论点焊和凸焊中的飞溅
孙启政
[摘要] 论述了点焊和凸焊中产生金属飞溅是由于焊接压力不够形成的。提出了自感电流、电位差、塞贝克效应对产生焊接飞溅的影响，并分析电压和电流变化应以新的热量公式为依据和设计焊接压力的原则。
关键词：焊接飞溅 自感电流 电位差 塞贝克效应 随动性
[Abstract] In this paper,it is pointed out that the cause of the metal splashing in spot or projection welding is inadeq te welding pressure.The relations between self ind tion current,electric potential difference or Seeback effect and metal splashing are also discussed.A principle for welding pressure design and the idea that analyses of variation of current and voltage should be done in accordance with a new heat formula are put forward.
Keywords：welding splashing self ind tion current electric potential difference seeback effect follow-up
前言
目前，金属飞溅在点焊和凸焊中对焊接产品质量的影响，存在两种不同的看法：一种看法认为焊接中产生飞溅时金属突然熔化，熔化的液体可以流布在焊接处的界面上，因此，可以得到质量好的焊点。另一看法（也是焊接人员中大多数人的看法）认为焊接时应避免焊接飞溅。只要焊点产生了飞溅的产品都是不合格品。下面将对焊接飞溅的产生和飞溅对焊点质量的影响进行具体的讨论。
1 焊接飞溅及其影响
焊接飞溅是点焊或凸焊加热时，金属在焊接处熔化形成液体，同时被焊处金属膨胀，膨胀力将电极向上、下推移，使焊接区上的外加压力降低，焊接区域不能及时扩大，加热速度急剧提高，液化的金属和塑性变形的金属，受温度的影响不能向四周流布，形成塑性环将熔化区的周边封闭，使溶化区的气压不断升高。而塑性环的壁厚不可能是均匀的，当气压的挤压力超过塑性环最薄壁处的抵挡能力时，就会从此处产生金属液体的喷射，形成金属珠飞出，这种现象就称之为焊接飞溅。
液体金属喷射时，将从熔化区带走大量的金属，使熔化处形成凹坑，见图1。这种凹坑的形成将使接触处出现空洞。飞溅的路线上也会形成隧道，外界的气体将由隧道进入空洞，使其充满空气。而隧道孔往往小于空洞。金属在焊接压力和热能的作用下产生位错、位错移动、位错攀移、金属液流，将隧道在滞后于空洞形成时堵塞，塑性环又得到修复。
图1 焊接飞溅后紫铜与黄铜的显微组织
如果空洞产生在焊接初期，由于焊接时的加压和加热还可能消除。如果是中期和后期产生的空洞，则因焊接接近结束，空洞内的气体压力增大，外加压力不足，电极对中性又差时，很可能不能消除。这样，焊点的机械强度和导电性能将明显降低，而达不到产品要求。因此，焊点在焊接时产生了飞溅，一般视为不合格产品。特别是电机电器产生飞溅的影响更大。
2 点焊和凸焊产生飞溅的原因
2.1 焊接初期产生的金属飞溅
2.1.1 焊接表面状态的影响
焊接处工件的两接触面不平，表面有漆（微量）有锈、电极对中心不好，或工作面不能与工件的焊接处的平面吻合……将使焊接处两接触面上的触点减少而使电流密度增大，通电焊接的一瞬，将会产生焊接初期的金属飞溅。
2.1.2 冲击电流的影响
在实践中发现，焊接电流导通的一瞬间，一台120kVA的点焊机的电源变压器初级电缆引出线（直径Φ1.2mm的7根铝线）在铝线与黄铜接触处整齐的熔断，见图2。而电缆离开接触处一段距离的任何地方不产生变化，螺钉固定处（有压伤）也无其他变化。
图2 导线熔断图
这是因为铝和黄铜为两种不同的金属，各自的电位不同，首先是逸出功不同，其次是自由电子的密度也不同。当两种金属接触时，就会在接触面上产生电位差，产生空隙和电子的流动（见图3）使回路中的电流迅速增大。当电流流经接触面时产生帕尔帖效应，使铝线在接触黄铜处烧断。因此，原热量公式Q=0.24I2Rt就不可能客观的反映这一发热现象。原因在于电流是一个变化的电流，电压也是一个变化的电压。因此只能用电流i表示电流的瞬时值，用u表示电压的瞬值，假如加热的时间在0～t区间里，那么才比较符合加热的实际情况。
图3 接触电位差
而多股铝线离开黄铜后，由于都是铝，因而不存在电位差，也就不能产生瞬间烧断的现象。
螺钉固定处在通电前铝与黄铜之间，由于螺钉的压力作用，使两种金属的空隙移动和电子移动达成了动力平衡，（见图4）因此也不能产生熔断现象。
图4 动力平衡
从以上分析可知，冲击电流产生在两种金属接触面上，也就是有接触电位差处。且冲击电流远大于焊接使用的电流，这也是焊接处产生初级飞溅的重要原因。
2.2 焊接中的飞溅
2.2.1 焊机随动性的影响
随动性是指被焊金属加热产生塑性变形时电极跟随其变化移动加压的能力。如果随动性不好，不能及时调整温度场，加热金属的熔化速度就会加快，将产生过大的膨胀力使液体从熔化处飞出，形成焊接中的飞溅。
影响焊机的随动性的因素：一是机臂上下活动的轴与孔配合处有污物，使摩擦力增大，形成电极上下活动不灵活。二是焊机工作时间长后，冷却系统不能使机臂良好冷却，配合部位发热膨胀，增加了配合处的摩擦力，随动性变坏，这样也就不可能及时调整温度场，使其产生金属飞溅。
2.2.2 塞贝克效应对焊接飞溅的影响
焊接时只有电极与被焊材料之间存在电位差时，才能进行焊接。例如：点焊低碳钢（电位+0.777V），采用的电极是铜（电位+0.158V）基材料；点焊铜时，采用钨（电位-0.05V）。在焊接中，因焊接区存在电位差，电流流过时，产生了帕尔帖效应，使温度升高，高于了未加热端的温度使回路中又产生温差电流（塞贝克效应），而温差电流总是从高电位金属流向低电位金属。随着焊接区温度的不断升高，温差电流也不断增大。当焊接电流的流向与温差电流的流向相同时，焊接电流增大，焊接电压升高，如果电极压力不够，就会在焊接电压增大点开始产生飞溅。见图5所示。
图5 开始飞溅的电压
从这一分析可以看出，焊接中的电压和电流是变化的参数，在设计焊接压力时必须要考虑这一波动现象。
2.2.3 电源波动的影响
在工厂里，焊机的电源往往与其他设备安装在同一电源电路内，当其他动力设计停止工作时，焊接电路的电源电压将会猛然升高，焊接回路中的电流会突然增大，严重时不断会产生焊接飞溅，甚至烧坏焊点。
2.3 焊后飞溅
焊后飞溅是指焊接停止通电后的一瞬间产生的金属飞溅。分析焊接电源发现，用变压器作焊接电源时，控制开关主要是控制变压器的初级，当停止焊接加电时只是断开了它的初级电路，而焊接回路（次级）仍在锻压程序，焊接回路是闭合的，见图6所示。
\图6 焊接示意图
由于电流滞后电压（纯电感电路中电流滞后电压1/4周期），便会在初级电路断开的一瞬间产生自感电动势，自感电动势又总是滞后原电流，因此感生电流的方向与原电流的方向相同，此时的电流远远大于原电流。这时，自感作用很强，初级电压突然升高，也使变压器的输出功率突然升高（30kVA的焊机瞬间工作时，输出功率为80kVA),由于次级（焊接回路）仍然处在工作状态，互感的作用使焊接电流猛然增大。当次级（由于初级已断开）电流开始下降时，又将产生自感作用，使次级的电流继续增大。此时，焊接区处于强烈地加热状态，如果锻压力不够，不能及时调整温度场，就会产生焊后飞溅。为了计算这一热量，设断电后的焊接电流为i',电压为u'、\停止锻压时的时间为t',那么时间区间为t～t',因此，这段时间的产热Q'
Q'= (J)
这一公式也包括了塞贝克效应在电路中的作用。
从以上分析可知，焊接加热不仅是通电时的加热，还应包括断电后一段时间的加热。因此，焊接加热的总热量(J)这样，对焊接中的飞溅就不难分析产生的原因了，同进还可以减少通电加热的时间，节省能源，保证焊接质量。
3 消除焊接飞溅的措施
新的热量公式客观的反映了焊接全过程中的电流、电压的变化和它们与时间的关系。从中找到了焊接飞溅的依据，特别是找到了断电后的飞溅产生的原因。因而可以通过估算和实验，找出预压、焊接加压、焊后锻压使用的压力范围。在综合上述压力的基础上确定近似不产生焊接飞溅的临界压力的焊接压力区间，以便确保焊接点的质量和可靠性以及生产效率。
在焊接前应该严格控制焊接平面的平行度和尺寸公差，清除表面的污物，使表面的状态符合焊接要求。还应清除机臂活动处的污物，保证其活动灵敏。
焊机应在焊接前通流动水冷却，从焊机中流出的水温不得超过40℃。机臂温升不得超过70℃，方可避免电器元件失控和机臂活动处的灵活性，保证焊机具备良好的随动性。
焊接电源应配制稳压电源或单独接电源，防止外界影响，形成电压波动。
焊接电极采用圆锥弧面（工作面）电极，在电极对中性良好时，由于金属塑性变形和加热后金属液流的流布作用以及焊接处外围温度的影响，可以增强塑性环对焊接处的膨胀抗力。
实践证明，采用上述措施后，点焊或凸焊时，可以避免焊接金属飞溅。
4 结论
综上所述，焊接中发生飞溅主要是电极的随动性不能满足金属塑性变形和液化时调节温度场需要的压力形成的。正确的利用焊接中的自感现象、塞贝克效应、电位差和采用适宜的焊接压力是提高热能利用率，减少能源消耗，提高焊接质量，加快焊接速度的有利途径，也是防止飞溅的重要依据。
新提出的热量公式
(J)
是分析焊接（接触焊）的总体加热热量的依据。也是分析焊接时产生金属飞溅的可靠依据。
根据这一公式设计焊接压力时，必须综合预压力，焊接压力、锻压力的基础上，选择稍大于焊接是产生飞溅的压力（稍大于飞溅的临界压力）。以此保证焊接时不飞溅和焊接速度；保证产品的质量与可靠性。
作者单位：孙启政 贵航集团贵阳电机厂（550009）
参考文献
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