电阻焊
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电阻焊的加热
电阻焊过程的物理本质,是利用焊接区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、焊缝或是对接接头。因此,电阻焊接头是在热-机械(力)联合作用下形成的。而电阻焊时的加热,是建立焊接温度场、促进焊接区塑性变形和获得优质连接的基本条件。一、电阻点焊的加热
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。1.1.电阻点焊的热源电阻点焊的热源电阻点焊的热源是电流通过焊接区(图 1)产生的电阻热。根据焦耳定律,总热量Q 为 Q =I 2Rt R =R c +2R ew +2R w
式中 I ──焊接电流; R c ──焊件间接触电阻;
2R ew ──电极与焊件间接触电阻;
2R w ──焊件内部电阻; t──通过焊接电流的时间。
(1)R ew 上产生的热量 在R ew 产生的热量与各自材料的热导率分配给电极和焊件成正比。通常点焊时,电极采用高热导率的铜合金,焊件则为低热导率的被焊金属,因此分配给焊件的这部分热量对焊件的加热贡献甚微,可以忽略。(2)R w 上产生的热量 焊件的电阻R w 就是电流流经两电极直径所限定的金属圆柱体的电阻,该与
焊件厚度、材料的电阻率成正比,与电极与焊件间接触面的直径平方成反比。(3)R c 上产生的热量 接触电阻R c 大小与电极压力、材料性质、表面状态及温度有关。随着电极压力增大,焊件表面凸点被压溃,氧化膜也被破坏,接触点数量和面积随之增加,接触电阻相应减小。2.2.熔核形成过程熔核形成过程熔核是液态金属冷凝后的产物,因此熔核中央均被加热到金属熔点之上,其边界则是最高温度为熔点的等温面,研究焊件内部各点温度分布规律对了解熔核形成过程有重要意义。
根据热传导原理,各点的温度变化是由该点瞬时输入、输出热量之差与该点本身发热量有代数和引起的。输入或输出的热量是由其与相邻点的温度差引起的。各点的发热量则是电流通过产生的电阻热。由于各点电流密度、电阻率均随温度而变化,各点的发热量亦是变化的,为此要精确计算极为复杂。目前只能对简单模型在大型计算机上用有限元法估算。(1)加热时的电流分布 对于最普遍采用的圆锥形电极点焊等厚度钢板时,可忽略接触电阻,做计算机计算,可以绘出在通电开始时的电场分布和电流密度分布,如图2所示。图2(a)中与电流线垂直的曲面代表电场等位面,以下电极为基准值φ=0,上电极为全部电压降φ=100%。图2(b)则表示三个不同截面上电流密度分布状况。由图可见接触面处边缘电流密度最高。随着焊件的加热进程,温度不均匀上升,各点的电阻率不同,中央温度较高,电阻率较大,电流向外围扩散,电流密度分布亦将变化。中央熔化后,由于液态金属电阻率的跃变,电流较多向外围扩散,这种现象称绕流现象。
(2)加热时的温度分布 加热开始时,焊件各点温度相同,无热传导,所以各点温升与各点的发热量成正比,电流密度高处温度最高。进一步通电加热,各点温升将取决于各点的发热和热传导的综合。热量总是由高温区向低温区传递,而温差越大热量传导越快。最后当发热量与散热量达到平衡时,温度不再上升。(3)热时间常数 自开始加热至达到热平衡需要一定时间,这段时间的长短与材料的热物理性和厚度有关。
二、对焊的加热
将焊件端面相对放置,利用焊接电流通过焊件产生的电阻热加热,并施加压力完成焊接的电阻焊方法成为对焊。
1.1.对焊的分类对焊的分类
对焊可分为电阻对焊与闪光对焊两大类。(1)电阻对焊 将焊件装配成对接接头,使其端面紧密接触后通电,利用电阻热加热至塑性状态,然后施加顶锻力完成焊接的方法。分为等压式和变压式。(2)闪光对焊 将焊件装配成对接接头,接通电源后使其端面逐渐达到局部接触,利用电阻热加热这些接触点产生闪光,使端面金属熔化,直至端部在一定深度范围内达到预定温度分布时,迅速施加顶锻力完成焊接的方法。分为连续闪光对焊和预热闪光对焊两种。
2.2.对焊的热源和加热对焊的热源和加热
与点焊一样,对焊主要热源为电阻热。由于夹钳电极对焊件的夹紧力很大,所以电极与焊件间接触电阻很小。同时,该电阻又远离接合面,其析热对加热过程所起作用很小,可忽略不计。根据焦耳定律总热量Q为
Q=I 2Rt R=R c +2R ew +2R w 焊件内部电阻R w 的计算公式为 R w =
mρT L/S (1)
式中 m──集肤效应系数;
ρT ──焊接区金属的电阻率,是温度的函数,Ω·mm;
L──焊件的调伸长度,mm;S──焊件的截面积,mm 2。ρT 随温度升高而增大,可用下式计算ρT =ρ0(1+αθ) (2)式中 ρ0──273K时的电阻度,Ω·cm;
α──材料电阻率的温度系数,K -1;θ──温度,K。由于焊接时温度成一定分布规律,且随加热过程的进行温度不断上升,在粗略估算时,ρT 常取其平均值。集肤效应系数随着导体直径而减小,随电流密度增大而增大。当圆钢直径小于20~25mm时或铁磁性金属加热超过1036K(居里点)时,集肤效应可以忽略,即m=1。电阻对焊和闪光对焊的接触电阻R c 在成因与数值上均有较大差别。
(1)电阻对焊的接触电阻 因焊件间的接触面上存在微观不平或阻碍导电的杂质,所以电流在流过接触面附近时电流线会产生扭曲,使实际导电面积缩小而引起的附加电阻称为接触电阻。室温时的接触电阻可用下面的经验公式计算R c =r c (F/10)-
α (3)
式中 r c ──F=10N时的接触电阻,Ω;
F──焊件间所作用的压力,N;
α──与材料有关的指数,钢为0.65~0.75,铝为0.75~0.85。
(2)闪光对焊的接触电阻 当两焊件缓慢靠近时,端面上仅个别点接触。电流通过这些点时,由于电流密度极高,很快就形成熔化金属小滴(称作过梁)。当过梁进一步升温气化而爆破后即转入短暂的电弧过程,而后很快熄灭。随着焊件的靠近,在其他凸出部位又形成新的过梁。这种过梁与电弧不断交替的平均电阻即为闪光对焊的接触电阻。其值可用下列经验公式计算
式中 k──与材料性质有关的系数,对碳钢取1;对奥氏体钢取1.1;
S──焊件截面积,cm2;
υ──闪光速度,cm/s;
J──电流密度,A/cm2。
闪光对焊的接触电阻远比焊件导电部分的电阻R w大,一般为100~1500μΩ,且在闪光过程中始终存在,不像电阻对焊加热到某温度时将逐渐消失。闪光结束进入顶锻后,此接触电阻立即消失。
对焊过程中总电阻R的变化规律见图3。
(3)对焊时的温度分布焊接区的温度分布是吸热与散热的综合结果,其分布曲线见图4。