闪光对焊
出处：按学科分类—工业技术 河北科学技术出版社《实用焊接技术手册》第273页（4460字）
闪光对焊是将工件装配成对接接头，接通电源后，工件端面逐渐接近达到局部接触，通过电阻热加热这些接触点，产生闪光并使端面金属熔化，当端面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。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。预热闪光对焊是在闪光阶段前增加预热阶段。
1．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，电流流过工件两接触端面的接触点时，接触点熔化，成为连接两端面的液体金属过梁。在闪光过程中，工件逐渐缩短，端头温度升高。随着端头温度的升高，过梁爆破的速度加快，动夹钳的推进速度加大。在闪光过程结束前，工件整个端面形成一层液态金属层，在一定深度上使金属达到塑性变形温度。
闪光必须稳定而且强烈。所谓稳定是指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。闪光越强烈，焊接处的自保护越好，这在闪光后期尤为重要。
(2)顶锻阶段 在闪光阶段结束时，立即对工件加足够的顶锻力，接口间隙迅速减小，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。预热的作用如下：
①可减小需用功率 可以在小容量的焊机上焊接端面面积较大的工件。因为当焊机容量不足时，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 可以减少闪光量，节约贵重金属。
2．闪光对焊的电阻和加热
闪光对焊时的接触电阻为两工件端面间液体金属过梁的总电阻，大小取决于同时存在的过梁数及其横截面积，它们又与工件的横截面积、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，电阻值将减小。
闪光对焊的接触电阻比电阻对焊的大得多，并且存在于整个闪光阶段，虽然其电阻值逐渐减小，但始终大于工件的内部电阻，直到顶锻开始瞬间电阻才完全消失。
3．闪光对焊的焊接工艺
(1)闪光对焊的焊前准备 焊接前，工件要进行加工和清理，并达到闪光对焊的要求且焊件的端面状态和尺寸相近。在焊件下料时，应留出闪光和顶锻的烧损量。为了易于激发闪光，可以加工成截锥形或一定斜度的端面。
电极与焊件的接触要紧密而稳定。焊件与电极接触面上的氧化皮和油污，必须清理干净，否则，接触电阻太大，容易造成闪光困难或短路，甚至烧伤电极和焊件。对于短小焊件可用钢丝刷、锉刀和滚筒等机械方法清理，或用酸洗清理，滚筒和酸洗清理多用于大批量生产中。对于长焊件，一般用钢丝刷和砂轮锉刀清理，大批量生产中常用喷丸清理。
闪光对焊要求端面加工不像电阻对焊那样严格。冲剪、机加工、气割的焊件都能焊接，只要能稳定地闪光，就不会影响焊接质量。
(2)闪光对焊的工艺参数 闪光对焊的主要工艺参数有：伸出长度、闪光留量、闪光速度、顶锻速度、顶锻留量或顶锻力、夹紧力、二次空载电压、预热温度和预热时间等。
①伸出长度(L)伸出长度不仅保证了各种留量，而且起到调节温度场的作用。随着伸出长度的增加，焊接回路(包括焊件)的阻抗以及需用容量均增大，使闪光稳定性也下降。另外，伸出长度太大，顶锻时易失稳而旁弯。伸出长度太短，焊接区温度梯度太大，塑性温度区变窄，顶锻时变形困难。
一般情况下，棒材和厚壁管材L=(0．7～1．0)d，d为圆棒料的直径或方棒料的边长。对于薄板(δ=1～4mm)，为了顶锻不失稳，一般取L=(4～5)δ。不同金属对焊时，为了使两工件上的温度分布一致，通常是导电性和导热性差的金属L应较小。表1－8－40是不同金属闪光对焊时的L参考值。
表1－8－40 不同金属闪光对焊时的伸出长度
②闪光留量 闪光留量是闪光阶段焊件总缩短量，是保证焊件加热深度的参数。闪光留量一般占总留量的70%～80%。预热闪光对焊比连续闪光对焊小30%～50%。闪光留量太大，浪费金属和电能。在一般情况下，闪光留量为闪光达到稳定状态时烧损量的1．5～2倍。通常根据焊件截面积选择。
③闪光速度 足够大的闪光速度才能保证闪光的强度和稳定。但闪光速度过大会使加热区过窄，增加塑性变形的困难。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。选择闪光速度还应考虑下列因素：
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能好的材料，闪光速度应较大。
是否有预热 有预热时容易激发闪光，因而可提高闪光速度。
顶锻前是否有强烈闪光 如果有强烈闪光，闪光速度应较大，以保证在端面上获得均匀的金属层。
④顶锻速度 影响端面液体金属和氧化物的排除。随着顶锻速度增大，接头质量提高，但当顶锻速度提高到足够大值之后，接头性能稳定不变，说明顶锻速度达到一定值时，则能全部排除液态金属和氧化物。图1－8－6表示焊接合金钢时，顶锻速度与冲击韧性的关系。顶锻速度应根据焊件的化学成分和物理性能选择。材料导电导热性能越好以及含易氧化的元素越多，要求初始顶锻速度越大。焊接低碳钢，初始顶锻速度为15～30mm／s。焊接奥氏体不锈钢时，初始顶锻速度为焊接低碳钢的两倍多。焊接铝及其合金时，顶锻速度比低碳钢大5倍以上。
图1－8－6 顶锻速度与冲击韧度的关系［2］
1．d=42mm，15CrMo钢管 2．d=32mm1Cr18Ni12Mo2Ti钢管
⑤顶锻留量 影响液态金属的排除和塑性变形的大小。顶锻留量过小时，液态金属残留在接口中，易形成疏松、缩孔、裂纹等缺陷；顶锻留量过大时，也会因接头局部撕裂和晶纹弯曲严重，而使接头的冲击韧性降低。顶锻留量根据工件端面面积选取，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0．5～1倍。
⑥顶锻力 影响塑变程度。顶锻力过小，则变形不足，接头强度下降；顶锻力过大时，则变形量过大，晶纹弯曲严重，又会降低接头冲击韧性。顶锻力通常以单位面积的压力，即顶锻压强的大小来表示。高温强度大的金属要求大的顶锻压力。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，需要大的顶锻压力(150～400MPa)。
⑦夹紧力 夹紧力应保证顶锻时焊件无滑移。夹紧力Ff与顶锻力Fup和工件与夹钳间的摩擦系数f符合以下关系：Ff≥Fup／2f。通常Ff=(1．5～4．0)Fup，端面紧凑的低碳钢取下限，冷轧不锈钢取上限。当夹具上带有顶撑装置时，夹紧力可以大大降低，此时Ff=0．5Fup就足够了。
⑧次级空载电压U0 次级空载电压对电源输出有影响，在焊机阻抗一定的条件下，次级空载电压越高，其输出的短路功率越大。当闪光速度一定时，U0越低，热效率越高。因为电压低，过梁存在时间长，向焊件传导的热量多。另外，次级电压低，过梁爆破的激烈程度下降，因而有较多的熔化金属留在焊件的端面上。但是，U0太低，闪光不稳定，容易发生焊件短路而中止闪光。U0太高，不仅热效率低，消耗的功率大，而且在端面上留下较深的火坑，顶锻时没有完全封闭，易产生夹渣、缩孔等缺陷。一般建议采用能够维持稳定闪光的最低空载电压。
⑨预热温度和预热时间 预热温度是根据焊件截面和材料选择。焊接低碳钢时，预热温度一般不超过970～1170K。预热温度太高，因材料过热使接头的冲击韧性和塑性下降。焊接大截面焊件时，预热温度应相应提高。预热时间与焊机功率、工件端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。
(3)闪光对焊的焊后加工：
①切除毛刺及多余的金属 通常采用机械方法(如车、刮、挤压等)，一般在焊后趁热切除。焊大截面合金钢焊件时，多在热处理后切除。
②零件的校形 有些零件(如轮箍、刀具等)焊后需要校形，校形通常在压力机、压胀机及其他专用机械上进行。
③焊后热处理 焊后热处理根据材料性能和焊件要求而定。焊接大型零件和刀具，一般焊后要求退火处理，调质钢焊件要求回火处理，镍铬奥氏体钢，有时要进行奥氏体化处理。焊后热处理可以在炉中做整体处理，也可以用高频感应加热进行局部热处理，或焊后在焊机上通电加热进行局部热处理，热处理规范根据接头硬度或显微组织来选择。