穿壁焊原理与工艺探讨
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作者: 张磊
【摘要】随着穿壁焊应用程度的不断加深，研究其原理与工艺凸显出重要意义。本文首先对象内容作了概述，分析了穿壁焊焊点的形成机理。在探讨电流对焊接质量影响及对策的基础上，提出了铅酸蓄电池应用中的质量问题及解决措施。
【关键词】穿壁焊；原理；工艺
一、前言
作为一项重要的焊接技术，穿壁焊在近期得到了有关方面的高度重视。该项课题的研究，将会更好地提升穿壁焊的实际应用水平，从而有效优化该项工作的整体效果。本文从概述穿壁焊的相关内容着手本课题的研究。
二、概述
在我国，起动用铅蓄电池单体电池间采用穿壁焊接技术始于七十年代初期，但在相当长的一段时间里并没有得到普及，这是因为对该项技术的原理认识还不清，缺少可靠的质量控制手段及有效的质量检测方法。最近两、三年，基本上所采启动用铅酸电池生产厂商用的工艺方法几乎全部是穿壁焊，这才使穿壁焊技术得到推厂。说明这项新技术具有很大的使用价值。尽管如此，研究这项技术的资料还是极少的。
所谓穿壁焊，它的工艺是这样的：将一对偏极柱置于两电极之问，在压力的作用下使电流通过对接处，利用偏极柱电阻及其接触电阻产生的热量而造成局部的熔化（或达塑性状态）；断电后，在压力继续作用下形成永久性的牢固接头。概括起来，这种工艺过程具有如下两个明显的特点：采用内部热源-一利用电流通过焊接区的电阻产生的热量进行加热；必须施加压力，在通电加热、冷却以致形成接头的整个过程中，都存在着压力作用。
因此，穿壁焊实质是电阻焊，更确切地说它属于对接电阻焊。这种焊接方式同其它焊接一样（如气焊、电弧焊）要想获得一个牢固的永久性的焊接接头，两个偏极柱间必须有足够量的共同结晶，电阻焊正是利用本身的电阻热及大量的塑性变形能量形成结合面的共同晶粒得到对接接头。由此可见，穿壁焊较其它连接方式在工艺上有以下优点：
1.由于采用内部热源，热量集中，加热时问短促，因此，它的冶金过程简单，热影响区小，易于获得质量较好的焊接接头，且节约能源。
2.可提高机械化、自动化程度和劳动生产率。
3.穿壁焊不但表面质量好，由于塑性变形的作用，易于保证气密性。
4.穿壁焊蓄电池内阻小，能够提供瞬间大电流，电池内部发热量小。
穿壁焊工艺也存在一些缺点：如尚无简单而又可靠的无损检验方法。另一方面，由于接头加热是利用内部热源焦耳热，凡影响电阻大小、电流波动的因素都会影响热量波动，以致造成焊接质量不佳。为了更好地控制偏极柱的焊接质虽，有必要了解一下穿壁焊的工艺原理、接头的形成过程以及缺陷形成的主要原因。
三、穿壁焊焊点的形成机理
焊钳加压使偏极耳透过槽壁的孔相接触，通过电流产生热量.使铅熔化。由于在两偏极耳接触处面积最小.电流密度最大，故该处温度最高，先形成塑性环，再形成一个熔化核心，在熔化核心周围的铅接着也被加热到塑性状态，在电极压力的作用下，也发生焊接，形成了紧密包围着熔化核心的塑性铅环。随着时间的推移焊核和塑性铅环扩大，充满槽壁的焊孔，最后原表面形成的氧化铅在液态中重新分布，断电后，由于金属铅具有热胀冷缩的特点，加之焊核外面铅首先冷却，限制了核心的收缩.在核心中便容易形成缩孔和裂缝，放必须维持一定的压力时问，使其有足够的时阃冷凝结晶，形成具有一定强度的永久性焊接点在通电时，偏极耳与焊头接触处面积也较小.电流密度较大，可是由于铜电极和焊头是一种良好的热导体，且电极中有水冷却，所以此处温度不会升高在生产中，由于水垢等因素导致电极传热效果不好，焊头发热，使得偏极耳压坑周围易起毛刺，严重时接触处出现溅铅。
一般穿壁焊机的工作过程为：电池焊点和焊头先沿电池移动方向定位，焊头下降，焊头与槽壁的焊孔进行同心定位。焊头下降时间一般在机器制造过程中已给定。焊钳加压，压力大小、加压时问由操作员设定。通电焊接，电流大小、通电时间依据现场确定。维持冷却，这段时间由操作者自己确定，先进的穿壁焊机此阶段有一检测电流通过焊点，用来检测焊点是否完好。解除压力，打开焊钳，焊钳升起。这段时间由设备给定。
从上面的形成机理和工作过程可知：在电池槽和偏极耳确定、设备性能完成、焊头中心正对的条件下，影响焊接质量（即可调节的因素）有焊头材料、形状尺寸、焊钳闭合时两焊头之间的距离、加压的压力大小、压力点大小、预压时间、通电电流大小、通电时间、维持时间等。
四、电流对焊接质量的影响分析及对策
众所周知，焊接电流对焊接质量的影响尤为显著。电流过大容易击铅，电流过小容易假焊，应从以下两方面进行控制。
1.为穿壁焊机配备稳压电源系统
目前，我国电力系统的供电电压范围是380±10%，而且在用电高峰或低谷，电压范围会产生巨大波动，对设备的电压也会造成影响，这也就造成了穿壁焊设备的输出电流会随着电压的波动而变化，造成焊接质量的不稳定。所以一定要在设备前端接入稳压电源系统，从而确保焊接电流的稳定性。
2.选用导电可靠的软连接
从理论上讲，穿壁焊机上的变压器与焊钳的距离越小，焊接电流越不容易发生变化。但如果将变压器部分完全设计在焊钳上部，会造成焊接部分过于臃肿，对设备的外观设计、运行动作及后续的人员调试工作都造成很大的不方便。因此，为求美观和后续维修方便，目前设备制造厂家普遍将变压器安装在机架上，然后通过压在一起的铜编织带与焊钳连接。经过近年来该文研究者在维修设备时发现，由于我国现有的制造技术原因，铜编织带与外部包裹的紫铜板之间一般很难做到结合得非常致密，设备在使用一段时间后，铜编织带中间会有氧化现象，因而造成电流不稳定。在连续生产时，如果发生击铅或冷焊交替产生的现象，最大的原因就是导电带有问题。在实践中通过对比试验发现，高压变压器上常用的铜伸缩节为多层紫铜箔压焊或钎焊而成，其材料致密性好，其内部不会发生氧化现象。而一旦表面氧化，肉眼也可见，能够及时修理。该文研究者对公司一台穿壁焊机设备上的铜编织带用铜伸缩节进行了改造替代试验，导电效果良好。随后，该公司已将所有穿壁焊机上的铜编织带全部更换为铜伸缩节，有效提高了焊接可靠性。 五、铅酸蓄电池应用中的质量问题及解决措施
免维护铅酸蓄电池不同于开口式铅酸蓄电池，对电池的密封性及质量有着更严格的要求。经过几年的技术积累，对穿壁焊技术有了较为深入的了解，现将有关穿壁焊的主要质量问题汇总如下。
1.喷铅
出现喷铅的主要原因是焊接热量过大，这主要有以下原因：焊接时间过长或焊接能量过大；两偏极柱位置没有对正；偏极柱设计过小，而焊接面过大；焊头顶住汇流排；偏极柱与槽壁间隙距离过大；电极焊头过热。
从喷铅的角度来看，可分为：向上、两侧及向下喷铅。对于向上及两侧喷铅，操作员工可以通过目测来发现，但向下喷铅是很难进行检验的。为此某公司专门制作了相关设备，通过与电脑连接的窥视镜来检查是否存在喷铅现象。
2.单格串气
单格串气主要是指在测量气密性时发现电池内部串气，这主要有以下原因：液压系统压力偏小，造成进槽孔的铅量不够多；焊头之间的距离过大；有明显的虚假焊现象；焊头过小，与孔位不匹配。
采用气压系统的穿壁焊机出现此类问题较多，主要是生产过程中气压波动明显而造成压力不稳。如何来防止此类问题的发生？可通过对穿壁焊热封结束的电池进行首样检测，若正常则进行正常生产，同时在生产过程中定时进行抽检，确保铅酸电池产品品质。此外，对串气严重的电池与不串气的电池进行了比较，发现串气电池明显影响内化成效果，相比正常电池，10小时率容量低10～15rain，而且下线后的开路电压明显偏低。
3.白筋
白筋是指穿壁焊过程中由于电极挤压偏极柱，铅基合金充满槽孔，使得电池槽产生应力变形。这主要有以下原因：孔位太高；液压系统压力过大。
对于圆孔结构的穿壁焊，孔上部距离电池槽上部9mm以下容易产生白筋。文中认为细微的白筋不会对铅酸蓄电池的品质造成影响，但严重时甚至开裂则是不允许的。应力变形是不可避免的，但可以减少应力变形，消除白筋。通过改变焊头结构，如将圆孔改为长腰孔及降低孔位等方法都可以消除白筋。
4.虚焊和假焊
虚焊与假焊的出现主要是因为焊接热量不足，使被焊件熔化或部分熔化。这主要有以下原因：焊接时间不够，或焊接能量偏小；偏极柱存放时间过长；焊头没有与槽孔处于同心圆位置。
偏极柱存放时间过长，表面产生氧化层，容易造成焊接不牢。一般要求偏极柱存放时间不能超过3d，最好采用铸焊极群。为了更好地保证穿壁焊的质量，现在有专门检测虚假焊的设备，通过大电流检测接触电压，观察焊点之间的电压值来判定穿壁焊接的质量。
六、结束语
通过对穿壁焊原理与工艺的相关研究，我们可以发现，穿壁焊的多项优势特点决定了其在实际应用中的地位，有关人员应该从其应用的客观实际需求出发，充分利用优势因素，研究制定最为符合实际的工艺技术实施方案。
参考文献：
[1]张宏友.液压与气动技术[M].大连：大连理工大学出版社.2013.
[2]杨振华.穿壁焊原理与工艺探讨[J].蓄电池.2010（04）：28-30.
[3]王邦.穿壁焊的实际应用策略探究[J].焊接技术.2010（03）：88-89.
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