一、閃光對(duì)焊的兩個(gè)階段
1、閃光階段
閃光的主要作用是加熱工件。在此階段中，先接通電源，并使兩工件端面輕微接觸，形成許多接觸點(diǎn)。電流通過(guò)時(shí)，接觸點(diǎn)熔化，成為連接兩端面的液體金屬過(guò)梁。由于液體過(guò)梁中的電流密度極高，使過(guò)梁中的液體金屬蒸發(fā)、過(guò)梁。隨著動(dòng)夾鉗的緩慢推進(jìn)，過(guò)梁也不斷產(chǎn)生與。在蒸氣壓力和電磁力的作用下，液態(tài)金屬微粒不斷從接口間噴射出來(lái)。形成火花急流--閃光。
在閃光過(guò)程中，工件逐漸縮短，端頭溫度也逐漸升高。隨著端頭溫度的升高，過(guò)梁的速度將加快，動(dòng)夾鉗的推進(jìn)速度也必須逐漸加大。在閃光過(guò)程結(jié)束前，必須使工件整個(gè)端面形成一層液體金屬層，并在一定深度上使金屬達(dá)到塑性變形溫度。
由于過(guò)梁時(shí)所產(chǎn)生的金屬蒸氣和金屬微粒的強(qiáng)烈氧化，接口間隙中氣體介質(zhì)的含氧量減少，其氧化能力可降低，從而提高接頭的質(zhì)量。但閃光必須穩(wěn)定而且強(qiáng)烈。所謂穩(wěn)定是指在閃光過(guò)程中不發(fā)生斷路和短路現(xiàn)象。斷路會(huì)減弱焊接處的自保護(hù)作用，接頭易被氧化。短路會(huì)使工件過(guò)燒，導(dǎo)致工件報(bào)廢。所謂強(qiáng)烈是指在單位時(shí)間內(nèi)有相當(dāng)多的過(guò)梁。閃光越強(qiáng)烈，焊接處的自保護(hù)作用越好，這在閃光后期尤為重要。
2、頂鍛階段
在閃光階段結(jié)束時(shí)，立即對(duì)工件施加足夠的頂端壓力，接口間隙迅速減小過(guò)梁停止，即進(jìn)入頂鍛階段。頂鍛的作用是密封工件端面的間隙和液體金屬過(guò)梁后留下的火口，同時(shí)擠出端面的液態(tài)金屬及氧化夾雜物，使?jié)崈舻乃苄越饘倬o密接觸，并使接頭區(qū)產(chǎn)生一定的塑性變形，以促進(jìn)再結(jié)晶的進(jìn)行、形成共同晶粒、獲得牢固的接頭。閃光對(duì)焊時(shí)在加熱過(guò)程中雖有熔化金屬，但實(shí)質(zhì)上是塑性狀態(tài)焊接。
預(yù)熱閃光對(duì)焊是在閃光階段之前先以斷續(xù)的電流脈沖加熱工件，然后在進(jìn)入閃光和頂鍛階段。預(yù)熱目的如下：
（1）減小需用功率 可以在小容量的焊機(jī)上焊接斷面面積較大的工件，因?yàn)楫?dāng)焊機(jī)容量不足時(shí)，若不先將工件預(yù)熱到一定溫度，就不可能激發(fā)連續(xù)的閃光過(guò)程。此時(shí)，預(yù)熱是不得已而采取的手段。
（2）降低焊后的冷卻速度 這將有利于防止淬火鋼接頭在冷卻時(shí)產(chǎn)生淬火組織和裂紋。
（3）縮短閃光時(shí)間 可以減少閃光余量，節(jié)約貴重金屬。
預(yù)熱不足之處是：
（1）延長(zhǎng)了焊接周期，降低了生產(chǎn)率；
（2）使過(guò)程的自動(dòng)化更加復(fù)雜；
（3）預(yù)熱控制較困難。預(yù)熱程度若不一致，就會(huì)降低接頭質(zhì)量的穩(wěn)定性。
二、閃光對(duì)焊的電阻和加熱
閃光對(duì)焊時(shí)的接觸電阻Rc即為兩工件端面間液體金屬過(guò)梁的總電阻，其大小取決于同時(shí)存在的過(guò)梁數(shù)及其橫斷面積。后兩項(xiàng)又與工件的橫斷面積、電流密度和兩工件的接近速度有關(guān)。隨著這三者的增大，同時(shí)存在的過(guò)梁數(shù)及其橫截面積增大，Rc將減小。
閃光對(duì)焊的Rc比電阻對(duì)焊大得多，并且存在于整個(gè)閃光階段，雖然其電阻值逐漸減小，但始終大于工件的內(nèi)部電阻，直到頂鍛開(kāi)始瞬間Rc才完全消失。圖14-5是閃光對(duì)焊時(shí)Rc、2Rω和R變化的一般規(guī)律。Rc逐漸減小是由于在閃光過(guò)程中，隨著端面溫度的升高，工件接近速度逐漸增大，過(guò)梁的數(shù)目和尺寸都隨之增大的緣故。
由于Rc大并且存在整個(gè)閃光階段，所以閃光對(duì)焊時(shí)接頭的加熱主要靠Rc。
三、閃光對(duì)焊的焊接循環(huán)、工藝參數(shù)和工件準(zhǔn)備
1、焊接循環(huán)
閃光對(duì)焊的焊接循環(huán)14-7所示，圖中復(fù)位時(shí)間是指動(dòng)夾鉗由松開(kāi)工件至回到原位的時(shí)間。預(yù)熱方法有兩種：電阻預(yù)熱和閃光預(yù)熱，圖中（b）采用的是電阻預(yù)熱。
2、工藝參數(shù)
閃光對(duì)焊的主要參數(shù)有：伸出長(zhǎng)度、閃光電流、閃光流量、閃光速度、頂鍛流量、頂鍛速度、頂鍛壓力、頂鍛電流、夾鉗夾持力等。圖14-8是連續(xù)閃光對(duì)焊各流量和伸出長(zhǎng)度的示意圖。下面介紹各工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響及選用原則：
（1）伸長(zhǎng)長(zhǎng)度l0 和電阻對(duì)焊一樣，l0影響沿工件軸向的溫度分布和接頭的塑性變形。此外，隨著l0的增大，使焊接回路的阻抗增大，需用功率也要增大。一般情況下，棒材和厚臂管材l0=（0.7-1.0）d，d為圓棒料的直徑或方棒料的邊長(zhǎng)。
對(duì)于薄板（δ=1-4mm）為了頂鍛時(shí)不失穩(wěn)，一般取l0=（4-5）δ。
不同金屬對(duì)焊時(shí)，為了使兩工件上的溫度分布一致，通常是導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性差的金屬l0應(yīng)較小。表1是不同金屬閃光對(duì)焊時(shí)的l0參考值。
（2）閃光電流If和頂鍛電流Iu If取決于工件的斷面積和閃光所需要的電流密度jf。jf的大小又與被焊金屬的物理性能、閃光速度、工件斷面的面積和形狀，以及端面的加熱狀態(tài)有關(guān)。在閃光過(guò)程中，隨著vf的逐漸提高和接觸電阻Rc的逐漸減小，jf將增大。頂鍛時(shí)，Rc迅速消失，電流將急劇增大到頂鍛電流Iu。
表1 不同金屬閃光對(duì)焊時(shí)的伸出長(zhǎng)度
金屬種類 |
伸出長(zhǎng)度（mm） |
||
左 |
右 |
左 |
右 |
低碳鋼 中碳鋼 鋼 鋼 |
奧氏體鋼 高速鋼 黃銅 銅 |
1.2d 0.75d 1.5d 2.5d |
0.5d 0.5d 1.5d 1.0d |
注：d為工件直徑（mm）
當(dāng)焊接大截面鋼件時(shí)，為增加工件的加熱深度，應(yīng)采用較小的閃光速度，所用的平均jf一般不超過(guò)5A/mm2。表2為斷面積200-1000mm2工件閃光對(duì)焊時(shí)jf和ju的參考值。
表2 閃光對(duì)焊時(shí)jf和ju的參考值
金屬種類 |
jf（A/mm2） |
jf（A/mm2） |
|
平均值 |
最大值 |
||
低碳鋼 高合金鋼 鋁合金 銅合金 鈦合金 |
5-15 10-20 15-25 20-30 4-10 |
20-30 25-35 40-60 50-80 15-25 |
40-60 35-50 70-150 100-200 20-40 |
電流的大小取決于焊接變壓器的空載電壓U20。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中一般是給定次級(jí)空載電壓。選定U20時(shí)，除應(yīng)考慮焊機(jī)回路的阻抗，阻抗大時(shí)，U20應(yīng)相應(yīng)提高。焊接大斷面工件時(shí)，有時(shí)采用分級(jí)調(diào)節(jié)次級(jí)電壓的方法，開(kāi)始時(shí)，用較高的U20來(lái)激發(fā)閃光，然后降低到適應(yīng)值。
（3）閃光流量δf 選擇閃光流量，應(yīng)滿足在閃光結(jié)束時(shí)整個(gè)工件端面有一熔化金屬層，同時(shí)在一定深度上達(dá)到塑性變形溫度。如果δf 過(guò)小，則不能滿足上述要求，會(huì)影響焊接質(zhì)量。δf過(guò)大，又會(huì)浪費(fèi)金屬材料、降低生產(chǎn)率。在選擇δf時(shí)還應(yīng)考慮是否有預(yù)熱，因預(yù)熱閃光對(duì)焊的δf可比連續(xù)閃光對(duì)焊小30-50%。
（4）閃光速度vf 足夠大的閃光速度才能保證閃光的強(qiáng)烈和穩(wěn)定。但vf過(guò)大會(huì)使加熱區(qū)過(guò)窄，增加塑性變形的困難，同時(shí)，由于需要的焊接電流增加，會(huì)增大過(guò)梁后的火口深度，因此將會(huì)降低接頭質(zhì)量。選擇vf時(shí)還應(yīng)考慮下列因素：
1）被焊材料的成分和性能。含有易氧化元素多的或?qū)щ妼?dǎo)熱性好的材料，vf應(yīng)較大。例如焊奧氏體不銹鋼和鋁合金時(shí)要比焊低碳鋼時(shí)大；
2）是否有預(yù)熱。有預(yù)熱時(shí)容易激發(fā)閃光，因而可提高vf。
3）頂鍛前應(yīng)有強(qiáng)烈閃光。vf應(yīng)較大，以保證在端面上獲得均勻的金屬層。
（5）頂鍛流量δu δu 影響液體金屬的排除和塑性變形的大小。δu 過(guò)小時(shí)，液態(tài)金屬殘留在接口中，易形成疏松、縮孔、裂紋等缺陷；δu 過(guò)大時(shí)，也會(huì)因晶紋彎曲嚴(yán)重，降低接頭的沖擊韌度。δu 根據(jù)工件斷面積選取，隨著斷面積的增大而增大。
頂鍛時(shí)，為防止接口氧化，在端面接口閉合前不立刻切斷電流，因此頂鍛流量應(yīng)包括兩部分----有電流頂鍛留量和無(wú)電流頂鍛留量，前者為后者的0.5-1倍。
（6）頂鍛速度vu 為避免接口區(qū)因金屬冷卻而造成液態(tài)金屬排除及塑性金屬變形的困難，以及防止端面金屬氧化，頂鍛速度越快越好。最小的頂鍛速度取決于金屬的性能。焊接奧氏體鋼的最小頂鍛速度均為焊接珠光體鋼的兩倍。導(dǎo)熱性好的金屬（如鋁合金）焊接時(shí)需要很高的頂鍛速度（150-200mm/s）。對(duì)于同一種金屬，接口區(qū)溫度梯度大的，由于接頭的冷卻速度快，也需要提高頂鍛速度。
（7）頂鍛壓力Fu Fu通常以單位面積的壓力，即頂鍛壓強(qiáng)來(lái)表示。頂鍛壓強(qiáng)的大小應(yīng)保證能擠出接口內(nèi)的液態(tài)金屬，并在接頭處產(chǎn)生一定的塑性變形。頂鍛壓強(qiáng)過(guò)小，則變形不足，接頭強(qiáng)度下降；頂鍛壓強(qiáng)過(guò)大，則變形量過(guò)大，晶紋彎曲嚴(yán)重，又會(huì)降低接頭沖擊韌度。
頂鍛壓強(qiáng)的大小取決于金屬性能、溫度分布特點(diǎn)、頂鍛留量和速度、工件斷面形狀等因素。高溫強(qiáng)度大的金屬要求大的頂鍛壓強(qiáng)。增大溫度梯度就要提高頂鍛壓強(qiáng)。由于高的閃光速度會(huì)導(dǎo)致溫度梯度增大，因此焊接導(dǎo)熱性好的金屬（銅、鋁合金）時(shí)，需要大的頂鍛壓強(qiáng)（150-400Mpa）。
（8）預(yù)熱閃光對(duì)焊參數(shù) 除上述工藝參數(shù)外，還應(yīng)考慮預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間。
預(yù)熱溫度根據(jù)工件斷面和材料性能選擇，焊接低碳鋼時(shí)，一般不超過(guò)700-900度。隨著工件斷面積增大，預(yù)熱溫度應(yīng)相應(yīng)提高。
預(yù)熱時(shí)間與焊機(jī)功率、工件斷面大小及金屬的性能有關(guān)，可在較大范圍內(nèi)變化。預(yù)熱時(shí)間取決于所需預(yù)熱溫度。
預(yù)熱過(guò)程中，預(yù)熱造成的縮短量很小，不作為工藝參數(shù)來(lái)規(guī)定。
（9）夾鉗的夾持力Fc必須保證工件在頂鍛時(shí)不打滑 Fc與頂鍛壓力Fu和工件與夾鉗間的摩擦系數(shù)f有關(guān)，他們的關(guān)系是：Fc≥Fu/2f。通常F0=（1.5-4.0）Fu，斷面緊湊的低碳鋼取下限，冷軋不銹鋼板取上限。當(dāng)夾具上帶有頂撐裝置時(shí)，加緊力可以大大降低，此時(shí)Fc=0.5Fu就足夠了。
3、工件準(zhǔn)備
閃光對(duì)焊的工件準(zhǔn)備包括：端面幾何形狀、毛坯端頭的加工和表面清理。
閃光對(duì)焊時(shí)，兩工件對(duì)接面的幾何形狀和尺寸應(yīng)基本一致。否則將不能保證兩工件的加熱和塑性變形一致，從而將會(huì)影響接頭質(zhì)量。在生產(chǎn)中，圓形工件直徑的差別不應(yīng)超過(guò)15%，方形工件和管形工件不應(yīng)超過(guò)10%。
在閃光對(duì)焊大斷面工件時(shí)，最好將一個(gè)工件的端部倒角，使電流密度增大，以便于激光閃發(fā)。這樣就可以不用預(yù)熱或閃光初期提高次級(jí)電壓。
對(duì)焊毛坯端頭的加工可以在剪床、沖床、車床上進(jìn)行，也可以用等離子或氣焰切割，然后清除端面。
閃光對(duì)焊時(shí)，因端部金屬在閃光時(shí)被燒掉，故對(duì)端面清理要求不甚嚴(yán)格。但對(duì)夾鉗和工件接觸面的清理要求，應(yīng)和電阻對(duì)焊一樣。
