1、1第二章 闪光焊原理第一节 绪论一、焊接的定义焊接是指通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合力而连接成一体的连接方法。被连接的两个物体（构件、零件）可以是各种同类或不同类的金属、非金属（玻璃、塑料等） ，也可以是一种金属与一种非金属。金属连接在现代工业中具有很重要的实际意义，因此，狭义上讲，焊接通常就是指金属的焊接。二、金属焊接的物理本质和分类焊接过程的本质就是通过适当的物理化学过程消除两待焊物体待焊表面的氧化模及其他污染物，并使两个分离的固态金属产生原子（或分子）间产生结合力。目前找到了许多可行的物理化学方法完成金属焊接，就基本途径而言，可以分为如下几类：(一) 熔
2、化焊接加热被连接的构件使表面局部熔化，然后冷却结晶成一体的方法称为熔化焊接。为了实现熔化焊接，关键是要有一个温度足够高、能量集中的加热热源。熔化焊分类按照热源形式不同主要分为：气焊（以氧、乙炔或其他可燃气体燃烧火焰为热源） ；热剂焊（如铝热剂放热反应热为热源） ；电阻点、缝焊（以焊件本身通电时的电阻热为热源） ；电子束焊（以高速运动的电子束流为热源） ；激光焊（以单色光子束流为热源）等若干种。焊接过程中，局部熔化的高温焊缝金属，因与空气接触很容易造成成分、性能发生不良改变，一般都必须采取有效的隔离空气的保护措施。若按照电极特征分为熔化电极和非熔化电极焊接两大类。（二） 压力焊接焊接过程中，必须
3、对焊件施加压力（加热或不加热） ，以完成焊接的过程。主要通过利用摩擦、扩散和加压等物理作用，克服两个连接表面的间隙，除去（挤走）氧化膜及其他污染物，从而在固态条件下实现金属的焊接。固相焊接时，通常都必须加压，因此，通常这类加压的焊接方法称为压力焊接。为了使固相焊接容易实现，固相焊接大都在加压的同时伴随有加热措施，由于加热温度通常小于材料的熔点，因此，除真空扩散焊外，对固相焊接的保护措施并不常见。压力焊接按照加热方法不同可分为：冷压焊（不采用加热措施的压焊） 、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊、锻焊、扩散焊、电阻对焊、闪光对焊等。压力焊是焊接科学的重要组成部分之一。被广泛应用于航空、航天、原子能、电子技
4、术、汽车、铁路等行业部门。有数据表明，焊接量中，压力焊所完成的量约占总焊接量的三成，并且随着上述行业的发展有逐步增加的趋势。1、压力焊的物理本质静压力、冲击压力或爆炸力等均可作为压力焊所需要的压力来源，该力的大小应由待焊材料、环境及焊件温度等来综合决定。压力的作用将使焊接接头质量有较大的提高。2现在多数压力焊接均为固相焊接，在压力作用下形成一定的塑性变形，通过再结晶和扩散等作用达到原子结合从而形成焊接接头。一般压力焊均辅助有一定的加热手段，其主要作用是可以提高金属的塑性，降低金属变形阻力，显著减小所需压力。同时在高温下，金属原子的活动能力和扩散能力得以大幅度增加，因此促进原子间的相互作用。以铝
5、为例，室温下在 60端面变形度下才可以完成焊接，但将焊件加热到 400时，3的端面变形度即可实现。研究及试验均发现，焊接区金属加热温度越高，焊接所需压力就越小。2、压力焊的分类压力焊的分类较多，包含电阻焊、扩散焊、超声波焊、摩擦焊、旋转焊等，可参看图2-1。电阻焊由点焊、缝焊、对焊等焊接方法组成。钢轨的闪光对焊即属于电阻焊范围内，因此对电阻焊进行较为详细的讲述，而略掉其余压力焊方法。（三）钎焊利用某些熔点低于被连接构件材料熔点的熔化金属（钎料）作连接的媒介物，在连接界面上产生流散浸润作用，然后冷却结晶并形成结合面，这样的焊接方法称为钎焊。为了使钎料熔化，需要一定的热源，同时也需要采取一定的保护
6、措施避免熔化的钎料氧化。钎焊的分类通常按热源形式不同进行，包括火焰钎焊（以氧乙炔燃烧火焰为热源） ；电阻炉钎焊（以电阻炉为热源）等。压力焊电阻焊扩散焊超声波焊摩擦焊旋转焊爆炸焊磁力脉冲焊冷压焊气压焊冰压焊图 2-1 压力焊的分类3第二节 电阻焊一、 电阻焊的本质、分类及发展（一）电阻焊的物理本质电阻焊是焊件组合后，通过电极施加压力利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法称为电阻焊，又称为接触焊。它是压力焊中应用最广的一种焊接方法。焊件的连接面上必须具有足够数量的共同晶粒才能形成一个牢固的焊接接头。电弧焊是利用外部的电弧作热源，使焊件局部熔化，冷却凝固后形成焊缝；电阻焊则利用
7、焊件通电时产生的内部电阻热作热源，加热焊件，且在外力作用下完成焊接过程。电阻焊过程的物理本质是利用焊接区金属本身的电阻热和大量的塑性变形能量，使两个分离表面的金属原子之间接近到晶格距离，形成金属键，在结合面上产生足够量的共同晶粒而得到焊点、焊缝或对接接头。因此，适当的热与机械作用是获得电阻焊优质接头的基本条件。（二）电阻焊的分类电阻焊可将焊件加热到接近或达到熔化状态(例如点焊、缝焊和闪光对焊) ，亦可仅加热到高温塑性状态(例如电阻对焊 )。熔化金属可组成焊缝的主要部分 (例如点焊、缝焊的熔核)，亦可被挤出呈毛刺(例如闪光对焊时)，因此，电阻焊焊缝可以为铸状组织，亦可以为锻状组织。根据所使用的焊
8、接电流波形、接头形式和工艺特点，电阻焊分类如图 2-2 所示。钢轨闪光对焊属于电阻焊中的交流工频对焊（如 K 系列钢轨闪光焊机或移动闪光焊机）或直流对焊（如 GAAS80 系列钢轨闪光焊机） 。（三）电阻焊的优缺点图 2-2 电阻焊的分类电阻焊交流焊 直流焊 脉冲焊低频、工频焊高频焊点焊缝焊对焊对接焊点焊缝焊对焊点焊缝焊对焊电容贮能焊 直流冲击波焊点焊缝焊电阻对焊 闪光对焊 电阻对焊 闪光对焊4电阻焊与其他焊接方法比，具有接头质量高、辅助工序少、无填充材料、工艺过程简单、易于实现机械化及自动化、不需要对焊工进行长期培训、焊接生产率高、成本低、劳动环境较好、污染小等优点。缺点是设备复杂、需配备较
9、高技术等级的维修人员、一次投资费用大、电容量大，且多数为单相焊机，对电网造成不平衡负载严重，必须接入容量较大的电网，对影响强度的某些内在不良（例如点焊的熔核直径及焊透串，对焊的熔合不良和灰斑等）目前尚缺少简便、实用的无损检测手段，因此，一定程度上阻碍了电阻焊的进一步推广应用。综合上述情况，电阻焊主要用于生产批量大的场合，只有这样才能显示出它所具有的高生产率与高经济效益。（四）电阻焊在工业中的应用电阻焊工艺在工业中的应用极为广泛。航空、航天、铁路、汽车车辆、轻工家电、仪器、仪表、量具刃具等部门都得到广泛应用。例如一辆轿车一般有几千个焊点，而一架战斗机则可高至百万焊点。若不采用高生产率的电阻焊，则
10、无法实现年产几十万辆轿车的生产目标。电阻焊的主要用途有三类：1）各种形状相同截面的对接或环状零件的生产。例如建筑钢筋的接长、铁路钢轨的焊接、刃具的异种钢毛坯对接；钢窗框架、自行车轮圈、汽车轮圈、锚链等的生产。2）各种薄板构件的生产。例如轿车外壳拼装，仪表柜、钢家具的生产；油桶、油箱、化工原料盛器、食品罐头等的制造。3）各种冲压件、挤压件之间及其对薄板的装焊。例如物品货架、动物笼、网格栅架、汽车止动阀、电气触头、不锈钢餐具等零部件的生产。（五）电阻焊的发展概况随着相关技术的发展，在电阻焊中新技术的应用日趋广泛，主要为解决下述方面的问题：1、发展节能型设备和工艺。电阻焊机的瞬时功率极大，且较多为单
11、相，因此在大容量设备上正逐步采用三相二次整流、逆变、低频等电源，以平衡电网负荷。在工艺上则发展如薄焊轮缝焊、不带有电顶锻闪光焊、脉动闪光焊等节能型工艺。2、采用计算机技术。随着计算机的飞速发展，电阻焊机的控制部分日益革新，目前已从分离元件经短暂的小规模集成元件时代进入单片机和微机时代。在这方面充分利用计算机的特点，实现了群控、多参数存储、自动补偿电压波动及恒流等以前较难实现的功能。同时随着机电一体化技术的推广应用，电阻焊工艺与机械手和机器人的结合，已广泛应用于轿车焊装等自动化程度高的生产线上。二、电阻焊的加热电阻焊接头是在热和机械联合作用下形成的。电阻焊时的加热，是建立在获得合理的焊接温度场、
12、促进焊接区塑性变形和获得优质连接的基本条件。因此了解电阻焊的热源基础和焊接时的加热特点是很必要的。（一）电阻焊的热源5电阻焊的热源是电阻热。由焦耳定律可知，电流流过导体之后，将产生热量，使导体温度升高。这种现象称为电流的热效应。同样，电阻焊时，当焊接电流通过两电极之间的金属即焊接区时，焊接区具有的电阻（图 2-3）也会产生热量，即是焊件内部热源。图 2-3 焊接区电阻示意图和等效电路R 焊接区总电阻 Rew 电极与焊件间接触电阻 Rw 焊件内部电阻 Rc 焊件间接触电阻由电学原理，焊接区产热可用下公式计算：（2-1）2QIt其中：I焊接电流的有效值；R焊接区总电阻的平均值；t通过焊接电流的时间
13、。在电阻焊过程中，焊件及接触部分温度会有变化，因此其焊接电流和焊接区电阻并非保持不变，此时焊接热源总产热公式变化为：（2-2）20tQird其中：i焊接电流的瞬时值，是时间的函数；r焊接区总电阻的动态电阻值，是时间的函数；t通过焊接电流的时间。对于对焊，由于夹钳电极对焊件的夹紧力很大，所以电极与焊件间接触电阻很小。同时该电阻又远离接合面，其产热对加热过程所起作用很小，可忽略不计。因此产热公式变化为：（2-3）20()tcwQirdt（二）电阻焊热源的特点电阻焊热源产生于焊件内部，与熔化焊时的外部热源（电弧、气体火焰）相比，对焊接区的加热更为迅速、集中。例如电容贮能焊机点焊薄钢板时，焊接区的平均
14、加热速度可达到 106/s 数量级。随着加热速度的提高，将给接头的组织与性能带来很多影响。比如由于升温降温速度极快，碳元素来不及扩散均匀，20 号低碳钢点焊接头中会发现很难出现的马氏体组织。6内部热源使整个焊接区发热，为获得合理的温度分布，散热作用在电阻焊的加热中具有重要意义。在点焊、对焊中，主要依靠内部水冷的铜合金电极对焊接区的急冷作用来体现；缝焊中，为进一步提高散热效果、保证焊接质量，还需要冷却水直接冲刷焊接区。电阻焊的加热过程与金属材料的热物理性质（尤其是材料的导电性和导热性）关系密切。一般说，导电性，导热性良好的金属材料（铝、铜合金等） ，由于产热少而散热快，其焊接性较差；而导电性、导
15、热性差的金属材料（低碳钢等）则易于焊接。产生电阻热的内在条件是焊接区具有一定的电阻，产生电阻热的外部条件是电阻焊接区要通以强大的焊接电流。由于该热源产生于焊件内部，其具有内部热源的特点。（三）对焊时的电阻及加热方式对焊分为电阻对焊和闪光对焊两种，两种对焊各自的电阻及产热各有特点。1、电阻对焊时的电阻及加热特点电阻对焊焊接区总电阻 R 由焊件间接触电阻 Rc 及焊件本身的内部电阻 2Rw 共同组成。如前所述，该电阻可用下式表述：RR c+2Rw （2-4 ）对焊的接触电阻在焊接过程中也是不断变化的，这个值可以采用下式估算：（2-5 ）式中： 为 瞬时的接触电阻；trtt焊接时间。焊件的内部电阻2
16、Rw 2mT L/S （2-6）其中：m为趋表效应系数， m 与焊件直径 D 及电流密度 i 有关；L为焊件的伸出长度；S为焊件的截面积。对于电阻对焊的接触电阻接触面微观不平或存在阻碍导电的物质，所以电流在流过接触面附近时电流线会产生扭曲，使实际导电面积缩小而引起的附加电阻称为接触电阻(图 2-4)。接触电阻值随焊件间压力的增加而减小，随温度的上升而下降，并在某温度趋向于消失。这是由于焊件的材料产生了变形，实际导电面积增加所致。室温时的接触电阻可用下列经验公式计算：（2-7）10aCcFRr式中：R c室温时的接触电阻；rc当 F=10N 时的接触电阻，其值与表面状态有关，是实测统计所得的常数
17、，低碳钢为 0.0050.006 铝合金为 0.0010.002。F焊件间所作用的压力(N)；a与材料有关的指数，钢为 0.650.75，铝为0.750.85。)t1(ct7图 2-4 接触电阻形成机理A）表面不平引起的电流线弯曲 B）表面氧化膜而引起的电流线弯曲接触电阻尚有下述特性：当压力增大时，接触电阻下降。而压力再下降时，接触电阻虽上升但不能恢复到原值。这是因为部分触点的产生了塑性变形，导致导电面积无法恢复到压力加大之前，这个现象称“滞后” 。一般情况下，焊件内部的电阻对加热起主要作用。接触电阻析出的热量仅占总热量的1015，但这部分热量集中在对焊面，能使对焊面温度迅速升高，从而使变形集
18、中有利于焊接。因此电阻对焊时候的温度场可看成是两个热源在焊接过程中叠加的温度场。电阻对焊时，对焊面的焊接温度通常约为焊接金属材料熔点的 8090。当伸出长度较大时，焊接区可分为三个区域：A 区温度最高且温度梯度大、区域范围窄小。B 区温度基本是均匀的。C 区由于电极的散热作用强烈，温度逐渐降低。如果伸出长度较小由于电极的散热作用，B 区可能消失。同时应当注意，在电阻对焊时，焊件横截面的加热有可能是不均匀的，在焊接大断面或者展开型零件时，这种不均匀性尤为明显。例如，截面 1603mm2 的扁钢时，甚至开始焊接 10s 后，对焊面温差仍然达到 800。2、闪光对焊时的电阻及加热特点闪光对焊的接触电
19、阻取决于同一时间内对焊面上存在的液体过梁的数目、他们的横截面积以及各过梁上电流线收缩所引起的电阻增加。当两焊件缓慢靠近时，端面上仅个别点接触。电流通过这些点时，由于电流密度极高，很快就形成熔化金属小滴(称作过梁) 。当过梁进一步升温气化而爆破后即转入短暂的电弧过程，而后很快熄灭。随着焊件的靠近，在其他凸出部位又形成新的过梁。这种过梁与电弧不断交替的平均电阻值即为闪光对焊的接触电阻。其值可用下列经验公式计算。（2-8）62/31950CkRSJ其中：k与材料性质有关的系数，碳钢取 1，奥氏体钢 1.1；S焊件截面积(cm 2)；8v闪光速度(cms)；J电流密度(Acm 2)。由此可得出如下结论
20、：闪光焊的接触电阻远比焊件导电部分的电阻大，一般为 100150，且在闪光过程中始终存在，不像电阻对焊加热到某温度时将逐渐消失。闪光结束进入顶锻后，此接触电阻立即消失。由于闪光过程的进行，零件的接近速度加大、液态过梁的数目和横截面积增大，这导致接触电阻减小。而焊件内部电阻由于闪光时的加热而增加，不过总量仍小于接触电阻。整个闪光阶段接触电阻的降低超过了焊件内部电阻的增加，从而引起了总电阻的下降。由于闪光焊中接触电阻始终比较大，因此其对加热起到主要作用，其产生的热量占总热量的8590。图 2-5 给出了电阻对焊和闪光对焊时总电阻的变化规律，电阻对焊时焊件电阻随温度上升而上升，接触电阻则在焊接初期即
21、急剧下降趋于零，所以总电阻是先急降后微升。闪光对焊时焊件电阻变化规律与电阻对焊相类似，而接触电阻则仅在闪光过程中略下降而在闪光结束时突然消失，所以总电阻也是先微降而后突降。图 2-5 对焊过程中总电阻的变化规律A）闪光对焊时 B）电阻对焊时R总电阻 Rc两焊件间的接接触电阻 2Rw两焊件导电部分的电阻图 2-6 对焊时温度分布曲线1电阻对焊时 2连续闪光对焊时 3预热闪光对焊时闪光焊接和电阻对焊一样，也是属于两个热源加热过程中叠加的结果。电阻对焊和闪光对焊时的温度场温度曲线如图 2-6 所示。此温度场分析中假设焊件的材料在加热区间的物理常数为定值(一般可把加热区间划分为若干分析区段，每一区段内
22、假设为定值) ，则可应用叠加原理，在各分析区段内把焊件各点的温度看成由下述两部分叠加而成：第一部分RRc2RwR0 tR0 tRRc2RwA B12 39由电流通过待焊接触面电阻析出的热量(可视为面热源) ，经热传导后所达到的温升；第二部分由电流通过焊件本身析出的热量(可视为体热源) ，经热传导后所引起的温升。电阻对焊时上述两部分热量均占一定比重，电阻对焊时温度分布曲线为图中曲线 1，其最高温度根据工艺要求应控制在焊件材料熔点的 90左右。连续闪光对焊时 Rc 上的析热占主导地位，因此总的温度分布曲线较陡，可见曲线 2。预热闪光对焊时的温度分布介于上述二者之间，见曲线 3。闪光对焊时的最高温度
23、根据工艺要求应高于材料的熔点。10第三节 闪光对焊对焊是把两工件端部相对放置，利用焊接电流加热，然后加压完成焊接的电阻焊方法，包括电阻对焊和闪光对焊。闪光对焊：将焊接件装配成对接接头，接通电源，并使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热这些触点（产生闪光） ，使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻力完成焊接的方法。包括连续闪光焊和预热闪光焊两种。图 2-7 及图 2-8 为采用连续闪光焊焊接钢轨现场及焊接后钢轨接头外观。一、闪光对焊过程分析（一）闪光对焊焊接循环一般的闪光对焊的基本程序可以分成预热、闪光(亦称烧化) 、顶锻、保持和休止等阶段。连续闪光对焊时无预
24、热阶段。1、预热 只有预热闪光对焊才有预热阶段。预热可以提高焊件的端面温度，以便在较高的起始速度或较低的设备功率下顺利地开始闪光，并减少闪光留量，节约材料。同时也可以使纵深温度分布较缓慢，加热区增宽，焊件冷却速度减慢，以便顶锻时产生的塑性变形并使液态金属及其面上的氧化物较易排除，同时亦可减弱焊件的淬硬倾向。预热闪光对焊是在闪光阶段之前先以断续的电流脉冲加热焊件，利用短接时的快速加热和间隙时的匀热过程使焊件端面较均匀地加热到预定温度，然后进入闪光和顶锻阶段。一般预热时焊件的接近速度大于连续闪光初期速度，焊件短接后稍延时即快速分开呈开路，即进人匀热期，匀热延时后再原速接近，如此反复直至加热到预定温度。预热可以采用计数(短接次数) 、计时或行程(设预热留量)来控制，各有优缺点。预热结束将焊件的接近速度降低到可强制转入闪光阶段，这样预热的热输入方式和能量可任意调节，且过程转换点稳定。有时亦采用自然转换方式，此时预热时的焊件靠近速度须选用闪光初期的靠近速度。当焊件端面升温到某值时可自然转入闪光，但转换点因网压波动等因素而波动较多，有时在转入闪光后不久又回复到预热状态，虽仍能再转入闪光，但实际闪光留量将有较大变化。闪光正常后图 2-8 钢轨闪光对焊后接头外观图 2-7 焊接钢轨现场
