机械工程与自动化系.docx
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机械工程与自动化系
成都纺织高等专科学校机械工程与自动化系
毕业设计（论文）说明书
题目名称：
点焊工艺
√
班级：
层次：
□本科□专科
学生学号：
指导教师：
学生姓名：
学生专业：
汽车检测与维修技术
成都纺织高等专科学校机械工程与自动化系
2011年3月19日
摘要
电阻点焊是一种被广泛应用的生产工艺，尤其被广泛应用于现代制造业及其它一些高科技产业与领域，如汽车制造、飞机制造及航空航天领域等。
点焊是现在汽车车身及其它部件的主要连接工艺方法，在汽车制造工业中发挥着不可替代的重要作用。
汽车车身点焊的连接质量决定了汽车的整体结构刚度和完整性，所以检测和保证点焊的连接质量具有重要的实际意义。
本文基于超声检测的基本原理，进行了汽车车身焊点连接质量的检测和评价研究。
现代轿车的白车身都是通过冲压件焊接连接而成，焊接质量的好坏直接关系到车身的可靠性，因此研究车身焊点的质量非常重要。
锌钢板虽具有较好的抗腐蚀性能，但点焊过程中，与无镀层钢板相比，存在以下问题：
先于钢板熔化的锌层形成锌环而分流，致使焊接电流密度减小；锌层表面烧损、粘连、污染电极而使电极寿命降低；锌层电阻率低，接触电阻小；容易产生焊接飞溅、裂纹、气孔或组织软化等缺陷。
对于生产企业来说，合理选择工艺参数则是控制焊点质量的最主要途径。
本文通过一种既能减少试验次数，又能获得可靠结果的多因素的优选方法——正交试验设计对点焊工艺参数进行优化，代替了传统的经验法，在确保试验结果可靠的基础上，提高了试验效率。
随着汽车工业飞速发展，电阻点焊己经成为轿车白车身装配的主要连接方法，因而点焊质量与焊接效率对轿车的质量与成本有着重要影响。
广阔的市场需求及严格的焊接质量要求对点焊质量控制提出了更高的要求，点焊的质量问题越来越多地受到关注。
由于点焊过程的复杂性，点焊质量的在线评估与质量控制一直是点焊技术领域中的难题。
针对这一问题，本文对汽车点焊过程的质量控制和评估方法进行了研究，重点研究了一种点焊质量的多变量综合监控技术，以保证焊点质量的稳定性，提高点焊合格率，从而达到降低生产成本和提高生产效率的目的。
关键词：
电阻点焊，超声检测，多变量综合监控技术
ABSTRACT
Resistancespotisawidelyusedtechniqueofproduction,especiallyiswidelyusedinthemodernmanufacturingandotherhigh-techindustriesandfields,suchasautomobile,airplanemanufacturingandaerospace,etc.Weldingisnowautomobilebodyandotherpartsofthemainconnectionprocess,inautomotiveindustryplaysanirreplaceablerole.Automotivespotweldingqualitydecidedthecarconnectionoftheoverallstructurestiffnessandintegrity,sodetectionandguaranteethequalityofresistancespotweldingconnectionhasimportantpracticalsignificance.Basedonthebasicprincipleofultrasonicdetection,theautomobilebodysolderconnectionsqualityinspectionandevaluationresearch.
Moderncarsarewhitebodybystampingweldingconnectionandbecome,thequalityofweldingisdirectlyrelatedtothebodyofthereliabilityofthebody,sothestudyofthequalityofsolderjointisveryimportant.Zincplate,thoughhasgoodcorrosionresistance,butspotweldingprocess,comparedwithnocoatingsteel,existinthefollowingproblems:
beforethezincformationplatemeltring,whichzincshuntweldingcurrentdensitydecreased;Zinclayersurfaceburn,adhesion,pollutionelectrodeandmaketheelectrodelifedown;Zinclayerlowresistivitysmallcontactresistance;Easytoproducespatters,cracks,porosityororganizationsofteningwaitforblemish.Forproductionenterprisefor,rationalselectionprocessparametersarecontrolledthemainwayofsolderquality.Thisarticlethroughakindalreadycanreducethetestingtime,andcanobtainreliableresultsthepreferredmethodofmulti-factororthogonalexperimentdesign-toweldingprocessparametersoptimization,insteadofthetraditionalexperiencemethod,ensuretestresultsreliablebasis,improvethetestefficiency.
Theautoindustryisdevelopingrapidly,andresistancespotalreadybecomethemainassemblysedanwhitebodyconnectthemethod,thusspotweldingqualityandefficiencyofweldingqualityandcostofcarhasanimportantinfluence.Thebroadmarketdemandandstrictweldingqualityrequirementsforspotweldingqualitycontrolputforwardhigherrequest,spotweldingqualityproblemmoreandmoreattentionto.Duetothecomplexityoftheweldingprocess,weldingqualityon-lineevaluationandqualitycontrolhasbeeninthefieldofweldingtechnologyproblem.Accordingtothisproblem,thispaperweldingprocessqualitycontrolcarandevaluationmethodsarestudied,studiedemphaticallyaspotweldingqualityofmultivariablecomprehensivemonitoringtechnology,toensurethestabilityofquality,improvethesolderspotwelding,thusachievedtheratelowerproductioncostsandimproveproductionefficiencydate.
目录
TimesNewRoman五号加粗
第1章前言1
1.1电阻点焊的背景及意义1
1.2汽车点焊质量控制技术的发展及现状11
第2章电阻点焊的概述12
2.1电阻点焊的简介12
2.2点焊方法分类12
2.3电阻点焊的基本原理12
2.4焊接热的产生和影响因素1
第3章点焊的质量保证和缺陷分析15
3.1点焊质量保证15
3.1.1焊点工艺设计与优化16
3.1.2电极21
3.1.3焊点的强度保证27
3.1.4焊点外观质量保证40
3.2点焊接头主要缺陷产生的原因及预防措施41
第4章悬挂点焊在工艺在小批量汽车生产企业中的应用42
4.1悬挂式点焊工艺现状42
4.2悬挂式点焊应用的工艺条件43
4.3点焊工艺条件的保证43
4.4悬挂式点焊机的原理分析和应用指南4
结论151
总结体会154
致谢156
参考文献157
第一章前言
1.1研究背景及现实意义
电阻点焊作为焊接学科的一个分支，是各工业部门广泛应用的加工、装配方法。
由于电阻点焊在焊接过程中能量集中、变形小、生产率较高，特别适用于焊接薄壁零件，因此在航空航天制造工程、汽车、电子等工业领域得到越来越广泛的应用。
特别是随着点焊工艺在汽车制造业中的应用，点焊的质量问题越来越多地受到关注。
在轿车车身制造过程中，焊接接头质量的好坏，不仅直接决定了车身焊接装配过程的制造偏差，同时也决定了轿车使用的可靠性和安全性。
一般来说，轿车车身大约需要4000～6000个点焊焊点。
由此可见，点焊技术在保证汽车质量和生产效率巾起着棚当重要的作用。
点焊质量的提高不仅可以带来经济效益，而且可以提高每企业的核心竞争力。
一方面，由于点焊过程相当复杂，影响因素多、因素之间相互作用，加之焊接过程中熔核的不可见性及焊接过程瞬时性，给点焊质量检测与控制带来了很大困难。
另一方面，为了使不合格接头的比例保持在规定的合理范围内，工厂里通常要定期进行焊后破坏性实验。
但是，破坏性实验成本极高，而且定期的抽样实验并不能保证每一辆车身焊接接头的合格率都保持在规定的范围内;同时，焊后实验具有严重的滞后性，由于轿车生产的大批量流水作业特点，待有焊接质量问题发现时，大量具有焊接质量问题的车身己经到了总装甚至到了客户手中。
由此可见，电阻点焊过程及焊点质量的稳定性一直是电阻点焊质量控制研究中的关键问题，历来被认为是电阻焊质量控制的研究重点，并引起了工业界和研究机构的高度重视。
因此，为了提高焊接质量，需要对熔核形成过程的有关电参数进行控制，以形成合格焊点，或者在线监测和控制与熔核形成有关的物理参量，以实时监测并控制焊接过程，实现在线判定和控制焊点质量，这对于保证焊点质量的稳定性，提高点焊合格率，达到降低成本和提高生产效率具有十分重要的实际意义。
1.2汽车点焊质量控制技术的发展及现状
点焊质量控制的内容十分广泛，它不但涉及到点焊设备的检测与控制系统，而且也包括点焊的接头设计、原材料的采购、管理和焊前处理、焊接工艺规范和质量检验标准、设备的使用和维护、以及焊工技术培训和定期考核、焊接的工装设备等多种因素。
在本研究中假设其它条件不变，点焊质量仅由于点焊过程的参数决定。
随着点焊工艺在汽车制造业中的应用，对接头质量不断提出更高的要求，经过多年的生产应用证明:
采用自动控制技术是确保点焊质量、提高效率、降低成木的十分有效的方法。
近年来，国内外焊接工作者在点焊质录监测与控制技术研究领域进行的长期不懈的努力，已经取得了一些可喜的成果，有些方法已应用于生产。
在点焊过程中，由于电阻热的作用，使金属经过了加热、熔化、凝固以及相变，并且与过程相关的物理量也发生了变化。
如电流流过工件，.使母材熔化而引起电流、电压及动态电阻的变化，与此同时，被焊金属受热温度升高，随着温度上升而红外辐射加强;金属受热膨胀、焊接区出现液态金属时，电极的力、位移、速度、加速度等过程参量都发生了变化:
金属相变和变形，会产生应力波;根据这些物理量的特性，获得熔核的信息。
在点焊过程中必须满足以下几个基本条件，方可作为质量监控的信息:
（1）必须与焊点质量有密切关系，呈现一定的函数关系并有期望的准确性;
（2）信号易于检测;
（3）必须可以再现，一般应为连续;
（4）取出监控信息时，不干扰点焊工艺参数，不影响正常生产;
{5）监控手段易于实现，且成木不得太高。
由此可见，在点焊焊接中通过监测焊接过程中某一物理量，该物理量能够反映熔核的的形成情况，从而通过监测该物理量可以对焊接过程进行实时控制。
因此，点焊质量控制的发展主要体现在点焊质量的监测和控制两个方面。
点焊质量控制技术的内容主要包括两个方面:
一是实时稳定焊接参数的控制（恒流、恒压、电极压力等）;二是焊接过程中反映熔核形成状态的物理量的监测与控制。
第二章电阻点焊焊概述
2.1电阻点焊简介
电阻点焊是焊件在接头处接触面的个别点上被焊接起来。
点焊要求金属要有较好的塑性。
图2点焊过程
焊焊接时，先把焊件表面清理干净，再把被焊的板料搭接装配好，压在两柱状铜电极之间，施加P力压紧，如图2所示。
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池。
继续保持压力P，断开电流，金属冷却后，形成了一个焊点。
点焊由于焊点间有一定的间距，所以只用于没有密封性要求的薄板搭接结构和金属网、交叉钢筋结构件等的焊接。
如果把柱状电极换成圆盘状电极，电极紧压焊件并转动，焊件在圆盘状电极只间连续送进，再配合脉冲式通电。
就能形成一个连续并重叠的焊点，形成焊缝，这就是缝焊。
它主要用于有密封要求或接头强度要求较高的薄板搭接结构件的焊接，如油箱、水箱等。
2.2点焊方法分类
对焊件馈电进行电焊时，应遵循下列原则:
①尽t缩短二次回路长度及减小回路所包含的空间面积.以节省能耗;②尽t减少伸入二次回路的铁磁体体积，特别是避免在焊接不同焊点时伸入体积有较大的变化.以减小焊接电流的波动.保证各点质t衡定（在使用工频交流时）。
常见点焊方法有以下几种:
1.双面单点坏
所有的通用焊机均采用这个方案。
从焊件两侧馈电，适用于小型零件和大型琴件周边各焊点的焊接。
2.单面单
当零件的一侧电极可达性很差或零件较大、二次回路过长时.可采用这个方案。
从焊件单侧馈电，需考虑另一侧加铜垫以减小分流并作为反作用力支点。
3.单面双点炸
从一侧馈电时尽可能同时焊两点.以提高生产率。
单面馈电往往存在无效分流现象，浪费电能，当点距过小时将无法焊接。
在某些场合，如设计允许，在上板二点之间冲一窄长缺口，可使分流电流大幅下降。
4.双面双点坏
此方案虽可在通用焊机上实施.但两点间电流难以均匀分配，较难保证两点质t一致。
由于采用推挽式馈电方式，使分流和上下板不均匀加热现象大为改善.而且焊点可布里在任意位里。
其唯一不足之处是须制作二个变压器.分别置于焊件两侧，这种方案亦称推挽式点焊。
两变压器的通电需按极性进行。
5.多点坏
当零件上焊点数较多.大规模生产时，常采用多点焊方案以提高生产率，特别是单面多点焊在生产中得到广泛应用，其方式较灵活.二次回路不受焊件尺寸牵制.在要求较高的情况下，亦可采用推挽式点焊方案。
目前一般采用一组变压器同时焊二或四点r后者有二组二次回路）。
一台多点焊机可由多个变压器组成。
可采用同时加压同时通电、同时加压分组通电和分组加压分组通电三种方案。
可根据生产率、电网容t来选择合适方案
2.3电阻点焊的基本原理
2.3.1电阻点焊的基本过程
焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法称为电阻点焊。
电阻点焊的焊接循环主要由由预压、焊接、维持和休止四个基本阶段组成必要时可增附加程序（图2-1）
（1）预压阶段—电极下降到电流接通阶段，确保电极压紧工件，使工件间有适当压力。
【这个阶段包括电极压力的上升和恒定两部分。
为保证在通电时电极压力恒定.预压时间必须保证.尤其当需连续点焊时.须充分考虑焊机运动机构动作所藉时间，不能无限缩短。
预压的目的是建立稳定的电流通道.以保证焊接过程获得孟复性好的电流密度。
对厚板或刚度大的冲压零件，有条件时可在此期间先加大预压力，而后再回复到焊接时的电极力，使接触电阻恒定而又不太小，以提高热效率。
】
（2）焊接时间—焊接电流通过工件，产热形成熔核。
【这个阶段是焊件加热熔化形成熔核的阶段。
焊接电流可基本不变（指有效值】.亦可为渐升或阶跃上升。
在此期间焊件焊接区的温度分布经历复杂的变化后趋向稳定。
起初输入热盆大于散失热尹.温度上升，形成高温塑性状态的连接区，并使中心与大气隔绝.保证随后熔化的金属不氧化，而后在中心部位首先出现熔化区。
随粉加热的进行熔化区扩大，而其外围的塑性壳（在金相试片上呈环状故称塑性环）亦向外扩大.最后当输入热t与散失热，平衡时达到德定状态。
当焊接参数适当时，可获得尺寸波动小于15%的熔化核心。
在此期间可产生下列现象:
（l）液态金属的搅拌作用。
液态金属通电时受电磁力作用产生漩涡状流动.当把熔核视作地球状且电极端处为二极.其运动方向为—赤道部分由周围向球心流动，而后流经两极再沿外表向赤道呈封闭状流动。
对于同种金属点焊.搅拌仅需将焊件表、面的氧化膜搅碎即可，但异种金属点焊时.必须充分搅拌以获得均质的熔化核心。
如通电时间太短，搅拌不充分.将产生游涡状的非均质熔核。
（2）飞溅按产生时期可分为前期和后期两种;按产生部位可分为内飞溅（处于两焊件间）和外飞溅（焊件与电极接触侧）两种。
前期飞溅产生的原因大致是:
焊件表面清理不佳或接触面上压强分布严重不匀，造成局部电流密度过高引起早期熔化，此时因无塑性环保护，必发生飞溅。
防止前期飞溅的措施有:
加强焊件清理质t，注意预压前的对中。
有条件时可采用渐升电流或增加预热电流来减慢加热速度.避免早期熔化而引起飞溅。
后期飞溅产生的原因是:
熔化核心长度过大，超出电极压力有效作用范围，从而冲破塑性环在径向造成内飞溅，在轴向冲破板表面造成外飞溅。
这种情况一般产生在电流较大、通电时间过长的场合。
可用缩短通电时间及减小电流的方法来防止。
飞溅在外表面首先影响外观，其次产生的疤痕影晌耐腐蚀及疲劳性能。
内部飞溅的残迹有可能在运行时脱落，如进入管路《如油管）.将造成堵塞等严重事故。
（3）胡须在加热到半熔化温度的熔核边缘，当某些材料《如高温合金）中低熔点夹杂物较多聚集在晶界处时，这部分杂质首先熔化并在电极压力的作用下被挤出呈空隙。
在随后的过程中，空间有时能被液态金属充坡满，但亦可能未充坡满，这种组织形貌在金相试样上称为胡须，而未充坡满的胡须犹如裂纹，是一种危险缺陷。
】
（3）维持时间—切断焊接电流，电极压力继续维持至熔核凝固到足够强度。
（4）休止时间—电极开始提起到电极再次开始下降，开始下一个焊接循环。
为了改善焊接接头的性能，有时需要将下列各项中的一个或多个加于基本循环:
（1）加大预压力以消除厚工件之间的间隙，使之紧密贴合。
（2）用预热脉冲提高金属的塑性，使工件易于紧密贴合、防止飞溅;凸焊时这样做可以使多个凸点在通电焊接前与平板均匀接触，以保证各点加热的一致。
（3）加大锻压力以压实熔核，防止产生裂纹或缩孔。
（4）用回火或缓冷脉冲消除合金钢的淬火组织，提高接头的力学性能，或在不加大
锻压力的条件下，防止裂纹和缩孔。
2．4焊接热的产出及影响因素
点焊时产生的热量由下式决定：
Q=12RtU）（2—1）
式中：
Q一产生的热量（J）；I一焊接电流（A）；R一极问电阻（Q）；t一焊接时间（S）。
1．电阻R及影响R的因素
电极间电阻包括工件本身电阻民，两工件间接触电阻R，电极与工件间接触电阻k。
即：
R=2R+R+28。
（2·2）如图2—2所示。
当工件和电极一定时，工件的电阻取决与它的电阻率。
因此，电阻率是被焊材料的重要性能。
电阻率高的金属其导电性差（如不锈钢），电阻率低的金属其导电性好（如铝合会）。
因此，点焊不锈钢时产热易而散热难，点焊铝合金时产热难而散热易。
点焊时，前者可用较小电流（几千安培），而后者就必须用很大电流（几万安培）。
电阻率不仅取决与金属种类，还与会属的热处理状态、加工方式及温度有关。
接触电阻存在的时问是短暂的，一般存在于焊接初期，由两方面原因形成：
（1）工件和电极表面有高电阻系数的氧化物或脏物质层，会使电流遭到较大阻碍。
过厚的氧化物和脏物质层甚至会使电流不能导通。
（2）在表面十分洁净的条件下，由于表面的微观不平度，使工件只能在粗糙表面的局部形成接触点。
在接触点处形成电流线的收拢。
由于电流通路的缩小而增加了接触处的电阻。
电极与工件间的电阻％与R和风相比，由于铜合会的电阻率和硬度一般比工件低，因此很小，对熔核形成的影响更小，我们较少考虑它的影响。
2．焊接电流的影响
从公式（2-1）可见，电流对产热的影响是平方关系，比电阻和时间两者都大。
因此，在焊接过程中，它是一个必须严格控制的参数。
引起电流变化的主要原因是电网电压波动和交流焊机次级回路阻抗变化。
阻抗变化是因为回路的几何形状变化，或因在次级回路中引入了不同量的磁性金属。
3．焊接时间的影响
为了保证熔核尺寸和焊点强度，焊接时间与焊接电流在一定范围内可以相互补充。
为了获得一定强度的焊点，可以采用大电流和短时间（强条件，又称硬规范），也可采用小电流和长时『日J（弱条件，也称软规范）。
选用硬规范还是软规范，取决于会属的性能、厚度和所用焊机的功率。
对于不同性能和厚度的金属所需的电流都有一个上下限，使用时以此为准。
4．电极压力的影响
电极压力对两电极问总电阻R有明显的影响，随着电极压力的增大，R显著减小，10但电流增加而使产热递增的幅度并不大，解决的办法是在增大焊接压力的同时，增大焊接电流。
但电极压力过大，容易在焊接过程中将液态会属挤到熔核周围，反而使点焊质量降低。
5．电极形状及材料性能的影响
由于电极的接触面积决定着电流密度，电极材料的电阻率和导热性关系着热量的产生和散失，因此，电极的形状和材料对熔核的形成有显著影响。
随着电极端头的变形和磨损，接触面积增大，焊点强度将降低。
6．工件表面状况的影响
工件表面的氧化物、污垢、油和其他杂质增大了接触电阻。
过厚的氧化物层甚至会使电流不能通过。
局部的导通，由于电流密度过大，则会产生飞溅和表面烧损。
氧化物层的存在还会影响各个焊点加热的不均匀性，引起焊接质量波动。
囚此，彻底清理：
L件表面足保证获得优质接头的必要条件。
第三章点焊质量保证与缺陷分析
生产中要获得较好的焊点质量,除有最佳的焊接电流、焊接压力、焊接时间等焊接工艺参数外还须了解其它与焊接有关的参数对焊接质量的影响规律,并进行合理的优化与搭配,才能得到良好的焊接质量。
3.1点焊质量保证
3.1.1焊点工艺设计的优化
焊点工艺设计在相当程度上决定采用的工装和
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