异种金属电容储能冲击焊规范参数优化及接头连接机理分析

1、焊接 ?以? ! 异种金属电容储能冲击焊规范参数优化及接头连接机理分析 西 安交通大 学 西安 市 # ! % +6 41=:+ 2+ :丹1,7 0 /7 69 =1, 7巧4几+ , 40 3+ 名 ?如8 ( 5 ( 4( , ( :+ 功此: ;叱吨 ? ? 目 +( (= ( ? ( 面 ( 2娜,出 一 一即公 , , , ( 目 ( , ( 】 山卿止( 目匕山 + 衍! ! 加】 山 伽 曲 ( (二 , 画姻 成 加咖目助 ( 苗( 面川 .(, 训 ( 卿 , ( 邵( , 3 旧和击阮】钾 ( 招记 山 ( 贾日嗯 ( 歇 ( 七, ( 山 : 僻抽加 , 州山1 加目 姆 ( , 】 回叱 “血 皿肠 异种金属焊接构件可以有效地利用材料的各 自特 点 , 收到 “ 物尽其用 ” 的功效 , 所以异种金属的焊接问题 格外受到研究人员 的重视 。 电容储能焊由于具有 焊接 时 间短 毫秒级 , 热影 响区很窄的特点而特别适宜于 成分 、熔点、导热性 能相差大的异种金 属焊接 。 目前它 还是允许将小截面零件焊到其它零件表面上的最好方 法之一 】。 这一焊 接方法被广

2、泛 地应用 于电子 元 器 件 、通讯器材、 医疗器械 、 计算机设备等异种金属小零 件的连接上 。 例如象铝母线与铜线 、 电器线路接线柱 、 电冰箱散热器铜 一 铝管 、 铜 铝 标牌或仪表盘与紧固 件以及螺钉 、 销钉与机壳 体的 焊接 。 但从目前的应 用状况来看 , 由于缺乏 异 种 金属 电容储能焊 规 范参数 对接头质量影响规律的 系统分析 , 规范参数的选 择 还 比较盲目 。 另外 , 人们对电容储能 焊 异种 接 头 连 接机 理认识还不够深刻 , 所以也限制了这一方法 的广泛应 用 。 本文针对以上 两个问题进行了分析和研究 。 电容储能焊机简介 电容储能焊的焊接过程 是先将要焊两焊件分别与 电容器 组的两个电极 相 连接 , 待电容器 组 充好电 后 , 使其中一个焊件 常为小截面焊件在力的作用 下 迅速向另一焊件运动 。 当两焊件之间的间隙接近电压 击穿距离时 , 高强度电弧被引燃并将待焊工件表面熔 化 , 运动焊件继续运动完成顶锻 、 灭 弧 、 挤 出熔化金 属 而形成接头 。 本研究采用 立 式 装 夹 具 对焊件进行 装 夹 , 夹具分固定夹具和移 动

3、夹具两部分 。 移动夹具所 需顶锻力和顶锻速度由两只拉式 弹簧所 产生 。 调节 弹 簧可获得 ! !6 一 % 6 的顶 锻 力和 ? 耐 一 #? 耐 。 的顶 锻速度 。 焊接主回路如 图 !所 示 。 改 变 主 变 压 器. 次 级 线圈的个抽头位置 可实现充 电 电压 的粗调 节 , 调节 晶闸管 :, , :, 导 通角可进一步实现充电电 压 的 焊接 ? 犯 ! 微调节 。 组合以上两种调节可以实现充电 电压 的连续 调节 。 充电 电容器组 由 ! ? 只脉冲电容器组成 , 每只 耐压 , 电容量为 卜= 。 所需电容量 由所并联 电容器的个数决定 , 因 而 电容量 只 能是有 级 调 节 。 焊 机最大储能为 !58 & :8 & /: & & 7 & / 衰 水平充电电压0 4 / / 、 5 .二 . / / . +/ ? ? +/ / 8/ / 注 标记为虑拟水平 。 实验用反映储能焊接头质 量 的标志 性指标焊 合率为 考核 指标 。 焊后将接头从焊缝处 破断 , 在放 大 异 种金属焊接接头 通常有固溶体 、机 械 混合 物、金 属间化合物 脆性 化合物

4、 或兼有这 几 种 的连接形式 。 经研究发现 , 异种 金 属接头 的连接形式 取决于金 属 组 元间的原子 尺寸 、 负电性 、 电 子浓度和 晶体结构等因 素 。 原 子尺寸因素一般用 原子半径相对差 表示 。 八 3 一 4 。 / / ? 式中 组元原子半径 组元原子半径 8 + / 9 / / 8 / /9 + /: / / ? ,飞? . 咤曰 两组元的原 子半径 相 对 差 越小固溶度越 高 。 反 之 , 则越低 。 电子 浓度是 指合金 中价 电 子数与其原 子 数 之比 , 用 0 。 表示 。 0 : 、 ! 一 ! ? 式中 气 、 . 分别为两组元原子 价 . 组元的量比 根据能带理论 , 在一定金 属 晶体结构的单位体积 中 , 所 能容纳的价 电子数是 有 限度的 , 超过 一定限度 , 电子的最大能 量将急剧 上 升 , 这将引 起 晶体结构 的不 稳定 , 甚 至转变成其它晶体结构 。 因此 , 溶质在溶剂中 的固溶度受电子 浓度的限制 , 在其它因素相同时 , 电子 浓度越大 , 固溶度则越小 。 而 且当电子 浓度超 过某一 极 限后 , 固溶度

5、就变得非常有限 。 不同的晶体类型所对 应 的极 限电子浓 度值也不同 , 面心立 方 的为 ! , 而体 心固溶体为 ! % 。 负电性 因素是 指组元原子 吸引 电子 形成负离子 的倾向 。 越容易 吸引 电子 形成负离子 的元 素 , 其负电性越强 。 组元间负电性相 差越大 , 则 越 不容 易形成固溶体 , 而 易 于形成金 属化合物 。 组 元 在 元素 周期表 中相对位 置越远 , 则负电性相 差 越大 , 固溶度也 越小 , 而形 成金 属化合物 的倾向则 越大 。 晶格类型是否 相同是形成无限 固溶的必 要条件 。 当晶格类型相同时 , 可形成无 限 固溶 , 否 则只能形成有 限固溶 ? 。 表列 出 了低碳钢 一 奥氏体不锈钢 、低碳 钢 一 紫铜 、镍 一 钨 种 焊接对偶的结晶化学性质 。 根据表所列结晶化学 性质数据再综合以上各因素对固溶度以及形成金属化 合物倾向的影 响规律 , 可以看出低碳钢 一 奥 氏体不锈 钢 接头固溶度 相对 应比较大 , 而另 外 两 种接 头 的 固溶 度要小且 有 形成金 属化 合物 的倾向 。 但是 , 我们用 ,+? 一

6、! ?型 ? 射 线衍射仪对有 形 成 金属化合物倾向 的低碳钢 一 紫铜焊缝进行 物 象分析 , 结 果并 未 发 现 有 金 属化合物 的存在 , 其原因可 能 是 因为它们在 顶锻力 快速作用下 连同熔化金 属 一块被挤出 。 但发现焊缝 中 铜 的点 阵参 数 晶胞的 晶面间距 二 , 二 ! , + 焊接 ?仪洲 一 二 ! % ? 一 , 为衍射角为? #! 又 % ? 二 比标准点阵参数? ! 略 小 一些 , 这可能 是 有少 量半径较小 的铁原 子置换固溶 人铜而 引起铜 的点阵参数 发 生了变化 。 利 用 0 7 ? 一 &! 能谱仪对种 接头进行成分分析 , 结果 如图? 、 图 、 图%所示 。 可以看 出 , 异种 金 属 电容储能焊接头一 般都是由互溶区和扩散区组成 。 根据以上分析可知 , 不锈俐 互熔区 低碳饱 印% ? 水妞众冲训帆十曦 /. & / 8 & / 点距刃画 图 低碳钢 一 不锈钥接头成分分析 水公尔冲翻润小肠 点距岁卿 图5低碳钢 一 紫钥接头成分分析 承王众冲训侧咔医 表5 5种焊接对偶结晶化学性质 焊接对偶 。 周期表 中位置 晶

7、格类型 低碳钢 一 奥氏 体不 锈钢 体心 一 面心 低碳钢 一 紫铜 / & :9 + & 5 8他 一 # 镍 一 钨 & 7 & / 姐 一 # 体心 一 面 心 面心 一 体心 4 复杂立方 , /. / 8& / 点距 4 卜, 图. 钨 一 镍接头成分分析 焊接 ? ? 刃 ! 由于种焊缝的固溶度都不大 , 而在焊接 中所形成的 金属间化合物又常被快速顶锻力从接头 中所挤出 , 所 以互溶区应基本属于机械混合 。 另外 , 在热和顶锻力 作用下 , 在结合面 焊缝附近又产生了一个很窄的扩 散区域 。 ? 异种金属电容储能焊接头由互溶区 和扩散区 两部分组成 , 接头连接形式为有限固溶和机械混合 。 参 考文献 % 结论 影响异种金属电容储 能焊接头质量的主次因 素的顺序是 5 一 : 一=一 5 ? : , 其中5和 : 为显著 影响因素 。 ! 何康生 、 曹雄夫 异种金 属焊接 北京 ) 机械工业出版社 , !& ? 崔忠析 金属学与热处理 北京 ) 机械工业 出版社 , !& & 傅积和 、孙 玉林 焊接数据资料手册 北京 ) 机械工业出 版 社 , 卯# 收稿日期 ? 力& ! 作者简介 ) 王推生 , !&% 年生 , 剐教授 。 上接第 ! 页 /4 以 (日 曰 衍( 一 玩卿 朋 ( , ( 0 00 3 + , !& & ? )?#一? # 张光先 等 串联谐振式焊接电源的设计 电焊机 , !& & 黄念慈 等 零开关逆变电焊机 电焊机 , !& & % & 4 一 ( :,袱( ( 皿( ( ( ( ( ( 丽( 阮 000 3 1 2 0 ( , !& &# ? ) ? & 一? & ! 朱贤龙等 软开关逆变控制型 9. 3弧焊电源 电力电子 技术 , !& & )! !% ! ! 汪慈等 电子电路的计算机辅助分析与设计方法 北京 ) 清 华大学出版社 , 夕& )一& ! ? 姚立真 通用电路模拟技术及软件应用 2 :0 和2 2 , 电 子工业出版社 , !望4 ) ! # 一?! # ! 蔡宜三等 高频功率电子学 一 直流 一 直流变换部分 北京 ) 科学出版社 , !& & , ,

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