武汉兴园金属有限责任公司
点焊工艺基础知识
版本：A/0
1 主题内容与适用范围
2 焊点的形成及对其质量的一般要求
焊接是两种或两种以上同种或异种材料通过分子或原子间的结合和扩散而连成一体的工艺加工过程。
焊接包括：熔化焊、压焊、钎焊。
压焊包括：电阻焊、锻焊、摩擦焊、高频焊、超声波焊等等。电阻焊包括：点焊、凸焊、对焊、缝焊。电阻焊就是将工件置于两个电极之间加压，通以电流，利用工件的电阻产生热量并形成局部熔化，或达到塑性状态。断电后，压力继续作用，形成牢固接头。2.1焊点的形成
点焊过程可分为彼此相联的三个阶段：预加压力、通电加热和锻压。2.1.1预加压力
预加电极压力是为了使焊件在焊接处紧密接触。若压力不足，则接触电阻过大，导致焊件烧穿或将电极工作面烧损。因此，通电前电极力应达到预定值，以保证电极与焊件、焊件与焊件之间的接触电阻保持稳定。2.1.2通电加热
通电加热是为了供焊件之间形成所需的熔化核心。在预加电极压力下通电，则在两电极接触表面之间的金属圆柱体内有最大的电流密度，靠焊件之间的接触电阻和焊件自身的电阻，产生相当大的热量，温度也很高。尤其是在焊件之间的接触面处，首先熔化，形成熔化核心。电极与焊件之间的接触电阻也产生热量，但大部分被水冷的铜合金电极带走，于是电极与焊件之间接触处的温度远比焊件之间接触处为低。正常情况下是达不到熔化温度。在圆柱体周围的金属因电流密度小，温度不高，其中靠近熔化核心的金属温度较高，达到塑性状态，在压力作用下发生焊接，形成一个塑性金属环，紧密地包围着熔化核心，不使熔化金属向外溢出。
在通电加热过程中有两种情况可能引起飞溅：一种是开始时电极预压力过小，熔化核心周围未形成塑性金属环而向外飞溅；另一种是加热结束时，因加热进间过长，熔化核心过大，电极压力下，塑性金属环发生崩溃，熔化金属从焊件之间或焊件表面溢出。2.1.3锻压
锻压是在切断焊接电流后，电极继续对焊点挤压的过程，对焊点起着压实作用。断电后，熔化核心是在封闭的金属“壳”内开始冷却结晶的，收缩不自由。如果此时没有压力作用，焊点易出现缩孔和裂纹，影响焊点强度。如果有电极挤压，产生的挤压变形使熔核收缩自由并变得密实。因此，电极压力必须在断电后继续维持到熔核金属全部凝固之后才能解除。锻压持续时间视焊件厚度而定。对于厚度1-8mm的钢板一般为0.1-2.5秒。
当焊件厚度较大，（铝合金为1.6-2mm,钢板为5-6mm）时,因熔核周围金属壳较厚,常需增加锻压力。加大压力的时间须控制好。过早，会把熔化金属挤出来变成飞溅，过晚，熔化金属已凝固而失去作用。一般断电后在0-0.2秒内加大锻压力。
以上是焊点形成的一般过程。在实际生产中，往往根据不同材料、结构以及对焊接质量的要求，采用一些特殊的工艺措施。例如：对热裂纹倾向较大的材料，可采用附加缓冷脉冲的点焊工艺，以降低熔核的凝固速度；对调质材料的焊接，可在两电极之间作焊后热处理，以改善因快速加热、冷却而产生的脆性淬火组织；在加压方面，可以采用马鞍形、阶梯形或多次阶梯形等电极压力循环。以满足不同质量要求的零件焊接。2.2对焊点质量的一般要求
点焊接头的强度决定于焊点的几何尺寸及其内外质量。焊点的几何尺寸如图1所示，一般要求熔核直径随板厚增加而增大。
通常用下式表示：
武汉兴园金属有限责任公司dn?5?式中 dn——熔核直径（mm）； δ——焊件最薄板厚。hn =（0.2-0.8）（δ-Δ） hn——熔核高度（mm）；Δ——焊件表面压痕深度，一般 Δ=（0.1-0.15）δ(mm)图1 焊点的几何尺寸δ-焊件厚度 d－电极直径 dn－熔核直径 dr－塑性环外径 hn－熔核高度 Δ－压痕深度 熔核在单板上的熔化高度hn对板厚度δ的百分比称焊透率A，即hnA?单板上的熔化高度?100%板厚?通常规定A在20%-80%范围内。试验表明，焊点熔核直径符合要求时，取A≥20%便可保证焊点的强度。A过大，熔核接近焊件表面，使表面金属过热，晶粒粗大，易出现飞溅或熔核内产生缩孔、裂纹等缺陷，接头承载能力下降。一般不许A＞80%。电极在焊件表面上留下压痕的深度，是熔核获得锻压的标志，但不能过深，否则影响焊件表面美观和光滑，减小该处断面尺寸，造成过大的应力集中，使焊点强度下降。当电极压力越大，焊接时间越长，或焊接电流越大时，压痕就越深。为了减少压痕深度，可采用较硬的规范及较大的电极端面尺寸。3 点焊方法的种类点焊方法很多，按供电方向和在一个焊接循环中所能形成焊点数可归纳为表1所列的种类。
表1 点焊方法的种类及其特点与应用
种类
双面单点焊双面供电
双面双点焊双面多点焊
示意图
特点与应用
两电极从两面向焊件馈电，焊接电流集中通过焊接区，可减少焊件受热体积和提高焊接质量，应优先选用。缺点是焊件两面有印痕。右图用大面积导电板作下电板
两台变压器分别对焊件两侧成对电极供电，在一个循环中同时形成两个焊点。电源在同一瞬间的极性相反，相当于双面单点焊。较单面双点焊分流小，焊接质量高，但需专用焊机，适于大型工件的大量生产
用一台焊接变压器从两侧供电，同时焊接两个或多个焊点，各电极并联。要求所有电流通路的阻抗必须基本相等 ，才能使每个焊点上电流分配均匀，且每个焊点所处的表面状态、厚度、电极压力要相同
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双面供电双面多点焊用多个变压器分别从两侧供电，同时进行多点焊。若三点为一组，可以做到电网负荷均衡，没有每个电流通路阻抗必须相等的要求，需专用焊机，生产率高，用于大型工件、大批量生产单面供电单面双点焊单面单点焊两个电极安放在焊件同一侧，同时焊接两个点，生产率高，适用于大型、移动有困难的焊件。为了减少流经上面焊件的分流，在焊件下面放导电铜垫板，此法背面无电极压痕两电极放在焊件同一侧，其中一个电极工作面较大，以减小其电流密度，不形成焊点。通常使用移动式点焊机（配用焊枪）。主要用于不能双面点焊的结构单面多点焊所有电极均在焊件一侧，用一个焊接变压器供电，每一对电极轮流压住焊件完成两个焊点的焊接。各焊点的工艺参数不能分别调节，故要求所有焊接处厚度、表面状态、电极压力和回路阻抗基本相同，焊件易变形。结构较简单，省变压器所有电极均在焊件一侧，多个变压器分别同时供电，一个焊接循环同时完成多点焊。优点是每个变压器可安置距所联电极最近处，可减小功率和尺寸；各焊点可分别调节工艺参数；全部焊点可同时焊接，生产率高，全部电极压住焊件，可减少变形；多台变压器同时通电可使三相负荷均衡。故此类型应用最广4 点焊接头的设计点焊接头必须采用搭接形式，由两个或两个以上等厚度或不等厚度的工件组成，见图2。图2 点焊接头的基本形式b—边距 e—点距 c—搭接量设计点焊接头时应考虑下列因素：4.1 接头的可达性是指点焊电极必须能方便地抵达构件的焊接部位。为此，须熟悉点焊设备的各种类型、注意电极和电极夹头的形状和尺寸，要使装到焊机上的电极都能达到每个待焊点。 4.2 边距与搭接量
边距是指从熔核中心到板边的距离。该距离上的母材金属应能承受焊接循环中熔核内部产生的压力。若焊点太靠近板边，则边缘处母材过热并向外挤压，减弱对熔核的拘束，还可能导致飞溅，最小
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边距取决于被焊金属的种类、厚度、电极面形状和焊接条件。对于屈服点高的金属、薄件或用强条件焊时，可取较小值。搭接量是指接头重叠部分的尺寸。最小搭接量通常是最小边距的两倍，若搭接量太小，则边距必然不足，推荐最小搭接量见表2。
表2 点焊接头的最小搭接量 （单位：mm）
最薄板件厚度
0.50.81.01.21.52.02.53.03.54.0
单 排 焊 点
结构钢891011121416182022
不锈钢及高温合金
6789101214161820
轻合金12121414162024262830
结构钢16182022242832364042
双 排 焊 点不锈钢及高温合金
14161820222630343840
轻合金22222426303440464850
4.3 点距
是指相邻两焊点的中心距离。设计时规定点距最小值是主要考虑分流的影响。该最小值与被焊金属的厚度、导电率、表面清洁度以及熔核直径有关。表3为推荐的点距最小值。
表3 点焊接头的最小点距 （单位：mm）
最薄板件厚度0.50.81.01.21.52.02.53.03.54.0
被 焊 金 属
结构钢
10121214141618202224
不锈钢及高温合金
8101012121416182022
轻金属
15151515202525303535
4.4 装配间隙
必须使互相配合的焊件装在一起时，沿接头方向上没有间隙或只有极小的间隙，因为靠压力消除间隙将耗去一部分电极力，使焊接的压力降低。若装配间隙不均匀，则造成焊接压力的波动，从而引起各焊点强度不一致 。过大的间隙会引起严重飞溅。许用间隙取决于焊件刚性和厚度，刚性与厚度越大，许用间隙越小，通常取0.1-2mm。4.5 厚度比
点焊两个或更多个不同厚度的同种金属时，有一个能有效焊接的最大厚度比，它是根据外侧工件的厚度决定的。
当点焊两种厚度的碳钢时，最大厚度比为4：1；点焊三种厚度的接头时，外侧两板的厚度比不得大于2.5:1。如果厚度比大于此数，则须从工艺方面采取措施（如改变电极形状或成分等）来保证外侧焊件的焊透率。通常薄板的焊透率不能小于10%，厚件的焊透率应达到20%-30%。
点焊三层板件时，推荐的最小点距比点焊两块较厚外侧板的点距大30%。5 点焊电极
点焊电极是点焊机中重要但又易损耗的零件，它的材质、结构形状直接影响焊接质量、生产成本
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和劳动生产率，也对自身使用寿命有影响。5.1电极功能及基本要求5.1.1电极功能
可归纳为传输电流、传递压力和迅速散热。
a.传输电流：点焊时焊接电流靠电极传输，流过电极工作面的电流密度很大，表4为三种金属材料点焊的一般电流密度范围。
表4 三种金属材料点焊电极工作面电流密度范围 （单位：A/mm2）
被焊金属电极工作面电流密度范围
低碳钢200-600
不锈钢300-400
铝及铝合金100-2000
从表中看出，点焊时的电流密度是常用导线电流密度的数十到数百倍，已超过一般导线所能承受能力。
b.传递压力：点焊时须通过电极向焊件施加一定的焊接压力和锻压力。按被焊材料不同，电极压力高达几十千牛。焊接低碳钢时其内部压强达30-140MPa，焊不锈钢时为250-400MPa，焊高温合金时，高达400-900MPa。电极工作面直接接触焊点，它承受着焊接产生的高温，所以电极必须具有足够的高温强度，否则会导致电极工作面迅速变形与压溃而无法进行工作。
c.散热作用：点焊时，焊接区的大部分热量是从上、下电极传导而散失，被焊板件越薄，其散失的热量就越多。焊接厚度为1mm的低碳钢，电极散走的热量约占输入点总热量的70%-80%。5.1.2对电极材料的基本要求
从上述可见点焊电极工作条件复杂、恶劣。为了发挥其功能，保证焊接质量和延长其使用寿命，所使用的电极材料必须：
a.在高温与常温下都有合适的导电、导热性能，具有高的耐氧化能力，并与焊件材料形成合金的倾向性小；
b.有足够的高温硬度和强度，再结晶温度高；
c.电极与焊件之间的接触电阻应足够低，以防止工件表面熔化。5.2点焊电极的分类
点焊电极的形式和种类较多，在生产中大量采用标准电极 ，此外也根据需要采用许多专用的特殊形状的电极。按电极的结构形式分为整体式、分体式和复合式三大类。整体式电极是指构成电极的头部、杆部和尾部用同一材料制成整体；分体式电极只包括其中的两部分，通常是头部分开；复合式电极是指头部用特殊极材料制成并镶嵌到杆部上。在每一大类中又按每部分的构造特点分成若干小类，见表5。
5.3点焊电极的结构5.3.1构造
图3为应用最广整体式直电极的构造及各部分名称。
头部是电极与焊件接触进行焊接部分，焊接工艺参数中的电极直径是指此接触部分的工作面直径。杆部是电极的基体，多为圆柱体，其直径在加工中简称它为电极直径D，是电极的基本尺寸，其长度由焊接工艺需要决定。板平面锥柄 图3 直极的构造及各部分名称D-电极直径 d1-工作面直径 d2-基面直径 d3-冷却水孔直径
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