閃光對焊機(jī)形成過程

1、閃光對焊分連續(xù)閃光和預(yù)熱閃光對焊兩種。連續(xù)閃光對焊主要由閃光和頂鍛兩個階段組成。閃光過程始終保持對口端面點接觸，閃光電流If集中從這些有限接觸點上通過，電流密度非常高，達(dá)（3000-6000）A/mm2，觸點快速熔化，形成連接兩邊金屬的液體“過梁”。這些液體過梁在電、熱、力共同作用下爆破，高速向外噴射，即所謂“閃光”。隨著工件往前送進(jìn)，新的觸點又形成----爆破。

持續(xù)一段時間閃光后，對口端面被一層很?。s0.1-0.3mm）液體金屬覆蓋，端口溫度達(dá)到金屬的熔點，而且趨于穩(wěn)定均勻，軸向也有一定加熱深度，。在實際生產(chǎn)中，考慮到工件端面加熱不均勻及尺寸誤差，往往閃光留量要比理想狀大50-100%。

閃光加熱達(dá)到焊接溫度后，迅速提高送進(jìn)力（頂鍛力）， 快速送進(jìn)，將液體金屬及氧化、夾雜物全部擠出對口之外，使對口端面固態(tài)金屬緊密接觸，并且有一定塑性變形，兩邊金屬交互結(jié)晶，形成共同晶粒，獲得牢固對接接頭。結(jié)晶過程非?？欤话阍?.02-0.06秒內(nèi)完成。是否能在液體金屬凝固之前，將液體金屬及氧化物全部排出對口之外，是 獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的重要條件之一。

2、對控制要求

通用閃光對焊機(jī)，一般采用簡單的同步控制器 ， 能保證焊接質(zhì)量。不宜采用恒電流控制器，否則會破壞閃光過程的自調(diào)節(jié)功能。也不必要采用電壓補(bǔ)償控制器（可控硅已全導(dǎo)通，自動移相已失去作用）

閃光對焊主要是利用對口接觸電阻產(chǎn)生熱量加熱金屬，固相交互結(jié)晶形成焊接接頭。

閃光過程具有較強(qiáng)自調(diào)節(jié)功能，比較容易獲得穩(wěn)定，連續(xù)閃光過程。

次級回路短路阻抗及短路功率因數(shù)對閃光過程穩(wěn)定性有重大影響，應(yīng)嚴(yán)格控制。

閃光對焊機(jī)應(yīng)采用緩降外特性電源，次級空載電壓應(yīng)能分級調(diào)節(jié)，次級空載電壓不宜太高。

焊接時可控硅應(yīng)接近全導(dǎo)通運行

不能采用恒電流控制器，否則會破壞閃光過程自調(diào)節(jié)作用。

閃光對焊主要是利用工件對口接觸電阻產(chǎn)生熱量加熱工件，金屬表面熔化，溫度梯度大，熱影響區(qū)比較小。

焊縫是在工件對口固相金屬產(chǎn)生塑性變性條件下，形成共同晶粒。焊縫組織、成分接近基本金屬（或者經(jīng)過熱處理），比較容易獲得等強(qiáng)等塑焊接接頭。

閃光過程具有排出空氣，降低金屬氧化的自保護(hù)功能。頂鍛還能將氧化物隨液體金屬排出焊縫之外。焊縫夾雜、未焊透等缺陷較少。

閃光過程具有較強(qiáng)的自調(diào)節(jié)功能，對嚴(yán)格保持規(guī)范一致性要求較低，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。單位焊接截面積需要電功率小，焊接低碳鋼只需（0.1-0.3）KVA/mm2電功率。

焊接生產(chǎn)率高，焊接一個接頭只需幾秒至幾十秒。

焊接適用范圍廣，原則上能鍛造的金屬材料都可以用閃光對焊焊接。例如低碳鋼、高碳鋼、合金鋼、不銹鋼等有色金屬及合金都可以用閃光對焊焊接。

焊接截面積范圍大，一般從幾十至幾萬mm2截面積都能焊接。

閃光對焊廣泛應(yīng)用于焊接各種板件、管件、型材、實心件、刀具等，應(yīng)用十分廣泛，是一種經(jīng)濟(jì)、高效率的焊接方法。

對焊分為電阻對焊和閃光對焊兩種。

閃光對焊機(jī)電阻對焊

電阻對焊是將兩工件端面始終壓緊，利用電阻熱加熱至塑性狀態(tài)，然后迅速施加頂鍛壓力（或不加頂鍛壓力只保持焊接時壓力）完成焊接的方法。

一、電阻對焊的電阻和加熱

對焊時的電阻分布?？傠娮杩捎孟率奖硎荆?

R=2Rω RC 2Reω

式中Rω--一個工件導(dǎo)電部分的內(nèi)部電阻（Ω）；

Rc--兩工件間的接觸電阻（Ω）；

Rω--工件與電極間的接觸電阻（Ω）；

工件與電極之間的接觸電阻由于阻值小，且離接合面較遠(yuǎn)，通常忽略不計。

工件的內(nèi)部電阻與被焊金屬的電阻率ρ和工件伸出電極的長度l0成正比，與工件的斷面積s成反比。

和點焊時一樣，電阻對焊時的接觸電阻取決于接觸面的表面狀態(tài)、溫度及壓力。當(dāng)接觸電阻有明顯的氧化物或其他贓物時，接觸電阻就大。溫度或壓力的增高，都會因?qū)嶋H接觸面積的增大而使接觸電阻減小。焊接剛開始時，接觸點上的電流密度很大；端面溫度迅速升高后，接觸電阻急劇減小。加熱到一定溫度（鋼600度，鋁合金350度）時，接觸電阻完全消失。

和點焊一樣，對焊時的熱源也是由焊接區(qū)電阻產(chǎn)生的電阻熱。電阻對焊時，接觸電阻存在的時間極短，產(chǎn)生的熱量小于總熱量的10-15%。但因這部分熱量是接觸面附近很窄的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的。所以會使這一區(qū)域的溫度迅速升高，內(nèi)部電阻迅速增大，即使接觸電阻完全消失，該區(qū)域的產(chǎn)熱強(qiáng)度仍比其他地方高。

所采用的焊接條件越硬（即電流越大和通電時間越短），工件的壓緊力越小，接觸電阻對加熱的影響越明顯。

二、電阻對焊的焊接循環(huán)、工藝參數(shù)和工件準(zhǔn)備

1、焊接循環(huán)

電阻對焊時，兩工件始終壓緊，當(dāng)端面溫升高到焊接溫度Tω時，兩工件端面的距離小到只有幾個埃，端面間原子發(fā)生相互作用，在接合上產(chǎn)生共同晶粒，從而形成接頭。電阻對焊時的焊接循環(huán)有兩種：等壓的和加大鍛壓力的。前者加壓機(jī)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)。后者有利于提高焊接質(zhì)量，主要用于合金鋼，有色金屬及其合金的電阻對焊，為了獲得足夠的塑性變形和進(jìn)一步改善接頭質(zhì)量，還應(yīng)設(shè)置電流頂鍛程序。

2、工藝參數(shù)

電阻對焊的主要工藝參數(shù)有：極性、伸出長度、焊接電流（或焊接電流密度）、焊接通電時間、焊接壓力和頂鍛壓力。

（1）伸出長度l0即工件伸出夾鉗電極端面的長度。選擇伸出長度時，要考慮兩個因素：頂鍛時工件的穩(wěn)定性和向夾鉗的散熱。如果l0過長，則頂鍛時工件會失穩(wěn)旁彎。l0過短，則由于向鉗口的散熱增強(qiáng)，使工件冷卻過于強(qiáng)烈，會增加塑性變形的困難。對于直徑為d的工件，一般低碳鋼：l0=(0.5-1)d，鋁和黃銅：l0=(1-2)d，銅：l0=（1.5-2.5)d。

（2）焊接電流Iω和焊接時間tω在電阻對焊時，焊接電流常以電流密度jω來表示。jω和tω是決定工件加熱的兩個主要參數(shù)。二者可以在一定范圍內(nèi)相應(yīng)地調(diào)配?？梢圆捎么箅娏髅芏取⒍虝r間（強(qiáng)條件），也可以采用小電流密度、長時間（弱條件）。但條件過強(qiáng)時，容易產(chǎn)生未焊透缺陷；過軟時，會使接口端面嚴(yán)重氧化、接頭區(qū)晶粒粗大、影響接頭強(qiáng)度。

（3）焊接壓力Fω與頂鍛壓力Fu，F(xiàn)ω對接頭處的產(chǎn)熱和塑性變形都有影響。減小Fω有利于產(chǎn)熱，但不利于塑性變形。因此，易用較小的Fω進(jìn)行加熱，而以大得多的Fu進(jìn)行頂鍛。但是Fω也不能過低，否則會引起飛濺、增加端面氧化，并在接口附近造成疏松。

3、工件準(zhǔn)備

電阻對焊時，兩工件的端面形狀和尺寸應(yīng)該相同，以保證工件的加熱和塑性變形一致。工件的端面，以及與夾鉗接觸的表面必須進(jìn)行嚴(yán)格清理。端面的氧化物和贓物將會直接影響到接頭的質(zhì)量。與夾鉗接觸的工件表面的氧化物和贓物將會增大接觸處電阻，使工件表面燒傷、鉗口磨損加劇，并增大功率損耗。

清理工件可以用砂輪、鋼絲刷等機(jī)械手段，也可以用酸洗。

電阻焊接頭中易產(chǎn)生氧化物夾雜。對于焊接質(zhì)量要求高的稀有金屬、某些合金鋼和有色金屬時，常采用氬、氦等保護(hù)氛來解決。

電阻對焊雖有接頭光滑、毛刺小、焊接過程簡單等優(yōu)點，但其接頭的力學(xué)性能較低，對工件端面的準(zhǔn)備工作要求高，因此僅用于小斷面（小于250mm2）金屬型材的對接。

閃光對焊機(jī)閃光對焊

閃光對焊可分為連續(xù)閃光對焊和預(yù)熱閃光對焊。連續(xù)閃光對焊由兩個主要階段組成：閃光階段和頂鍛階段。預(yù)熱閃光對焊只是在閃光階段前增加了預(yù)熱階段。

一、閃光對焊的兩個階段

1、閃光階段

閃光的主要作用是加熱工件。在此階段中，先接通電源，并使兩工件端面輕微接觸，形成許多接觸點。電流通過時，接觸點熔化，成為連接兩端面的液體金屬過梁。由于液體過梁中的電流密度極高，使過梁中的液體金屬蒸發(fā)、過梁爆破。隨著動夾鉗的緩慢推進(jìn)，過梁也不斷產(chǎn)生與爆破。在蒸氣壓力和電磁力的作用下，液態(tài)金屬微粒不斷從接口間噴射出來。形成火花急流--閃光。

在閃光過程中，工件逐漸縮短，端頭溫度也逐漸升高。隨著端頭溫度的升高，過梁爆破的速度將加快，動夾鉗的推進(jìn)速度也必須逐漸加大。在閃光過程結(jié)束前，必須使工件整個端面形成一層液體金屬層，并在一定深度上使金屬達(dá)到塑性變形溫度。

由于過梁爆破時所產(chǎn)生的金屬蒸氣和金屬微粒的強(qiáng)烈氧化，接口間隙中氣體介質(zhì)的含氧量減少，其氧化能力可降低，從而提高接頭的質(zhì)量。但閃光必須穩(wěn)定而且強(qiáng)烈。所謂穩(wěn)定是指在閃光過程中不發(fā)生斷路和短路現(xiàn)象。斷路會減弱焊接處的自保護(hù)作用，接頭易被氧化。短路會使工件過燒，導(dǎo)致工件報廢。所謂強(qiáng)烈是指在單位時間內(nèi)有相當(dāng)多的過梁爆破。閃光越強(qiáng)烈，焊接處的自保護(hù)作用越好，這在閃光后期尤為重要。

2、頂鍛階段

在閃光階段結(jié)束時，立即對工件施加足夠的頂端壓力，接口間隙迅速減小過梁停止爆破，即進(jìn)入頂鍛階段。頂鍛的作用是密封工件端面的間隙和液體金屬過梁爆破后留下的火口，同時擠出端面的液態(tài)金屬及氧化夾雜物，使?jié)崈舻乃苄越饘倬o密接觸，并使接頭區(qū)產(chǎn)生一定的塑性變形，以促進(jìn)再結(jié)晶的進(jìn)行、形成共同晶粒、獲得牢固的接頭。閃光對焊時在加熱過程中雖有熔化金屬，但實質(zhì)上是塑性狀態(tài)焊接。

預(yù)熱閃光對焊是在閃光階段之前先以斷續(xù)的電流脈沖加熱工件，然后在進(jìn)入閃光和頂鍛階段。預(yù)熱目的如下：

（1）減小需用功率可以在小容量的焊機(jī)上焊接斷面面積較大的工件，因為當(dāng)焊機(jī)容量不足時，若不先將工件預(yù)熱到一定溫度，就不可能激發(fā)連續(xù)的閃光過程。此時，預(yù)熱是不得已而采取的手段。

（2）降低焊后的冷卻速度這將有利于防止淬火鋼接頭在冷卻時產(chǎn)生淬火組織和裂紋。

（3）縮短閃光時間可以減少閃光余量，節(jié)約貴重金屬。

預(yù)熱不足之處是：

（1）延長了焊接周期，降低了生產(chǎn)率；

（2）使過程的自動化更加復(fù)雜；

（3）預(yù)熱控制較困難。預(yù)熱程度若不一致，就會降低接頭質(zhì)量的穩(wěn)定性。

二、閃光對焊的電阻和加熱

閃光對焊時的接觸電阻Rc即為兩工件端面間液體金屬過梁的總電阻，其大小取決于同時存在的過梁數(shù)及其橫斷面積。后兩項又與工件的橫斷面積、電流密度和兩工件的接近速度有關(guān)。隨著這三者的增大，同時存在的過梁數(shù)及其橫截面積增大，Rc將減小。

閃光對焊的Rc比電阻對焊大得多，并且存在于整個閃光階段，雖然其電阻值逐漸減小，但始終大于工件的內(nèi)部電阻，直到頂鍛開始瞬間Rc才完全消失。閃光對焊時Rc、2Rω和R變化的一般規(guī)律。Rc逐漸減小是由于在閃光過程中，隨著端面溫度的升高，工件接近速度逐漸增大，過梁的數(shù)目和尺寸都隨之增大的緣故。

由于Rc大并且存在整個閃光階段，所以閃光對焊時接頭的加熱主要靠Rc。

三、閃光對焊的焊接循環(huán)、工藝參數(shù)和工件準(zhǔn)備

1、焊接循環(huán)

閃光對焊的焊接循環(huán)，復(fù)位時間是指動夾鉗由松開工件至回到原位的時間。預(yù)熱方法有兩種：電阻預(yù)熱和閃光預(yù)熱，采用的是電阻預(yù)熱。

2、工藝參數(shù)

閃光對焊的主要參數(shù)有：伸出長度、閃光電流、閃光流量、閃光速度、頂鍛流量、頂鍛速度、頂鍛壓力、頂鍛電流、夾鉗夾持力等。連續(xù)閃光對焊各流量和伸出長度的示意圖。下面介紹各工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響及選用原則：

（1）伸長長度l0和電阻對焊一樣，l0影響沿工件軸向的溫度分布和接頭的塑性變形。此外，隨著l0的增大，使焊接回路的阻抗增大，需用功率也要增大。一般情況下，棒材和厚臂管材l0=（0.7-1.0）d，d為圓棒料的直徑或方棒料的邊長。

對于薄板（δ=1-4mm）為了頂鍛時不失穩(wěn)，一般取l0=（4-5）δ。

不同金屬對焊時，為了使兩工件上的溫度分布一致，通常是導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性差的金屬l0應(yīng)較小。表1是不同金屬閃光對焊時的l0參考值。

（2）閃光電流If和頂鍛電流IuIf取決于工件的斷面積和閃光所需要的電流密度jf。jf的大小又與被焊金屬的物理性能、閃光速度、工件斷面的面積和形狀，以及端面的加熱狀態(tài)有關(guān)。在閃光過程中，隨著vf的逐漸提高和接觸電阻Rc的逐漸減小，jf將增大。頂鍛時，Rc迅速消失，電流將急劇增大到頂鍛電流Iu。當(dāng)焊接大截面鋼件時，為增加工件的加熱深度，應(yīng)采用較小的閃光速度，所用的平均jf一般不超過5A/mm2。表2為斷面積200-1000mm2工件閃光對焊時jf和ju的參考值。

電流的大小取決于焊接變壓器的空載電壓U20。因此，在實際生產(chǎn)中一般是給定次級空載電壓。選定U20時，除應(yīng)考慮焊機(jī)回路的阻抗，阻抗大時，U20應(yīng)相應(yīng)提高。焊接大斷面工件時，有時采用分級調(diào)節(jié)次級電壓的方法，開始時，用較高的U20來激發(fā)閃光，然后降低到適應(yīng)值。

（3）閃光流量δf選擇閃光流量，應(yīng)滿足在閃光結(jié)束時整個工件端面有一熔化金屬層，同時在一定深度上達(dá)到塑性變形溫度。如果δf過小，則不能滿足上述要求，會影響焊接質(zhì)量。δf過大，又會浪費金屬材料、降低生產(chǎn)率。在選擇δf時還應(yīng)考慮是否有預(yù)熱，因預(yù)熱閃光對焊的δf可比連續(xù)閃光對焊小30-50%。

（4）閃光速度vf足夠大的閃光速度才能保證閃光的強(qiáng)烈和穩(wěn)定。但vf過大會使加熱區(qū)過窄，增加塑性變形的困難，同時，由于需要的焊接電流增加，會增大過梁爆破后的火口深度，因此將會降低接頭質(zhì)量。選擇vf時還應(yīng)考慮下列因素：

1）被焊材料的成分和性能。含有易氧化元素多的或?qū)щ妼?dǎo)熱性好的材料，vf應(yīng)較大。例如焊奧氏體不銹鋼和鋁合金時要比焊低碳鋼時大；

2）是否有預(yù)熱。有預(yù)熱時容易激發(fā)閃光，因而可提高vf。

3）頂鍛前應(yīng)有強(qiáng)烈閃光。vf應(yīng)較大，以保證在端面上獲得均勻的金屬層。

（5）頂鍛流量δuδu影響液體金屬的排除和塑性變形的大小。δu過小時，液態(tài)金屬殘留在接口中，易形成疏松、縮孔、裂紋等缺陷；δu過大時，也會因晶紋彎曲嚴(yán)重，降低接頭的沖擊韌度。δu根據(jù)工件斷面積選取，隨著斷面積的增大而增大。

頂鍛時，為防止接口氧化，在端面接口閉合前不立刻切斷電流，因此頂鍛流量應(yīng)包括兩部分----有電流頂鍛留量和無電流頂鍛留量，前者為后者的0.5-1倍。

（6）頂鍛速度vu為避免接口區(qū)因金屬冷卻而造成液態(tài)金屬排除及塑性金屬變形的困難，以及防止端面金屬氧化，頂鍛速度越快越好。最小的頂鍛速度取決于金屬的性能。焊接奧氏體鋼的最小頂鍛速度均為焊接珠光體鋼的兩倍。導(dǎo)熱性好的金屬（如鋁合金）焊接時需要很高的頂鍛速度（150-200mm/s）。對于同一種金屬，接口區(qū)溫度梯度大的，由于接頭的冷卻速度快，也需要提高頂鍛速度。

（7）頂鍛壓力FuFu通常以單位面積的壓力，即頂鍛壓強(qiáng)來表示。頂鍛壓強(qiáng)的大小應(yīng)保證能擠出接口內(nèi)的液態(tài)金屬，并在接頭處產(chǎn)生一定的塑性變形。頂鍛壓強(qiáng)過小，則變形不足，接頭強(qiáng)度下降；頂鍛壓強(qiáng)過大，則變形量過大，晶紋彎曲嚴(yán)重，又會降低接頭沖擊韌度。

頂鍛壓強(qiáng)的大小取決于金屬性能、溫度分布特點、頂鍛留量和速度、工件斷面形狀等因素。高溫強(qiáng)度大的金屬要求大的頂鍛壓強(qiáng)。增大溫度梯度就要提高頂鍛壓強(qiáng)。由于高的閃光速度會導(dǎo)致溫度梯度增大，因此焊接導(dǎo)熱性好的金屬（銅、鋁合金）時，需要大的頂鍛壓強(qiáng)（150-400Mpa）。

（8）預(yù)熱閃光對焊參數(shù)除上述工藝參數(shù)外，還應(yīng)考慮預(yù)熱溫度和預(yù)熱時間。

預(yù)熱溫度根據(jù)工件斷面和材料性能選擇，焊接低碳鋼時，一般不超過700-900度。隨著工件斷面積增大，預(yù)熱溫度應(yīng)相應(yīng)提高。

預(yù)熱時間與焊機(jī)功率、工件斷面大小及金屬的性能有關(guān)，可在較大范圍內(nèi)變化。預(yù)熱時間取決于所需預(yù)熱溫度。

預(yù)熱過程中，預(yù)熱造成的縮短量很小，不作為工藝參數(shù)來規(guī)定。

（9）夾鉗的夾持力Fc必須保證工件在頂鍛時不打滑F(xiàn)c與頂鍛壓力Fu和工件與夾鉗間的摩擦系數(shù)f有關(guān)，他們的關(guān)系是：Fc≥Fu/2f。通常F0=（1.5-4.0）Fu，斷面緊湊的低碳鋼取下限，冷軋不銹鋼板取上限。當(dāng)夾具上帶有頂撐裝置時，加緊力可以大大降低，此時Fc=0.5Fu就足夠了。

3、工件準(zhǔn)備

閃光對焊的工件準(zhǔn)備包括：端面幾何形狀、毛坯端頭的加工和表面清理。

閃光對焊時，兩工件對接面的幾何形狀和尺寸應(yīng)基本一致。否則將不能保證兩工件的加熱和塑性變形一致，從而將會影響接頭質(zhì)量。在生產(chǎn)中，圓形工件直徑的差別不應(yīng)超過15%，方形工件和管形工件不應(yīng)超過10%。

在閃光對焊大斷面工件時，最好將一個工件的端部倒角，使電流密度增大，以便于激光閃發(fā)。這樣就可以不用預(yù)熱或閃光初期提高次級電壓。

對焊毛坯端頭的加工可以在剪床、沖床、車床上進(jìn)行，也可以用等離子或氣焰切割，然后清除端面。

閃光對焊時，因端部金屬在閃光時被燒掉，故對端面清理要求不甚嚴(yán)格。但對夾鉗和工件接觸面的清理要求，應(yīng)和電阻對焊一樣。

1）程控降低電壓閃光對焊這種焊接方法的特點是，閃光開始階段采用較高的次級空載電壓，以利于激起閃光，當(dāng)端面溫度升高后，再采用低電壓閃光，并保持閃光速度不變，以提高熱效率。接近頂鍛時，再提高次級電壓，使閃光強(qiáng)烈，以增加自保護(hù)作用。

程控降低電壓閃光對焊與預(yù)熱閃光對焊相比較，具有焊接時間短、需用功率低、加熱均勻等優(yōu)點。

2）脈沖閃光對焊這種焊法的特點是，在動夾鉗送進(jìn)的行程中，通過液壓振動裝置，再疊加一個往復(fù)振動行程，振幅為0.25-1.2mm，頻率為3-35Hz均勻可調(diào)。由于振動使焊件端面交替的短路和拉開，從而產(chǎn)生脈沖閃光。

脈沖閃光對焊與普通閃光對焊相比較，由于沒有過梁的自發(fā)爆破，噴濺的微粒小、火口淺，因而熱效率可提高一倍多，頂鍛留量可縮小到2/3-1/2。

以上兩種方法主要是為了滿足大斷面工件閃光對焊的需要。

3）矩形波閃光對焊這種焊法與工頻交流正弦波閃光對焊相比較，能顯著提高閃光的穩(wěn)定性。因為正弦波電源當(dāng)電壓接近零位時，將使閃光瞬間中斷，而矩形波可在全周期內(nèi)均勻產(chǎn)生閃光。與電壓相位無關(guān)。

矩形波電源單位時間內(nèi)的閃光次數(shù)比工頻交流提高30%，噴濺的金屬微粒細(xì)，火口淺、熱效率高。矩形波頻率可在30-180Hz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。這種方法多用于薄板和鋁合金輪圈的連續(xù)閃光對焊。