對焊擠壓方式改進(jìn)對穿壁焊質(zhì)量的影響分析

史俊雷，張祖波，張行祥，張興（湖北駱駝蓄電池研究院有限公司，湖北 襄陽 441000）

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對焊擠壓方式改進(jìn)對穿壁焊質(zhì)量的影響分析

史俊雷，張祖波，張行祥，張興
（湖北駱駝蓄電池研究院有限公司，湖北 襄陽 441000）

摘要：根據(jù)穿壁焊原理，改進(jìn)擠壓方式，使穿壁焊整個過程都有跟隨式壓力（恒定壓力）。通過內(nèi)阻測試、扭矩測試、界面觀察、金相觀察等，證明該方法可有效提高穿壁焊質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池；穿壁焊；擠壓方式；跟隨式壓力；對焊；濺鉛；凝固收縮

0 前言

隨著鉛酸蓄電池工業(yè)的發(fā)展, 單個極群組的連接也由過去的跨橋焊被現(xiàn)在的穿壁焊技術(shù)所取代，焊接質(zhì)量的好壞直接影響到電池的各項性能及使用壽命。在對焊過程中，通過外力控制對焊電極上的對焊點來使對焊鉛零件擠壓在一起，然后在此狀態(tài)下開始對焊、冷卻等過程，直至整個過程結(jié)束，所以控制對焊擠壓方式很重要，直接關(guān)系到穿壁焊時的對焊壓力、對焊點間距和冷卻效果等。本文通過對對焊擠壓方式的改進(jìn)，進(jìn)行對焊樣件生產(chǎn)，并通過不同測試方法驗證其對對焊質(zhì)量的影響。

1 對焊概述

通過施加壓力在電極上的對焊點，使對焊孔兩側(cè)的對焊件擠壓接觸，形成一定的接觸電阻，然后通入大電流，利用其產(chǎn)生的電阻熱將單格極群組焊接在一起的方法稱之為穿壁焊[1-2]。穿壁焊一般可分為預(yù)壓、對焊、冷卻等過程。預(yù)壓是為了保證在焊接過程中在沒通大電流前，使對焊點鉛零件之間的接觸電阻穩(wěn)定，穩(wěn)定后方可短時間內(nèi)通入大電流使對焊件熔化，并在冷卻的過程中凝固下來，此即簡單的對焊過程。

2 對焊原理

在對焊過程中，由于擠壓作用使對焊件從中心開始接觸，此處的接觸電阻最小，通過大電流時，接觸電阻最小的地方電流最大，產(chǎn)生的熱量最多，因此該處溫度最高，最先熔化形成熔化核心。在鉛的溫度逐漸升高直至熔化這一過程中，一方面鉛的電阻率逐漸增大，由常溫下的 20.65 μΩ?cm 升高到液態(tài)下的 94.6 μΩ?cm，另一方面鉛的密度由常溫下的 11.3 g/cm3下降到熔化呈液態(tài)時的 10.68 g/cm3，鉛液體積增大，在外部擠壓力的作用下向周圍填充擴(kuò)散，使外環(huán)的接觸電阻變小，因此電流逐漸向外環(huán)擴(kuò)散，直至槽孔內(nèi)的對焊件全部熔化。斷電后由于金屬鉛具有熱脹冷縮的特性，所以必須維持一定的冷卻時間和壓力，方可使其冷卻均勻無裂痕，且具有較好的強(qiáng)度。

3 現(xiàn)狀分析及改進(jìn)方案

對于目前市售的穿壁焊機(jī)，對焊擠壓方式一般有氣壓和液壓兩種。液壓系統(tǒng)具有傳動平穩(wěn)、壓力高的特點，正在逐漸取代氣壓系統(tǒng)成為行業(yè)主流對焊方式。

目前我公司主要的對焊設(shè)備也采用液壓對焊方式。這種方式在對焊過程中能保持較高的擠壓力，在生產(chǎn)中根據(jù)生產(chǎn)電池型號的不同，設(shè)定好合適的對焊點間距后，可以確保對焊點間距恒定不變。這種方式控制的核心為調(diào)整好對焊點間距，即對焊時兩個對焊點擠壓到距離最近時的位置。從對焊原理可知：由于鉛的體積隨溫度變化而不同，如果在對焊過程中保持對焊點間距一定，則可能會造成在對焊熔化過程中鉛液體積增大，導(dǎo)致壓力實際增加，甚至發(fā)生濺鉛現(xiàn)象；當(dāng)凝固時，由于外邊的鉛冷卻速度較快，先行凝固收縮成型，而焊核中心最后冷卻收縮就會產(chǎn)生氣泡。

本改進(jìn)方案是在氣壓系統(tǒng)中，通過在對焊氣缸的氣源上安裝高精度氣壓控制表，在生產(chǎn)中根據(jù)生產(chǎn)電池型號不同，設(shè)定好合適的對焊壓力（不固定對焊點間距，前期通過不斷調(diào)試氣壓來觀察對焊效果，直到摸索到合適的氣壓后將該參數(shù)固化，后續(xù)直接調(diào)取使用）。改進(jìn)后的這種控制對焊壓力的方式，可使對焊過程中的對焊壓力保持一定且恒定，使對焊壓力呈跟隨式，對焊點間距會隨著鉛（液態(tài)或固態(tài)）體積變化而變化，因此可以防止由于鉛液體積膨脹而發(fā)生濺鉛，或者由于凝固收縮導(dǎo)致出現(xiàn)裂痕和氣孔。

4 結(jié)果分析

調(diào)整工藝參數(shù)至最佳，對改進(jìn)前后生產(chǎn)的樣件通過內(nèi)阻檢測、扭矩測試、對焊截面觀察和金相觀察，來判斷改進(jìn)前后對焊質(zhì)量的變化。

4.1 對焊無損檢測

利用組裝生產(chǎn)線上的內(nèi)阻檢測儀（江蘇先特制造，型號 STM-32-B），通過頂針與對焊兩端匯流排接觸，通入 40 A 的電流，通過終端電壓大小來判斷對焊內(nèi)阻的大小。分別測量改進(jìn)前后各 10只電池，每個對焊位置上的 10 組測量數(shù)據(jù)取平均值，結(jié)果如表 1 所示。可以看出，改進(jìn)后內(nèi)阻降低不明顯，主要是因為檢測設(shè)備的頂針與匯流排接觸以及接觸位置均會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，設(shè)備誤差較大。

表 1　改進(jìn)前后內(nèi)阻檢測電壓統(tǒng)計

4.2 對焊扭矩測試

采用扭矩扳手（上海高致精密儀器公司制造，型號 GNBB-10），制作合適的工裝，通過測試對焊件扭斷時的扭矩來判斷對焊質(zhì)量的好壞。分別測量改進(jìn)前后各 10 只電池，每個對焊位置上的 10 組測量數(shù)據(jù)取平均值。結(jié)果如表 2 所示，改進(jìn)后的對焊扭矩得到提升，一致性也更好。

表 2　對焊扭矩測試數(shù)據(jù)對比

4.3 對焊截面觀察

分別觀察改進(jìn)前后各 10 只電池進(jìn)行扭力測試后扭斷的截面（圖 1），主要觀察截面斷痕、氣孔個數(shù)等。并統(tǒng)計每個對焊位置上的 10 組測量數(shù)據(jù)取平均值，結(jié)果如表 3 所示。氣孔數(shù)統(tǒng)計原則：直徑 ≤1 mm 氣孔記為 0.5 個；直徑在 1～2 mm 氣孔記為 1 個；直徑 2 mm 以上的記為 2 個。從以上看出，經(jīng)過改進(jìn)后，對焊截面氣孔數(shù)量大大減少，改善效果明顯。

4.4 對焊截面金相觀察

用金相預(yù)磨機(jī)、拋光機(jī)（上海金相機(jī)械設(shè)備有限公司制造，型號分別為 YM-1，PG-1）對截面進(jìn)行打磨、拋光，然后用腐蝕液（鹽酸與 30 % H2O2體積比 3∶1）腐蝕處理，最后用金相顯微鏡（上海巴拓儀器公司制造，型號為 BMM-550）對改進(jìn)前后晶核位置進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖 2 所示。圖 2 中改進(jìn)后對焊焊核晶粒明顯細(xì)化，結(jié)構(gòu)更為致密，在使用中抗腐蝕能力更強(qiáng)[3]，其中未腐蝕部分是 α-固熔體，腐蝕部分是 β-銻固熔體 (主要存在于晶界)[4-5]。

圖 1　截面斷痕改進(jìn)前后圖片示例

表 3　氣孔個數(shù)統(tǒng)計

圖 2　改進(jìn)前后截面拋光腐蝕金相圖

5 總結(jié)

通過以上分析可以看出，將現(xiàn)行對焊擠壓方式由恒對焊點間距改為恒對焊壓力后，對焊質(zhì)量有明顯改善，特別是對焊樣件中氣孔數(shù)量明顯減少，其他如金相結(jié)構(gòu)、扭矩等測試結(jié)果也有不同程度的提升。這是因為改進(jìn)后對焊過程中保持恒定對焊壓力，對焊點間距會隨著鉛體積的變化而變化，可以防止由于鉛液體積膨脹時壓力提高發(fā)生濺鉛，或者由于凝固時壓力過低導(dǎo)致焊核疏松甚至收縮時產(chǎn)生裂痕和氣孔。

對于目前行業(yè)來說，可以通過本改進(jìn)方法合理利用現(xiàn)有淘汰廢棄的氣壓設(shè)備，減少對焊由氣壓改為液壓系統(tǒng)設(shè)備的投資成本，達(dá)到廢物再利用的目的。同時在采用了高精度氣壓控制表時，可使氣壓穩(wěn)定（如果低于設(shè)定值時將會報警并停止工作），克服了之前氣壓系統(tǒng)的缺陷，如氣壓不穩(wěn)、壓力小等缺點。最重要的是可提高對焊質(zhì)量，降低廢品率。

動；而在 3430 cm-1與 1640 cm-1位置的吸收峰是由于 —OH 的伸縮振動造成的。仔細(xì)觀察可以看到，樣品 B′的吸收峰的強(qiáng)度明顯較其他兩個樣品的低，說明樣品 B′中含的硫酸根的濃度也較低。理論上講，經(jīng)過化成，負(fù)極鉛膏將大部分轉(zhuǎn)化為單質(zhì)鉛，也就是說，圖 8 說明，樣品 B′中有更多的氧化鉛轉(zhuǎn)化為了單質(zhì)鉛，所以呈現(xiàn)出較低的吸收峰，這樣電池 B 在放電時將有更多的單質(zhì)鉛可能轉(zhuǎn)化為硫酸鉛，顯示出較大的放電容量。

3 結(jié)論

本工作將 3 種不同腐植酸分別摻雜到工業(yè)負(fù)極鉛膏中，制備出了不同的電池。研究的結(jié)果表明，在 0.2C、0.5C、1C、1.25C 放電倍率下?lián)诫s腐植酸 b樣品的電池放電容量均為最高。之后，利用 SEM、XRD、FTIR 等技術(shù)對腐植酸及相應(yīng)負(fù)極板材料的微觀形貌、晶型以及所含官能團(tuán)進(jìn)行了分析。認(rèn)為摻雜腐植酸 b 樣品的負(fù)極板在化成后的顆粒較小，且分布均勻，以及腐植酸 b 樣品中含有更多的羥基等原因可能是使該電池具有較高容量的原因。

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Impact analysis of the infl uence of improvement of butt welding squeeze method on TTP welding quality in the production of lead-acid batteries

SHI Junlei, ZHANG Zubo, ZHANG Xingxiang, ZHANG Xing
(Hubei Camel Storage Battery Research Institute Co., Ltd., Xiangyang Hubei 441000, China )

Abstract:According to the principle of TTP (through the partition) welding, through the improvement of welding squeeze method, the constant pressure was kept throughout the welding process. The method was proved to improve the quality of TTP welding by the tests of internal resistance, torque, interface observation and metallographic observation.

Key words:lead-acid battery; TTP (through the partition) welding, squeeze method, following pressure, butt weld; lead splashing; solidifi cation shrinkage

收稿日期：2015-08-21

中圖分類號：TM 912.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1006-0847(2016)02-73-03