CN101596643B - 一种小口径金属电阻对焊的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种针对小口径电阻对焊的焊接方法，该方法可适用于小口径钢管、线材、环件的焊接，也可用于小口径有色金属如铝、镁线材及管材的接触对焊，属于焊接技术领域。由于不锈钢散热较慢，本发明提出了一种断续加热、连续不均匀散热的焊接工艺。该工艺所获得的焊接温度场高温塑性区较窄，且受接触电阻的影响较小。通过该工艺能够较精确的控制焊接收缩量。且焊缝成型美观，强度及通孔均满足要求，大大提高了产品的合格率。
Description
技术领域
本发明是一种针对小口径电阻对焊的焊接方法，该方法可适用于小口径钢管、线材、环件的焊接，也可用于小口径有色金属如铝、镁线材及管材的接触对焊，属于焊接技术领域。
背景技术
对于小口径(φ3mm～φ5mm)的金属线材及小口径不锈钢管材的的焊接方法，可采用电阻对焊方法。电阻对焊过程是加压和加热综合作用的过程。传统的电阻对焊加热由一次通电加热完成，整个焊接过程在瞬间完成，所以通常采用短时间大电流的焊接工艺，焊接温度场由焊件电阻热、接触电阻热、焊件表面的散热共同作用完成。
由于采用一次通电加热，从开始通电到焊接顶锻时间很短，因此通过电极而散失的热量也往往较小。由于接触电阻的影响，所形成的焊接温度场接头处温度最高，接头处的接触电阻产生热大约占总热量的10％～15％，焊接温度场分布如图1所示，该温度场以看做由沿焊件均匀分布的热源和集中于接口处的瞬时平面热源加热的结果(摘自《电阻焊理论与实践》机械工业出版社)。造成这种温度场分布主要是因为接口处的接触电阻所产生的瞬时平面热源加热的结果，而接触电阻的大小与工件的装卡及工件本身的加工精度、工件的对中程度都有着较大的关系，尤其在细径薄壁不锈钢接触对焊中，微小的错边都会产生较大的接触电阻的变化。此外，在焊接过程中，接触电阻的大小随温度的升高而迅速的下降。而在实际焊接过程中，很难保证接触电阻的大小及其变化速度。因此由接触电阻所产生的瞬时平面热量不稳定性很大。导致的结果就是焊接温度场变化较大，焊接收缩量难以精确控制。
另外，目前的电阻对焊通常采用设定焊接时间来切断焊接电源的方式。该方法是开环控制法，焊接收缩量无法保证。
发明内容
本发明的目的在于克服了现有电阻对焊方法的上述缺陷，提供了一种断 续加热焊接方法，这种焊接方法会连续不均匀散热的，其焊接温度场通过断续的通电加热及连续的不均匀散热共同作用形成，降低了对焊接电阻的大小要求，进而降低了对工件的装卡要求。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：该方法包括以下步骤：
1)用左夹紧器和右夹紧器夹紧被焊工件。
2)采用断续通电加热、连续不均匀散热的方式建立焊接温度场，使焊接接头区域的温度达到0.8～0.9Tme，其中Tme表示被测工件材料熔点。被焊工件在与焊接压力保持一致的顶锻压力作用下发生焊接收缩。所述的连续不均匀散热的实现方式为：通过对焊接电极进行水冷却，使焊接电极的温度始终保持恒温。
3)通过激光测距仪测试被测工件的伸出长度，直至被焊工件的缩短量达到要求的焊接收缩量时，切断焊接电源，完成焊接。
所述的断续通电的各次通电时间为10～2000ms。
所述的断续通电的各次断电时间为10～2000ms。
所述的断续通电加热方式中的通电次数为1～5次。
所述的与焊接压力保持一致的顶锻压力是通过以下装置实现的，具体结构为：该装置包括底座、左夹紧器、右夹紧器、滑板、导轨、砝码、L形曲柄和绳索。其中：左夹紧器固定在底座的左端，右夹紧器固定在滑板上，滑板通过导轨连接在底座上，被焊工件分别固定在左夹紧器和右夹紧器上，L形曲柄的一个臂与滑板铰接，绳索的一端与L形曲柄的另一个臂连接，绳索穿过底座上设置的通孔后在另一端悬挂有砝码，L形曲柄的拐点处通过转轴固定在底座上，以使L形曲柄能够绕着拐点转动。
本发明中，散热的能量由两部分组成：一部分是由工件表面散失到空气中的热量，该部分能量很小；另一部分是通过焊接夹具由焊接电极散失。本发明采用热容较大的焊接电极亦可采用冷却水冷却焊接电极的方式，使焊接电极的温度始终保持恒定温度，可认为焊接电极为无限散热源，整个工件散热速度跟距离焊接电极的远近密切相关，距离焊接电极越近，散热速度越快，随着距离焊接越远，散热速度越来越慢，构成了连续的不均匀散热。通过调 整相应的工艺参数，提供给不同材料的工件以充足的散热时间，使接头一周温度缓慢均匀提升至材料的塑性变形温度。在与焊接压力一致的顶锻压力作用下，使焊缝接头处收缩变形。上述方法所建立的焊接温度场与传统的焊接温度场相比，容易控制焊接温度场的变化，且高温塑性区较窄，为精确控制焊接收缩量提供了可能。
本发明与传统的电阻对焊方法相比，具有以下优点：
1)本方法接触电阻产热较小，除第一次通电加热外，在后几次的通电加热中接触电阻已经消除，所以其接触电阻产生的热量只在第一次通电中存在。这说明该焊接方法接触电阻对最终焊接顶锻前温度场的影响很小，因此该方法大大减小了因安装误差或加工误差对最终焊缝成型的影响。
2)由于较长时间的连续不均匀散热，所以通过焊接夹具而散失的热量较大程度的影响了焊接温度场的分布。而通过夹钳所散失的热量可以根据焊接断电时间及伸出长度来精确的控制。因此本发明能够更加精确的控制焊接温度场。焊接收缩量是在焊件接头附近温度超过工件塑性变形温度(0.8-0.9Tme(Tme表示材料熔点))的部分。如图5所示。精确的控制了焊接温度场就为精确的控制焊接收缩量提供了有利条件。
3)该方法采用激光测距仪，以直接测量伸出长度的变化来控制焊接时间，是一种闭环控制方法，当焊接收缩量达到设定值时关闭通电时间。因此对焊接收缩量有了更精确的控制。
4)该试验采用恒定的通过重力作为与焊接压力一致的顶锻加压方式。该压力高度恒定。在建立合适的焊接温度场后，焊件接头处将缓慢的发生收缩变形，这种较慢的变形速度为焊接收缩量的精确控制提供了可能。
附图说明：
图1传统电阻对焊温度场分布示意图
图2焊接电流时序图
图3对应焊接电流时序的焊接温度场分布图
图4电源输入能量及工件散热能量分布示意图
图5焊接温度场分布曲线
图6焊后X光探伤通孔检验照片
图7焊缝处压扁试验照片
图8顶锻压力加压装置的俯视图
图9顶锻压力加压装置的侧视图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明采用多次断续通电加热和连续不均匀散热的方式建立合适的焊接温度场，一般通断电的次数为1～5次。一般根据实际焊接需要选择每次不同的通电时间(一般为10～2000ms)及每次不同的通电电流(一般为100～5000A)。当第一次通电加热完成后根据需要选择断电时间(一般为10～2000ms)。在第一次断电时间结束后，再进行第二次通电加热，以此类推。在顶锻压力的作用下形成原子间的结合，从而获得牢固的接头。
本实施例中焊接夹钳通过自身较大的热熔和水冷两种方式使焊接夹钳的温度保证恒定室温。
在通电加热过程中，通过激光测距仪测量工件伸出长度的数值，当该数值达到设定的焊接收缩量后，切断电源，完成焊接过程。
该焊接采用恒定的以重力的方式悬挂砝码作为顶锻加压方式，保证焊接压力与顶锻压力的一致。
采用本实施例中的方法进行了如下试验：
根据某行业的特殊需要，要求将1Cr18Ni9Ti不锈钢O型密封圈(Φ3×0.5mm)首尾连接。设计对金属O型密封环产品的质量要求非常严格，产品焊后经X光探伤检查内径通孔应在Φ0.6mm以上，焊缝处直径不允许小于管径Φ3+0.05的0.08mm，整个密封环表面粗糙度Ra不小于0.8mm，焊缝处由Φ3压扁到2-0.1不能有裂纹焊接后强度要达到及焊后通孔率焊接试验。
在本实施方式中，采用三次预热一次焊接共四次通电加热的方式。其中第一次预热电流为850A，加热时间为400ms，第一次断电时间为400ms，第二次预热电流为780A，加热时间为300ms，第二次断电时间为400ms，第三次预热电流为780A，加热时间为300ms.第三次断电时间为200ms.焊接加热电流为 740A。设定的焊接收缩量为0.6mm，设定的焊接压力为2.7Mpa.焊接电流时序图如图2所示，对应焊接时序的焊接温度场分布如图3所示。电源输入能量及沿工件长度方向的散热能量分布如图4所示。其在焊接顶锻前时刻温度场分布如图5所示。在图5所示的焊接温度场中只有接头附近长度为c的范围温度超过了1Cr18Ni9Ti的塑性变形温度。因此在焊接过程中将有长度为c的范围发生焊接收缩。在本实施方式中，c为0.6mm。
本实施例采用如图8、图9所示的装置来保证顶锻压力的恒定。该装置包括底座、左夹紧器9、右夹紧器5、滑板3、导轨4、砝码8、L形曲柄1和绳索10。焊件7的一端通过左夹紧器9夹紧，另一端通过右夹紧器5夹紧。其中左夹紧器9固定在底座上，右夹紧器与固定在滑板3上，滑板3通过滑块11可沿着导轨4的方向移动，导轨固定在底座上，这样便使滑板3能够沿着底座滑动。L形曲柄1其中的一个臂与滑板3通过导槽构成铰接，L形曲柄1的拐点通过转轴6固定在底座上，另一个臂与悬挂砝码8的绳索10连接。所述的绳索10穿过底座上设置的通孔，通过砝码8的重力在L形曲柄1上产生的拉力进而在滑板3上产生向前的推力，以该推力作为焊接过程中的焊接压力及顶锻压力。因为砝码的重力不会改变，因此保证了焊接过程中的焊接压力与顶锻压力的高度一致。
本实施例中连续不均匀温度场，通过热容较大的焊接电极及焊接夹钳通冷却水的方式保证钳口处散热速度远远大于焊接接头处，且越靠近焊接钳口，散热速度越快。
经过大量该试验发现焊缝成型稳定，表面光滑，且产品焊后经X光探伤通孔均达到要求。X光探伤通孔检查如图7所示，焊接强度经压扁试验无裂纹产生。其照片图如图8所示。接触电阻对焊接的质量影响较小，因此该工艺大大提高了产品的合格率。
试验还发现通过该断续加热连续散热的焊接工艺可使焊接塑性变形区域变窄，且便于控制塑性变形区域的大小，因而有利于焊接。
Claims (3)
1.一种小口径金属电阻对焊的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)用左夹紧器和右夹紧器夹紧被焊工件；
2)采用断续通电加热、连续不均匀散热的方式建立焊接温度场，被焊工件在与焊接压力保持一致的顶锻压力作用下发生焊接收缩；
3)通过激光测距仪测试被测工件的伸出长度，直至被焊工件的缩短量达到要求的焊接收缩量时，切断焊接电源，完成焊接；
所述的断续通电的各次通电时间为10～2000ms；
所述的断续通电的各次断电时间为10～2000ms；
所述的断续通电加热方式中的通电次数为1～5次。
2.根据权利要求1所述的一种小口径金属电阻对焊的方法，其特征在于：步骤2)中所述的连续不均匀散热的实现方式为：通过对焊接电极进行水冷却，使焊接电极的温度始终保持恒温。
3.根据权利要求1所述的一种小口径金属电阻对焊的方法，其特征在于：所述的与焊接压力保持一致的顶锻压力是通过以下装置实现的，具体结构为：该装置包括底座、左夹紧器(9)、右夹紧器(5)、滑板(3)、导轨(4)、砝码(8)、L形曲柄(1)和绳索(10)；其中：左夹紧器(9)固定在底座的左端，右夹紧器(5)固定在滑板(3)上，滑板(3)通过导轨(4)连接在底座上，被焊工件分别固定在左夹紧器(9)和右夹紧器(5)上，L形曲柄(1)的一个臂与滑板(3)铰接，绳索(10)的一端与L形曲柄的另一个臂连接，绳索(10)穿过底座上设置的通孔后在另一端悬挂有砝码(8)，L形曲柄(1)的拐点处通过转轴固定在底座上。
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