第1章電阻焊的加熱

1、電阻焊（resistance welding）： 焊件組合后通過電極施加壓力壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱電阻熱進行焊接的方法。又稱接觸焊。 電阻焊的物理本質(zhì)： 利用焊接區(qū)金屬本身的電阻熱金屬本身的電阻熱和大量塑性變形能大量塑性變形能量量，使兩個分離表面的金屬原子之間接近到晶格距離，形成金屬鍵，在結(jié)合面上產(chǎn)生足夠量的共同晶粒而得到焊點、焊縫或?qū)咏宇^。因此，適當(dāng)?shù)臒釞C械（力）作用是獲得電阻焊優(yōu)質(zhì)接頭的基本條件。第一章第一章 電阻焊的加熱電阻焊的加熱 電阻焊分類電阻焊分類1.1電阻焊的熱源及其特點電阻焊的熱源及其特點電阻焊的熱源是電阻熱電阻熱。 電流的熱效應(yīng)：導(dǎo)體電阻吸收的

2、電能轉(zhuǎn)換成熱能。 電阻焊時，當(dāng)焊接電流通過兩電極間的金屬區(qū)域焊接區(qū)時，由于焊接區(qū)具有電阻，亦會析熱，并在焊件內(nèi)部形成熱源內(nèi)部熱源內(nèi)部熱源。 一、電阻焊的熱源一、電阻焊的熱源根據(jù)焦耳定律，焊接區(qū)的總析熱量Q=I2Rt (11)式中I焊接電流的有效值； R焊接區(qū)總電阻的平均值； t焊接電流的時間。QrdtiQt02由于在電阻焊過程中，焊接電流和焊接區(qū)電阻并非保持不變，因此焊接熱源總析熱量的確切表達式為：焊接區(qū)示意圖和等效電路圖a)點焊 b)對焊R焊接區(qū)總電阻 Rew電極與焊件間接觸電阻 Rw焊件內(nèi)部電阻 Rc焊件間接觸電阻對于點焊和縫焊，焊接熱源總析熱量還可以寫成 dtrrriQwewct)22(

3、02crewr2wr2焊件間接觸電阻的動態(tài)電阻值，是時間的函數(shù)；電極與焊件間接觸電阻的動態(tài)電阻值，是時間的函數(shù)；焊件內(nèi)部電阻的動態(tài)電阻值，是時間的函數(shù)。 對于對焊，由于夾鉗電極對焊件的夾緊力很大，所以電極與焊件間接觸電阻很小。同時，該電阻又遠離接合面，其析熱對加熱過程所起作用甚小，可忽略不計。故dtrriQwct)2(02二、電阻焊熱源的特點二、電阻焊熱源的特點 電阻焊熱源產(chǎn)生于焊件內(nèi)部，與熔化焊時的外部熱源（電弧、氣體火焰）相比，對焊接區(qū)的加熱加熱更加迅速、集中。更加迅速、集中。 電阻焊的加熱過程與金屬材料的熱物理性質(zhì)材料的熱物理性質(zhì)（尤其是材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性）關(guān)系密切。 綜上所述，電阻焊

4、的熱源是電阻熱。產(chǎn)生電阻熱的內(nèi)在因素是焊接區(qū)具有一定的電阻，產(chǎn)生電阻熱的外部條件是電阻焊時焊接區(qū)要通以強大的焊接電流。由于該熱源產(chǎn)生于焊件內(nèi)部，具有內(nèi)部熱源的特點。 1.2點焊時的電阻及加熱點焊時的電阻及加熱、點焊時的電阻、點焊時的電阻RRc2Rew2RwR 點焊焊接區(qū)總電阻Rc 焊件接觸電阻2Rew 電極與焊件間接觸電阻2Rw 焊件本身的內(nèi)部電阻 1.接觸電阻Rc2Rew接觸電阻是一種附加電阻附加電阻，通常指的是在點焊電極壓力下所測定的接觸面（焊件焊件接觸面、焊件電極接觸面）處的電阻值。形成的原因：接觸表面微觀上的凹凸不平凹凸不平及不良導(dǎo)體不良導(dǎo)體（表面氧化膜、油、銹以及吸附氣體層等）的存在

5、所致。 接觸電阻的形成接觸電阻的形成1電流線 2實際接觸點 3不良導(dǎo)體膜影響接觸電阻的主要因素：(1)表面狀況 清理方法清理方法、加工表面的粗糙度粗糙度及焊前存放時間焊前存放時間表面清理方式Rc/表面清理方式Rc/酸洗300帶有氧化鐵皮和繡的表面500000用金剛砂輪清理表面100切削加工的表面1200方法同上，清理后敷油300銼加工的表面280方法同上，清理后又生銹80000研磨的表面110帶有氧化鐵皮的表面80000不同清理方法時的接觸電阻Rc 接觸電阻與電阻壓力間關(guān)系（板厚=1mm） 1低碳鋼 2鋁合金(2)電極壓力影響金屬的彈性與塑性變形變形、改變接觸面的凹凸不平凹凸不平、破壞不良導(dǎo)體

6、膜不良導(dǎo)體膜。電極壓力對接觸電阻的影響(3)加熱溫度 熱物理性能變化熱物理性能變化（包括電阻、變形能力等）溫度升高金屬變形阻力下降，塑性變形增大，接觸電阻急劇降低直至消失。鋼材溫度升高到600、鋁合金溫度350時的接觸電阻均接近為零。加熱溫度對接觸電阻的影響（a）總的電阻分配情況（b）動態(tài)電阻分布 存放時間對接觸電阻的影響存放時間對接觸電阻的影響電極壓力Fw=130N 2電極壓力Fw=610N（測試條件：1.鉬箔、板厚=0.2mm；2.表面經(jīng)三氯乙烯去油后雙氧水浸泡15min；電極材料為純鎢；4.空氣中存放）(4)存放時間awccFrRcrcr室溫下的接觸電阻可按以下數(shù)值關(guān)系(經(jīng)驗公式)計算：

7、 ( 15)式中 恒定系數(shù)，F(xiàn)wlkgf時的接觸電阻， 單位為； Fw電極壓力，F(xiàn)w單位為kgf與材抖性質(zhì)有關(guān)的指數(shù)。式(15)中，cr可由試驗求得 (5)接觸電阻的計算2.焊件內(nèi)部電阻焊件內(nèi)部電阻2Rw 電流場與電流密度分布a)導(dǎo)線中的電流場與電流密度分布 b)單塊板中的電流場與電流密度分布 c)點焊時的電流場與電流密度分布 i電流線 j電流密度 j平均電流密度邊緣效應(yīng)(fringing effect) 電流通過板件時，其電流線在板件(單塊板)中間部分將向邊緣擴展，使電流場呈現(xiàn)鼓形的現(xiàn)象。顯然，當(dāng)焊接電流通過重疊的兩焊件時，由于邊緣效應(yīng)，電極下的電流場將呈雙鼓形。電阻區(qū)域的體積要大于以電極焊

8、件接觸面為底的圓柱體體積 是一種僅與幾何因素有關(guān)的物理現(xiàn)象 繞流現(xiàn)象 點焊加熱是不均勻的，焊接區(qū)內(nèi)各點溫度不同(由于熱傳導(dǎo)，通常中心溫度高而向邊緣溫度逐浙降低)，電阻率亦不同，這就引起焊接電流繞過較熱部分金屬呈現(xiàn)繞流現(xiàn)象，進一步促進電流場向邊緣擴展。 焊件的內(nèi)部電阻可由下式近似確定：4d222021TwKKR (16)式中 K1 邊緣效應(yīng)引起電流場擴展的系數(shù)； K2 繞流現(xiàn)象引起電流場擴展的系數(shù)； T焊接區(qū)金屬的電阻率； 單個焊件的厚度； d0 電極與悍件接觸面直徑。綜上所述，邊緣效應(yīng)、繞流現(xiàn)象，均使點焊時焊件的導(dǎo)電范圍不能只限制在以電極捍件接觸面為底的圓柱體內(nèi)，而要向外有所擴展，因而使悍件的

9、內(nèi)部電阻比圓柱體所具有的電阻要小。凡是影響電流場分布的因素必然影響內(nèi)部電阻2Rw，這些因素可歸納為：金屬材料的熱物理性質(zhì)()、機械性能()、點焊規(guī)范參數(shù)及特征(電極壓力Fw及硬、軟規(guī)范)和焊件厚度()等。 應(yīng)該指出，點焊加熱過程中，焊接區(qū)這一不均勻加熱的非線性空間導(dǎo)體，其形態(tài)和溫度分布始終處于不斷變化中。焊件的內(nèi)部電阻2rw也具有復(fù)雜的變化規(guī)律。 3總電阻R 不同的金屬材料在加熱過程中焊接區(qū)動態(tài)總電阻r的變化規(guī)律相差甚大。不銹鋼、鈦合金等材料呈單調(diào)下降的特性；鋁及鋁合金在加熱初期呈迅速下降后趨于穩(wěn)定；而低碳鋼在點焊加熱過程中其總電阻r的變化曲線上卻明顯的有一峰值。金屬加熱狀態(tài)圖典型材料的動態(tài)電

10、阻比較1低碳鋼 2不銹鋼 3鋁低碳鋼動態(tài)電阻曲線 低碳鋼典型動態(tài)電阻曲線下降段(t0t1)由于接觸電阻的迅速降低及消失所造成上升段(t1t2)隨著加熱進行，焊接區(qū)溫度升高，金屬電阻率增加很快 再次下降段(t2t3) 平穩(wěn)段(t3以后) 實際生產(chǎn)中可以利用低碳鋼點焊加熱過程中這一電阻變化規(guī)律進行質(zhì)量監(jiān)測或監(jiān)控，稱“動態(tài)電阻法”。 二、點焊時的加熱的影響二、點焊時的加熱的影響1.電阻對點焊加熱的影響 內(nèi)部電阻2Rw的析熱量約占內(nèi)部熱源Q的9095，是形成熔核的熱量基礎(chǔ)。同時，內(nèi)部電阻2Rw與其上所形成的電流場，共同影響點焊時的加熱特點及焊接溫度場的形態(tài)相變化規(guī)律。 點焊時的電阻是產(chǎn)生內(nèi)部熱源電阻熱

11、的基礎(chǔ)，是形成焊接溫度場的內(nèi)在因素。 2.電流場及其對點焊加熱的影響 焊接電流是產(chǎn)生內(nèi)部熱源電阻熱的外部條件，它通過二個途徑對點焊的加熱過程施加影響。其一，調(diào)節(jié)焊接電流有效值的大小會使內(nèi)部熱源的析熱量發(fā)生變化，影響加熱過程；其二，焊接電流在內(nèi)部電阻2Rw上所形成的電流場分布特征，將使焊接區(qū)各處加熱強度不均勻，從而影響點焊的加熱過程。 3點焊時的熱平衡Q21QQQ5432QQQQ5431QQQQQ1Q2Q3Q4QQ點焊時，焊接區(qū)析出的熱量 并不能全部用來熔化母材金屬，其中大部分將因向鄰近物質(zhì)的熱傳導(dǎo)、輻射而損失掉。其熱平衡方程式如下：即 溶化母材金屬形成熔核的熱量；由于散熱而損失的熱量；通過電極

12、熱傳導(dǎo)損失的熱量；的大小取決于焊接規(guī)范特征和金屬的熱物理性質(zhì)。 通過對流、輻射散失到空氣介質(zhì)中的熱量。一般認為，點焊熱平衡組成 焊接電流有效值計算簡圖4點焊時的溫度場 溫度場是某一時刻下焊件上各點溫度的總稱，是點焊加熱過程中析熱和散熱相互作用的結(jié)果，也是最終決定熔核形狀、尺寸及位置的本質(zhì)因素。 目前用實驗方法測量點焊溫度場仍存在著一定困難，這不僅因為焊點尺寸小而又被粗大的電極遮蓋，同時也在于溫度對時間的變化非常之快和溫度的分布極不均勻。 用數(shù)值法(采用有限單元法)對溫度場的熱傳導(dǎo)微分方程求近似解，用所得數(shù)據(jù)繪制出斷電時刻溫度場分布圖形。 點焊斷電時的溫度場（電子計算機計算數(shù)據(jù)繪制）熔核形狀與規(guī)

13、范特征的關(guān)系1硬規(guī)范 2軟規(guī)范1.3對焊時的電阻及加熱對焊時的電阻及加熱對焊分為電阻對焊和閃光對焊二種。一、電阻對焊時的電阻及加熱特點一、電阻對焊時的電阻及加熱特點電阻對焊焊接區(qū)總電阻R由焊件間接觸電阻Rc及焊件本身的內(nèi)部電阻2Rw共同組成(參見l1b)。即 RRc十2Rw)1(ttRrciirttSlmRTw22這里，按觸電阻Rc與點焊時的接觸電阻具有相同的特征。室溫下的Rc可用式（15）來計算，而焊接過程中的變化值，可用下式近似估算： 瞬時的接觸電阻； 某瞬時間； 焊接時間。焊件內(nèi)電阻2Rw可由下式確定： 式中 m趨表效應(yīng)系數(shù)； l焊件的調(diào)伸長度； S焊件的截面積。二、閃光對焊時的電阻及加

14、熱特點 閃光對焊焊接區(qū)總電阻仍可用RRc+Rw表示之。焊件內(nèi)部電阻亦可出式(119)近似估算，T可根據(jù)閃光對焊時溫度分布曲線來確定。 閃光對焊時的接觸電阻Rc取決于同一時間內(nèi)對口端面上存在的液體過梁數(shù)目、它們的橫截面面積以及各過梁上電流線收縮所引起的電阻增加。Rc可按以下經(jīng)驗公式近似予以計算 （124）式中K7考慮鋼材性質(zhì)的系數(shù)。對碳鋼、低合金鋼K71，對奧氏體鋼K71.1； 閃光速度，單位為cm/s； j電流密度，j單位為A/mm2。)(109500631327jvSKRfc 閃光對焊時的總電阻r變化規(guī)律見圖。閃光對焊時的接觸電阻rc較大，在焊鋼時約為1001500，并在閃光過程中始終存在。隨著閃光過程的進行，零件的接近速度加大、液態(tài)過梁的數(shù)目和橫截面面積增大，導(dǎo)致rc減小。焊件內(nèi)部電阻2rw，由于光閃時的加熱而增大，但始終小于rc。在整個閃光階段由于rc的降低超過2 rw的增加，故總電阻r呈下降趨勢。頂鍛開始時由于兩零件端面相互接觸、液態(tài)過梁突然消失，因而r急劇下降，以后的變化規(guī)律同于2rw。 由于電阻的上述特點，閃光對焊時接觸電阻Rc對加熱起主要作