电阻焊是连接金属和金属的最便宜和最可靠的方法之一。不过，电阻焊的设计是一个技术活。设计稍有不当，就会产生质量问题。本文将介绍电阻焊的方方面面，重点介绍设计时必须遵守的DFA指南。—1—电阻焊概述1.1什么是电阻焊

电阻焊是将被焊零件压紧于两电极之间，并通以电流，利用电流流经零件接触面及邻近区域产生的电阻热将其加工到熔化或塑性状态，在压力下形成金属结合的一种焊接方法。

利用电阻发热使金属溶化，进行加压并结合是电阻焊的基本原理。

电阻焊动图如下所示：

电阻焊之后，在两个零件的结合处产生熔核。

▲软件模拟熔核的形成

▲各种熔核剖面图1.2电阻焊的优缺点

电阻焊的优点是：

1）热量集中、加热时间短、焊接变形小，焊接质量好。

2）焊接过程简单，一般不需要填充材料及熔剂，不需要保护气体。

3）能适应多类同种及异种金属的焊接，包括镀层钢板的焊接。

4）工艺过程简单，易于实现机械化及自动化，上岗前不需要对焊工进行长期培训。

5）焊接生产率高，成本低。

6）劳动环境较好，污染小。

电阻焊的缺点是：

1）设备复杂，机械化自动化程度较高，使设备成本较高，维修较困难。

2）电容量大，且多数为单相焊机，对电网造成不平衡负载严重，必须接入容量较大的电网。

3）焊接过程进行很快，若焊接时由于某些工艺因素发生波动，对焊接质量的稳定性有影响时往往来不及进行调整；在重要的承力结构处应慎用。

4）目前还缺乏可靠的无损检测方法，焊接质量只能靠工艺试样和破坏性试验来检查，以及靠各种监控技术来保证。

5）点、缝焊的搭接接头因在熔核周围形成夹角，致使接头的抗拉强度和疲劳强度均较低。

6）焊接的厚度，形状和接头形式受到一定程度的限制。

1.3电阻焊设备电阻焊设备如下图所示：▲手持式点焊机▲点焊机

▲点焊机器人

1.4电阻焊的应用电阻点焊和凸焊适用于薄板零件的焊接，从小到电子零部件的焊接、大到汽车白车车身的焊接，还适用于线缆与薄板零件的焊接。电阻对焊适用于各种形状相同截面对接或者环状零件之间的焊接。

▲动力电池极耳的焊接

▲继电器端子与线缆焊接

▲汽车电枢绕组的焊接

▲金属杆的焊接

▲轿车白车车身点焊

▲对焊实例

—2—电阻焊的四种类型电阻焊可以分为点焊、缝焊、凸焊、电阻对焊、闪光对焊等1）点焊点焊是将焊件装配成搭接接头，压紧在两电极之间，利用电阻热熔化母材金属形成焊点的电阻焊方法。点焊可以再分为双面单点焊、单面双面焊以及双面多点焊等。▲多点焊2）凸焊凸焊是在焊接处首先加工出一个或数个凸点，在焊接时这些凸点和另一被焊零件紧密接触。通电后，凸点被加热，加压后被压塌随后形成焊点。由于凸点接触提高了凸焊时焊点压力，并使焊接电流比较集中。所以凸焊可以焊接厚度相差较大的工件。多点凸焊可以提高生产率，并且焊点的距离可以设计得比较小。3）缝焊焊件装配成搭接或对接接头并置于两滚轮电极之间，电极加压并滚动，连续或断续送电，形成一条连续焊缝的电阻焊方法。4）对焊对焊的特点使被焊零件的两个接触面连接。对焊分为电阻对焊和闪光对焊。A、电阻对焊将焊件装配成对接接头，使其端面紧密接触，利用强电流通过接头时产生的电阻热，将金属加热至塑性状态，然后迅速施加顶锻力完成焊接的方法。B、闪光对焊闪光对焊是将两个焊件相对放置装配成对接接头，接通电源并使其端面逐渐接近达到局部接触，利用电阻热加热这些触点（产生闪光），使端面的这些金属触接点加热熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻力，依靠焊接区金属本身的高温塑性金属的大变形和电阻热，使两个分离表面的金属原子之间接近到晶格距离，形成金属键，在结合面上产生足够量的共同晶粒而得到永久接头。—3—电阻焊DFA指南成功的电阻焊包括三个方面：1）合适的零件设计--本节讲述，产品设计工程师必须掌握2）严格的材料管控--请参考第4节3）良好的过程管控--包括电极材料选择、电极设计以及焊接工艺参数例如电流大小、压力、时间等，属于生产范畴，本文不涉及，可参考文末收集整理的资料。1.电阻点焊上下零件的厚度比值理想情况下，等厚度零件或板材会产生均匀分布的焊核（快速冷却并凝固成圆形接头的熔融金属）。然而大多数情况下，用于焊接的板厚不相等。在这种情况下，点焊只有在焊接零件厚度比为3:1或更小时才能保证产生高质量、高强度焊核。另外，点焊适用于厚度小于3mm的零件；当然，也可以焊接厚度6mm及以上的零件，但效果不如其它焊接工艺。2.焊点间距焊点间距是为了避免点焊产生的分流现象而影响焊点质量所规定的数值。焊接第二点时，一部分电流会流经旁边已焊好的焊点，这称为点焊分流现象。分流会使实际的焊接电流减小，有可能形成未焊透或使熔核形状畸变等。焊点间距过大，则接头强度不足；焊点间距过小，又有很大的分流。所以应当控制焊点间距，间距一般至少为焊接零件最小壁厚的10倍。（具体可参考文末附件资料中提供的大众汽车标准）。3.焊点到边缘或孔槽的距离从焊接中心到零件边缘、或者零件中间孔槽需要保持两倍焊接直径的距离。如果距离过小，电极可能不会施加足够的压力，并且可能会产生裂纹。有时，还会导致金属过度毛刺或变形。4.焊点中心到折弯边的距离焊点中心到折弯边的距离应保证电极直径加折弯半径的距离，以防止分流。5.电极可达性当焊接零件上有其它特征时，应当预留足够的间隙，保证电极在工作时不与其它特征干涉，即保证电极的可达性。6.电极接触区域的设计零件设计，应当保证足够的电极空间，以及保证电极轴应与零件表面垂直（90°土10°），同时避免因为空间过小而使用不对称电极。7.当上方零件壁厚较厚时当上方零件壁厚较厚时，单面双点焊接容易使得电流在在两个电极和上方板材形成回路，而不经过下方零件，产生分流现象，造成焊接失败。此时，可以在上方零件上增加缺口，以避免分流现象，同时增加凸点，凸点有利于聚集焊接能量。8.在有的场合使用凸焊更好

电阻凸焊是电阻点焊的一个小改进，用于降低电阻点焊的功耗。它还减少了分流效应（点焊的一个主要限制），允许更紧密的焊缝间距，并使焊接具有更小法兰的工件成为可能。

如图左所示的厚板零件很难焊接，即使是加长通电时间也焊不上。在零件上增加一个凸点，改为电阻凸焊，在短时间内同上电流即可焊上。

9.凸焊凸点的设计凸点尺寸不应过小或过大。

凸点尺寸过小有可能造成只有凸点熔化而平板不熔化现象。

凸点尺寸过大会使压溃和成核困难，使接头强度不稳定。

凸点形状有圆球型、圆锥形和方形形等几种，也有采用带环形溢出槽的凸点（参见焊接手册）。

无论采用哪种形式，凸点尺寸都应控制在一定范围内，下表给出了常规凸点尺寸。

10.线缆凸焊线材凸焊不宜呈平行状接触，应当互相垂直。

11.管材凸焊

管材凸焊应先将两管局部压成U形。

管子以直接交叉方式进行凸焊，因只有一个凸点，所以接头的抗弯、抗扭强度很低。如果焊前先将两管的局部压成U形然后进行焊接，此时一个接头上有多个凸焊点，焊接强度就会高得多。

—4—电阻焊的材料管控电阻焊对材料管控极为严格。先进的电阻焊设备固然可以弥补材料上的一些差异，然而必须对材料的几何形状、化学成分、表面状况等进行管控，否则容易出现质量问题。

焊接零件材料差异会对电阻焊接过程的一致性产生显著影响，同时又是最难检测的，因这些差异在外观上很难察觉。

在确定最终工艺时，应严格控制材料差异，以确保它们落在焊接工艺窗口内。

背景:焊接零件的电阻影响电阻焊接中产生的热量。而热量是决定焊接效果的一个关键因素。如果焊接过程中产生的热量不够，则金属不容易融化，焊接无法成型。零件电阻更高通常会产生更多的热量。焊接零件的电阻是由零件材料成分、硬度、表面条件和几何形状等决定。所以，焊接材料管控其实就是对零件材料成分、硬度、表面条件和几何形状等的管控。材料成分:焊接零件的固有电阻（体电阻）是金属材料自身所具有的电阻。金属材料通常可分为电阻材料或导电材料。电阻材料例如镍和钢，固有电阻大；它们的热传导性较低，在焊接时散热慢，容易焊接。而导电材料例如铜和银，固有电阻小；它们的热传导性较高，在焊接时散热快，难以焊接。如果需要焊接导电材料则需要更大的电流，才能产生相同的热量。焊接零件中不同合金或非受控合金的替代会改变体电阻值，从而影响产生的热量。表面条件:焊接零件的表面条件对焊接质量的一致性极其重要。表面条件，包括表面处理类型、氧化物、电镀和光亮剂，会影响接触电阻值。表面电阻增加导致焊接能量仅仅作用于零件表面，导致焊接不牢固。表面粗糙度:粗糙的表面会导致打火或者炸焊，因为整个焊接电流被迫通过少数具有高电阻的接触区域。另一方面，光滑的表面提供了多条电流路径和均匀的热量分布。氧化物:氧化物会导致焊接热量大小发生变化，因为电极与零件之间以及零件与零件之间的电阻值会发生变化。过量的氧化物也会污染焊缝，降低焊接强度。电镀:镀层厚度和质量的变化也会导致焊接不一致。厚镀层倾向于吸收焊接能量，导致焊接区域的热量减少，因此焊缝较弱。电镀质量差会导致氧化物和颗粒污染，这又导致材料爆裂和电极粘连。与基材相比，诸如锡、焊料、银、锌和镉的电镀材料通常具有非常低的熔点。这可能导致电镀材料在基材之前熔化。最终形成的焊接区域类似于锡焊，不具有扩散焊接的抗拉强度。在铜等导电材料上电镀镍等电阻材料会造成焊接非常困难，因为这两种材料会出现热不平衡。如果使用导电电极来防止镀镍层过热，铜基材料可能不会发热。而如果使用电阻电极，如钼，镀层会粘在钼上。光亮剂:镍光亮剂和一些钝化涂层是电绝缘体，它们阻止焊接电流的稳定流动。一般来说，如果零件是电阻焊接的，应避免使用光亮剂。但是，如果必须使用光亮剂，使用双脉冲焊接技术来突破弱光亮剂，并确保与基底金属的良好焊接。材料硬度:焊接零件材料硬度变化也会导致焊接质量不一致。硬质零件材料应使用软质电极焊接，以使电极面紧靠零件表面。材料几何形状:焊接零件尺寸控制对于焊接一致性至关重要。零件厚度尤其重要。如果厚度增加，由于焊接热量减少和工件散热特性增加，会出现弱焊接。如果厚度减小，零件可能会爆裂，因为热量过大。厚度和所需焊接电流之间的关系不是线性的，因为零件的热特性是零件体积的函数。通常，凸焊可以用于聚焦焊接电流和热量的平衡。在凸焊中，零件之间的凸点直径和高度必须一致。由于焊接电流密度增加，过于尖锐的凸点会导致过度加热和爆裂。过于平坦的凸点分散了焊接电流，导致焊接不牢固。—5—我的电阻焊设计经历反思很多年以前，我曾经用过电阻焊，把二极管焊接到黄铜端子上，花了无数时间去做设计优化以及现场调试才成功。现在回想起来，之所以花了无数时间，有四个教训：1）没有主动去学习电阻焊电阻焊是一个非常成熟的工艺，网络上有丰富的资料、甚至还有书籍等可供学习。但是当时仅仅依靠公司内部少量的电阻焊知识积累、以及供应商的专业度，如果当时主动去学习，那么一定会更早解决问题。以上是我收集整理的资料，已经分享在知识星球上。扩展阅读：最后10天，知识星球即将提价2）没有“向大佬学习”很多行业大佬使用电阻焊多年，已经积累了丰富的经验。例如有的汽车大佬公司已经有了相关的电阻焊设计和检验标准，国际标准化组织ISO有一系列关于电阻焊的标准。可惜当时根本上没有想过“向大佬学习”。3）把工作交给生产部门或者供应商产品设计工程师负责产品设计，生产部门或者供应商负责实现。很多时候，我们把宝压到供应商那里，认为供应商很专业，能够解决一切问题。不可否认，对于一些专业的供应商，他们有的时候确实很专业。但事实上，即使专业的供应商，他们的工程师也有资深和不资深之分。我见过太多的供应商，他们的水平都比不上我半专业人士。如果我们把所有的知识，都寄托在供应商之上，就会变得非常麻烦。4）并没有真正做到DFMA如果我们不去真正的学电阻焊，那么怎么去设计产品满足电阻焊的设计要求呢？这正是DFMA要求我们去做的：了解工艺、学习工艺，然后才能设计产品去满足工艺要求。----全文完---

作者简介：钟元，著有书籍《面向制造和装配的产品设计指南》和《面向成本的产品设计：降本设计之道》

只顾埋头画图、不抬头看路的工程师，和一边画图、一边思考的工程师，

注定是截然不同的职场命运。

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