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點焊機的工作原理

點焊機的工作原理

  焊件組合后通過電極施加壓力,利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區域產生的電阻熱進行焊接的方法稱為電阻焊。電阻焊具有生產效率高、低成本、節省材料、易于自動化等特點,因此廣泛應用于航空、航天、能源、電子、汽車、輕工等各工業部門,是重要的焊接工藝之一。



一、焊接熱的產出及影響因素

點焊時產生的熱量由下式決定:Q=IIRt(J)————(1)

式中:Q——產生的熱量(J)、I——焊接電流(A)、R——電極間電阻(歐姆)、t——焊接時間(s)


    1.電阻R及影響R的因素

電極間電阻包括工件本身電阻Rw,兩工件間接觸電阻Rc,電極與工件間接觸電阻Rew.即R=2Rw+Rc+2Rew——

當工件和電極一定時,工件的電阻取決與它的電阻率.因此,電阻率是被焊材料的重要性能.電阻率高的金屬其導電性差(如不銹鋼)電阻率低的金屬其導電性好(如鋁合金)。因此,點焊不銹鋼時產熱易而散熱難,點焊鋁合金時產熱難而散熱易.點焊時,前者可用較小電流(幾千安培),而后者就必須用很大電流(幾萬安培)。電阻率不僅取決與金屬種類,還與金屬的熱處理狀態、加工方式及溫度有關。

接觸電阻存在的時間是短暫,一般存在于焊接初期,由兩方面原因形成:

    1)工件和電極表面有高電阻系數的氧化物或臟物質層,會使電流遭到較大阻礙。過厚的氧化物和臟物質層甚至會使電流不能導通。

    2)在表面十分潔凈的條件下,由于表面的微觀不平度,使工件只能在粗糙表面的局部形成接觸點。在接觸點處形成電流線的收攏。由于電流通路的縮小而增加了接觸處的電阻。

電極與工件間的電阻Rew與Rc和Rw相比,由于銅合金的電阻率和硬度一般比工件低,因此很小,對熔核形成的影響更小,我們較少考慮它的影響。


    2.焊接電流的影響

從公式(1)可見,電流對產熱的影響比電阻和時間兩者都大。因此,在焊接過程中,它是一個必須嚴格控制的參數。引起電流變化的主要原因是電網電壓波動和交流焊機次級回路阻抗變化。阻抗變化是因為回路的幾何形狀變化或因在次級回路中引入不同量的磁性金屬。對于直流焊機,次級回路阻抗變化,對電流無明顯影響。


    3.焊接時間的影響

為了保證熔核尺寸和焊點強度,焊接時間與焊接電流在一定范圍內可以相互補充。為了獲得一定強度的焊點,可以采用大電流和短時間(強條件,又稱硬規范),也可采用小電流和長時間(弱條件,也稱軟規范)。選用硬規范還是軟規范,取決于金屬的性能、厚度和所用焊機的功率。對于不同性能和厚度的金屬所需的電流和時間,都有一個上下限,使用時以此為準。


    4.電極壓力的影響

電極壓力對兩電極間總電阻R有明顯的影響,隨著電極壓力的增大,R顯著減小,而焊接電流增大的幅度卻不大,不能影響因R減小引起的產熱減少。因此,焊點強度總隨著焊接壓力增大而減小。解決的辦法是在增大焊接壓力的同時,增大焊接電流。


    5.電極形狀及材料性能的影響

由于電極的接觸面積決定著電流密度,電極材料的電阻率和導熱性關系著熱量的產生和散失,因此,電極的形狀和材料對熔核的形成有顯著影響。隨著電極端頭的變形和磨損,接觸面積增大,焊點強度將降低。


    6.工件表面狀況的影響

工件表面的氧化物、污垢、油和其他雜質增大了接觸電阻。過厚的氧化物層甚至會使電流不能通過。局部的導通,由于電流密度過大,則會產生飛濺和表面燒損。氧化物層的存在還會影響各個焊點加熱的不均勻性,引起焊接質量波動。因此徹底清理工件表面是保證獲得優質接頭的必要條件。


二、熱平衡及散熱


點焊時,產生的熱量只有一小部分用于形成焊點,較大部分因向臨近物質傳導或輻射而損失掉了,其熱平衡方程式:

           Q=Q1+Q2————(3)其中:Q1——形成熔核的熱量、Q2——損失的熱量

有效熱量Q1取決與金屬的熱物理性能及熔化金屬量,而與所用的焊接條件無關。Q1=10%-30%Q,導熱性好的金屬(鋁、銅合金等)取下限;電阻率高、導熱性差的金屬(不銹鋼、高溫合金等)取上限。損失熱量Q2主要包括通過電極傳導的熱量(30%-50%Q)和通過工件傳導的熱量(20%Q左右)。輻射到大氣中的熱量5%左右。


三、焊接循環

    點焊和凸焊的焊接循環由四個基本階段(如圖點焊過程):

    1)預壓階段——電極下降到電流接通階段,確保電極壓緊工件,使工件間有適當壓力。

    2)焊接時間——焊接電流通過工件,產熱形成熔核。

    3)維持時間——切斷焊接電流,電極壓力繼續維持至熔核凝固到足夠強度。

    4)休止時間——電極開始提起到電極再次開始下降,開始下一個焊接循環。


    為了改善焊接接頭的性能,有時需要將下列各項中的一個或多個加于基本循環:

    1)加大預壓力以消除厚工件之間的間隙,使之緊密貼合。

    2)用預熱脈沖提高金屬的塑性,使工件易于緊密貼合、防止飛濺;凸焊時這樣做可以使多個凸點在通電焊接前與平板均勻接觸,以保證各點加熱的一致。

    3)加大鍛壓力以壓實熔核,防止產生裂紋或縮孔。

    4)用回火或緩冷脈沖消除合金鋼的淬火組織,提高接頭的力學性能,或在不加大鍛壓力的條件下,防止裂紋和縮孔。


四、焊接電流的種類和適用范圍

    1.交流電可以通過調幅使電流緩升、緩降,以達到預熱和緩冷的目的,這對于鋁合金焊接十分有利。交流電還可以用于多脈沖點焊,即用于兩個或多個脈沖之間留有冷卻時間,以控制加熱速度。這種方法主要應用于厚鋼板的焊接。

    2.直流電主要用于需要大電流的場合,由于直流焊機大都三相電源供電,避免單相供電時三相負載不平衡。


五、金屬電阻焊機的焊接性


    下列各項是評定電阻焊焊接性的主要指標:

    1.材料的導電性和導熱性電阻率小而熱導率大的金屬需用大功率焊機,其焊接性較差。

    2.材料的高溫強度高溫(0.5-0.7Tm)屈服強度大的金屬,點焊時容易產生飛濺,縮孔,裂紋等缺陷,需要使用大的電極壓力。必要時還需要斷電后施加大的鍛壓力,焊接性較差。

    3.材料的塑性溫度范圍塑性溫度范圍較窄的金屬(如鋁合金),對焊接工藝參數的波動非常敏感,要求使用能精確控制工藝參數的焊機,并要求電極的隨動性好。焊接性差。

    4.材料對熱循環的敏感性在焊接熱循環的影響下,有淬火傾向的金屬,易產生淬硬組織,冷裂紋;與易熔雜質易于形成低熔點的合金易產生熱裂紋;經冷卻作強化的金屬易產生軟化區。防止這些缺陷應該采取相應的工藝措施。因此,熱循環敏感性大的金屬焊接性也較差。
 

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