电阻点焊

实验二十电阻点焊

李而立严绍华姚启明

清华大学基础工业训练中心

一．实验目的

1.学习电阻点焊原理和点焊工艺试验方法，掌握实验技能。

2.初步研究点焊工艺参数对熔核成形质量的影响。

二．概述

1.实验简述

目前，电阻点焊接头质量的无损检测技术在有效性和实用性方面尚未达到工业应用水平。在制造业，采用点焊试件进行焊前和工作间隔2h 的点焊工艺参数验证和点焊熔核尺寸评定仍然是控制点焊接头质量的常见方法之一。

有关文献介绍：美国1995年成立了由企业、大学、科研机构共同参与的国家级“智能化电阻焊接协会（Intelligent Resistance Welding Consortium）”。其中有研究者将“模糊控制”技术引入电阻点焊质量控制研究。模糊控制是根据状态变量和操作者的经验或专家分析系统而进行模糊推理来确定输出参数的控制方法。研究表明，“既防止点焊喷溅，又保证熔核尺寸”的智能化电阻点焊质量控制技术达到实用化阶段为时不远。本实验由本科高年级学生在阅读实验指导书后自主选择工艺参数，独立操作实验设备完成点焊试件工艺试验。从实验中，学生可认知到输出的点焊工艺参数与成形的点焊熔核直径之间的相互影响规律。

2．电阻点焊原理

a）点焊原理b）熔核尺寸

图1 电阻点焊原理及熔核示意图

两块以上金属薄板放置于两电级之间加压并通以焊接电流时，板料自身电阻R1、板料之间接触电阻R2、板料与电极之间接触电阻R3的串联等效电阻R产生电阻热，其热量使板料焊接中心区域的局部金属熔化，断开焊接电流，维持电极压力一定时间，金属冷却结晶后形成点焊熔核。这种工艺过程称为电阻点焊，如图1所示。

3.点焊热量

是指点焊过程中，等效电阻R（R=2R1+R2+2R3）产生的电阻热。根据焦耳定律，焊接过程产生的总热量

⎰=t dt t R t i Q

02)(

)(（D-1）

式中i ——瞬态焊接电流值（A）

R ——等效电阻值（Ω）

t ——焊接电流通过时间（s）

4.点焊循环

点焊接头焊接循环过程如图2所示。一个焊点的成形要经过预加压力、通电焊接、维持电极压力和点焊休止四个基本时序过程。N个焊点是基本时序的N个循环。预加电极压力（F > 0，I = 0），电极压力经上升达到预置压力值时板料被压紧，建立了电流通道，此即预压时间。通电焊接，电极压力为F，电流为I，板料局部金属熔化并生成点焊熔核，需要提供焊接时间。维持压力（F > 0，I = 0），当熔核生成后冷却结晶过程中要施加滞后的电极压力，控制收缩应力使熔核体积收缩得到补偿。休止阶段（F = 0，I = 0），是点焊进入下一次循环前，焊机加压机构的回程时间。

图2 点焊循环时序示意图

5.点焊工艺参数和熔核尺寸

低碳钢薄板（厚度≤3mm）的点焊接头应用广泛，如汽车覆盖件以及品种和数量众多的钣金结构件。铝合金薄板多用于航空航天结构件点焊连接成形，如飞机蒙皮与桁件的胶结点焊。点焊接头按承载能力制定了不同等级，以我国航空工业标准为例：一级接头应能承受很大的静、动载荷或交变载荷，接头的破坏会危及人员的生命安全。二级接头是承受较大的静、动载荷或交变载荷的接头，接头的破坏会导致系统失效，但不危及人员的

生命安全。三级接头是承受较小的静载荷或动载荷的一般接头。点焊接头的承载能力取决于焊点的成形质量，其主要指标是点焊熔核尺寸及其焊透率。点焊接头等级、板材厚度和熔核尺寸之间的参照关系表达式为：

δ

d=（mm）（D-2）

n

d− 点焊熔核直径（mm）

n− 接头等级系数

δ−点焊接头单板/薄板层厚度（mm）

其中，中国推荐，对于重要结构的点焊接头，公式D-2中n值为5，对于一般结构的点焊接头公式D-2中n值为4。美国RWMA（Resistance Welder Manufacturer’s Association）推荐：对于A、B、C三类点焊接头的公式D-2中n值分别为6、5、4。日本采用RWMA标准，欧洲有所不同。A类接头（强条件）工艺参数特点是电极压力高、焊接电流大、焊接时间短，其热效率高热损失小。C类接头（弱条件）电极压力低、焊接电流小、焊接时间长，其热效率低热损失大。B类接头（中等条件）介于A类、C 类之间。图3所示为RWMA低碳钢板点焊推荐工艺参数图。

图3 RWMA低碳钢板点焊推荐工艺参数

三．实验设备简述

1.点焊机的组成

实验设备固定式点焊机见图4。它由机身、主电路、控制电路、加压机构、气路、冷却水路等部份组成。

（1）主电路由单相工频阻焊变压器，晶闸管（SCR）同步电力开关电路、电极臂、电极握杆、点焊电极等构成。

（2）加压机构是在焊接结构的机身上装配了气体减压阀、电磁气阀、

气缸、电极行程及行程速度调节装置、电极、压缩空气等组成。（3）循环冷却水路由单相工频变压器的初、次级线圈、晶闸管散热器、电极臂、电极握杆、点焊电极等构成，并采用强迫水冷方式冷却。（4）控制电路有①对焊接电流实施数字电路的恒流监控。在点焊过程中，串联在晶闸管同步电力开关侧的电流传感器实时监测点焊机初级焊接电流，并以闭环反馈控制方法保持输出焊接电流基本恒定。当点焊电极尺寸、电极压力、通电时间确定后，有时焊接电流有效值波动较大，其影响原因主要是电网电压波动及次级回路感抗等外部因素。如电网电压波动时，初级焊接电流有效值发生变化，电流传感器测量得到信息并反馈至控制端；再经转换发出触发脉冲，调整晶闸管导通角后使输出的电流可基本保持恒定。②对电极压力采用机电一体式控制，气压传动机构是电极压力的执行单元，它接受数字电路的给定指令，可实现调整加压、预压、焊接加压、保持、休止、以及加压时间调整等多种状态的自动控制。③对点焊循环过程实施程序自动控制。固定式点焊机控制电路原理框图见图5。

图4 固定式点焊机组成示意图