点焊
出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《焊接技术手册》第331页（7412字）
1．基本原理
将工件组装成搭接接头压紧在两电极之间，利用工件焊接区的电阻热熔化金属并形成焊点。
点焊具有短时间、大电流、在压力状态下进行焊接的工艺特点。由于焊接质量好、效率高、操作简单，因而，广泛地应用于薄板冲压件、金属构件和钢筋网的焊接上，也用于家用电器、电子产品的组合件连接上。
2．点焊过程及参数
(1)点焊过程一般由预压、通电加热和冷却结晶三个阶段组成，如图7－3所示。
图7－3 基本点焊焊接循环
t1－预压阶段 t2－通电加热阶段 t3－冷却结晶阶段
预压阶段的作用是使工件在焊接处达到紧密接触。如果在电流通过开始瞬间的电极压力不够大，则接触电阻很大，极易产生初期飞溅。
通电加热阶段：包括两个过程，在通电加热的初始阶段，接触点扩大，固态金属因加热而膨胀，在焊接压力作用下金属产生塑性变形并挤向板缝，这个塑性变形形成密闭熔核的塑性环，同时使板缝变形分离，从而限制导电面积的扩大，维持焊点的电流密度不变；随着加热的进行，开始出现液态熔核并逐渐长大到要求的熔核尺寸，然后切断电流，停止加热。焊点的剖面情况见图7－4。
7－4 焊点剖面图
第三阶段为锻压阶段，又称冷却结晶阶段。切断电流后，熔核在电极压力作用下，以极快的速度冷却结晶。熔核结晶是在封闭的金属模内(塑性环)进行的，结晶不能自由收缩，电极压力可以使正在结晶的组织变得致密，而不至于产生疏松或裂纹。因此，电极压力必须在结晶完全结束后才能解除。当钢板厚度为1～8mm时，锻压时间一般为0．1～0．5s，电极压力为1．5～10kN。
(2)焊前表面准备：点焊时，电压低，电流大，阻抗小。工件表面的油污、氧化膜将直接影响接触电阻的大小、熔核的形成和电极寿命，使接头强度和生产效率降低。所以，焊前表面清理是点焊的重要工序之一。
常用的清理方法有二大类：
1)机械清理有钢丝刷清除，金刚毡轮抛光，喷沙、喷丸处理。机械清理设备简单，成本低。但生产效率低，清理质量不稳定，焊件表面易划伤，劳动条件差，清理后允许存放时间短。
2)化学清理包括去油、酸洗、钝化等，用于批量生产或氧化膜较厚的黑色金属。这种方法生产效率高、质量稳定、存放时间长。化学清理时，工件上不应有缝隙或搭接缝，以免因腐蚀液冲洗不净而受腐蚀。常用腐蚀液成分及处理规范见表7－2。
表7－2 化学清理腐蚀液成分及规范
(3)电极材料：电极材料对焊接质量及生产效率有很大的影响，一般地讲，电极材料要求耐高温，硬度高，导热率高，耐磨性好，易于加工成形，同时还要考虑价格因素。常用电极材料、性能及用途见表7－3，表7－4。
表7－3 电阻焊电极和附件的材料成分及性能
表7－4 电阻焊电极材料典型用途
(4)点焊规范：点焊规范参数主要包括焊接电流、焊接时间、电极压力、电极工作端面的形状和尺寸等。
1)焊接电流：在其他规范一定时焊接电流有一个合适的范围，过小则熔核尺寸太小，过大会产生飞溅。图7－5给出接头强度与焊接电流的关系。
图7－5 接头拉剪载荷与焊接电流的一般关系
1－板厚1．6mm以上 2－板厚1．6mm以下
2)焊接时间：它表明了焊点产热与散热的关系，其对熔核尺寸的影响规律与焊接电流相似，见图7－6。
图7－6 拉剪载荷与焊接时间的关系
1－板厚1mm 2－板厚5mm
3)电极压力：它将影响焊件的接触电阻、电流密度和塑性变形程度。在其他参数不变的条件下，增大电极压力将减慢加热速度，使焊点熔核尺寸减小而导致强度降低，如图7－7(a)所示。但当电极压力过小时，会造成焊接区塑性变形范围小或变形程度不足，影响焊点质量稳定性。因此一般认为，在增大电极压力的同时，适当加大焊接电流和焊接时间，可使焊点强度的分散性降低，焊点质量较稳定，如图7－7(b)所示。所以点焊正朝着采用大压力、大功率设备的方向发展。
图7－7 焊点拉剪力与电极压力的关系
(a)增大电极压力 (b)增大电极压力时延长焊接时间或增大电流
4)电极工作端面的形状和尺寸：电极头的形状和尺寸影响焊接时电流密度、散热效果、接触面积、焊后工件表面质量。电极端面对熔核大小的影响如图7－8所示。
图7－8 熔核尺寸与电极端面直径de的关系
曲线① 1Cr18Ni9Ti钢；
曲线② BHC2钢；板厚δ=1+1mm
电极端面形状和尺寸通常按照焊件结构形式、焊件厚度及表面质量等因素选取。常用点焊电极端头形状如图7－9所示。
图7－9 点焊电极端头形状
在点焊过程中，电极头产生压溃变形和粘损，需要不断地修锉电极头。同时规定，锥台形电极头端面尺寸的增加Δd＜15%d1时，端面到水冷端距离l1的减小也要控制，低碳钢点焊l1不小于3mm，铝合金点焊l1不小于4mm。
3．常用材料的点焊
判断金属材料的点焊焊接性的重要依据为：材料的导电性和导热性，材料的高温塑性及温度范围，材料对热循环的敏感性，线膨胀系数，另外还有熔点、硬度等。
(1)低碳钢：通常指C＜0．25%的钢材，这类钢材点焊焊接性较好。在板厚δ≤6mm时，采用普通工频交流点焊机，简单焊接循环即可。典型焊接规范见表7－5。
表7－5 低碳钢板点焊规范
注：存在分流时，焊接电流相应增大。
当板厚δ＞6mm时，点焊有困难，需采取下列措施：
1)因焊件刚性大，需要增大电极压力。
2)电流分流加大，需要大容量焊机。
3)厚钢件伸入焊机回路，将减小焊接电流，需要增大焊接电流。
4)电极磨损加剧，需增加修锉电极次数。
(2)中碳钢和低合金钢：一般指C＞0．20%的碳钢和碳当量Cey＞0．30%的低合金钢。由于含碳量增加和加入合金元素，提高了碳当量。由于点焊时冷却速度很高，当低温转变时便会出现淬硬组织。同时，这些钢结晶温度宽，在熔核结晶时易形成热裂纹。这类钢的焊接需采用软规范，以减小冷却速度(表7－6)，或采用焊后热处理的办法，即在第一次加热后，焊点温度降到马氏体转变温度以下，然后第二次脉冲再次加热，从而产生回火效应，以提高焊点的塑性。其规范见表7－7。
表7－6 30CrMnSiA、40CrNiMoA及45钢的单脉冲点焊规范
表7－7 30CrMnSiA、40CrNiMoA及45钢的电极间热处理双脉冲点焊规范
(3)奥氏体不锈钢：一般这类钢导电率低，导热性差，淬硬倾向小和不带磁性，因此点焊焊接性良好。一般采用小电流、短时间、普通工频交流点焊即可。但应注意，不锈钢的高温强度高，须提高电极压力。因不锈钢焊后变形大，故应注意焊接顺序，加强冷却。宜采用短时间加热规范。常用奥氏体不锈钢点焊规范见表7－8。
表7－8 不锈钢点焊的焊接条件(HB／Z78－84)
(4)高温合金：主要有镍基合金和铁基合金两类，具有高的电阻率和高温强度，故只能采用较低的电流和大电极压力。这类合金遇到硫、磷、铝等杂质，易形成低熔点共晶物，冷却时形成晶间裂纹，所以焊接前应仔细进行表面清理，同时应尽量避免重复过热。高温合金GH44、GH33点焊规范见表7－9。
表7－9 高温合金GH44、GH33点焊焊接条件
(5)镀层钢、低碳钢板可采用热浸、电镀等方法镀上一层耐腐蚀金属或合金，其点焊工艺特点如下：
1)镀锌钢：与低碳钢点焊相比，存在如下问题：因为其电流分流较大，焊点的电流密度低，接头强度波动大。镀锌层影响电极工作状况，显着降低电极寿命。同时低熔点的镀锌层，使熔核在结晶过程中产生裂纹和气孔。
为了获得合适尺寸的熔核，焊接时间应比没有镀层的低碳钢增加20%～50%，焊接电流应增加50%，电极压力增加10%～25%。常用点焊规范见表7－10。
表7－10 镀锌钢板的点焊规范(ⅡW推荐)
一般采用电极形状为锥头平面形，电极锥角为140°。电极材料选用铬钢。电极必须有强烈的水冷，水流量一般不低于9L／min。严格按规定时间清理和更换电极。
2)镀铝钢：现通常使用的有两种镀层，一种厚约0．025mm的铝硅合金镀层，用于高温达640℃。另一种厚约0．05mm的纯铝镀层。点焊前，镀铝层表面不需特殊清理，对于油污和其他杂质可用溶剂清洗或钢丝刷轻刷一遍。
焊接电流、焊接时间和电极压力等于或稍高于低碳钢的规范，电极材料与镀锌钢板的相近，不过电极的粘附问题更严重，在预定数量的焊点后，应用160目或240目氧化铝砂布进行修整。常用规范见表7－11。
表7－11 镀铝钢板的点焊规范
(6)铝合金：由于铝合金导电率、导热率大，易生成氧化膜。点焊时，存在点焊接头强度波动大，表面易过热，易形成氧化膜并产生飞溅，塑性温度区窄，易于出现缺陷。
为保证接头质量，铝合金焊接前必须严格清理，接头区焊件表面清理宽度为30～50mm，一般用化学清理具有良好的效果，清理后至施焊时的存放时间不能超过3天。
点焊时，应选用短时间，大电流的硬规范，但应采用较低的电极压力，为使凝固过程有足够的变形和压实效果，可采用阶梯式或鞍形压力曲线。因此，要求点焊时各阶段的时间必须精确控制。由于铝的导热性好，不宜采用多脉冲中规范。铝合金点焊规范见表7－12。
表7－12 铝合金的点焊规范
为了最大限度地减小分流的影响，铝合金焊点间距不应小于板厚的8倍，推荐的间距及搭边宽度见表7－13。
表7－13 铝合金点焊最小的搭边宽度、焊点间距和排间距离(mm)
电极材料，一般应选用电导率和热导率较高的CuCd合金。电极头工作端面应经常清理，加强电极的冷却作用。
(7)钛及钛合金：钛虽然易于在空气中氧化，但在电阻点焊时，熔核金属不直接与空气接触，故不必采用惰性气体保护。钛与钛合金的热物理性能与奥氏体不锈钢相似，其点焊焊接性良好，点焊规范与奥氏体不锈钢相似，钛合金点焊规范见表7－14。
表7－14 钛合金点焊规范
焊前必须去除金属表面氧化膜及杂质，多采用化学处理方法，清理后表面接触电阻降至50～60μΩ。由于接触电阻不允许超过100μΩ，所以酸洗后存放时间一般不允许超过45～50h。
4．点焊时常见问题
(1)点焊时的分流：分流使焊接区的电流密度减小，熔核变小，电流密度还会偏向分流方向，造成局部过热，甚至引起喷溅，因而造成焊点质量波动很大。
影响分流的因素主要有焊点问题、焊接顺序、焊件表面状态、电极与工件非焊接区相接触、焊件装配不良等。解决措施主要有：
1)选择合理的焊点间距。在保证强度的前提下，尽量增大焊点间距，常用金属材料推荐的点距见表7－15。
表7－15 常用金属材料推荐点距
2)严格清理工件表面。
3)对开敞性差的焊件，应采用专用电极或绝缘措施。
4)适当提高焊接电流。
(2)熔核偏移：即熔核不对称于结合面，而偏向厚板或导电、导热性差的焊件侧，使结合面上的结合尺寸小于熔核尺寸，而造成强度下降，如图7－10所示。克服熔核偏移的措施主要有：
图7－10 熔核偏移和温度分布
(a)不同厚度(δ1＜δ2) (b)不同材料(ρ1＜ρ2)
1)采用硬规范，可加强边缘效应对结合面集中加热的效果，并且由于焊接时间短，散热的影响相对减小。
2)采用不同的电极，包括两侧采用不同直径、不同材料的电极，使用一些特殊的电极。
3)采用凸焊的方法。
4)在薄件侧附加工艺垫片、工艺垫片用导热性差的材料制作，有降低薄件的散热、增加电流密度的作用。
5．点焊设备
点焊设备由电源、控制设备、机械系统三个部分组成，如图7－11所示。
图7－11 点焊设备结构简图
1－加压机构 2－焊接变压器 3－机座 4－控制箱 5－次级线圈 6－柔性母线 7－支座 8－撑杆 9－机臂 10－电极握杆 11－电极 12－焊件
按照不同特征，点焊可作如下分类：
(1)按安装方式分为固定式、悬挂式。
(2)按电流波形分为低频、工频、电容储能、整流式等。
(3)按焊点数目分为单点式、双点式和多点式。
(4)按加压传动方式分为杠杆式、气压式、液压式和气－液压复合式等。
各类国产点焊机型号及技术数据见表7－16～7－19。
表7－16 固定式点焊机技术数据
表7－17 气压传动式点焊机技术数据
表7－18 悬挂式点焊机技术数据
表7－19 专用点焊机技术数据
