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
2．点焊恒流控制框图
四．点焊工艺参数选择
1. 选择依据 （1）根据点焊接头等级选择强条件（A ）,中等条件（B ）或弱条件（C ）并确认熔核直径尺寸的初选值。

（2）以熔核直径尺寸及其焊透率确认工艺参数的初选值。

（3）以点焊试样实验中各参数能否有效控制点焊飞溅，达到点焊飞溅少或无为依据选择和评定工艺参数（参考图6）。

（4）最佳组合的点焊工艺参数需经工艺试验调整，以减少或消除点焊电极形状和尺寸，电极压力，焊接电流，焊接时间等参数间的相互影响。

2. 选择顺序和方法
图6 RWMA 临界飞溅曲线
图5 点焊恒流控制框图
电流峰值 反 馈
焊接电流 参数设置 点焊时序 参数设置
数字开
关面板
电极压力参数设置
集成数字 控制电路 驱动 电 磁
气 阀 转换
电流过零 反 馈
同步 控制 电压 电流传感器
SCR 同步电力开关
电极加压 速度调整
触发脉冲 焊接变压器
控制变压器 上电极
下电极
工件 减压
阀
（1）选择电极尺寸
根据材料和板料厚度确定电
极尺寸。

一般选用电极端部尺寸比
期望获得的熔核直径大20%，图7
为两种标准电极。

（2）选择电极压力
电极压力大小和等效电阻数
值成反比。

电极压力小，熔核直径
也小。

电极压力过小，易产生前期点焊a) 锥形电极b) 球面电极
飞溅，甚至电极烧损；电极压力1－端部2—主体
大，熔核直径也大。

电极压力过3—尾部4—冷却水孔
大时，焊透率差、焊点强度低。

图7 可选电极尺寸（3）选择焊接时间
通电时间超过某一最小值开始出现熔核。

通电时间过长，容易产生点焊后期飞溅使成形的熔核受到破坏。

点焊时间最大值以不产生临界飞溅为宜。

（4）选择焊接电流
点焊热量公式表明热量与电流的平方成正比。

焊接电流大小是熔核成形质量的敏感参数，点焊焊接电流小则数kA，大则数10kA，焊接电流过小，熔核不能生成。

能够形成熔核的初始电流可视为焊接电流最小值。

电流过大，点焊飞溅也大，甚至造成熔核呈空心状。

焊接电流的最大值受到焊机输出电流最大值、临界飞溅曲线图、熔核直径尺寸等因素的限定。

3.工艺参数组合的选择方法
（1）方法A：确定电极压力，经点焊工艺试验后对点焊熔核外观测量和检查，还要观察点焊飞溅状态，再调
整其它两个参数。

可简称为定一、观二、
调二法，如图8所示。

它适用于焊接电
流和焊接时间参数的选择与互调。

（2）方法B：按RWMA推荐参数
（见图3），先预选其中两个参数，再经
点焊工艺试验调整另一个参数后确定为
新的备选参数。

多次不同的定二、调一
后，可确认焊接电流、焊接时间和电极
压力的最佳组合。

调试时的观察内容与
图8 焊接工艺参数选择方法图方法A的观二内容相同。

此法简称为定
二、观二、调一法。

五．实验装置及材料
1.固定式点焊机
2.低碳钢点焊试样150×25× （mm）
3.体视显微镜或低倍放大镜
4.安全防护用品、护目镜、皮手套、工作服等
5.点焊试样表面清理用品及常用工具等
6.点焊电极
六．实验内容
1.实验前需预习并进行工艺参数预选，见图3，图6－图8，附表1，
附表2，选实验参数的最大值和最小值等参数。

2.低碳钢点焊试样工艺试验初试，初试工艺参数推荐选用附表3。

3. 分组进行低碳钢点焊试件预选工艺参数的实验。

4.点焊试样的熔核剪切与观察测量。

七．实验报告要求
1.实验报告格式自行设计。

2.实验报告应有下述主要内容：
（1）报告人、实验日期、实验报告日期、实验组别。

（2）实验目的、内容、实验简单原理；点焊试件材料，电焊电极形状和尺寸，点焊熔核直径尺寸及点焊飞溅情况，点焊工艺参数等实
验数据。

（3）实验结果分析与结论；完成思考题和实验体会。

八．思考题
1．简述点焊电极材料及形状尺寸的技术要求与作用。

2．简述点焊工艺参数对熔核成形质量的影响规律。

九．参考资料
[1] 朱正行等.电阻焊技术.北京：机械工业出版社，2001.
[2] 中国机械工程学会焊接学会编，焊接手册，第2版，北京：机械
工业出版社，2001.
[3] 张贵峰等，点焊控制方法的发展与动向，电焊机，1999.12期.
附录20-1
一.实验安全要求
1.必须保证人身安全。

穿好工作服，戴手套和护目镜，防止飞溅伤人。

点焊时放置活动防护隔离板，以免伤及他人。

2. 点焊次级回路电压≤12伏是绝对安全电压值。

初级回路电压单相
380伏，请勿接触，严防触电事故发生。

3. 更换和修复电极时，应切断电源，防止误动作造成电极之间的压
伤。

4. 更换电极时需要切断循环水通路。

二．实验操作要求
点焊机操作运行步骤如下：
1.各组点焊试样工艺实验应按2 ~10的步骤完成操作。

2.打开点焊机、空气压缩机和冷却循环水装置的电源，确认压缩空气
和冷却循环水工作正常。

只需1组完成。

3.将IC控制器上的控制电源开关打开，焊接控制开关置于“关”，电
极调整置于“开”，单点重复开关置于“单点”侧。

4. 根据实验内容，检查电极选用是否正确。

如选择不当，进行更换。

调节减压阀，选择电极压力，下限值为0.08Mpa，以免点焊电极烧
损。

5. 检查上下电极行程。

脚踩脚踏开关使上电极下降，通过推拉加压限
位销调整电极行程。

当活塞行程为20mm时，调节上下电极间距
小于20mm；当活塞行程为60mm时，可通过改变电极握杆高度，
可使上下电极间距在20~60mm之间调整。

6.电极下降，上升的速度可调，调节位置见图4。

右旋减速、左旋加
速。

7. 将预选和试验的焊接电流和时间参数在IC控制控制器上进行预置。

8. 点焊循环时序的参数建议值：维持时间≥10周；预压时间≥8周；
休止时间，当重复点焊时≥18周，单点焊时8~10周。

9. 检查并确认上述参数，做好记录，然后将IC控制器上的焊接控制
开关置于“开”，电极调整置于“关”，单点重复开关置于“单点”
侧。

10. 对已准备好的试件进行点焊试样的工艺实验焊接。

11. 观察点焊过程中各焊点的飞溅状况和焊点外观，测量熔核直径，
抽样进行破坏性试验，检验焊点接头强度，并做实验记录。

12. 实验结束时，关闭相关实验设备与装置，整理实验场地。

其中，
第5项可不重复操作。

备注：试件要求试件应达到无锈、无油、无氧化物；试件应保留件号、焊点位置、实验组别等相关标记。

三．点焊操作及循环程序框图
图1 点焊操作及循环程序框图
附表1.点焊机减压阀压力与电极压力对照表
附表2.点焊机数字开关与焊接电流对照表
附表3.推荐低碳钢点焊工艺参数
附表4.允许的最小熔核直径。