【教程】制桶電阻焊接的基本理論

制桶工藝學

第三章 焊接

第一節 電阻焊接的工作原理

3.1.2 制桶電阻焊接的基本理論

一、電阻焊接的原理

1、電的熱效應——電阻發熱

由電工原理可知，電流通過導體時，導體將吸熱而溫度升高，這是導體電阻吸收的電能轉換成熱能的緣故，這種現象稱為電流的熱效應。可以通過圖3-2的電阻等效圖進行定量分析。

圖3-2 電阻等效圖

圖中導體截面積為S（m2）、長皮l（m）、電阻率ρ（Ω?m）、電流I（A）在單位時間t（s）內通過該導體，由導體電阻R（Ω）生成的熱量為Q（J）：

鋼板焊接時的電阻熱可根據焦耳定律計算：

Q=I2Rt     （J）

或

      （J）

式中 δ——電流密度，δ=I/s  （A/m2）
                        R——導體電阻，R=ρ（l/s）  （Ω）

如取導體體積V=Sl（m3）代人上式可得：

Q=ρδ2Vt    （J）

即當電流通過1立方米體積的導體時，經每秒時間能產生ρδ2焦耳的熱量。這意味著導體電阻率越大及電流密度越大，發熱量也越大。尤其是後者，試看當同祥電流強度流經不同截面積的同種導體時發熱量的變化情況：如導體長度不變，僅斷面積變化為原來面積的1/K，當然體積也變為原體積的1/K。這樣電流密度必然增大K倍（因為δ=I/S，1/K=KI/S），其發熱量變化取決於δ2S值，則增加K2×1/K=K倍（即當導體截面積縮小K倍時，為了維持導體體積不變，則須將該導體長度增長K倍，引起ρ?l值增加K倍，δ2?S值增加K倍，其發熱量變化取決於ρl?δ2S值，則增加K2倍。這是電阻焊接能夠實際進行的重要原理。電阻焊接就是根據上述原理，優先考慮了利用導電構件的斷面積差，儘量提高焊接部分的電流密度，使發熱成為有效的同時，儘量降低焊接處以外部分的電流密度。其次，應利用電阻率小的材料（如銅）製造電極也可使無效發熱減少。

2. 焊接區的電阻

已知導體電阻生成的熱量與焊接電流的平方成正比，也與電阻和時間成正比。而完成一定焊點或焊縫所需的電流大體與時間的平方根成反比。因此，如果時間極短，則所需電流會很大。過短時間和過大電流組合，可能會在焊接區產生不合要求的溫度分布。導致焊件表面劇烈熔化及電極迅速損耗。所以要對焊接電流進行控制。電阻焊機的變壓器次級迴路和被焊工件構成了一系列的電阻，電阻的算術總和影晌著焊接電流的大小。不論迴路中任何部位的瞬時電阻值如何，在迴路中各個部分的電流大小總是相同，但任何部位產生的熱量則與該處的電阻值成正比。在點、縫焊或凸焊肘，焊接區的總電阻由三大部分組成（圖3-3）。

圖3-3 焊接區電阻及溫度分布
                   1-冷卻水；2-電極；3-焊接溫度；4-初始溫度；
                   5-在20%焊接時間的溫度分布；6-焊接時間結束時的溫度分布

R = 2Rw +Rc + 2Rcw

式中　Rw——焊件的內部電阻③、⑤；
                    　　Rc——焊件間的接觸電阻④；
                   　　Rcw——電極與板件間的接觸電阻③、⑥。

圖中①、⑦為電極材料的電阻。這7個電阻部位都要產生熱量，其大小與該處的電阻成正比，如同時考慮散熱，則形成了如圖示的溫度分布。

在所有上述電阻中，只有焊件接觸界面需要焊接熱量，其它部位生成的熱量應儘量減少。由於最大電阻位於④處，熱量在該部位生成最快、最多。其次是②和⑥處，由於加熱與散熱幾乎同時進行，這兩處生成的熱量迅速地散失到毗鄰的水冷電極①和⑦中。被稱作熔核的④處生成的熱量以慢得多的速度散失到焊件中去，所以在焊接電流繼續流動時，在④處中心的溫度上升速度要比③與⑥處快得多。圖中垂直虛線3表示熔核開始形成的溫皮；在20%的焊接時間內，溫度梯度分布約如圖中第5指標所指，焊接結束時的溫度梯度分布如圖中第6指標所指；迴路中各部分的電阻熱形成的溫度梯度決定了熱量是流向焊件接觸界面還是從焊件接觸界面流出，而熱量的流向又加速或延緩適量的局部焊接熱量的產生。

關於各部分的電阻以點焊為例分述如下：

①接觸電阻Rc+2Rcw

接觸電阻是一種附加電阻，通常指的是在點焊電極壓力下所測定的接觸面（焊件之間的接觸面、焊件與電極接觸面）處的電阻值。

一個經過任何方法加工，甚至經研磨、拋光的焊件表面都不是絕對光滑的，仍可在顯微鏡（25～100倍）下觀察到凹凸不平的表面，更何況表面有氧化膜、油膜及吸附氣體層等這些不良導體膜存在，所以當兩個接觸面互相緊壓時不可能沿整個平面接觸，而總是從部分點接觸開始。如果接著通以電流，則電流只能從這些實際接觸點通過（不良導體膜的觸點，電流不易通過）。這時接觸點附近及不良導體膜部位的電流線發生彎曲變長，並向接觸點密集而實際導電截面積顯著減小。這種電流的密集、變長形成了附加電阻即接觸電阻（圖3-4）。

圖3-4 接觸電阻的形成
                   1-電流線；2-實際接觸點；3-不良導體膜

影響接觸電阻的主要因素有材料性質、電極壓力、表面狀況及加熱溫度。

電極壓力的增大會使焊件和電極金屬的彈性與塑性變形增加，這樣接觸表面凸出點會被壓潰，不良導體膜也被部分破壞，使接觸點的數量和面織隨之增加，因而接觸電阻減小。當壓力接著減小時，已塑性變形的接觸點數量和面積不可能恢復原狀，這種「滯後」現象使接觸電阻低於原壓力值下的數值。

表面狀態不同的焊件，某接觸電阻的大小與表面加工粗糙度、清理方法及焊前存放時間都有關。未經清理的不良表面，如附有氧化膜及其它汙物的焊接表面，在通電初期，通過表面的電流線分布很不均勻，接觸電阻突然增大，使加熱極不均勻甚至表面燒傷、金屬噴濺，焊接質量降低。其實，焊件間的接觸電阻在通電頭半周內就消失大部分，似乎影響不嚴重。但是大約在第一周波中，由於過大的接觸電阻使母材金屬的電阻因過熱而大大是高。母材金屬這種隨溫度升高而增大的電阻使以後各通電周波的電流作用更大，如此惡性循環，使電阻焊接的能量難以控制。這種情況，在實際焊接生產中是有可能發生的。可見，焊接表面清理越乾淨、光潔度越高，接觸電阻越小，對焊接越有利。清理後的金屬表面在存放過程中將被重新汙染，所以有存放時間的限制。
  隨著焊接溫度的逐漸升高，接觸點壓饋強度逐漸降低從而使接觸面急劇增加，接觸電阻迅速下降直至消失。鋼材溫度在600°C時的接觸電阻接近於零。

電極與焊件之間的接觸電阻Rcw是在不同材料之間發生的。因電極材料一般較硬，可與焊件表面較好接觸，所以Rcw遠小於Rc，在焊接工藝中可以忽胳不計， 但必須注意：過大的Rcw，如電極表面焊前清理不良、焊件表面過熱，會降低電極使用壽命，甚至燒壞電極與焊件接觸表面。為儘量減小Rcw，焊件與電極接觸表面在焊前必須仔細清理，並使電極有良好的冷卻條件，使此處熱量迅速擴散，嚴格限制電極溫度在正常範圍以內。

②焊件內部電阻2Rw

焊件內部電阻2Rw是焊接區金屬材料本身所具有的電阻由該區域的體積要大於電極-焊件接觸面為底的圓柱體體積。這是由於點焊時的「邊緣效應」造成的。

邊緣效應是一種僅與幾何因素有關的物理現象（圖3-5）。點焊時產生的該現象的基本原因是電極與焊件接觸面積遠小於焊件的橫截面電流線必然向焊件邊緣擴展。而且點焊時焊接區內加熱和溫度不均勻（由於熱傳導規律，通常中心溫度高，而邊緣溫度逐漸降低），電阻率也隨溫度升高而加大，這就引起焊接電流繞過較熱部分金屬呈現繞流現象，並進一步促使電流場向邊緣擴展，如圖3-5中(b)、(c)所示。

圖3-5 電流場及電流密度分布
                   (a)導線中的電流場及電流密度分布；
                   (b)單塊板中的電流場及電流密度分布；
  (c)兩塊板中的電流場及電流密度分布。
                   i——電流線；j——電流密度；j0——平均電流密度

邊緣效應、繞流現象、金屬熱物理性質、機械性能、電極壓力、焊件厚度等凡是影響電流場分布的因素必然影響內部電阻2Rw，各種變化參數摻雜在一起，具有瞬時、微妙、複雜的相互影響和難以測定控制的特點。但不等於不能加以認識和用合適工藝加以控制，否則電阻焊就不是一種可行的焊接方法了。

③總電阻R

總電阻值主要取決於焊件內部電阻Rw和接觸電阻Rc，凡是影響電流分布的因素都直接影響R值。R值的大小影響熔核形成過程和加熱特點，也是選用焊機和計算焊接變壓器的依據。

由於在焊接加熱過程中不同材料的電阻率ρ和電極與焊件接觸面直徑d0與單個焊件的厚度δ之比值d0/δ變化不同，焊接區動態總電阻r的變化相差很大。電極形狀、材料厚度、選用焊接規範等對R值均有影響。如圈3-6所示是制桶常用低碳鋼動態電阻曲線。

圖3-6 低碳鋼典型動態電阻曲線

下降段（t0-t1）: 由於接觸電阻迅速降低及消失使r值陡降。這時焊接區金屬未熔化但有明顯加熱痕跡。

上升段（t1-t2）: 隨著加熱迸行，焊接區溫度升高，金屬電阻率ρ增加很快，使Rw明顯增大，焊接區金屬基本處於固態，接觸面增加緩饅，曲線上升較快。加熱時間接近t2時，焊接區溫度已較高，ρ的增大速率減小，而導電面積增加較快，結果r增加速率減慢。在t2時焊接區金屬已局部熔化，熔核開始形成。

再次下降段（t2-t3）：繼續加熱使熔化區及塑性環不斷擴展，雖然金屬由固液相轉變時電阻率會突然增加，但由於繞流現象使電極下的導電通路截面增大而電阻率不明顯增大，另一方面，由於金屬的明顯軟化使接觸面迅速增大，電流場的邊緣效應減弱。結果均使焊接區的電阻減小，曲線下降。

平穩段(t3以後)：由於電極與焊件接觸面尺寸的限制以及塑性金屬被擠到兩焊件之間，使板縫翹離，限制了熔核和導電面秧增大。同時電流場和溫度場已近穩定，熔核和塑性環尺寸也基本不變，動態電阻曲線進入平穩段。