点焊的一般工艺优化

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：例如钢焊件一般随含碳量增加而塑性比下降，应按结构受力及所用材料合理选用塑（延）性比。对于重要焊接结构和铝合金焊件等，尚需每批抽测施加一定电极压力下的两电极间总电阻R，以评定清理效果，一般情况下可由清理工艺保证。1）焊接电流I：焊接时流经焊接回路的电流称为焊接电流，一般在数万安培以内。

1.点焊方法

根据点焊时电极向焊接区馈电方式，点焊分为双面点焊和单面点焊。同时，又根据在同一个点焊焊接循环中所能形成的焊点数，将其进一步细分，如图2-2-10和图2-2-11所示。

图2-2-10 不同形式的双面点焊

a）双面单点焊 b）双面双点焊 c）小（无）压痕双面单点焊 d）双面多点焊

图2-2-11 不同形式的单面点焊

a）单面单点焊 b）无分流单面双点焊 c）有分流单面双点焊 d）单面多点焊

双面点焊应用最广，尤其图2-2-10a是最常用的方式；图2-2-10c常用于装饰性面板点焊，装饰面因处于大面积的导电板电极一侧，会得到浅压痕或无压痕的焊点；图2-2-10d因采用多个变压器单独双面馈电，其点焊质量显著优于图2-2-10b；单面点焊时，电极由工件的同一侧向焊接处馈电，仅用于下电极无法抵达构件背面或内部的场合。其中图2-2-11a常用于零件较大、二次回路过长情况；图2-2-11b因无分流产生而优于图2-2-11c，为降低分流可在工件下面附设铜垫板，以提供低电阻通路；图2-2-11d各对电极均由单独变压器供电，可同时通电，具有焊接质量高、生产率高、变形小和三相负载平衡等优点，在汽车组件生产中常可遇到。

总之，对焊件馈电点焊时应遵循以下原则：尽量缩短二次回路长度及减小回路所包围的空间面积，以减少能耗；尽量减少伸入二次回路的铁磁体体积，特别是在不同位置焊点焊接时伸入体积有很大变化，以避免焊接电流产生较大波动（尤其使用工频交流焊机）；尽量防止和减小分流。

2.点焊接头设计

（1）点焊接头主要尺寸的确定点焊通常采用搭接接头或折边接头（见图2-2-12），接头可以由两个或两个以上等厚度或不等厚度、相同材料或不同材料的零件组成，焊点数量可为单点或多点。在电极可达性良好的条件下，接头主要尺寸设计可参见表2-2-2～表2-2-4。

图2-2-12 点焊接头形式

a）搭接接头 b）折边接头

表2-2-2 点焊接头尺寸的大致确定

注：1.搭边量b=2s。

2.焊透率A=h/δ×100%。

表2-2-3 接头的最小搭接量（单位：mm）

表2-2-4 焊点的最小间距（单位：mm）

（2）焊点布置的合理性点焊焊接结构通常由多点连接而成，其排列形式多为单排，有时也可为多排。在单排点焊接头中焊点除受切应力外，还承受由偏心力引起的拉应力，在多排点焊的接头中，拉应力较小。研究表明，焊点排数多于3是不合理的，因为多于3排并不能再增加承载能力。同时，还应注意，单排的点焊接头是不可能达到接头与母材等强度，只有采用多排（3排）布置焊点，才可以改善偏心力矩的影响，降低应力集中系数，如果采用交错的排法，情况将会更好。从理论上来说，可以得到与基本金属等强度的点焊接头。

应当注意，点焊接头的疲劳强度很低，增加焊点数量也无效。点焊接头静载强度的计算方法及焊点布置见表2-2-5。

表2-2-5 点焊接头静载强度的计算方法及焊点布置

通常焊点强度用每点切力（Fτ）及正拉力（Fσ）评定，正拉力与切力之比（Fσ/Fτ）称为塑（延）性比，其值越大，表明塑（延）性越好，而且与材质关系密切。例如钢焊件一般随含碳量增加而塑性比下降，应按结构受力及所用材料合理选用塑（延）性比。

（3）点焊结构的影响电极能否较方便地达到焊接位置，对焊接质量和生产效率影响很大。因此，根据电极可达性将点焊结构分为敞开式（上、下均方便可达）、半敞开式（仅上或下可方便到达）、封闭式（上或下均受到阻碍），这时需采用专用电极或专用电极握杆，如图2-2-13所示。

图2-2-13 专用电极和专用电极握杆

3.焊前工件表面清理

点焊、凸焊和缝焊前，均需对焊件表面进行清理，以除掉表面脏物与氧化膜，获得小而均匀一致的接触电阻，这是避免电极粘结、喷溅、保证点焊质量和高生产率的主要前提。对于重要焊接结构和铝合金焊件等，尚需每批抽测施加一定电极压力下的两电极间总电阻R，以评定清理效果，一般情况下可由清理工艺保证。清理方法有机械清理法和化学清理法两类：机械清理法主要有喷砂、刷光、抛光及磨光等；化学清理法中常用的溶液成分见表2-2-6，也可查阅相关熔焊资料。

表2-2-6 化学清理法常用的溶液成分

注：成分中酸的密度。硫酸—1.84（单位为g/cm³，下同），硝酸—1.40，盐酸—1.19，正磷酸—1.6。

焊前点焊电极的正确选用和焊接过程中的维护修理，也是一个重要条件，可参阅2.5.3节的相关内容。

4.点焊焊接参数及其相互关系

（1）点焊焊接循环焊接循环（Welding Cycle），在电阻焊中是指完成一个焊点（缝）所包括的全部程序。如图2-2-14所示，一个较完整的复杂点焊焊接循环，由加压、…、休止等十个程序段组成，I、F、t中各参数均可独立调节，它可满足常用（含焊接性较差的）金属材料的点焊工艺要求。当将I、F、t中某些参数设为零时，该焊接循环将会被简化以适应某些特定材料的点焊要求，而当其中I₁、I₃、F_pr、F_f0、t₂、t₃、t₄、t₆、t₇、t₈均为零时，就得到由四个程序段组成的基本点焊焊接循环。该循环是目前应用最广的点焊循环，即所谓“加压—焊接—维持—休止”的四程序段点焊或电极压力不变的单脉冲点焊。

（2）点焊焊接参数点焊焊接参数的选择主要取决于金属材料的性质、板厚、结构形式及所用设备的特点（能提供的焊接电流波形和压力曲线），工频交流点焊在点焊中应用最广，且主要采用电极压力不变的单脉冲点焊。

1）焊接电流I：焊接时流经焊接回路的电流称为焊接电流，一般在数万安培（A）以内。焊接电流是最主要的点焊焊接参数。调节焊接电流对接头力学性能的影响如图2-2-15所示。

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，因此焊点拉剪载荷较低且很不稳定。

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（Q∝I²），熔核尺寸稳定增大，因而焊点拉剪载荷不断提高；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，因而焊点拉剪载荷变化不大。

CD段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。

图2-2-14 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 F_pr—预压压力 F_f0—锻压力 t_f0—施加锻压力时刻（从断电时刻算起） F_w—电极压力 T—点焊周期 t_f′₀—施加锻压力时刻（从通电时刻算起）

图2-2-15 接头拉剪载荷与焊接电流的一般关系

1—板厚1.6mm以上 2—板厚1.6mm以下

图2-2-15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载荷的影响越敏感。

2）焊接时间t：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t一般在数十周波（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（见图2-2-16）。但应注意两点：

①C点以后曲线并不立即下降，这是因为尽管熔核尺寸已达饱和，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，尤其对承受动载荷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F_w：点焊时通过电极施加在焊件上的压力一般要达数千牛（kN）。如图2-2-17所

图2-2-16 接头拉剪载荷与焊接时间的关系

1—板厚1mm 2—板厚5mm

图2-2-17 接头承载能力与电极压力关系（低碳钢，δ=1mm）

F_w—电极压力 Fτ—拉剪载荷 Fσ—拉伸载荷

示，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，尤其对拉伸载荷影响更甚。当电极压力过小时，由于焊接区金属的塑性变形范围及变形程度不足，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，从而产生严重喷溅。这不仅使熔核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。电极压力过大时将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，因此熔核尺寸下降，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。同时，由于压力增大，可消除焊件装配间隙、刚度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，稳定性也可大为提高。

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（见图2-2-18）。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（见图2-2-19）。应该指出，点焊过程中，由于电极工作条件恶劣，电极头产生压溃变形和粘损是不可避免的，因此要规定：锥台形电极头端面尺寸的增大ΔD<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2-2-18 常用电极头结构

a）锥台形电极头 b）球面形电极头

图2-2-19 接头拉剪载荷Fτ与电极头端面直径D的关系（低碳钢δ=1mm；用图2-2-16接近C点的焊接参数焊接）

（3）焊接参数间的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焊接电流、焊接时间及电极压力，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：这种配合是以反映焊接区加热速度的快慢为主要特征。当采用大焊接电流、小焊接时间参数时，称为硬规范；而采用小焊接电流、适当长焊接时间参数时，称为软规范。

软规范的特点是加热平稳，焊接质量对焊接参数波动的敏感性低，焊点强度稳定；温度场分布平缓，塑性区宽，在压力作用下易变形，可减少熔核内的喷溅、缩孔和裂纹倾向；对有淬硬倾向的材料，软规范可减小接头冷裂纹倾向；所用设备装机容量小，控制精度不高，因而较便宜。但是，软规范易造成焊点压痕深，接头变形大，表面质量差，电极磨损快，生产效率低，能量损耗较大。

硬规范的特点与软规范基本相反。在一般情况下，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；而软规范较适用于低合金钢、可淬硬钢、耐热合金、钛合金等的焊接。

应该注意，调节I、t使之配合成不同的硬、软规范时，必须相应地改变电极压力F_w，以适应不同加热速度及不同塑性变形能力的要求。硬规范焊接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，这是目前国外几种常用电阻点焊规范（RWMA、MIL Spec、BWRA等）的制定依据。根据这一原则制定的I、F_w关系曲线，称为喷溅临界曲线（见图2-2-20）。曲线左半区为无喷溅区，这里F_w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。

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。当然，在实际应用这一原则时，应将电网电压、加压系统等的允许波动带来的影响考虑在内。

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。

图2-2-20 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）

点焊的一般工艺优化

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