闪光对焊应用技术研讨（上）

闪光对焊是重要焊接方法之一，它具有一系列特点：
 
 ■闪光对焊主要是利用工件对口接触电阻产生热量加热工件，金属表面熔化，温度梯度大，热影响区比较小。
 
 ■焊缝是在工件对口固相金属产生塑性变性条件下，形成共同晶粒。焊缝组织、成分接近基本金属（或者经过热处理），比较容易获得等强等塑焊接接头。
 
 ■闪光过程具有排出空气，降低金属氧化的自保护功能。顶锻还能将氧化物随液体金属排出焊缝之外。焊缝夹杂、未焊透等缺陷较少。
 
 ■闪光过程具有较强的自调节功能，对严格保持规范一致性要求较低，焊接质量稳定。单位焊接截面积需要电功率小，焊接低碳钢只需（0.1-0.3）KVA/mm2电功率。
 
 ■焊接生产率高，焊接一个接头只需几秒至几十秒。
 
 ■焊接适用范围广，原则上能锻造的金属材料都可以用闪光对焊焊接。例如低碳钢、高碳钢、合金钢、不锈钢；铝、铜、钛等有色金属及合金都可以用闪光对焊焊接；还可以焊接异种合金接头。
 
 ■焊接截面积范围大，一般从几十至几万mm2截面积都能焊接。
 
 ■闪光对焊主要缺点是闪光过程对环境会造成污染，含有有毒元素的材料，不宜用闪光对焊焊接。
 
 ■闪光对焊广泛应用于焊接各种板件、管件、型材、实心件、刀具等，应用十分广泛，是一种经济、高效率的焊接方法。
 
 1、闪光对焊接头形成过程特点
 
 　　闪光对焊分连续闪光和预热闪光对焊两种。连续闪光对焊主要由闪光和顶锻两个阶段组成。闪光过程始终保持对口端面点接触（图1-1），闪光电流If集中从这些有限接触点上通过，电流密度非常高，达（3000-6000）A/mm2，触点快速熔化，形成连接两边金属的液体“过梁”。这些液体过梁在电、热、力共同作用下爆破，高速向外喷射，即所谓“闪光”。随着工件往前送进，新的触点又形成----爆破。

　　持续一段时间闪光后，对口端面被一层很薄（约0.1-0.3mm）液体金属覆盖，端口温度达到金属的熔点，而且趋于稳定均匀，轴向也有一定加热深度，（如图1-2所示）。在实际生产中，考虑到工件端面加热不均匀及尺寸误差，往往闪光留量要比理想状（图1-2中△f’）大50-100%。
 
 　　闪光加热达到焊接温度后，迅速提高送进力（顶锻力）， 快速送进，将液体金属及氧化、夹杂物全部挤出对口之外，使对口端面固态金属紧密接触，并且有一定塑性变形，两边金属交互结晶，形成共同晶粒，获得牢固对接接头。结晶过程非常快，一般在0.02-0.06秒内完成。是否能在液体金属凝固之前，将液体金属及氧化物全部排出对口之外，是 获得优质焊接接头的重要条件之一。

    　　可见连续闪光过程，是对口端面接触点不断形成——爆破过程，对口始终保持着点接触。利用这些触点产生的电阻热加热工件，对口端面金属熔化，温度梯度大。顶锻过程就是将液体金属及氧化物排出对口之外，使固相金属获得足够塑变形，形成共同晶粒过程。

2、闪光过程自调节效应

　　维持连续、稳定闪光过程，必要条件是始终保持对口端面点接触，也就是要保持工件送进速度Vf等于闪光时工件缩短速度V_f^∣破坏这一必要条件，就可能产生开路或短路，使闪光过程中断。

　　所谓自调节效应，就是不需要人为严格保证度V_f=V_f^/,当发生偏差时，由系统自动调整，维持V_f=V_f^/
闪光过程对口接触电阻产生的有效功率：

P_f=I_f^2*R_fc——————（1）

P_f——— 对口接触电阻产生的有效功率

I_f —— 闪光电流

R_fc——对口接触电阻，不含工件自身电阻。

由（1）式可知，Pf变化曲线是具有极大值的抛物线（图2-1）。

图中峰值点P_fmax对应的接触电阻：

R_fc=Z_cc
Z_cc——次级回路短路阻抗，包含工件自身电阻，不含对口接触电阻P_fc。

在P_fmax 左边　，R_fc＞Z_cc，当R_fc→∝，P_f→0;

在P_fmax右边，R_fc＜Z_cc，当R_fc→0，P_f→0 

 　　 图2-1中，如果某一时刻稳定闪光工作点在a（V_f= V_f^/[/html]），需要有效功率P_fa,对应闪光电流lfa。当产生V_f＞V_f^/时，对口间隙减小，对口接触电阻降低，要求提高有效功率P_f，促使闪光速度V_f、加快，维持V_f= V_f^/。如果这时工作点变到Q点，由于接触电阻降低，闪光电流提高到I_fQ，有效功率会自动提高到P_fQ，促使闪光速度加快，工作点自动沿P_f曲线回复到稳定的a点，使V_f= V_f^/。如果工作点瞬时变到Qˊ点，这时由于闪光电流增加到I_f/Q，产生的有效功率P_fQ＞P_fa，闪光加快，工作点也会自动沿P_f回到稳定a点。

　　但当V_f＞＞V_f^/，对口接触电阻R_fc≤Z_cc,，工作点变到Q〞点时，产生的有效功率P_fQ^/＜P_fa，闪光速度会进一步降低，R_fc进一步减小，促使Q〞沿Pf曲线继续下降，到R_f=0，P_f=0，这时产生短路，闪光终止。

　　当V_f＜V_f^/时，对口间隙增大，R_fc增大，l_f 、P_f 都减小，如果闪光电流降低到不能激发闪光时，闪光会瞬时停止（过梁爆破后，新触点未形成之前，会产生这种情况），但随着工件送进，会使间隙减小，重新激发闪光，使工作点回复到a点，维持V_f= V_f^/。

　　 由此可见，当工作点为a时，在P_fa—P_fb上方为稳定闪光区，下方为不稳定闪光区。P_fa—P_fb范围越宽,包围面积越大，闪光过程越稳定。左边P_fa下方，闪光瞬时停止，但能自动恢复。右边P_fb下方产生短路不能恢复，闪光终止。

　　 闪光过程要求P_f及l_f变化范围大，需要留有足够调节余量。当l_fb/l_fa≥4～5时闪光过程具有足够稳定性。用最大次级短路电流l_cc与平均闪光电流l_fp来表示，对选择规范更方便。当l_cc/l_fp≥4.5～5.5时，能满足闪光过程稳定性要求。

　　闪光过程初始阶段，由于工件处于冷态，激发闪光需要更大有效功率。因此应采用很低送进速度，一般不超过0.5-1.5毫米/秒。闪光后期，对口金属温度已接近金属熔点，而且已趋向均匀，容易激发闪光；另外，为了避免对口金属被氧化，也需要提高闪光速度。所以根据闪光速度变化要求，大致选择送进速度，使送进速度基本接近于闪光速度（V_f≈V_f^/），对提高闪光过程的稳定性也很必要。若焊件端面相对位移量为S（动夹头送进距离），闪光时间为T，不同材料应采用不同位移曲线。对于低碳钢和合金钢，大致采用S=K_OT² 位移曲线（K_O=0.5～1.5），能获得比较满意稳定闪光过程。（如图2-2）。 

3、焊机次级回路阻抗闪光过程影响
 
 　　 图3-1是次级空载电压U₂₀及短路功率因素Cosφ_cc不变，短路阻抗Zcc变化时，有效功率P_f与闪光电流关系。表3-1，表3-2是与图3-1　a）、b)相对应的特征数据。
 　　
 　　　由图3-1可知，当 U₂₀, Cosφ_cc不变，随着Z_cc降低,P_fmax, 提高，P_f包围面积增大。P_fmax点右移，但l_fm/l_cc=0.62不变。从表3-1、表3-2数据可知，当次级短路阻抗从300 uΩ 降到150uΩ，P_fmax, l_cc均提高一倍，即当U₂₀, Cosφ_cc不变时，P_fmax, I_cc大小只取决于次级回路短路阻抗，且成反比。

a)

b)

图3-1　不同ZCC时，PF与IF关系
a）U₂₀=7.3V, COSΦ_cc=0.3;　
b）U₂₀=9.5V, COSΦ_cc=0.3 ;
1-Z_cc=150uΩ　　 2-Z_cc =200uΩ,　　3-Z_cc=240uΩ;　4-Z_cc=260uΩ　　5-Z=300uΩ,　　6-Z_cc=400uΩ

　　由表3-1可知：当Z_cc≤260 uΩ时，U₂₀=7.3V,平均闪光电流Ifa=6KA,能满 L_fb/I_fa≥4或L_fb/I_fa≥4.5要求。当U₂₀=9.5V时，平均闪光电流I_fa可提高到8KA（表3-2）。所以提高次级空载电压可以提高闪光速度或者焊接更大截面积的工件。

 　　 图3-2是次级空载电压U₂₀及短路阻抗Z_cc不变，改变短路功率因素Cosφ_cc时，有效功率Pf与闪光电流If关系。表3-3是图3-2特征数据。从图3-2可知，当U₂₀，Z_cc不变，随着Cosφ_cc提高，_fmax按I /1+Cosφ_cc）倍率降低，P_f包围面积减小，P_fmax点左移。而I_fm/I_cc=1/√2（1+Cosφ_cc ），当( Cosφ_cc=0时，I_fm/I_cc=0.71；Cosφ_cc=1时, I_fm/I_cc=0.5）。 

 　　由表3-3可知，Cosφ_cc 从0.3降到0.15时，最大有效功率P_fmax从133.5KW，提高到151KW，峰值点对应的电流值I_fM从22.7KA提高到24.1KA。l_fM/l_cc比值从0.62提高到0.66。可见当次级空载电压及短路阻抗不变时，电阻分量比电感分量对有效功率影响更大。

　　 综上所述，次级回路短路阻抗尤其是电阻分量，对闪光过程稳定性有着重要影响，在焊机制造及使用过程中都应严格控制。对于大中功率闪光对焊机，Z_cc值（包含工件调伸长度阻抗，但不包括对口接触电阻）应尽量控制在260MΩ以下，Cosφ_cc应控制在0.3以下。