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使用常识与基础知识

一、精密电阻点焊
使用金属材料制作零件的场合,有许多时候都需要将材料切断成规定的尺寸,再将其连接起来。
连接材料的方法有利用铆钉进行机械连接和利用焊接进行冶金连接以及利用超声波进行物理连接。电阻点焊是利用冶金的方法将金属材料高效率地经济地连接起来的一种方法。因此在产业界被广泛地使用。
我们将精密小型工件的电阻焊接称之为精密电阻点焊。
米亚基公司源源不断地开发出各种超小型、可高密度安装化的新型精密电阻点焊机,取代了以往的锡焊、铆接等金属连接工艺。
精密电阻点焊机是最适合用于小型的、性能要求高的电子部品,以及精密机械工业中的小型部品的组装。    
      
电阻焊接的原理
利用焦耳热进行焊接
Q=0.24I2Rt=0.24IEt(cal)…①
公式①如下图所示,工件在上下电极间被加压,通电,进行电阻焊接。
焊接部的电阻为R(Ω),焊接电流为I(A),通电时间为t(sec)时,根据公式①焊接部发热。因此焊接部的温度上升,产生熔融。

图1
二、电阻点焊的5大要素  
1、电流
2、时间
3、加压力
4、电流密度(电极先端直径)
5、电极材料
上述要素与发热量Q及发热位置有关系,也就是说点焊时影响焊接效果的因素有:电流I、通电时间t、接触电阻R、电流密度(电极先端)和电极材料。接触电阻R随着加压力的增大而降低。以上要素被称为电阻点焊的五大要素。
接触电阻   
工件表面生成的氧化薄层引起的电阻(表皮电阻)和由于电流的流通截面引起的电阻(集中电阻)。

图2
上图中,R2,R4……材料自身的电阻;R3……上下工件之间的电阻;R1,R5,……电极与工件之间的电阻。接触电阻是指R1、R3、R5。   
          
三、电极的作用
1.导通大电流。
2.施加压力。
3.提高焊接点的冷却效果。
4.稳定电流密度。
电极具有以上的作用,这里解释一下与品质管理有关的电流密度。
电流密度是指单位横截面中的电流值。如果将电流密度一直保持稳定,就能防止焊接不良。由于要导通大电流(电极作用1),电极顶端会发热;又由于要加压会使电极顶端变宽,电流密度变小,因此,随着焊接次数的增多,焊核会变小(焊接不良)因此在焊接品质管理中电极的管理(进行一定次数的焊接后更换或修磨电极)就变得非常的重要。   

图3
          
四、电阻点焊原理归纳
1.电阻点焊方法是一种利用工件自身的电阻、施加在工件上的加压力和导通的大电流,在工件接触部产生焦耳热,进行熔融的金属连接方法。
2.决定焊接品质的五大要素:
[1].电流值
[2].通电时间
[3].加压力
[4].电流密度
[5].电极材料
       
五、焊接规范的选出
5-1、电极材料的选定
《选定原则》:
①固有电阻大的工件->选用固有电阻小的材料作电极
②固有电阻小的工件->选用固有电阻大的材料作电极
例:

工件材料

选用电极材料

软钢

铬铜合金Cr-Cu)

钨、铝(WMo或钨铜合金铜合金

黄铜

铬铜合金Cr-Cu)

不锈钢

铬铜合金Cr-Cu)

钨铜合金WCu)

钨、WMo)

超质铝铜铬铜合金


5-2、焊接电流,时间,加压力的选定
电流规范
A规范一短时间大电流(最佳规范)
B规范一中时间中电流(中等规范)
C规范一长时间小电流(普通规范)
焊接电流可以如下方法比较简单地求得。最初设定较低的焊接电流,如果逐渐增大焊接电流,会发生飞溅。比发生飞溅时的电流值稍低的电流值就是适当的电流。电流值根据焊接机加压系统的追随性的不同而不同。焊接机的追随性愈好,愈容易施加较小的加压力和大的导通电流,即获得最佳的焊接效果。  
焊接时间的选定  
焊接部位产生的热量随着通电时间而增大,但是,电极及焊接部位的散热量也随着通电时间而增大,因此焊接部位的温度在一定时间以后趋于饱和。而温度饱和以后即使延长通电时间,焊核也不会再增大,而且表面压痕和热变形也会增大,对材料产生不良的冶金效果。另外,从作业工时、电力消耗的观点考虑,长时间焊接也不利。  

图8
图8中最适合的规范为加压力 5kg ,电流 500A 的区域。欲增加焊接强度,不仅要增大电流同时还要增大加压力。此时,将电流、加压力由低慢慢上升,选择最佳规范。


一、激光基本原理
1、LASER是什么意思
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(通过诱导放出实现光能增幅)的英语缩写。
2、激光产生的原理
激光——“受激辐射放大”是通过强光照射激光发生介质,使介质内部原子的电子获得能量,受激而使电子运动轨道发生迁移,由低能态变为高能态。处于激发态的原子,受外界辐射感应,使处于激发态的原子跃迁到低能态,同时发出一束光;这束光在频率、相位、传播方向、偏振等方面和入射光完全一致,此时的光为受激辐射光。为了得到高能量密度、高指向性的激光,必须要有封闭光线的谐振腔,使观光束在置于激光发生介质两侧的反射镜之间往复振荡,进而提高光强,同时提高光的方向。   
含有钕(ND)的YAG结晶体发生的激光是一种人眼看不见的波长为1.064um的近红外光。这种光束在微弱的受激发情况下,也能实现连续发振。YAG晶体是宝石钇铝石榴石的简称,具有优异的光学特性,是最佳的激光发振用结晶体。
3、滋光的主要特长
a、单色性―激光不是已许多不同的光混一合而成的,它是最纯的单色光(彼长、频率)
b、方向性―橄光传播时基本不向外扩散。
c、相千性--徽光的位相(波峰和波谷)很有规律,相干性好。
d、高输出功率一用透镜聚焦激光后,所得到的能量密度是太阳光的几百倍。

二、YAG激光焊接
激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功么密度等特点进行工作。通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内,在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区,从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。   
常用的激光焊接方式有两种:脉冲激光焊和连续激光焊。前者主要用于单点固定连续和薄件材料的焊接。后者主要用于大厚件的焊接和切割。   
1、激光焊接加工方法的特征
A、非接触加工,不需对工件加压和进行表面处理。
B、焊点小、能量密度高、适合于高速加工。          
C、短时间焊接,既对外界无热影响,又对材料本身的热变形及热影响区小,尤其适合加工 高熔点、高硬度、特种材料。
D、不需要填充金属、不需要真空环境(可在空气中直接进行)、不会像电子束那样在空气中 产生X射线的危险。
E、与接触焊工艺相比.无电极、工具等的磨损消耗。
F、无加工噪音,对环境无污染。
G、微小工件也可加工。此外,还可通过透明材料的壁进行焊接。
H、可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接。
I、很容易改变激光输出焦距及焊点位置。
J、很容易搭载到自动机、机器人装置上。
K、对带绝缘层的导体可直接进行焊接,对性能相差较大的异种金属也可焊接。
2、脉冲激光焊接的机理
脉冲激光焊接可分为传热溶化焊接和深穿入熔化焊接
传热溶化焊接是指当激光束照射到材料的表面上时,材料吸收光能而加热熔化。材料表面层的热以传导方式继续向材料深处传递,直至将两个待焊件的接触面互溶并焊接在一起。
深穿入熔化焊接是指当更大功率密度的激光束照射到材料上时,材料被加工熔化以至气化,产生较大的蒸汽压,在蒸汽的压力的作用下,溶化金属被挤在周围使照射处(熔池)呈现出一个凹坑,随着激光束的继续照射,凹坑越来越深,并穿入到另一个工件中。激光停止照射后,被排挤在凹坑周围的溶化金属重新流回到凹坑里,凝固后将工件焊接在一起。   
这两种激光焊接机理,与功率密度、照射时间、材料性质、焊接方式等因素有关。当功率密度较低、照射时间较长而焊件较薄时,通常以传热溶化机理为主进行。反之,则是以深穿入熔化机理为主进行。

一、工艺特点及其影响因素
1、激光的投入能量密度。调整激光照射能量密度的方法主要有:
A、调整激光输出能量(调整激发电压)
B、调整光斑大小(调节出射焦距)
C、改变光斑中的能量分布(改变光纤类型:峰形输出型——GI型光纤、梯形输出型―SI型光纤)
D、改变出射脉冲的宽度和波形
2、材料反射率
大多数金属在激光开始照射时,会将大部分激光能量反射掉,所以,焊接过程开始的瞬间,要相应提高光束的功率。采用脉冲激光缝悍二艺时,可以通过接入引弧板来保证整个焊接段的品质一致性。当金属表面开始熔化或汽化后,其反射率迅速降低。
      
二、影响材料对激光束吸收的主要因素
1、温度
室温时金属材料两激光的吸收率一般在20℃以下;当金属温度达到烙点产生熔融和气化后吸收率上升到40~50%;当接近沸点时吸收率可高达90%。
材料的直流电阻率
材料对激光的吸收率与材料的直流电阻率的平方根成正比、与激光彼长的平方根成反比关系。  
2、激光束的入射角
入射角越大,吸收率越小。当激光垂直于金属表面照射时,金属对激光的吸收率最大。但通常为了保护激光出射镜头,需要维持一定的入射角。   
村料的表面状态为了低反射率,可在金属表面涂上薄薄一层全属粉,但两者必须是能够形成合金的。如饭、金、银可覆盖薄锐层,此时在同样熔深的情况下,焊接所需的能量大约为原来铜、金、银所需的四分一。 
3、聚焦性和离焦量
品质优良的YAG激光焊接装置,其聚焦性(光斑大小)是通过装置本身的光路同轴精度、输出光纤和出射头的成像比等来保证。
以激光出射焦点正好落在工作上面时的位置为零。离焦量是指焦点离开这个零点的距离量。焦点位置超过零点位置时叫负离焦(焦点深入到工件内部),其距离值为负离焦量。反之,焦点不到零点的距离数值为正离焦量。要获得较大的熔深,可将焦点位置选择在工件内部某一位置上,即采用负离焦量进行焊接。
4、焊接的穿入深度
脉冲激光焊接时,主要是以传热熔化方式进行的。激光束本身对金属的直接穿入深度是有限的,其主要取决于材料的导温系数(导温系数大的则穿入深度大),而不是激光器的功率大小。
 
内部构造及电气示意图

          
三、维护及保养
1、消耗品的更换
纯水、离子交换树脂、水过滤器、励起灯、保护镜片
2、点检   
A、激光发振调整
B、激光入射调整
C、光纤入射调整
D、能量平衡调整


一、焊接品质检查
焊接品质的检验,一般有目视检验和破坏性检验两种方法。
目视检验是对图1所示的各个项目进行检验。若利用显微(镜)照片进行金相检验,则需切断提取出焊接熔核部分并研磨腐蚀(见图2所示)。但是,若只经过外观检验就下结论则还不充分,请务必进行一下破坏性实验。
破坏性检验通常是进行撕开实验,如图3、4所示,撕开焊接母材进行确认(一侧出现圆形孔洞,另一侧出现钮扣状残留物)
另外,也有利用拉伸仪进行拉伸强度检验的方法。

 
二、品质保证手段
电阻点焊方法虽然是最适合于大量生产的焊接手段,但是若品质管理不当就会引起巨大的损失。目前,由于无法实现在线非破坏性焊接品质检验,因此有必要加强对品质保证的管理。
1、压力检测
焊接发热量受电极与工件间的接触电阻的影响极大。焊接过程中,压力必须保持不变,因此有必要经常用压力测试仪对焊接
2、电极研磨
焊接次数的增多,会使电极表面磨损加重。电极表面粗糙会引起飞溅和造成工件表面出现糙痕,影响工件外观,因此有必要多准备些研磨好的电极,根据焊接次数适当地更换电极。使用新电极之前先用作废的工件进行调试为好。
3、电极过热
电极过热不仅会缩短电极的寿命而且会导致工件焊接品质不均一。
4、工件精度
因忽略了工件厚度、镀层厚度、金属成分等的变化而导致焊接不良品出现的现象时有发生。工件本身的品质是否安定也是影响焊接品质的重要因素。
5、电流监测
电流监测对焊接是必不可少的。影响电流变化的因素主要有:电源电压的波动、焊接机超载使用而引起的过热使电流输出减少、工件接触不良导致电流减少、焊接机性能不良等。
       
为了防止上述原因引起的不良焊接结果,很有必要经常对焊接电流进行监测。若能确保对焊接电流的监测,则可较容易地发现其他影响焊接品质的因索之变化原因,从而进一步提高焊接品质的信赖性。