压力焊授课教案张忠典

预压时，电极压力的应力分布
2。通电加热阶段
1)机电特点： Ｆ＞０，Ｉ＞０ 2)作用：
在热和机械力联合作用下，形成塑性环 和熔核，直到熔核长到所要求尺寸.
图(B)表示两板搭接点焊时焊核生长过程的 情况。(a)表示开始导通电流的焊接初期， 由于电极与母材之间及母材彼此之间并不完 全接触，电流的边缘效应也较强，因此接触 面外侧的电流密度很高，这部分的温度首先 上升。(b)表示又经过一段时间的状态，在 外侧温度上升的地方，因电阻增加而温度继 续上升，并开始产生一部份热影响区，而与 电极相接触的表面则受到冷却。由于电流的 边缘效应，处于母材接合面和电极接触面中 间的区域，温度不能升高，因此形成象两个 腰鼓对合起来的形状。(c)表示再经过一段 短时间，开始形成焊核的状况。焊核中心区 因热量很难散走而温度上升，而与电极接触 的区域进一步被冷却，所以焊核成为四角形。 (d)表示经过足够长的时间后的状况，由于 中心区散热困难，而电极和板的周围却散热 容易，所以焊核变成椭圆形。
3.冷却结晶阶段
1)机电特点： Ｆ＞０，Ｉ=０ 2)作用：
保证熔核在压力状态下进行冷却结晶， 冷却结晶时间很短（一般１~２周波），但 是结晶凝固过程符合金属学的凝固理论.
柱状晶：低碳钢，合金钢等 柱状晶+等轴晶：铝合金 等轴晶：镁合金
维持阶段的作用 1. 保证熔核在压力状态下结晶,减少出现 缩孔裂纹等组织缺陷的几率;
FU 2 ~ 3FW IH 0.5 ~ 0.7IW
二、点焊接头形成过程
点焊接头形成的三个阶段
a) 预压 b) 、c)通电加热 d)冷却结晶
1。预压阶段
1）机电特点：
Ｆ＞０，Ｉ=０
2）作用：
减少接触电阻，增大导电截面，增加物理接触点， 为以后焊接电流顺利通过创造条件；
此外，在压力作用下，金属挤向间隙所引起的塑 性变形，有助于在熔核四周形成密封熔核的环带 (密封环)。
1。熔核尺寸的几个基本概念
1）熔核直径 d (mm)
或 d 2 3
d 5
板厚
h
2）焊透率 A(%)
A h 100%
c
d
A 30 ~ 70%
3）压痕 c 5~20%
c
2。对点焊质量的要求
1）多数金属材料（如低碳钢等）对焊接热循 环不敏感，焊接区的组织无显著变化，也不易 产生组织缺陷，其点焊接头强度主要与熔核尺 寸有关；
1)集中加热
点焊时，电流线在两焊件的贴合面 处要产生集中收缩，其结果就使贴合面 处产生了集中加热效果，而该处正是点 焊时所需要连接的部位．
2)塑性环
贴合面的 边缘电流密度 出现峰值，该 处加热强度最 大，因而将首 先出现密封的 塑性连接区， 此密封环对保 证熔核的正常 生长，防止氧 化和飞溅的产 生有利。
这样的焊核生长过程，在
单块板通电时就更容易理解。 有人认为：点焊是利用接触面 的接触电阻进行焊接的方法， 不是两板重迭就不能形成焊核。 但是，即使是单块板，只要增 加电流，同样也能形成焊核。 图(A)表示单块板通电时焊核的 生长过程。起初，电极的正下 方出现三角形的热影响区，随 着通电时间的加长，两个热影 响区合并成鼓形。继续加长通 电时间就形成四方形焊核。
3）焊件内部电阻的近似计算
2RW
K1 K2 T
2
d
2 0
4
K1 边缘效应引起电流场扩展的系数；
K2 绕流现象引起电流场扩展的系数；
T 焊接区金属的电阻率；
单个焊件的厚度；
d0 电极与焊件接触面直径。
1.0 0.8
K1 0.6
0.4 0.2
01 2 3 4 5 6
d0
K1 0.82 ~ 0.84
2.避免电极与工件“打火”
第二节 点焊规范参数及相关关系 一、规范参数（工艺参数）
1。焊接电流
AB段：曲线呈陡峭段。 由于焊接电流小，使热 源强度不足，不能形成 熔核或熔核尺寸很小， 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，内部热源产 热量急剧增大，熔核尺寸稳定 增大，拉剪载荷不断提高；临 近C点，由于板间翘离限制了 熔核尺寸的扩大和温度场进入 准稳态，拉剪载荷变化不大。
平稳段〔t3以后〕：由于电极与焊件接触面 尺寸的限制以及塑性金属被挤到两焊件之间， 使焊件间间隙加大（板缝翘离），限制了熔 核和导电面积的增大。同时，由于电流场和 温度场均进入准稳态，熔核和塑性环尺寸也 基本保持不变，动态电阻曲线将日趋平稳。
动态电阻
85
1---6.30kA
80
2---6.48kA
（1）金属材料的热物理性质
（2）机械性能
（3）点焊规范参数及特征
（4）焊件厚度等。
3。焊接区的总电阻：
点焊过程中，焊件—焊件和电极—电极的接 触状态、焊接温度场及电场都在不断地变化，因 此，引起焊接区的电阻也不断交化。描述焊接过 程中电阻变化的曲线叫做动态电阻曲线。需要强 调的是，由于材料性能的不同，不同金属材料在 加热过程中焊接区动态总电阻变化相差很大 。
次是工件热传导20%,对流辐射占5%,与电极
形状,材料物理性质,焊接规范均有关.
5. 点焊热源的特点
1) 电阻焊热源产生于焊件内部，与熔化焊时的 外部热源相比，对焊接区的加热更为迅速、集中。
2) 内部热源使整个焊接区发热，为获得合理的 温度分布(例如，点焊时应使焊件贴合面处温度 高，而表面温度低)，散热作用在电阻点焊的加 热中具有重要意义。
3---6.88kA
75
4---8.38kA
70
65
60
55
50
45 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
焊接通电时间 (Cycle)
不同焊接电流时动态电阻曲线
2）不锈钢
二、点焊时的加热特点 1。电阻对点焊加热的影响
1）接触电阻：产热5~10%
作用：接触电阻产热对建立焊接初期的温度场 及焊接电流的均匀化流过起重要作用
2）内部电阻：90~95%
作用：这部分热量是形核的基础，与电流场共 同建立了焊接区的温度场分布及其变化规律。
2.电流场分布对点焊加热的影响
点焊时的电场 其中电流线的含义是在它所限定的范围内的 电流占总电流的百分数，例如，80％的电流线是 指它限定的范围内通过的电流占总电流的80％。
点焊时各典型截面的电流密度分布
Rc
Rw Rew
380VAC
R Rc 2Rew 2Rw
Q 0.24 i2 (t) r(t) dt
1。接触电阻
1）形成原因：焊件表面的微观凸凹不平及不良导体层。
接触电阻形成原因示意图
2)影响因素： （1)表面状态
a) 清理方法 (2)压力
“滞后”效 应
b) 存放时间 接 触 电 阻
(3)温度
绪论
电阻焊定义：焊件组合后，通过电极施加压力，利用电流 流过焊接区所产生的电阻热加热工件，使要焊接部位达到 局部熔化或高温塑性状态，通过热和机械力的联合作用完 成连接的方法。
物理本质：利用焊接区金属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、焊缝或对接接头。
电流场与电流密度分布
a)导线中
b)单块板中
c)点焊时
i一电流线 j一电流密边缘效应：在点焊过程中，当电流流过焊件时， 电流将从板的中部向边缘扩展，使整个焊件的 电流场呈双鼓形。
原因：焊件的横截面积远大于焊件与电极间的 横截面积 。
绕流效应：由于焊接区温度不均匀，促使电 流线从中间向四周扩散的现象。
3)不均匀的温度场
4。点焊的热平衡
Q Q1 Q2
Q1 熔化母材金属形成熔核的热量，占总产热量
的10~30%，其大小取决于金属热物理性质 、 熔核大小（熔化金属量），与规范特征无关。
Q2
由散热而损失的热量，占总产热量的70~90%。 散热途径：工件热传导，对流，辐射。最主
要是电极散热，占30~50%（铜电极水冷）其
分类：
1. 按接头形式和工艺特点分：点焊；缝焊；对焊。 2.按电流分:交流、直流、脉冲 优点：1）接头质量高；2）辅助工序少3）不需要填充材
料4）生产效率高，易于实现自动化 缺点：1）无损检验困难；2）设备复杂，维修困难，一
次性投资高。
第一章 电阻点焊的原理
一、定义
第一节 概述
焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间， 利用电流通过焊件时产生的电阻热，熔化母材金 属，冷却后形成焊点，这种电阻焊方法称为点焊。
第二章 电阻点焊工艺
第一节 点焊过程分析 一、焊接循环 1。定义：在电阻焊接过程中，完成一个焊点或 焊缝所需要的全部过程或全部阶段 2。点焊的基本焊接循环
F,I
加压 通电焊接 维持 休止 加压
3。复杂的点焊焊接循环
F,I
Fu
Fp
Fw
IP
IW
IH
FP 1.5 ~ 2.5FW IP 0.25 ~ 0.5IW
上
升
段〔t
1～t
〕：随
2
着
加热的
进行，
焊接区
温
度升高，金属电阻率ρ 的增加很快．由于焊接
区金属基本处于固态，接触面增加缓慢，因而ρ
的增大起主要作用，曲线上升较快。经过一段时
间加热后，焊接区温度已比较高，ρ的增大速率
减小，而焊接区导电面积增加较快，结果使动态
电阻增加速率减缓,最终达到最大值。一般认为，
CD段：由于电流过大， 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。
注意：焊件越厚， BC段越陡峭，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
焊接时间对接头力学性能的影响与焊接电 流相似；
C点以后，曲线并不立即下降，这是因为尽 管熔核尺寸已达到饱和，但塑性环还可有 一定扩大，再加之热源加热速率较缓和， 因而一般不会发生喷溅；
K2
与不均匀加热程度有关，可在0.8~0.9范围内 选取。硬规范点焊时，焊接区温度很不均匀，
应选低值；软规范点焊时，则取高值。
3）影响因素：
综上所述，边缘效应、绕流现象，均使点焊 时焊件的导电范围不能只限制在以电极与焊件接 触面为底的圆柱体内，而要向外有所扩展，因而 使悍件的内部电阻比圆柱体所具有的电阻要小。 凡是影响电流场分布的因素必然影响内部电阻。 这些因素可归纳为；
焊接时间对接头塑性指标影响较大，尤其 对承受动载或有脆性倾向的材料，较长的 焊接时间将产生较大的不良影响。
3。电极压力
1）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。 2）电流恒定时，电极压力过大，接触面积变大、接触电阻 变小，产热减少；同时，通过电极散热增加，因此熔核尺寸 下降，严重时会出现末焊透缺陷。 3）电流恒定时，电极压力过小，由于焊接区金属塑性变形 范围及变形程度不足，接触面积小、接触电阻大，局部地方 产热过大，易出现严重的前期喷溅。
2）少数金属材料（如可淬硬钢等）对焊接热 循环极为敏感，当点焊工艺不当时，接头由于 被强烈淬硬而使强度、塑性急剧降低。这时， 尽管具有足够大的熔核尺寸也是不能使用的。 其点焊接头强度不仅取决于熔核尺寸，而且与 熔核及热影响区的组织及缺陷有关。
第二节 点焊时的电阻及加热 一、点焊时的电阻
Rew Rw
c) 表面粗糙度 电极压力
2. 焊件内部电阻
1) 几何特点:导电区域远远大于以电极与焊件 接触面为底，焊件厚度为高的圆柱体体积
R
R1
R2
R 等于 R1与 R2 并联值
电流场与电流密度分布
a)导线中
b)单块板中
c)点焊时
i一电流线 j一电流密度 jc一平均电流密度
预压时，电极压力的应力分布
焊点外观
1）低碳钢
在低碳钢的点焊过程中，焊接区动态阻的变化 规律可以分为以下几个阶段 ：
下降段〔t0～t1〕：由于接触电阻的迅速降低 及消失所造成。该阶段的主要特点是时间短，曲 线呈陡降（例如，点焊1.2＋1.2mm冷轧低碳钢板， 该段时间约为(1～2周波)，焊接区金属未熔化但 有明显加热痕迹。值得注意的是，当加热速度较 快时，该阶段将难以观测到。
二、特点
1。靠尺寸不大的熔核连接； 2。在大电流、短时间的条件下焊接； 3。在热和机械力联合作用下形成焊点。
三、分类
1。按焊接电流波形分
交流
工频 50或60Hz 低频 3~10Hz 高频 2.5kHz~450kHz
电容储能 脉冲
直流冲击波
2。按工艺特点分
双面单点
单面双点
单面单点
四、对点焊质量的要求
接近峰值点时焊接区金属已局部熔化，开始形成
熔核，达到温度稳定点。因为继续加热，金属将
不断由固态变成液态，使熔核逐渐增大，但此时
输入功率作为潜热消耗，焊点温度不再升高。
再次下降段〔t2～t3〕：继续加热使熔化区 及塑性环不断扩展，虽然金属由固相向液 相转变时电阻率有突然的增大，但由于绕 流现象，使得主要通过焊接电流的金属区 域电阻率并没有明显增大。绕流现象使电 极下的导电通路截面增大：另一方面，由 于金属的明显软化使接触面积迅速增大， 电流场的边缘效应减弱。结果均使得焊接 区的电阻减小，曲线下降。