点焊焊接参数及其相互关系的研究

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摘 要：研究点焊过程的各参数的作用及相互关系，以及参数设计的各种规范，最终结合研究结果及现场试验效果，得出工厂实用参数设定值。

关键词：电阻点焊；低碳钢板；工艺参数；拉剪载荷；汽车纵梁

中图分类号：P755.1

1.前言

随着科学技术的发展，电阻点焊作为电阻焊重要的一种焊接技术，越来越受到焊接界的青睐。与此同时，焊接自动化的发展为点焊技术的发展提供了广阔的前景。点焊机能在焊接技术中占如此重要的地位，归结于它的特性：低能耗、低成本、高质量、高效率且便于实现自动化、使用方便。为了更好的在汽车纵梁合梁过程中使用点焊工艺，就有必要对点焊焊接参数及其相互的关系进行研究。

2.点焊焊接循环

焊接循环（welding cycle），在电阻焊中是指完成一个焊点（缝）所包括的全部程序。图1是一个较完整的复杂点焊焊接循环，由加压，…，休止等十个程序段组成，I、F、t中各参数均可独立调节，它可满足常用（含焊接性较差的）金属材料的点焊工艺要求。当将I、F、t中某些参数设为零时，该焊接循环将会被简化以适应某些特定材料的点焊要求。当其中I1、I3、Fpr、Ffo、t2、t3、t4、t6、t7、t8均为零时，就得到由四个程序段组成的基本点焊焊接循环，该循环是目前应用最广的点焊循环，即所谓“加压-焊接-维持-休止”的四程序段点焊或电极压力不变的单脉冲点焊。

3.点焊焊接参数

点焊焊接参数的选择，主要取决于金属材料的性质、板厚、结构形式及所用设备的特点（能提供的焊接电流波形和压力曲线），工频交流点焊在点焊中应用最为广泛且主要采用电极压力不变的单脉冲点焊。

3.1 焊接电流I

焊接时流经焊接回路的电流称为焊接电流，一般在数万安培（A）以内。焊接电流是最主要的点焊参数。调节焊接电流对接头力学性能的影响如图2所示。

AB段 曲线呈陡峭段。由于焊接电流小使热源强度不足而不能形成熔核或熔核尺寸甚小，因此焊点拉剪载荷较低且很不稳定。

BC段 曲线平稳上升。随着焊接电流的增加，内部热源发热量急剧增大（Q∝I2），熔核尺寸稳定增大，因而焊点拉剪载荷不断提高；临近C点区域，由于板间翘离限制了熔核直径的扩大和温度场进入准稳态，因而焊点拉剪载荷变化不大。

CD段 由于电流过大使加热过于强烈，引起金属过热、喷溅、压痕过深等缺陷，接头性能反而降低。

图2还表明，焊件越厚BC段越陡峭，即焊接电流的变化对焊点拉剪载荷的影响越敏感。

3.2 焊接时间t

自焊接电流接通到停止的持续时间，称焊接通电时间，简称焊接时间。点焊时t一般在数十周波（1周波=0.02s）以内。焊接时间对接头力学性能的影响与焊接电流相似（图3）。但应注意二点：

3.2.1 C点以后曲线并不立即下降，这是因为尽管熔核尺寸已达饱和，但塑性环还可有一定扩大，再加之热源加热速率较和缓，因而一般不会产生喷溅。

3.2.2 焊接时间对接头塑性指标影响较大，尤其对承受动载或有脆性倾向的材料（可淬硬钢、铝合金等），较长的焊接时间将产生较大的不良影响。

3.3 电极压力Fw

点焊时通过电极施加在焊件上的压力一般要数千牛（N）。图4表明，当电极压力过小时，由于焊接区金属的塑性变形范围及变形程度不足，造成因电流密度过大而引起加热速度增大而塑性环又来不及扩展，从而产生严重喷溅。这不仅使熔核形状和尺寸发生变化，而且污染环境和不安全，这是绝对不允许的。电极压力过大时将使焊接区接触面积增大，总电阻和电流密度均减小，焊接散热增加，因此熔核尺寸下降，严重时会出现未焊透缺陷。一般认为，在增大电极压力的同时，适当加大焊接电流或焊接时间，以维持焊接区加热程度不变。同时，由于压力增大，可消除焊件装配间隙、刚性不均匀等因素引起的焊接区所受压力波动对焊点强度的不良影响。此时，不仅使焊点强度维持不变，稳定性亦可大为提高。

4. 焊接参数间相互关系及选择

点焊时，各焊接参数的影响是相互制约的。当电极材料、端面形状和尺寸选定以后，焊接参数的选择主要是考虑焊接电流、焊接时间及电极压力，这是形成点焊接头的三大要素，其相互配合可有两种方式。

4.1 焊接电流和焊接时间的适当配合

这种配合是以反映焊接区加热速度快慢为主要特征。当采用大焊接电流、短焊接时间参数时，称硬规范；而采用小焊接电流、适当长焊接时间参数时，称软规范。

软规范的特点：加热平稳，焊接质量对焊接参数波动的敏感性低，焊点强度稳定；温度场分布平缓，塑性区宽，在压力作用下易变形，可减少熔核内喷溅、缩孔和裂纹倾向；对有淬硬倾向的材料，软规范可减小接头冷裂纹倾向；所用设备装机容量小，控制精度不高，因而较便宜。但是，软规范易造成焊点压痕深，接头变形大，表面质量差，电极磨损快，生产效率低，能量损耗较大。

硬规范的特点与软规范基本相反，在一般情况下，硬规范适用于铝合金、奥氏体不锈钢、低碳钢及不等厚度板材的焊接；而软规范较适用于低合金钢、可淬硬钢、耐热合金、钛合金等。

应该注意，调节I、t使之配合成不同的硬、软规范时，必须相应改变电极压力Fw，以适应不同加热速度及满足不同塑性变形能力的要求。硬规范时所用电极压力显著大于软规范焊接时的电极压力。

4.2焊接电流和电极压力的适当配合

这种配合是以焊接过程中不产生喷溅为主要原则，这是目前国外几种常用电阻点焊规范（RWMA、MIL Spec、BWRA等）的制定依据。根据这一原则制定的I-Fw关系曲线，称喷溅临界曲线（图5）。曲线左半区为无喷溅区，这里Fw大而I小，但焊接压力选择过大会造成固相焊接（塑性环）范围过宽，导致焊接质量不稳定；曲线右半区为喷溅区，因为电极压力不足，加热速度过快而引起喷溅，使接头质量严重下降和不能安全生产。

当将规范选在喷溅临界曲线附近（无喷溅区内）时，可获得最大熔核和最高拉伸载荷。同时，由于降低了焊机机械功率，也提高了经济效果。当然，在实际应用这一原则时，应将电网电压、加压系统等的允许波动带来的影响考虑在内。

以上讨论的两种情况，其结果常以金属材料点焊焊接参数表、列线图、曲线图和规范尺等形式表现出来，但在实际使用这些资料时均需进行试验修正。

5.结论

通过对上述参数及规范的研究，并且现场试验后， 8mm厚外梁与7mm厚内梁，材质为低碳钢 的纵梁进行合梁作业时，各焊接参数设定如下：【电流频率为 50Hz 时，一周波=1/50=0.02 秒】

加压时间调至 5 周波 [可调范围 2-20 周波]

预热时间调至 20 周波 [可调范围 15-25 周波]

预热电流调至 12 千安 [可调范围12-13 千安]

冷却时间设定在 3-5 周波

焊接时间设定为 30 周波 [可调范围 30-99 周波]

焊接电流设定为 20 千安 [可调范围10-30 千安]

通过以上参数的确定，在加工过程中可以无飞溅、表面质量优、拉剪载荷达到工艺要求、生产效率最优的完成合梁作业。在研究过程中积累的经验有助于在纵梁厚度改变时，快速设计出相匹配的焊接参数。

参考文献

1、中国机械工程学会焊接学会电阻焊（）专业委员会.电阻焊理论与实践.北京：机械工业出版社，1994.1

2 林之宝，黎明，吴林.计算机在焊接中应用现状及发展前景.焊接，1998（1）：2～4

3 于宝晨，郭迎春，张轶傅.OBM2D120微处理机在多点焊机中的应用.电焊机，1987（4）：18～20