闪光对焊工艺及焊前准备优化方案

对焊是电阻焊的另一大类，对焊焊件均为对接接头，按加压和通电方式分为压力对焊和闪光对焊。压力对焊是指工件装配成对接接头，使其端面紧密接触，利用电阻加热至塑性状态，然后迅速施加顶锻力使之完成焊接的方法。闪光对焊是指工件装配成对接接头，接通电源，并使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻加热这些接触点（产生闪光），使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻力完成焊接的方法，它是对焊的主要形式，在生产中应用十分广泛。

闪光对焊又分为连续闪光对焊和预热闪光对焊。连续闪光对焊过程由两个主要阶段组成：闪光阶段和顶锻阶段。预热闪光对焊过程由三个主要阶段组成：预热阶段、闪光阶段和顶锻阶段。

1.对焊工作原理、特点及应用范围

（1）工作原理

1）压力对焊的工作原理。先将两焊件的焊接面对齐装配成对接接头且压紧，并通以很大的焊接电流，由于焊件接触电阻较焊件内的电阻大得多，大部分热量集中在焊接面附近，从而迅速使焊接区加热到塑性状态，断电后立即施加顶锻压力，使两焊件接触面的焊接区产生塑性变形，两焊件间金属原子在高温高压下相互扩散，形成牢固的接头，如图14-12所示。

图14-12 压力对焊示意图

2）闪光对焊的工作原理。在闭合焊接电源后，将夹在电极中两焊件移近到相互接触状态，但不能压紧，这时两焊件仅有一些点接触，接触电阻很大，当电流通过时，由于接触电阻大和电流密度大，因此迅速将接触处的金属加热熔化，形成一些熔化金属“过梁”，形成的过梁在焊接电流的作用下，被迅速加热到沸点而引起蒸发，形成过梁爆破，使金属微粒从接触面以很高的初速度（约50m/s）做火状射出，即进入闪光阶段。随着动电极的缓慢推进，过梁不断充实和爆破，同时焊件逐渐缩短，接触面的温度也逐渐升高，过梁爆破速度逐渐加快，动电极的移动速度也必须逐渐加快，直到焊接面形成一层液态金属，并在一定深度上使金属达到塑性变形温度，这时就可以进入顶锻阶段。在顶锻阶段必须对焊件施加足够的顶锻压力，使接口间隙迅速见效，过梁停止爆破，然后切断焊接电流。在顶锻力的作用下挤出接触面的液态金属及氧化物等杂质，使洁净的塑性金属紧密接触，并使接头部位产生一定的塑性变形，形成共晶晶粒，获得牢固的焊接接头。预热闪光对焊则是在闪光阶段前先以断续的电流脉冲加热焊件，然后再进入闪光和顶锻阶段。闪光对焊如图14-13所示。

图14-13 闪光对焊

（2）特点

1）压力对焊的特点。压力对焊是先加压力后通电的，焊件电阻的析热占很大比例，温度沿轴向分布较平缓。在可焊范围内，不论截面大小，均可在同一瞬间完成整个端面的焊接。最高温度始终低于熔点温度，约为熔点的90%。只存在接口的塑性变形而几乎无烧损，焊件焊后缩短量较小，接头表面较光滑，无毛刺。其缺点是对焊的接触面加工要求较高，且只能焊接断面伸长率较好的材料，对接面易受空气侵袭而形成氧化物，使接头冲击性能降低，所以受力要求高的焊件应在保护气氛中进行焊接。

2）闪光对焊的特点。

①闪光对焊是先接通焊接电流后使焊件接触形成闪光的，最后再加顶锻压力并逐渐增加顶锻压力。

②闪光对焊的接头加热区窄，端面加热均匀，接头质量高，生产率也高。

③预热闪光对焊与连续闪光对焊相比，具有可用功率较小的焊机焊接大断面焊件；降低焊后的冷却速度，有利于防止淬火钢接头在冷却时产生淬火组织和裂纹；缩短闪光阶段的时间，减少闪光数量，可以节约贵重金属等优点。其缺点是焊接周期长，预热控制困难，影响接头质量的稳定，另外还使焊接过程自动化更加复杂。

④闪光对焊时，两焊件的截面形状必须一致，尺寸差别应加以严格控制，一般来说直径差别不大于15%，厚度差别不大于10%。

（3）应用范围

1）对焊最小可焊ϕ0.4mm的金属丝，最大可焊截面积超过100000mm²的钢坯（压力对焊为250mm²以下的焊件）。

2）所有的钢件和有色金属基本上都可以对焊。

3）压力对焊在管道、拉杆以及小链环焊接中采用。闪光对焊常用于重要的受力对接件，如蜗轮轴、锅炉管道等。

总之，对焊在造船、汽车及一般机械工业中占有重要位置，如船用锚链、汽车曲轴、飞机上操纵用拉杆、建筑业用的钢筋等焊接中均有应用。

2.对焊的工艺特点

（1）焊前准备

1）压力对焊的焊前准备。

①两焊件的端面形状和尺寸应相同，否则难以保证两焊件的加热和塑性变形一致。(www.xing528.com)

②焊件的端面以及与夹具接触面必须清理干净，否则断面的氧化物和脏物会增大接触处电阻，使焊件表面烧伤、夹具磨损加快及增大功率消耗。可用砂布、砂轮、钢丝刷等机械方法清理，也可使用化学清理方法。

③压力对焊接头中易产生氧化物夹杂，对于焊接质量要求高的稀有金属、某些合金钢和有色金属时，可采用氩气、氦气等保护气体来解决。

2）闪光对焊的焊前准备。闪光对焊时，由于端部金属在闪光时被烧掉，所以对端面清理要求不高，但对夹具和焊件接触面的清理要求应和压力对焊相同。

3）对大截面焊件进行闪光对焊时，最好将一个焊件的端部倒角，使电流密度增大，以利于激发闪光。

4）两焊件断面形状和尺寸应基本相同，其直径之差不应大于15%，其他形状偏差不应大于10%。对焊接头均设计成等截面的对接接头。

（2）焊接参数

1）压力对焊的焊接参数。压力对焊的焊接参数包括伸出长度、焊接电流、焊接通电时间、焊接压力和顶锻压力。

①伸出长度。伸出长度是指焊件伸出夹具电极断面的长度。选择伸出长度时要从两个方面考虑：一是顶锻时焊件的稳定性，二是向夹具散热。如过长则压弯，过短则向夹具散热增加，造成焊件冷却过快，导致产生塑性变形困难。伸出长度应根据不同金属材料来决定。如低碳钢为（0.5～1）D，铝和黄铜为（1～2）D，铜为（1.5～2.5）D（其中，D为焊件的直径）。

②焊接电流。焊接电流是决定焊件加热的主要参数，电流密度大则焊接通电时间短，如电流密度太大则容易产生未焊透，电流密度小则会使接口端面严重氧化，接头区晶粒粗大，影响接头强度。对于不同的材质和截面尺寸应采用不同的电流密度，如导热性好的材料应采用较大的电流密度，如焊接直径增加时可适当降低电流密度。

③焊接通电时间。这也是决定焊件加热的主要参数。它应和焊接电流配合。通电时间太短则容易产生未焊透，通电时间太长则氧化严重。

④焊接压力和顶锻压力。它们对接头处的产热和塑性变形都有影响。如减小焊接压力则有利于产热，但不利于塑性变形，反之，则相反。因此，应采用较小的焊接压力进行加热，而采用较大的顶锻压力进行顶锻。但焊接压力不宜太低，否则会产生飞溅，增加端面氧化。

2）闪光对焊的焊接参数。闪光对焊的焊接参数包括伸出长度、闪光电流、闪光流量、闪光速度、顶锻留量、顶锻速度、顶锻压力、顶锻电流、夹钳夹持力等。

①伸出长度l₀。l₀影响沿工件轴向的温度分布和接头的塑性变形。l₀数值的确定按如下公式选择：

棒材和厚壁管材 l₀=（0.7～1）d（d为直径）

薄板 l₀=（4～5）δ（δ=1～4mm）

②闪光电流I_f和顶锻电流I_u。闪光电流I_f取决于工件的断面面积和闪光所需要的电流密度J_f（J_f的大小又与被焊金属的物理性能、闪光速度及工件断面的加热状态有关）。

在闪光过程中，随着闪光速度v_f的逐渐提高和接触电阻R_t的逐渐减小，闪光电流密度J_f将增大，顶锻时接触电阻R_e迅速消失，电流将急剧增加到顶锻电流I_u。断面面积为200～1000mm²的工件闪光对焊时，J_f、J_u（顶锻电流密度）的参考值见表14-6。

表14-6 闪光对焊时J_f、J_u（顶锻电流密度）的参考值

③闪光留量δ_f。选择闪光留量δ_f应满足在闪光结束时，整个工件断面有一层熔化金属层，同时在一定深度上达到塑性变形温度。δ_f过小，影响接头质量；δ_f过大，浪费金属，降低生产率。

④闪光速度v_f。有足够的闪光速度才能保证闪光的强烈和稳定。v_f过大，使加热区窄，增加塑性变形困难，而且此时需要的焊接电流增加，增加爆破后的火口深度，会降低接头质量。所以选择v_f时要注意：容易氧化元素多的或导热性好的材料，v_f应较大；预热所选v_f较大；顶锻前有强烈闪光，v_f应较大。

⑤顶锻留量δ_u。δ_u影响液态金属排除和塑性变形的大小。δ_u包括有电流顶锻留量和无电流顶锻留量，有电流顶锻留量为无电流顶锻留量的50%～100%。δ_u的大小也影响接头质量。

⑥顶端速度v_u。v_u影响液态金属排除和塑性变形的难易，要求v_u越大越好。对导热性好的材料需要很大的顶锻速度，对于碳钢顶锻速度一般为60～80mm/s。

⑦顶锻压力F_u。F_u的大小应保证能挤出接口内的液态金属，并在接头处产生一定的塑性变形。F_u的大小用顶锻压强来表示，顶锻压力过小，则变形不足，接头强度下降；顶锻压力过大，则变形量过大，晶纹弯曲严重，又会降低接头冲击韧度。顶锻压力的大小取决于金属性能、温度分布特点、顶锻留量和顶锻速度、工件断面形状因素等。导热性好的金属，需要大的顶锻压强（150～400MPa）。

⑧夹钳夹持力F_c。F_c的大小应保证在顶锻时不打滑，通常F_c=（1.5～4.0）F_u。