閃光對焊機

對焊分為電阻對焊和閃光對焊兩種。

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，然後迅速施加頂鍛壓力（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

對焊時的電阻分佈。總電阻可用下式表示：

R=2Rω+RC+2Reω

式中Rω--一個工件導電部分的內部電阻（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於阻值小，且離接合面較遠，通常忽略不計。

工件的內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於接觸面的表面狀態、温度及壓力。當接觸電阻有明顯的氧化物或其他贓物時，接觸電阻就大。温度或壓力的增高，都會因實際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；端面温度迅速升高後，接觸電阻急劇減小。加熱到一定温度（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電阻產生的電阻熱。電阻對焊時，接觸電阻存在的時間極短，產生的熱量小於總熱量的10-15%。但因這部分熱量是接觸面附近很窄的區域內產生的。所以會使這一區域的温度迅速升高，內部電阻迅速增大，即使接觸電阻完全消失，該區域的產熱強度仍比其他地方高。

所採用的焊接條件越硬（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、工藝參數和工件準備

1、焊接循環

電阻對焊時，兩工件始終壓緊，當端面温升高到焊接温度Tω時，兩工件端面的距離小到只有幾個埃，端面間原子發生相互作用，在接合上產生共同晶粒，從而形成接頭。電阻對焊時的焊接循環有兩種：等壓的和加大鍛壓力的。前者加壓機構簡單，便於實現。後者有利於提高焊接質量，主要用於合金鋼，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一步改善接頭質量，還應設置電流頂鍛程序。

2、工藝參數

電阻對焊的主要工藝參數有：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：頂鍛時工件的穩定性和向夾鉗的散熱。如果l0過長，則頂鍛時工件會失穩旁彎。l0過短，則由於向鉗口的散熱增強，使工件冷卻過於強烈，會增加塑性變形的困難。對於直徑為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。二者可以在一定範圍內相應地調配。可以採用大電流密度、短時間（強條件），也可以採用小電流密度、長時間（弱條件）。但條件過強時，容易產生未焊透缺陷；過軟時，會使接口端面嚴重氧化、接頭區晶粒粗大、影響接頭強度。

（3）焊接壓力Fω與頂鍛壓力Fu，Fω對接頭處的產熱和塑性變形都有影響。減小Fω有利於產熱，但不利於塑性變形。因此，易用較小的Fω進行加熱，而以大得多的Fu進行頂鍛。但是Fω也不能過低，否則會引起飛濺、增加端面氧化，並在接口附近造成疏鬆。

3、工件準備

電阻對焊時，兩工件的端面形狀和尺寸應該相同，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行嚴格清理。端面的氧化物和贓物將會直接影響到接頭的質量。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，並增大功率損耗。

清理工件可以用砂輪、鋼絲刷等機械手段，也可以用酸洗。

電阻焊接頭中易產生氧化物夾雜。對於焊接質量要求高的稀有金屬、某些合金鋼和有色金屬時，常採用氬、氦等保護氛來解決。

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

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

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，並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樑。由於液體過樑中的電流密度極高，使過樑中的液體金屬蒸發、過樑爆破。隨着動夾鉗的緩慢推進，過樑也不斷產生與爆破。在蒸氣壓力和電磁力的作用下，液態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，端頭温度也逐漸升高。隨着端頭温度的升高，過樑爆破的速度將加快，動夾鉗的推進速度也必須逐漸加大。在閃光過程結束前，必須使工件整個端面形成一層液體金屬層，並在一定深度上使金屬達到塑性變形温度。

由於過樑爆破時所產生的金屬蒸氣和金屬微粒的強烈氧化，接口間隙中氣體介質的含氧量減少，其氧化能力可降低，從而提高接頭的質量。但閃光必須穩定而且強烈。所謂穩定是指在閃光過程中不發生斷路和短路現象。斷路會減弱焊接處的自保護作用，接頭易被氧化。短路會使工件過燒，導致工件報廢。所謂強烈是指在單位時間內有相當多的過樑爆破。閃光越強烈，焊接處的自保護作用越好，這在閃光後期尤為重要。

2、頂鍛階段

在閃光階段結束時，立即對工件施加足夠的頂端壓力，接口間隙迅速減小過樑停止爆破，即進入頂鍛階段。頂鍛的作用是密封工件端面的間隙和液體金屬過樑爆破後留下的火口，同時擠出端面的液態金屬及氧化夾雜物，使潔淨的塑性金屬緊密接觸，並使接頭區產生一定的塑性變形，以促進再結晶的進行、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，但實質上是塑性狀態焊接。

預熱閃光對焊是在閃光階段之前先以斷續的電流脈衝加熱工件，然後在進入閃光和頂鍛階段。預熱目的如下：

（1）減小需用功率可以在小容量的焊機上焊接斷面面積較大的工件，因為當焊機容量不足時，若不先將工件預熱到一定温度，就不可能激發連續的閃光過程。此時，預熱是不得已而採取的手段。

（2）降低焊後的冷卻速度這將有利於防止淬火鋼接頭在冷卻時產生淬火組織和裂紋。

（3）縮短閃光時間可以減少閃光餘量，節約貴重金屬。

預熱不足之處是：

（1）延長了焊接週期，降低了生產率；

（2）使過程的自動化更加複雜；

（3）預熱控制較困難。預熱程度若不一致，就會降低接頭質量的穩定性。

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樑的總電阻，其大小取決於同時存在的過樑數及其橫斷面積。後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。隨着這三者的增大，同時存在的過樑數及其橫截面積增大，Rc將減小。

閃光對焊的Rc比電阻對焊大得多，並且存在於整個閃光階段，雖然其電阻值逐漸減小，但始終大於工件的內部電阻，直到頂鍛開始瞬間Rc才完全消失。閃光對焊時Rc、2Rω和R變化的一般規律。Rc逐漸減小是由於在閃光過程中，隨着端面温度的升高，工件接近速度逐漸增大，過樑的數目和尺寸都隨之增大的緣故。

由於Rc大並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、工藝參數和工件準備

1、焊接循環

閃光對焊的焊接循環，復位時間是指動夾鉗由鬆開工件至回到原位的時間。預熱方法有兩種：電阻預熱和閃光預熱，採用的是電阻預熱。

2、工藝參數

閃光對焊的主要參數有：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對焊接質量的影響及選用原則：

（1）伸長長度l0和電阻對焊一樣，l0影響沿工件軸向的温度分佈和接頭的塑性變形。此外，隨着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。

對於薄板（δ=1-4mm）為了頂鍛時不失穩，一般取l0=（4-5）δ。

不同金屬對焊時，為了使兩工件上的温度分佈一致，通常是導電性和導熱性差的金屬l0應較小。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取決於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有關。在閃光過程中，隨着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。當焊接大截面鋼件時，為增加工件的加熱深度，應採用較小的閃光速度，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。

電流的大小取決於焊接變壓器的空載電壓U20。因此，在實際生產中一般是給定次級空載電壓。選定U20時，除應考慮焊機迴路的阻抗，阻抗大時，U20應相應提高。焊接大斷面工件時，有時採用分級調節次級電壓的方法，開始時，用較高的U20來激發閃光，然後降低到適應值。

（3）閃光流量δf選擇閃光流量，應滿足在閃光結束時整個工件端面有一熔化金屬層，同時在一定深度上達到塑性變形温度。如果δf過小，則不能滿足上述要求，會影響焊接質量。δf過大，又會浪費金屬材料、降低生產率。在選擇δf時還應考慮是否有預熱，因預熱閃光對焊的δf可比連續閃光對焊小30-50%。

（4）閃光速度vf足夠大的閃光速度才能保證閃光的強烈和穩定。但vf過大會使加熱區過窄，增加塑性變形的困難，同時，由於需要的焊接電流增加，會增大過樑爆破後的火口深度，因此將會降低接頭質量。選擇vf時還應考慮下列因素：

（1）被焊材料的成分和性能。含有易氧化元素多的或導電導熱性好的材料，vf應較大。例如焊奧氏體不鏽鋼和鋁合金時要比焊低碳鋼時大；

（2）是否有預熱。有預熱時容易激發閃光，因而可提高vf。

（3）頂鍛前應有強烈閃光。vf應較大，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，液態金屬殘留在接口中，易形成疏鬆、縮孔、裂紋等缺陷；δu過大時，也會因晶紋彎曲嚴重，降低接頭的衝擊韌度。δu根據工件斷面積選取，隨着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，因此頂鍛流量應包括兩部分----有電流頂鍛留量和無電流頂鍛留量，前者為後者的0.5-1倍。

（6）頂鍛速度vu為避免接口區因金屬冷卻而造成液態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於金屬的性能。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）。對於同一種金屬，接口區温度梯度大的，由於接頭的冷卻速度快，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，即頂鍛壓強來表示。頂鍛壓強的大小應保證能擠出接口內的液態金屬，並在接頭處產生一定的塑性變形。頂鍛壓強過小，則變形不足，接頭強度下降；頂鍛壓強過大，則變形量過大，晶紋彎曲嚴重，又會降低接頭衝擊韌度。

頂鍛壓強的大小取決於金屬性能、温度分佈特點、頂鍛留量和速度、工件斷面形狀等因素。高温強度大的金屬要求大的頂鍛壓強。增大温度梯度就要提高頂鍛壓強。由於高的閃光速度會導致温度梯度增大，因此焊接導熱性好的金屬（銅、鋁合金）時，需要大的頂鍛壓強（150-400Mpa）。

（8）預熱閃光對焊參數除上述工藝參數外，還應考慮預熱温度和預熱時間。

預熱温度根據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。隨着工件斷面積增大，預熱温度應相應提高。

預熱時間與焊機功率、工件斷面大小及金屬的性能有關，可在較大範圍內變化。預熱時間取決於所需預熱温度。

預熱過程中，預熱造成的縮短量很小，不作為工藝參數來規定。

（9）夾鉗的夾持力Fc必須保證工件在頂鍛時不打滑Fc與頂鍛壓力Fu和工件與夾鉗間的摩擦係數f有關，他們的關係是：Fc≥Fu/2f。通常F0=（1.5-4.0）Fu，斷面緊湊的低碳鋼取下限，冷軋不鏽鋼板取上限。當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、工件準備

閃光對焊的工件準備包括：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量。在生產中，圓形工件直徑的差別不應超過15%，方形工件和管形工件不應超過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，以便於激光閃發。這樣就可以不用預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牀、衝牀、車牀上進行，也可以用等離子或氣焰切割，然後清除端面。

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格。但對夾鉗和工件接觸面的清理要求，應和電阻對焊一樣。

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

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

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。

閃光過程具有較強的自調節功能，對嚴格保持規範一致性要求較低，焊接質量穩定。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。

焊接生產率高，焊接一個接頭只需幾秒至幾十秒。

焊接適用範圍廣，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、不鏽鋼等有色金屬及合金都可以用閃光對焊焊接。

焊接截面積範圍大，一般從幾十至幾萬mm2截面積都能焊接。

閃光對焊廣泛應用於焊接各種板件、管件、型材、實心件、刀具等，應用十分廣泛，是一種經濟、高效率的焊接方法。

1、閃光對焊分連續閃光和預熱閃光對焊兩種。連續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（3000-6000）A/mm2，觸點快速熔化，形成連接兩邊金屬的液體“過樑”。這些液體過樑在電、熱、力共同作用下爆破，高速向外噴射，即所謂“閃光”。隨着工件往前送進，新的觸點又形成----爆破。

持續一段時間閃光後，對口端面被一層很薄（約0.1-0.3mm）液體金屬覆蓋，端口温度達到金屬的熔點，而且趨於穩定均勻，軸向也有一定加熱深度，。在實際生產中，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%。

閃光加熱達到焊接温度後，迅速提高送進力（頂鍛力）， 快速送進，將液體金屬及氧化、夾雜物全部擠出對口之外，使對口端面固態金屬緊密接觸，並且有一定塑性變形，兩邊金屬交互結晶，形成共同晶粒，獲得牢固對接接頭。結晶過程非常快，一般在0.02-0.06秒內完成。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 獲得優質焊接接頭的重要條件之一。

2、對控制要求

通用閃光對焊機，一般採用簡單的同步控制器 ， 能保證焊接質量。不宜採用恆電流控制器，否則會破壞閃光過程的自調節功能。也不必要採用電壓補償控制器（可控硅已全導通，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生熱量加熱金屬，固相交互結晶形成焊接接頭。

閃光過程具有較強自調節功能，比較容易獲得穩定，連續閃光過程。

次級迴路短路阻抗及短路功率因數對閃光過程穩定性有重大影響，應嚴格控制。

閃光對焊機應採用緩降外特性電源，次級空載電壓應能分級調節，次級空載電壓不宜太高。

焊接時可控硅應接近全導通運行

不能採用恆電流控制器，否則會破壞閃光過程自調節作用。

（1）程控降低電壓閃光對焊這種焊接方法的特點是，閃光開始階段採用較高的次級空載電壓，以利於激起閃光，當端面温度升高後，再採用低電壓閃光，並保持閃光速度不變，以提高熱效率。接近頂鍛時，再提高次級電壓，使閃光強烈，以增加自保護作用。

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

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

脈衝閃光對焊與普通閃光對焊相比較，由於沒有過樑的自發爆破，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定性。因為正弦波電源當電壓接近零位時，將使閃光瞬間中斷，而矩形波可在全週期內均勻產生閃光。與電壓相位無關。

矩形波電源單位時間內的閃光次數比工頻交流提高30%，噴濺的金屬微粒細，火口淺、熱效率高。矩形波頻率可在30-180Hz範圍內調節。這種方法多用於薄板和鋁合金輪圈的連續閃光對焊。