点焊的基本原理及应用探讨

1.点焊熔核的形成过程

电阻点焊，其英文缩写为RSW，简称点焊，是焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法，如图1-2所示。

点焊时，由于两工件间接触处电阻较大，所以当通过足够大的电流时，在板的接触处产生大量的电阻热，将中心最热区域的金属很快加热至高塑性或熔化状态，形成一个透镜形的液态熔核，熔化区温度由内至外逐级降低。断电后继续保持压力或加大压力，使熔核在压力下凝固结晶，形成组织致密的焊点，如图1-3所示。

图1-2 点焊的基本原理

在电极与工件的接触处，由于所产生的热量被导热性好的铜（或铜合金）电极及冷却水带走，温升有限，所以不会出现焊合现象。点焊焊点的形成过程如图1-4所示。

图1-3 点焊熔核成长和剖面示意图

1—焊件 2—塑性环 3—熔核 4—板缝 5—接合面

图1-4 点焊焊点的形成过程

综上所述，点焊的两个基本要素是内部热源和外部压力。点焊过程可以概括为彼此衔接的四个阶段：第一阶段，焊件在电极间预先压紧；第二阶段，通电后把焊接区加热到一定温度；第三阶段，中央部分形成熔核；第四阶段，在电极压力作用下冷却结晶后形成焊点。点焊时，由于一定直径电极的加压，使被焊工件变形，并且仅在焊接区紧密接触处形成电流通道，而其他部分均不构成电流通道，从而得到极高的电流密度。因此，所加压力与工件刚度有关。

按照对工件焊点的通电方向，点焊通常分为双面点焊和单面点焊两大类。双面点焊的两电极位于工件的两侧，电流通过工件的两侧形成焊点，是点焊机器人通常所采用的焊接方法，如图1-5所示；单面点焊的两电极位于工件的一侧，用于电极难以从工件两侧接近工件，或工件一侧要求压痕较浅的场合。

图1-5 双面点焊和单面点焊

2.点焊的热源与影响加热的因素

（1）点焊的热源 电阻点焊的热源是电阻热，符合焦耳定律Q＝I²Rt［其中，Q为发热量（J）；I为焊接电流（A）；R为电阻（Ω）；t为通电时间（s）］，其焊接电流、两电极之间的电阻及通电时间是决定点焊的发热量（内部热源）的三大因素，但其中大部分热量用来形成点焊的焊点。形成一定焊点所需的电流与通电时间有关，若通电时间很短，则点焊时所需的电流将增大，如图1-6所示。

（2）热平衡及散热 点焊时产生的热量只有较少部分用于形成熔核，较多部分因向邻近物质的传导和辐射而损失掉，如图1-7所示。

其热平衡方程式为

Q（总热量）＝Q₁＋Q₂＋Q₃＋Q₄

其中，有效热量Q₁取决于金属的热物理性质及熔化金属量，而与焊接条件无关，参考数值Q₁≈10％～30％Q。对于电阻率低、导热性好的金属（铝、铜合金等），Q₁取下限；而对于电阻率高、导热性差的金属（不锈钢、高温合金等），Q₁取上限。

损失的热量主要包括通过电极传导的热量（Q₂≈30％～50％Q）、通过工件传导的热量（Q₃≈20％Q）、辐射到大气中的热量Q₄（约占5％）。点焊的一些特点主要体现在以下3个方面：

1）加热迅速、集中。

2）为获得合理的温度分布，焊接区的散热非常重要。

3）加热过程与被焊金属材料的热物理性质关系密切。

（3）点焊中的分流现象 实际点焊中，有少部分电流通过周围焊点形成电流通道，散失在周围的金属中，点焊时的分流现象如图1-8所示。

图1-6 通电中温度分布图

图1-7 热平衡及散热示意图

注：Q₁为加热焊接区母材金属形成熔核的热量；Q₂为通过电极热传导损失的热量；Q₃为通过焊接区周围金属热传导损失的热量；Q₄为通过对流、辐射散失到空气介质中的热量。(https://www.xing528.com)

图1-8 点焊时的分流现象

注：I_s＝I_ges－I_n其中，I_s为焊接电流；I_ges为电极总电流；I_n为分流电流。

点距越小，板材越厚，材料导电性越好，则分流越严重。严重的分流现象会导致能量损耗和焊接质量难以保证。同时，焊件表面状态对分流的影响也较明显，表面处理不良时，油污和氧化膜使接触电阻增大，导致焊接区总电阻增大，分路电阻相对减小，使分流增大。

（4）焊接区电阻及其变化规律 接触电阻的形成原因是焊件表面的微观凸凹不平及不良导体层引起的。点焊时电流线的分布和电流通过焊件间接触点的情况，如图1-9所示。

图1-9 点焊时电流线的分布和电流通过焊件间接触点的情况

点焊时焊接区存在三种类型的电阻，并且两电极之间的电阻R随电阻焊方法的不同而不同，如图1-10所示。

图1-10 点焊焊接区等效电路图

注：R为焊接区总电阻；R_w为焊件内部电阻；R_c为焊件间接触电阻；R_cw为电极与焊件间接触电阻。

点焊区的总电阻R是由两焊件的内部电阻R_w、两焊件之间的接触电阻R_c和电极与焊件之间的接触电阻R_cw组成的，即R＝2R_w＋R_c＋2R_cw，各部分的电阻值计算方法如下：

1）焊件内部电阻R_w。电流通过焊件而产生的电阻热与焊件本身电阻有关，该电阻的计算公式为

式中ρ——焊接区金属的电阻率；

δ₁、δ₂——两焊件厚度（mm）；

S——对应于电极接触面积（mm²）；

K₁——边缘效应引起电流场扩展的系数，为0.82～0.84；

K₂——绕流现象引起电流场扩展的系数，为0.8～0.9，硬规范选低值，软规范选高值。

由于ρ一般随温度升高而增大，所以加热时间越长，电阻越大，产生热量越多，对形成焊点的贡献越大。

2）接触电阻（R_c＋2R_cw）。接触电阻是一种附加电阻，通常是指在点焊电极压力下所测定的接触面（焊件-焊件接触面、焊件-电极接触面）处的电阻值。

影响接触电阻的主要因素为表面状态和电极压力。钢的加热温度为600℃、铝的加热温度为350℃时的接触电阻接近为零。

电阻点焊焊件间的接触电阻R_c、电极与焊件间的接触电阻R_cw、两焊件的内部电阻R_w、点焊过程的电流分流、焊接电流、通电时间与电极压力等因素均会对点焊时的加热产生一定影响。焊接过程中焊件内部电阻的变化曲线如图1-11所示。

接触电阻与电极压力间的关系如图1-12所示。

图1-11 焊接过程中焊件内部电阻的变化曲线

注：R_w为工件本身电阻；R_ct为接触电阻（R_ct＝R_c＋2R_cw）；R为焊接区总电阻（R＝R_w＋R_ct）。

图1-12 接触电阻与电极压力间的关系

注：板厚为1mm；1—低碳钢；2—铝合金。