闪光对焊的基本原理及方法和工艺.wps

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1、闪光对焊的基本原理及方法和工艺闪光对焊的基本原理及方法和工艺闪光对焊可分为连续闪光对焊和预热闪光对焊。连续闪光对焊由两个主要阶段组成：闪光阶段和顶锻阶段。预热闪光对焊只是在闪光阶段前增加了预热阶段。(一)闪光对焊的两个阶段1闪光阶段闪光的主要作用是加热工件。在此阶段中，先接通电源，并使两工件端面轻微接触，形成许多接触点。电流通过时，接触点熔化，成为连接两端面的液体金属过梁。由于液体过梁中的电流密度极高，使过梁中的液体金属蒸发、过梁爆破。随着动夹钳的缓慢推进，过梁也不断产生与爆破。在蒸气压力和电磁力的作用下，液态金属微粒不断从接口间喷射出来，形成火花急流闪光。在闪光过程中，工件逐渐缩短，端头温度

2、也逐渐升高。随着端头温度的升高，过梁爆破的速度将加快，动夹钳的推进速度也必须逐渐加大。在闪光过程结束前，必须使工件整个端面形成一层液态金属层，并在一定深度上使金属达到塑性变形温度。由于过梁爆破时所产生的金属蒸气和金属微粒的强烈氧化，接口间隙中气体介质的含氧量减少，其氧化能力可降低，从而提高接头的质量，但闪光必须稳定而且强烈。所谓稳定是指在闪光过程中不发生断路和短路现象。断路会减弱焊接处的自保护作用，接头易被氧化。短路会使工件过烧，导致工件报废。所谓强烈是指在单位时间内有相当多的过梁爆破。闪光越强烈，焊接处的自保护作用越好，这在闪光后期尤为重要。2顶锻阶段在闪光阶段结束时，立即对工件施加足够的顶

3、锻压力，接口间隙迅速减小过梁停止爆破，即进入顶锻阶段。顶锻的作用是封闭工件端面的间隙和液体金属过梁爆破后留下的火口，同时挤出端面的液态金属及氧化夹杂物，使洁净的塑性金属紧密接触，并使接头区产生一定的塑性变形，以促进再结晶的进行，形成共同晶粒、获得牢固的接头。闪光对焊时在加热过程中虽有熔化金属，但实质上是塑性状态焊接。 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工件，然后再进入闪光和顶锻阶段。预热的目的如下：(1)减小需用功率 可以在小容量的焊机上焊接断面面积较大的工件，因为当焊机容量不足时，若不先将工件预热到一定温度，就不可能激发连续的闪光过程。此时，预热是不得已而采取的手段。(2)降

4、低焊后的冷却速度 这将有利于防止淬火钢接头在冷却时产生淬火组织和裂纹。(3)缩短闪光时间 可以减少闪光留量，节约贵重金属。预热的不足之处是：(1)延长了焊接周期，降低了生产率；(2)使过程的自动化更加复杂；(3)预热控制较困难。 预热程度若不一致，就会降低接头质量的稳定性。(二)闪光对焊的电阻和加热闪光对焊时的接触电阻 Rc 即为两工件端面间液体金属过梁的总电阻，其大小取决于同时存在的过梁数及其横断面积。后两项又与工件的横断面积、电流密度和两工件的接近速度有关。随着这三者的增大，同时存在的过梁数及其横截面积将增大，Rc 将减小，闪光对焊的 Rc 比电阻对焊的大得多，并且存在于整个闪光阶段，虽然

5、其电阻值逐渐减小，但始终大于工件的内部电阻，直到顶锻开始瞬间 Rc 才完全消失；Rc 逐渐减小是由于在闪光过程中，随着端面温度的升高，工件接近速度逐渐增大，过梁的数目和尺寸都随之增大的缘故。由于 Rc 大并且存在于整个闪光阶段，所以闪光对焊时接头的加热主要靠Rc。(三)闪光对焊的焊接循环、工艺参数和工件准备1焊接循环闪光对焊的焊接循环如图 67 所示，图中复位时间是指动夹钳由松开工件至回到原位的时间。预热方法有两种：电阻预热和闪光预热。图图 67 闪光对焊的焊接循环闪光对焊的焊接循环a)连续闪光对焊 b)预热闪光对焊t1预热时间 t2闪光时间 t3顶锻时间 t4维持时间t5复位时间 t6有电流

6、顶锻时间 t时间 Fp预热压力 Fu顶锻压力 I电流 S动夹钳位移 f闪光留量 u顶锻留量2工艺参数闪光对焊的主要工艺参数有：伸出长度、闪光电流、闪光留量、 闪光速度、 顶锻留量、 顶锻速度、 顶锻压力、 顶锻电流、夹钳夹持力等。下面介绍各工艺参数对焊接质量的影响及选用原则：(1)伸出长度 l0 和电阻对焊一样，l0影响沿工件轴向的温度分布和接头的塑性变形。此外，随着 l0的增大，使焊接回路的阻抗增大，需用功率也要增大。一般情况下，棒材和厚壁管材 l0=(0；710)d，d 为圆棒料的直径或方棒料的边长。(2)闪光电流 if 和顶锻电流 iu if 取决于工件的断面积和闪光所需要的电流密度jf

7、。 jf的大小又与被焊金属的物理性能、闪光速度、工件断面的面积和形状以及端面的加热状态有关。在闪光过程中，随着 vf 的逐渐提高和接触电阻 Rc的逐渐减小，jf将增大，顶锻时，及。迅速消失，电流将急剧增大到顶锻电流Iu电流的大小取决于焊接变压器的空载电压 U20。因此，在实际生产中一般是给定次级空载电压。选定 U20时，除应考虑上述选择电流时所考虑的因素外，还应考虑焊机回路的阻抗，阻抗大时，U20应相应提高。焊接大断面工件时，有时采用分级调节次级电压的方法，开始时，用较高的 U20来激发闪光，然后降低到适当值。(3)闪光留量 f f选择闪光留量，应满足在闪光结束时整个工件端面有一熔化金属层，同

8、时在一定深度上达到塑性变形温度。如果f过小，则不能满足上述要求，会影响焊接质量。 f过大，又会浪费金属材料、 降低生产率。 在选择f时还应考虑是否有预热，因预热闪光对焊的f可比连续闪光对焊小 3050。(4)闪光速度 vf 足够大的闪光速度才能保证闪光的强烈和稳定。 但 vf过大会使加热区过窄，增加塑性变形的困难。同时，由于需要的焊接电流增加，会增大过梁爆破后的火口深度，因此将会降低接头质量。 选择vf时还应考虑下列因素：1)被焊材料的成分和性能。含有易氧化元素多的或导电导热性好的材料，vf应较大。 例如焊奥氏体不锈钢和铝合金时要比焊低碳钢时大； 2)是否有预热。有预热时容易激发闪光，因而可提

9、高vf；3)顶锻前应有强烈闪光。 vf应较大，以保证在端面上获得均匀的金属层。(5)顶锻留量 u u 影响液态金属的排除和塑性变形的大小。u 过小时，液态金属残留在接口中，易形成疏松、缩孔、 裂纹等缺陷；u 过大时，也会因晶纹弯曲严重，降低接头的冲击韧度。 u 根据工件断面积选取，随着断面积的增大而增大。顶锻时，为防止接口氧化，在端面接口闭合前不立刻切断电流，因此顶锻留量应包括两部分有电流顶锻留量和无电流顶锻留量，前者为后者的051 倍。(6)顶锻速度 vu 为避免接口区因金属冷却而造成液态金属排除及塑性金属变形的困难，以及防止端面金属氧化顶锻速度越快越好。最小的顶锻速度取决于金属的性能。(7

10、)顶锻压力 Fu Fu 通常以单位面积的压力，即顶锻压强来表示。顶锻压强的大小应保证能挤出接口内的液态金属，并在接头处产生一定的塑性变形。顶锻压强过小，则变形不足，接头强度下降；顶锻压强过大，则变形量过大，晶纹弯曲严重，又会降低接头冲击韧度。顶锻压强的大小取决于金属性能、温度分布特点、顶锻留量和速度、工件端面形状等因素。高温强度大的金属要求大的顶锻压强，增大温度梯度就要提高顶锻压强。由于高的闪光速度会导致温度梯度增大，因此焊接导热性好的金属(铜、铝合金)时，需要大的顶锻压强(150400MPa)。(8)预热闪光对焊参数 除上述工艺参数外，还应考虑预热温度和预热时间。预热温度根据工件断面和材料性

11、能选择，焊接低碳钢时，一般不超过 700900。随着工件断面积增大，预热温度应相应提高。预热时间与焊机功率、工件断面大小及金属的性能有关，可在较大范围内变化。预热时间取决于所需预热温度。预热过程中，预热造成的缩短量很小，不作为工艺参数来规定。(9)夹钳的夹持力Fc 必须保证工件在顶锻时不打滑。 Fc与顶锻压力 Fu 和工件与夹钳间的摩擦系数 f 有关，它们的关系是：。通常 Fc(1540)Fu，断面紧凑的低碳钢取下限，冷轧不锈钢板取上限。当夹具上带有顶撑装置时，夹紧力可以大大降低，此时Fc05F。就足够了。(四)常用金属的闪光对焊所有钢和有色金属几乎都可以进行闪光对焊，但要获得优质接头，还需根

12、据金属的有关特性，采取必要的工艺fFFu C2措施。现分述如下：(1)导电导热性 对于导电导热性好的金属，应采用较大的比功率和闪光速度，较短的焊接时间。(2)高温强度 对于高温强度高的金属，应增大高温塑性区的宽度，采用较大的顶锻压力。(3)结晶温度区间 结晶温度区间越大，半熔化区越宽，应采用较大的顶锻压力和顶锻留量，以便把半熔化区中的熔化金属全部排挤出去，以免留在接头中引起缩孔、疏松和裂纹等缺陷。(4)热敏感性 常见的有两种情况，第一种是淬火钢，焊后接头易产生淬火组织，使硬度增高、塑性降低，严重时会产生淬火裂纹。淬火钢通常采用加热区宽的预热闪光对焊，焊后采用缓慢冷却和回火等措施。第二种是经冷作

13、强化的金属(如奥氏体不锈钢)，焊接时接头和热影响区发生软化，使接头强度降低。焊接此类金属通常采用较大的闪光速度和顶锻压力，以尽量缩小软化区和减轻软化程度。(5)氧化性 接头中的氧化物夹杂对接头质量有严重危害，因此，防止氧化和排除氧化物是提高接头质量的关键。金属的成分不同，其氧化性和生成的氧化物也不同。若生成氧化物的熔点低于被焊金属，这时氧化物有较好的流动性顶锻时容易被排挤出来。若生成氧化物的熔点高于被焊金属，如 SiO2、 Al2O3、 Cr2O3等，就必须在被焊金属还处在熔化状态时，才有可能将它们排出。 因此，在焊接含有较多硅、 铝、铬一类元素的合金钢时，应该采取严格的工艺措施，彻底排除氧化

14、物。下面介绍几种常用金属材料闪光对焊的特点：1碳素钢的闪光对焊这类材料具有电阻系数较高，加热时碳元素的氧化为接口提供保护性气氛 CO 和 CO2，不含有生成高熔点氧化物的元素等优点。因而都属于焊接性较好的材料。随着钢中含碳量的增加，电阻系数增大、结晶区间、高温强度及淬硬倾向都随之增大，因而需要相应增加顶锻压强和顶锻留量。为了减轻淬火的影响，可采用预热闪光对焊，并进行焊后热处理。碳素钢闪光对焊时，由于碳向加热端面扩散并被强烈氧化，以及顶锻时，半熔化区内含碳量高的熔化金属被挤出，所以在接头处形成含碳量低的贫碳层(呈白色，也称亮带)。贫碳层的宽度随着钢含碳量的提高、 预热时间的加长而增宽；随着含碳量

15、的增大和气体介质氧化倾向的减弱而变窄。采用长时间的热处理可以消除贫碳层。用得最多的是碳素钢闪光对焊。只要焊接条件选择适当，一般不会出现困难。甚至对熔焊来说比较难焊的铸铁也是一样。铸铁通常采用预热闪光对焊，用连续闪光对焊容易形成白口。由于含碳量很高，闪光时产生大量的 CO 和 CO2保护气体，自保护作用较强，即使在工艺参数波动很大时，在接口中也只有少量氧化夹杂物。2合金钢的闪光对焊合金元素含量对钢性能的影响和应采取的工艺措施如下：1)钢中的铝、 铬、 硅、 钼等元素易生成高熔点氧化物，应增大闪光和顶锻速度，以减少其氧化。2)合金元素含量增加，高温强度提高，应增加顶锻压强。3)对于珠光体钢，合金元

16、素增加，淬火倾向性就增大，应采取防止淬火脆化的措施。低合金钢的焊接特点与中碳钢相似，具有淬硬倾向，应采用相应的热处理方法。这类钢的高温强度较大，易生成氧化物夹杂，需要采用较高的顶锻压强、较高的闪光和顶锻速度。高碳合金钢除具有高碳钢的特点外，还含有一定数量的合金元素。由于含碳量高，结晶温度区间宽，接口处的半熔区就较宽，如果顶锻压力不足，塑性变形量不够，残留在半熔化区内的液态金属将形成疏松组织。还因含有合金元素，会形成高熔点氧化物夹杂。因此，需要较高的闪光和顶锻速度，较大的顶锻压强和顶锻留量。奥氏体钢的主要合金元素是 Cr 和 Ni，这种钢具有高温强度高、 导电和导热性差、 熔点低(与低碳钢相比)

17、，又有大量易形成高熔点氧化物的合金元素(如 Cr)。因此，要求有大的顶锻压强，高的闪光和顶锻速度。高的闪光速度可以减小加热区，可有效地防止热影响区晶粒急剧长大和抗腐蚀性的降低。3铝及其合金的闪光对焊这类材料具有导电导热性好，熔点低，易氧化且氧化物熔点高、塑性温度区窄等特点，给焊接带来困难。铝合金对焊的焊接性较差，工艺参数选择不当时，极易产生氧化物夹杂、疏松等缺陷，使接头强度和塑性急剧降低。闪光对焊时，必须采用很高的闪光和顶锻速度，大的顶锻留量和强迫成形的顶锻模式，所需比功率也要比钢件大得多。4铜及其合金的闪光对焊铜的导电导热性比铝还好，熔点较高，因而比铝要难焊得多。纯铜闪光对焊时，很难在端面形

18、成液态金属层和保持稳定的闪光过程，也很难获得良好的塑性温度区。为此，焊接时需要很高的最后闪光速度、顶锻速度和顶锻压强。铜合金(如黄铜、 青铜)的对焊比纯铜容易。 黄铜对焊时由于锌的蒸发而使接头性能下降，为了减少锌的蒸发，也应采用很高的闪光速度、顶锻速度和顶锻压强。铝和铜用闪光对焊焊成的过渡接头广泛用于电机行业。由于它们的熔点相差很大，铝的熔化比铜快 45 倍，所以要相应增大铝的伸出长度。铝和铜对焊时，可能形成金属间化合物 CuAl2，增加接头脆性。因此，必须在顶锻时尽可能将 CuAl2从接口中排挤出去。5钛及其合金的闪光对焊钛及其合金闪光对焊的主要问题是由于淬火和吸收气体(氢、 氧、 氮等)而使接头塑性降低。 钛合金的淬火倾向与加入的合金元素有关。若加入稳定卢相元素则淬火倾向增大，塑性将进一步降低。若采用强烈闪光的连续闪光对焊，不加保护气体就可获得满意的接头。当采用闪光、顶锻速度较小的预热闪光焊时，应在Ar 或 He 保护气氛中焊接。 预热温度为 10001200，工艺参数和焊接钢时基本一致，只是闪光留量稍有增加。此时可获得较高塑性的接头。