁力作用產(chǎn)生漩渦狀流動，當(dāng)把熔核視作地球狀且電極端處為二極，其運動方向為——赤道部分由周圍向球心流動而后流經(jīng)兩極再沿外表向赤道呈封閉狀流動。對于同種金屬點焊，攪拌僅需將焊件表面的氧化膜攪碎即可，但異種金屬點焊時，必須充分?jǐn)嚢枰垣@得均質(zhì)的熔化核心。如通電時間太短，攪拌不充分將產(chǎn)生漩渦狀的非均質(zhì)熔核。
　　⑵飛濺飛濺按產(chǎn)生時期可分為前期和后期兩種;按產(chǎn)生部位可分為內(nèi)飛濺(處于兩焊件間)和外飛濺(焊件與電極接觸側(cè))兩種。
　　前期飛濺產(chǎn)生的原因大致是：焊件表面清理不佳或接觸面上壓強分布嚴(yán)重不勻，造成局部電流密度過高引起早期熔化，此時因無塑性環(huán)保護必發(fā)生飛濺。
　　防止前期飛濺的措施有：加強焊件清理質(zhì)量，注意預(yù)壓前的對中。有條件時可采用漸升電流或增加預(yù)熱電流來減慢加熱速度，避免早期熔化而引起飛濺。
　　后期飛濺產(chǎn)生的原因是：熔化核心長大過度，超出電極壓力有效作用范圍，從而沖破塑性環(huán)在徑向造成內(nèi)飛濺，在軸向沖破板表面造成外飛濺。這種情況一般產(chǎn)生在電流較大、通電時間過長的場合�？捎每s短通電時間及減小電流的方法來防止。
　　飛濺在外表面首先影響外觀，其次產(chǎn)生的疤痕影響耐腐蝕及疲勞性能。內(nèi)部飛濺的殘跡有可能在運行時脫落，如進入管路(如油管)將造成堵塞等嚴(yán)重事故。
　　⑶胡須在加熱到半熔化溫度的熔核邊緣，當(dāng)某些材料(如高溫合金)中低熔點夾雜物較多聚集在晶界處時，這部分雜質(zhì)首先熔化并在電極壓力的作用下被擠出呈空隙。在隨后的過程中，空間有時能被液態(tài)金屬充填滿，但亦可能未充填滿，這種組織形貌在金相試樣上稱為胡須，而未充填滿的胡須猶如裂紋是一種危險缺陷。
　　3.維持(F>0，I=0)此階段不再輸入熱量，熔核快速散熱、冷卻結(jié)晶。結(jié)晶過程遵循凝固理論。由于熔核體積小，且夾持在水冷電極間，冷卻速度甚高，一般在幾周內(nèi)凝固結(jié)束。由于液態(tài)金屬處于封閉的塑性殼內(nèi)，如無外力，冷卻收縮時將產(chǎn)生三維拉應(yīng)力，極易產(chǎn)生縮孔、裂紋等缺陷，故在冷卻時必須保持足夠的電極壓力來壓縮熔核體積，補償收縮。對厚板、鋁合金和高溫合金等零件希望增加頂鍛力來達到防止縮孔、裂紋。這時必須精確控制加頂鍛力的時刻。過早將因液態(tài)金屬因壓強突然升高使塑性環(huán)被沖破，產(chǎn)生飛濺;過晚則因凝固缺陷已形成而無效。此外加后熱緩冷電流，降低凝固速度，亦有利于防止縮孔和裂紋的產(chǎn)生。
　　4.休止(F>0，I=0)此階段僅在焊接淬硬鋼時采用，一般插在維持時間內(nèi)，當(dāng)焊接電流結(jié)束，熔核完全凝固且冷卻到完成馬氏體轉(zhuǎn)變之后再插入，其目的是改善金相組織。
　　三、點焊焊接參數(shù)
　　當(dāng)采用工頻交流電源時，點焊參數(shù)主要有焊接電流、焊接(通電)時間、電極壓力和電極尺寸。
　　1.焊接電流Iω析出熱量與電流的平方成正比，所以焊接電流對焊點性能影響最敏感。在其它參數(shù)不變時，當(dāng)電流小于某值熔核不能形成，超過此值后，隨電流增加熔核快速增大，焊點強度上升(圖3中AB段)，而后因散熱量的增大而熔核增長速度減緩，焊點強度增加緩慢(圖3中BC段)，如進一步提高電流則導(dǎo)致產(chǎn)生飛濺，焊點強度反而下降。所以一般建議選用對熔核直徑變化不敏感的適中電流(BC段)來焊接。
　　在實際生產(chǎn)中，焊接電流的波動有時甚大，其原因有：
　�、匐娋W(wǎng)電壓本身波動或多臺焊機同時通電;②鐵磁體焊件伸入焊接回路的變化;③前點對后點的分流等。除選擇對焊接電流變化較不敏感的參數(shù)外，解決上述問題的方法是反饋控制。目前最常用的有網(wǎng)壓補償法、恒流法與群控法。網(wǎng)壓補償法可用于所有各種情況，恒流法主要用于第②種情況，不能用于第③種情況，群控法僅用于第①種情況。
　　2.焊接時間tω通電時間的長短直接影響輸入熱量的大小，在目前廣為采用的同期控制點焊機上，通電時間是周(我國一周為20ms)的整倍數(shù)。在其它參數(shù)固定的情況下，只有通電時間超過某最小值時才開始出現(xiàn)熔核，而后隨通電時間的增長，熔核先快速增大，拉剪力亦提高。當(dāng)選用的電流適中時，進一步增加通電時間熔核增長變慢，漸趨恒定。但由于加熱時間過長，組織變差，正拉力下降，會使塑性指標(biāo)(延性比Fσ/Fτ)下降(圖4)。當(dāng)選用的電流較大時，則熔核長大到一定極限后會產(chǎn)生飛濺。
　　3.電極壓力F電極壓力的大小一方面影響電阻的數(shù)值，從而影響析熱量的多少，另一方面影響焊件向電極的散熱情況。過小的電極壓力將導(dǎo)致電阻增大、析熱量過多且散熱較差，引起前期飛濺;過大的電極壓力將導(dǎo)致電阻減小、析熱量少、散熱良好、熔核尺寸縮小，尤其是焊透率顯著下降。因此從節(jié)能角度來考慮，應(yīng)選擇不產(chǎn)生飛濺的最小電極壓力。此值與電流值有關(guān)，可參照文獻中廣為推薦的臨界飛濺曲線見圖5。目前均建議選用臨界飛濺曲線附近無飛濺區(qū)內(nèi)的工作點。
　　4.電極工作面尺寸其工作面尺寸參見下表。目前點焊時主要采用錐臺形和球面形兩種電極。錐臺形的端面直徑d或球面形的端部圓弧半徑R的大小，決定了電極與焊件接觸面積的多少，在同等電流時，它決定了電流密度大小和電極壓強分布范圍。一般應(yīng)選用比期望獲得熔核直徑大20%左右的工作面直徑所需的端部尺寸。其次由于電極是內(nèi)水冷卻的，電極上散失的熱量往往高達50%的輸入總熱量，因此端部工作面的波動或水冷孔端到電極表面的距離變化均將嚴(yán)重影響散熱量的多少，從而引起熔核尺寸的波動。因此要求錐臺形電極工作面直徑在工作期間每增大15%左右必須修復(fù)。而水冷孔端至表面距離在耗損至僅存3～4mm時即應(yīng)更換新電極。
　　點焊時各參數(shù)是相互影響的，對大多數(shù)場合均可選取多種各參數(shù)的組合。
　　目前常用材料的點焊參數(shù)均可在資料中以表格或計算圖形式找到，但采用前應(yīng)根據(jù)具體條件作調(diào)整試焊。
　　由于材料表面狀態(tài)及清理情況每批不盡相同，生產(chǎn)車間網(wǎng)壓有波動、設(shè)備狀況有變化，為保證焊接質(zhì)量，避免批量次品，往往希望事先取得焊接參數(shù)允許波動的區(qū)間。所以大批量生產(chǎn)的場合，對每批材料、每臺剛大修后的設(shè)備須作點焊時允許參數(shù)波動區(qū)間的試驗，其試驗步驟如下：
　　1)確定質(zhì)量指標(biāo)，例如熔核直徑或單點拉剪力的上下限。
　　2)固定其它參數(shù)，作某參數(shù)(例如電流)與質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)系曲線，而后改變固定參數(shù)中之一(例如通電時間)，再作焊接電流與質(zhì)量的關(guān)系曲線，如此獲得關(guān)系曲線族。
   　3)再把質(zhì)量指標(biāo)中合格部分用作圖法形成此二參數(shù)(例如電流與時間)允許波動區(qū)間的葉狀曲線。
　　可同樣獲得例如焊接電流與電極壓力等的葉狀曲線。在生產(chǎn)中把參數(shù)控制在葉狀曲線內(nèi)的工作點上即可。