图1  车架纵梁点焊原理

重卡车架压型纵梁与内加强梁点焊过程中产生的金属飞溅主要是由焊接压力不够形成的。利用焊接中的自感现象、塞贝克效应和电位差，以及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，并且加快点焊速度的有利途径，也是防止飞溅的重要依据。

点焊是电阻焊中的一种，是焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，利用电流通过焊件时产生的电阻热熔化母材金属，冷却后形成焊点的焊接方法。点焊分为单点焊和多点焊，多点焊时使用两对以上电极，在同一工序内形成多个熔核。图1为单点焊原理图。下面主要围绕重卡车架纵梁材料为16MnL压型纵梁与内加强梁，厚度为8+7（mm），采用设备最大焊接电流为60000A的点焊机，单点焊过程中产生的飞溅和飞溅对焊点质量的影响进行具体的分析。

图2  压型纵梁与内加强梁焊点

焊接飞溅及其影响

点焊飞溅对于车架纵梁的质量存在着较大影响，特别是在涂装工序电泳之后尤其明显，严重影响着车架纵梁的外观质量。因此，车架纵梁在点焊后经常需要增加工艺步骤来处理飞溅物。这不仅增加了生产成本，而且延长了制造周期，在实际生产中要尽量避免焊接飞溅。对于车架纵梁而言，只要有焊点产生飞溅均属不合格品，都需要进行后续处理。

点焊飞溅形成的过程是点焊加热时，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。由于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，这种现象即称之为点焊飞溅。

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2）。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、位错攀移和金属液流，将隧道在滞后于空洞形成时堵塞，塑性环得到修复。

图3  熔合横断面

如果空洞产生在点焊初期，凭借焊接时的加压和加热还可能消除；如果是后期产生的空洞，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，则很可能空洞不能消除。这样，焊点的机械强度和导电性能将明显降低，从而达不到产品要求。因此，焊点在焊接时产生了飞溅，一般视为不合格产品，尤其是电机电器产生飞溅的影响更大。

产生飞溅的原因

点焊飞溅按产生时期可分为前期和后期两种；按产生部位可分为内飞溅（处于压型纵梁与内加强梁件间）、外飞溅（纵梁表面与电极接触侧）两种。

1.焊接前期产生的金属飞溅

（1）焊接表面状态的影响。压型纵梁表面或加强梁内表面清理不佳或接触面上压强分布严重不均，造成局部电流密度过高引起早期熔化，此时因无塑性环保护必发生飞溅。

（2）次级电流的影响。在实际生产过程中，针对15 mm厚的车架纵梁点焊工艺参数电流假定为1.8～2.1万A，若超出2.1万A，在焊接电流导通的一瞬间，次级电流瞬间变大。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，使电极与车架纵梁表面产生飞溅。因此，热量公式Q=0.24I2Rt就不可能客观地反映这一发热现象，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4  点焊的后期飞溅

从以上分析可知，次级电流产生在两种金属接触面上，也就是有接触电位差处，且次级电流远大于焊接使用的电流。另外，电极材料工艺采用铜质材料，车架纵梁材料为16MnL，这也是焊接处前期产生飞溅的重要原因。

2.焊接中的后期飞溅

后期飞溅产生的原因是：熔化核心长大过度，超出电极压力有效作用范围，从而冲破塑性环在径向造成内飞溅，在轴向冲破板表面造成外飞溅（见图3、图4）。这种情况产生在电流较大、通电时间过长的场合。

（1）点焊机机臂灵活性的影响。点焊机机臂灵活性是指车架纵梁被点焊加热产生塑性变形时电极跟随其变化移动加压的能力。如果灵活性不好，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。

影响点焊机机臂灵活性的因素包括：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；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，灵活性变坏，这样也就不可能及时调整温度场，使其产生金属飞溅。

图5   产生飞溅的电压

（2）第一热电效应对焊接飞溅的影响。点焊车架纵梁时，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，点焊车架纵梁材料为16MnL（电位+0.777 V），采用的电极是铜（电位+0.158 V）基材料。在点焊中，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，高于未加热端的温度使回路中又产生温差电流，这就是第一热电效应，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产生飞溅（见图5）。

从这一分析可以看出，焊接中的电压和电流是变化的参数，要想避免点焊时产生飞溅，在设计焊接压力时必须要考虑这一波动现象。

（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，严重时会不断产生焊接飞溅，甚至烧坏焊点。

图6   焊接回路

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）仍在保压程序，焊接回路是闭合的，如图6所示。

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，由于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。由于初级已断开，当次级电流开始下降时，又将产生自感作用，使次级的电流继续增大。此时，焊接区处于强烈的加热状态，如果压力不够，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'，停止保压时的时间为t'，那么时间区间为t～t'，因此，这段时间的产热Q'计算为：

这一公式也包括了第一热电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。同时，还可以减少通电加热的时间，节省能源，保证焊接质量。

图7  电极尺寸

消除车架纵梁点焊飞溅的措施

新的热量公式客观地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飞溅产生的原因。因此，可以通过估算和实验，找出预压、焊接通电加热加压及焊后保压使用的压力范围。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、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，清除表面的油渍、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，保证焊机机臂具备良好的灵活性。

对焊接电源重新配制稳压电源或单独接电源，防止外界影响，形成电压波动。

焊接电极采用铜质材料，工作面直径φ25 mm，圆弧R 250；下电极同上电极，仅将工作表面修磨为平面取消R 250尺寸要求（见图7）；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，点焊时可以避免焊接金属飞溅。

结语

综上所述，车架纵梁点焊中产生飞溅主要是由电极的灵活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，以及加快点焊速度的有利途径，也是防止飞溅的重要依据。由此提出新的热量公式：

这是分析点焊总体加热热量的依据，也是分析点焊时产生金属飞溅的可靠依据。

根据这一公式重新设计点焊压力，在综合考虑预压力及焊接通电加热压力和保压力的基础上，选择稍大于焊接时产生飞溅的压力（稍大于飞溅的临界压力）。针对重卡纵梁（两层材料为16MnL，厚度为8+7mm）的点焊，经计算电极力压紧力为0.2～0.25 MPa。以此确保焊接时不产生飞溅，保证焊接速度、产品质量及可靠性。