點焊方法與工藝

tags:    時間:2014-03-07 13:35:12
點焊方法與工藝簡介
一、點焊方法分類 對焊件饋電進行電焊時,應遵循下列原則:①盡量縮短二次迴路長度及減小迴路所包含的空間面積,以節省能耗;②盡量減少伸入二次迴路的鐵磁體體積,特別是避免在焊接不同焊點……
點焊方法與工藝正文

一、點焊方法分類



對焊件饋電進行電焊時,應遵循下列原則:①盡量縮短二次迴路長度及減小迴路所包含的空間面積,以節省能耗;②盡量減少伸入二次迴路的鐵磁體體積,特別是避免在焊接不同焊點時伸入體積有較大的變化,以減小焊接電流的波動,保證各點質量衡定(在使用工頻交流時)。



1.雙面單點焊所有的通用焊機均採用這個方案。從焊件兩側饋電,適用於小型零件和大型零件周邊各焊點的焊接。



2.單面單點焊當零件的一側電極可達性很差或零件較大、二次迴路過長時,可採用這個方案。從焊件單側饋電,需考慮另一側加銅墊以減小分流並作為反作用力支點.



3.單面雙點焊從一側饋電時儘可能同時焊兩點以提高生產率。單面饋電往往存在無效分流現象(圖1f及g),浪費電能,當點距過小時將無法焊接。在某些場合,如設計允許,在上板二點之間沖一窄長缺口(圖1f)可使分流電流大幅下降。



4.雙面雙點焊方案雖可在通用焊機上實施,但兩點間電流難以均勻分配,較難保證兩點質量一致。而圖1j由於採用推挽式饋電方式,使分流和上下板不均勻加熱現象大為改善,而且焊點可布置在任意位置。其唯一不足之處是須製作二個變壓器,分別置於焊件兩側,這種方案亦稱推挽式點焊。兩變壓器的通電需按極性進行。



5.多點焊當零件上焊點數較多,大規模生產時,常採用多點焊方案以提高生產率。多點焊機均為專用設備,大部分採用單側饋電方式以i方式較靈活,二次迴路不受焊件尺寸牽制,在要求較高的情況下,亦可採用推挽式點焊方案。目前一般採用一組變壓器同時焊二或四點(後者有二組二次迴路)。一台多點焊機可由多個變壓器組成。可採用同時加壓同時通電、同時加壓分組通電和分組加壓分組通電三種方案。可根據生產率、電網容量來選擇合適方案。



二、點焊循環



點焊過程由預壓、焊接、維持和休止四個基本程序組成焊接循環,必要時可增附加程序,其基本參數為電流和電極力隨時間變化的規律。



1.預壓(F>0,I=0)這個階段包括電極壓力的上升和恆定兩部分。為保證在通電時電極壓力恆定,預壓時間必須保證,尤其當需連續點焊時,須充分考慮焊機運動機構動作所需時間,不能無限縮短。



預壓的目的是建立穩定的電流通道,以保證焊接過程獲得重複性好的電流密度。對厚板或剛度大的衝壓零件,有條件時可在此期間先加大預壓力,而後再回復到焊接時的電極力,使接觸電阻恆定而又不太小,以提高熱效率。



2.焊接(F=Fω,I=Iω)這個階段是焊件加熱熔化形成熔核的階段。焊接電流可基本不變(指有效值),亦可為漸升或階躍上升。在此期間焊件焊接區的溫度分佈經歷複雜的變化后趨向穩定。起初輸入熱量大於散失熱量,溫度上升,形成高溫塑性狀態的連接區,並使中心與大氣隔絕,保證隨後熔化的金屬不氧化,而後在中心部位首先出現熔化區。隨著加熱的進行熔化區擴大,而其外圍的塑性殼(在金相試片上呈環狀故稱塑性環)亦向外擴大,最後當輸入熱量與散失熱量平衡時達到穩定狀態。當焊接參數適當時,可獲得尺寸波動小於15%的熔化核心。在此期間可產生下列現象:



⑴液態金屬的攪拌作用液態金屬通電時受電磁力作用產生漩渦狀流動,當把熔核視作地球狀且電極端處為二極,其運動方向為——赤道部分由周圍向球心流動而後流經兩極再沿外表向赤道呈封閉狀流動。對於同種金屬點焊,攪拌僅需將焊件表面的氧化膜攪碎即可,但異種金屬點焊時,必須充分攪拌以獲得均質的熔化核心。如通電時間太短,攪拌不充分將產生漩渦狀的非均質熔核。



⑵飛濺飛濺按產生時期可分為前期和後期兩種;按產生部位可分為內飛濺(處於兩焊件間)和外飛濺(焊件與電極接觸側)兩種。



前期飛濺產生的原因大致是:焊

 

件表面清理不佳或接觸面上壓強分佈嚴重不勻,造成局部電流密度過高引起早期熔化,此時因無塑性環保護必發生飛濺。



防止前期飛濺的措施有:加強焊件清理質量,注意預壓前的對中。有條件時可採用漸升電流或增加預熱電流來減慢加熱速度,避免早期熔化而引起飛濺。



後期飛濺產生的原因是:熔化核心長大過度,超出電極壓力有效作用範圍,從而衝破塑性環在徑向造成內飛濺,在軸向衝破板表面造成外飛濺。這種情況一般產生在電流較大、通電時間過長的場合。可用縮短通電時間及減小電流的方法來防止。



飛濺在外表面首先影響外觀,其次產生的疤痕影響耐腐蝕及疲勞性能。內部飛濺的殘跡有可能在運行時脫落,如進入管路(如油管)將造成堵塞等嚴重事故。



⑶鬍鬚在加熱到半熔化溫度的熔核邊緣,當某些材料(如高溫合金)中低熔點夾雜物較多聚集在晶界處時,這部分雜質首先熔化並在電極壓力的作用下被擠出呈空隙。在隨後的過程中,空間有時能被液態金屬充填滿,但亦可能未充填滿,這種組織形貌在金相試樣上稱為鬍鬚,而未充填滿的鬍鬚猶如裂紋是一種危險缺陷。



3.維持(F>0,I=0)此階段不再輸入熱量,熔核快速散熱、冷卻結晶。結晶過程遵循凝固理論。由於熔核體積小,且夾持在水冷電極間,冷卻速度甚高,一般在幾周內凝固結束。由於液態金屬處於封閉的塑性殼內,如無外力,冷卻收縮時將產生三維拉應力,極易產生縮孔、裂紋等缺陷,故在冷卻時必須保持足夠的電極壓力來壓縮熔核體積,補償收縮。對厚板、鋁合金和高溫合金等零件希望增加頂鍛力來達到防止縮孔、裂紋。這時必須精確控制加頂鍛力的時刻。過早將因液態金屬因壓強突然升高使塑性環被衝破,產生飛濺;過晚則因凝固缺陷已形成而無效。此外加后熱緩冷電流,降低凝固速度,亦有利於防止縮孔和裂紋的產生。



4.休止(F>0,I=0)此階段僅在焊接淬硬鋼時採用,一般插在維持時間內,當焊接電流結束,熔核完全凝固且冷卻到完成馬氏體轉變之後再插入,其目的是改善金相組織。



三、點焊焊接參數



當採用工頻交流電源時,點焊參數主要有焊接電流、焊接(通電)時間、電極壓力和電極尺寸。



1.焊接電流Iω析出熱量與電流的平方成正比,所以焊接電流對焊點性能影響最敏感。在其它參數不變時,當電流小於某值熔核不能形成,超過此值后,隨電流增加熔核快速增大,焊點強度上升(圖3中AB段),而後因散熱量的增大而熔核增長速度減緩,焊點強度增加緩慢(圖3中BC段),如進一步提高電流則導致產生飛濺,焊點強度反而下降。所以一般建議選用對熔核直徑變化不敏感的適中電流(BC段)來焊接。



在實際生產中,焊接電流的波動有時甚大,其原因有:



①電網電壓本身波動或多台焊機同時通電;②鐵磁體焊件伸入焊接迴路的變化;③前點對後點的分流等。除選擇對焊接電流變化較不敏感的參數外,解決上述問題的方法是反饋控制。目前最常用的有網壓補償法、恆流法與群控法。網壓補償法可用於所有各種情況,恆流法主要用於第②種情況,不能用於第③種情況,群控法僅用於第①種情況。



2.焊接時間tω通電時間的長短直接影響輸入熱量的大小,在目前廣為採用的同期控制點焊機上,通電時間是周(我國一周為20ms)的整倍數。在其它參數固定的情況下,只有通電時間超過某最小值時才開始出現熔核,而後隨通電時間的增長,熔核先快速增大,拉剪力亦提高。當選用的電流適中時,進一步增加通電時間熔核增長變慢,漸趨恆定。但由於加熱時間過長,組織變差,正拉力下降,會使塑性指標(延性比Fσ/Fτ)下降(圖4)。當選用的電流較大時,則熔核長大到一定極限後會產生飛濺。



3.電極壓力F電極壓力的大小一方面影響電阻的數值,從而影響析

 

熱量的多少,另一方面影響焊件向電極的散熱情況。過小的電極壓力將導致電阻增大、析熱量過多且散熱較差,引起前期飛濺;過大的電極壓力將導致電阻減小、析熱量少、散熱良好、熔核尺寸縮小,尤其是焊透率顯著下降。因此從節能角度來考慮,應選擇不產生飛濺的最小電極壓力。此值與電流值有關,可參照文獻中廣為推薦的臨界飛濺曲線見圖5。目前均建議選用臨界飛濺曲線附近無飛濺區內的工作點。



4.電極工作面尺寸其工作面尺寸參見下表。目前點焊時主要採用錐台形和球面形兩種電極。錐台形的端面直徑d或球面形的端部圓弧半徑R的大小,決定了電極與焊件接觸面積的多少,在同等電流時,它決定了電流密度大小和電極壓強分佈範圍。一般應選用比期望獲得熔核直徑大20%左右的工作面直徑所需的端部尺寸。其次由於電極是內水冷卻的,電極上散失的熱量往往高達50%的輸入總熱量,因此端部工作面的波動或水冷孔端到電極表面的距離變化均將嚴重影響散熱量的多少,從而引起熔核尺寸的波動。因此要求錐台形電極工作面直徑在工作期間每增大15%左右必須修復。而水冷孔端至表面距離在耗損至僅存3~4mm時即應更換新電極。



點焊時各參數是相互影響的,對大多數場合均可選取多種各參數的組合。



目前常用材料的點焊參數均可在資料中以表格或計算圖形式找到,但採用前應根據具體條件作調整試焊。



由於材料表面狀態及清理情況每批不盡相同,生產車間網壓有波動、設備狀況有變化,為保證焊接質量,避免批量次品,往往希望事先取得焊接參數允許波動的區間。所以大批量生產的場合,對每批材料、每台剛大修后的設備須作點焊時允許參數波動區間的試驗,其試驗步驟如下:



1)確定質量指標,例如熔核直徑或單點拉剪力的上下限。



2)固定其它參數,作某參數(例如電流)與質量指標的關係曲線,而後改變固定參數中之一(例如通電時間),再作焊接電流與質量的關係曲線,如此獲得關係曲線族。



3)再把質量指標中合格部分用作圖法形成此二參數(例如電流與時間)允許波動區間的葉狀曲線。



可同樣獲得例如焊接電流與電極壓力等的葉狀曲線。在生產中把參數控制在葉狀曲線內的工作點上即可。

 

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