第1章電阻焊的加熱

1、電阻焊（resistance welding）： 焊件組合后通過(guò)電極施加壓力壓力，利用電流通過(guò)接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱電阻熱進(jìn)行焊接的方法。又稱(chēng)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(gè)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(diǎn)、焊縫或?qū)咏宇^。因此，適當(dāng)?shù)臒釞C(jī)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(lèi)電阻焊分類(lèi)1.1電阻焊的熱源及其特點(diǎn)電阻焊的熱源及其特點(diǎn)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(shí)，當(dāng)焊接電流通過(guò)兩電極間的金屬區(qū)域焊接區(qū)時(shí)，由于焊接區(qū)具有電阻，亦會(huì)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(shí)間。QrdtiQt02由于在電阻焊過(guò)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(dá)式為：焊接區(qū)示意圖和等效電路圖a)點(diǎn)焊 b)對(duì)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(duì)于點(diǎn)焊和縫焊，焊接熱源總析熱量還可以寫(xiě)成 dtrrriQwewct)22(

3、02crewr2wr2焊件間接觸電阻的動(dòng)態(tài)電阻值，是時(shí)間的函數(shù)；電極與焊件間接觸電阻的動(dòng)態(tài)電阻值，是時(shí)間的函數(shù)；焊件內(nèi)部電阻的動(dòng)態(tài)電阻值，是時(shí)間的函數(shù)。 對(duì)于對(duì)焊，由于夾鉗電極對(duì)焊件的夾緊力很大，所以電極與焊件間接觸電阻很小。同時(shí)，該電阻又遠(yuǎn)離接合面，其析熱對(duì)加熱過(guò)程所起作用甚小，可忽略不計(jì)。故dtrriQwct)2(02二、電阻焊熱源的特點(diǎn)二、電阻焊熱源的特點(diǎn) 電阻焊熱源產(chǎn)生于焊件內(nèi)部，與熔化焊時(shí)的外部熱源（電弧、氣體火焰）相比，對(duì)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(guò)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(shí)焊接區(qū)要通以強(qiáng)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(diǎn)。 1.2點(diǎn)焊時(shí)的電阻及加熱點(diǎn)焊時(shí)的電阻及加熱、點(diǎn)焊時(shí)的電阻、點(diǎn)焊時(shí)的電阻RRc2Rew2RwR 點(diǎn)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(diǎn)焊電極壓力下所測(cè)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(shí)際接觸點(diǎn) 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(shí)間焊前存放時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)的接觸電阻均接近為零。加熱溫度對(duì)接觸電阻的影響（a）總的電阻分配情況（b）動(dòng)態(tài)電阻分布 存放時(shí)間對(duì)接觸電阻的影響存放時(shí)間對(duì)接觸電阻的影響電極壓力Fw=130N 2電極壓力Fw=610N（測(cè)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(shí)間awccFrRcrcr室溫下的接觸電阻可按以下數(shù)值關(guān)系(經(jīng)驗(yàn)公式)計(jì)算：

7、 ( 15)式中 恒定系數(shù)，F(xiàn)wlkgf時(shí)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(yàn)求得 (5)接觸電阻的計(jì)算2.焊件內(nèi)部電阻焊件內(nèi)部電阻2Rw 電流場(chǎng)與電流密度分布a)導(dǎo)線中的電流場(chǎng)與電流密度分布 b)單塊板中的電流場(chǎng)與電流密度分布 c)點(diǎn)焊時(shí)的電流場(chǎng)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(guò)板件時(shí)，其電流線在板件(單塊板)中間部分將向邊緣擴(kuò)展，使電流場(chǎng)呈現(xiàn)鼓形的現(xiàn)象。顯然，當(dāng)焊接電流通過(guò)重疊的兩焊件時(shí)，由于邊緣效應(yīng)，電極下的電流場(chǎng)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(diǎn)焊加熱是不均勻的，焊接區(qū)內(nèi)各點(diǎn)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(guò)較熱部分金屬呈現(xiàn)繞流現(xiàn)象，進(jìn)一步促進(jìn)電流場(chǎng)向邊緣擴(kuò)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(chǎng)擴(kuò)展的系數(shù)； K2 繞流現(xiàn)象引起電流場(chǎng)擴(kuò)展的系數(shù)； T焊接區(qū)金屬的電阻率； 單個(gè)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(diǎn)焊時(shí)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(kuò)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(chǎng)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(jī)械性能()、點(diǎn)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(diǎn)焊加熱過(guò)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(guò)程中焊接區(qū)動(dòng)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(diǎn)焊加熱過(guò)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(dòng)態(tài)電

10、阻比較1低碳鋼 2不銹鋼 3鋁低碳鋼動(dòng)態(tài)電阻曲線 低碳鋼典型動(dòng)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(jìn)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(shí)際生產(chǎn)中可以利用低碳鋼點(diǎn)焊加熱過(guò)程中這一電阻變化規(guī)律進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測(cè)或監(jiān)控，稱(chēng)“動(dòng)態(tài)電阻法”。 二、點(diǎn)焊時(shí)的加熱的影響二、點(diǎn)焊時(shí)的加熱的影響1.電阻對(duì)點(diǎn)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(shí)，內(nèi)部電阻2Rw與其上所形成的電流場(chǎng)，共同影響點(diǎn)焊時(shí)的加熱特點(diǎn)及焊接溫度場(chǎng)的形態(tài)相變化規(guī)律。 點(diǎn)焊時(shí)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(chǎng)的內(nèi)在因素。 2.電流場(chǎng)及其對(duì)點(diǎn)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(guò)二個(gè)途徑對(duì)點(diǎn)焊的加熱過(guò)程施加影響。其一，調(diào)節(jié)焊接電流有效值的大小會(huì)使內(nèi)部熱源的析熱量發(fā)生變化，影響加熱過(guò)程；其二，焊接電流在內(nèi)部電阻2Rw上所形成的電流場(chǎng)分布特征，將使焊接區(qū)各處加熱強(qiáng)度不均勻，從而影響點(diǎn)焊的加熱過(guò)程。 3點(diǎn)焊時(shí)的熱平衡Q21QQQ5432QQQQ5431QQQQQ1Q2Q3Q4QQ點(diǎn)焊時(shí)，焊接區(qū)析出的熱量 并不能全部用來(lái)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(guò)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(guò)對(duì)流、輻射散失到空氣介質(zhì)中的熱量。一般認(rèn)為，點(diǎn)焊熱平衡組成 焊接電流有效值計(jì)算簡(jiǎn)圖4點(diǎn)焊時(shí)的溫度場(chǎng) 溫度場(chǎng)是某一時(shí)刻下焊件上各點(diǎn)溫度的總稱(chēng)，是點(diǎn)焊加熱過(guò)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(shí)驗(yàn)方法測(cè)量點(diǎn)焊溫度場(chǎng)仍存在著一定困難，這不僅因?yàn)楹更c(diǎn)尺寸小而又被粗大的電極遮蓋，同時(shí)也在于溫度對(duì)時(shí)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(duì)溫度場(chǎng)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(shí)刻溫度場(chǎng)分布圖形。 點(diǎn)焊斷電時(shí)的溫度場(chǎng)（電子計(jì)算機(jī)計(jì)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(duì)焊時(shí)的電阻及加熱對(duì)焊時(shí)的電阻及加熱對(duì)焊分為電阻對(duì)焊和閃光對(duì)焊二種。一、電阻對(duì)焊時(shí)的電阻及加熱特點(diǎn)一、電阻對(duì)焊時(shí)的電阻及加熱特點(diǎn)電阻對(duì)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(jiàn)l1b)。即 RRc十2Rw)1(ttRrciirttSlmRTw22這里，按觸電阻Rc與點(diǎn)焊時(shí)的接觸電阻具有相同的特征。室溫下的Rc可用式（15）來(lái)計(jì)算，而焊接過(guò)程中的變化值，可用下式近似估算： 瞬時(shí)的接觸電阻； 某瞬時(shí)間； 焊接時(shí)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(zhǎng)度； S焊件的截面積。二、閃光對(duì)焊時(shí)的電阻及加

14、熱特點(diǎn) 閃光對(duì)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(duì)焊時(shí)溫度分布曲線來(lái)確定。 閃光對(duì)焊時(shí)的接觸電阻Rc取決于同一時(shí)間內(nèi)對(duì)口端面上存在的液體過(guò)梁數(shù)目、它們的橫截面面積以及各過(guò)梁上電流線收縮所引起的電阻增加。Rc可按以下經(jīng)驗(yàn)公式近似予以計(jì)算 （124）式中K7考慮鋼材性質(zhì)的系數(shù)。對(duì)碳鋼、低合金鋼K71，對(duì)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(duì)焊時(shí)的總電阻r變化規(guī)律見(jiàn)圖。閃光對(duì)焊時(shí)的接觸電阻rc較大，在焊鋼時(shí)約為1001500，并在閃光過(guò)程中始終存在。隨著閃光過(guò)程的進(jìn)行，零件的接近速度加大、液態(tài)過(guò)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(shí)的加熱而增大，但始終小于rc。在整個(gè)閃光階段由于rc的降低超過(guò)2 rw的增加，故總電阻r呈下降趨勢(shì)。頂鍛開(kāi)始時(shí)由于兩零件端面相互接觸、液態(tài)過(guò)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(diǎn)，閃光對(duì)焊時(shí)接觸電阻Rc對(duì)加熱起主要作