螺柱焊機及其焊接工藝

所謂螺柱焊是指在金屬或類似金屬件的端面與另一金屬工件表面之間產生電弧，待接合面熔化時迅速施加壓力，完成焊接的一種方法。

螺柱焊接方法起源于1918年，由于這種焊接新技術具有快速、可靠、簡化工序、降低成本等一系列優點，因而引起了世界各國的普遍重視，經過不斷地改進和完善，特別是二次世界大戰后得到了迅速發展，現已廣泛應用到橋梁、高速公路、房屋建筑、造船、汽車、電站、電控柜等行業。 可焊接低碳鋼、不銹鋼、低合金鋼，銅、鋁及其合金材質的螺柱、焊釘、銷釘、栓釘等。據報道1），日本園柱頭焊釘（栓釘）的年焊接量為6000萬個，異型棒狀焊釘年焊接量為300萬個。可見螺柱焊接在日本鋼結構建筑中的應用規模。近年來我國經濟建設發展迅速，使用螺柱焊接的領域也越來越廣泛，因此有必要對螺柱焊接技術和焊接工藝進行深入研究，以便提高焊接質量，推廣普及這種焊接技術。 螺柱焊接技術發展到今天，已經成為西方發達國家的一種基本的熱加工方法，螺柱（焊釘）的焊接大約有80%以上是通過螺柱焊機完成的。而我國1986年才在成都試制成功第一臺螺柱焊機。至于螺柱焊接技術的應用，還是從上世紀的九十年代才逐步展開的，到現在也只有20來年的歷史，因此螺柱焊在我國還是一種剛剛興起的行業，不論焊接設備，還是焊接工藝都與國外有不少差距。分析這種差距，并逐步縮短這種差距，直至趕超世界水平則是我國螺柱焊接行業的神圣使命。

1.螺柱焊機的分類

螺柱焊機分為電弧螺柱焊機和電容放電螺柱焊機兩大類，前者以弧焊整流器作為電源進行焊接，后者則以電容器貯存的能量瞬間放電而進行焊接。兩種焊接方式的特點及應用情況見表d mm 焊接電流25 300～ 1/4d但不能小于16 300～ 1/8d但不能小于12 ≤1500 不保護或氣體保護0.6mm

拉弧式電容放電螺柱焊 ＜10 ≤3000（峰值） 不保護0.5mm

注：最低板厚是指避免燒穿的厚度。

1.1 電弧螺柱焊機

電弧螺柱焊機是由焊接電源、控制器、焊槍、地線鉗、焊接電纜等部分組成。但大多數焊接設備的焊接電源都與控制器合并為一體，稱為主機。比較先進的控制方式是使用微處理器，以便精確設置和適時控制焊接過程中的焊接電流、焊接時間等參數。焊接電源一般為晶閘管控制的或逆變式的弧焊整流器。逆變式的弧焊整流器體積小、重量輕、動特性好，無疑是焊機的首選，但受大功率器件的限制，所以目前大容量的焊機還是以晶閘管控制的弧焊整流器為主。但不論那種結構的焊接電源，其安全要求都應符合50A）和較高的空載電壓（100V）。以確保100V.只有這樣才能滿足提升高度較大時的需求。

c、要有較高的負載電壓。按弧焊電源下降特性的定義，當焊接電流44V不變。在施工現場使用的焊機，其焊接電纜較長，有的長達ISO14555規定配制焊接電纜的截面積，情況就會更加嚴重，甚至無法焊接。這就是為什么不同廠家制造的同一電流等級的焊機，其焊接螺柱的最大直徑有較大差異的主要原因之一。

d、焊接電流要有陡升的前沿。螺柱焊接的最大特點是瞬間大電流，因此要求焊接電源在接通后的“飛濺γ＝H級耐熱等級與GB11021規定：B級耐熱等級的最高溫度分別為B級允許的溫度約高B級改為0.006Ω，按37.5kw，再加上主變壓器初級增加的功耗，則是相當可觀的。焊接電源主電路的功耗增加，勢必減小輸出的焊接功率，使焊接能力下降，這便是體積、重量的減小付出的代價。也就是說，焊接同一直徑的螺柱，B級絕緣的焊機需要更高的功率才能達到同一效果，效率明顯下降。國產B級絕緣，能焊接H級絕緣的電弧螺柱焊機無法達到的。

f、供電的電源柜（箱）應有足夠的容量，電弧螺柱焊機的負載持續率很低，一般都小于300kw，這就要求供電的電源柜（箱）應有足夠的容量，以滿足螺柱焊接的要求。如果供電電源的容量小，在焊接時，電源電壓的降低達到其額定值的8個60個3～1.引弧梢式電容放電螺柱焊的特點是欲焊螺柱的端面有一引弧尖梢，它又分為接觸式和間隙式兩種。接觸式螺柱焊的焊接時間1ms.采用間隙式電容放電螺柱焊，即使焊接鋁及其合金也可以不用氣體保護。電容放電螺柱焊的焊接時間都是不可調節的。

電容放電螺柱焊的焊接能量依賴于電容器的電容量和充電電壓，可按下式進行計算：

W= CU2 （J；

C—電容器組的總電容量， F；

U—充電電壓，

·電容放電螺柱焊機都應設有限流保護裝置或恒流充電裝置以及自動放電裝置，以保護人身和設備的安全。

電容放電螺柱焊的焊接電流的峰值約為10000A，這依賴于電容器的電容量、充電電壓和焊接回路的電感和電阻。從安全方面考慮，充電電壓一般不超過“直流正接“直流反接300～d時，可以用下式估算焊接電流I（=80×d（ d≤16mm （=90×d（ d＞3）

對于合金鋼，其焊接電流大約比上式計算值少600～20～tw（=0.02×d（ d≤12mm （=0.04×d（ d ＞5）

對于橫焊（工件焊接平面垂直于地平面），其焊接時間應該減小。短周期焊接時間小于1.5～1～d≤14mm時，大約為d ＞100mm/s.焊槍一般都帶有可調節的阻尼裝置，以滿足上述要求。螺柱焊接時，金屬的熔化量正比于伸出長度和螺柱的直徑，因此大直徑螺柱焊接時，因金屬熔化量多，應該調低螺柱的插入速度，以減小這種噴濺。

焊接電流、 焊接時間、提升高度和伸出長度是電弧螺柱焊的四個主要焊接工藝參數，應根據螺柱的直徑，工件的材質進行設定。對于同一螺柱直徑的焊接，使用不同廠家制造的焊接設備，其焊接工藝參數也不盡相同，因此應進行多次試焊，并對焊縫的外觀和成型、螺柱焊后高度和力學性能（拉伸、錘擊、彎曲、扭力等）評定后，才能選定一組最佳的工藝參數進行焊接。

3.電弧的磁偏吹由于鋼結構的不對稱性和接地鉗固定點不合理等諸多因素，造成螺柱焊接處附近的磁場分布不均勻，使電弧四周受到的電磁力不平衡，因而產生電弧的磁偏吹現象，致使螺柱四周的焊縫不對稱，這在大直徑螺柱焊或穿透焊時，由于提升高度較大，因而更容易出現。焊后檢查如發現焊縫四周不均勻，或某邊根本沒有焊肉，或某邊焊縫有大量氣孔，則應懷疑是磁偏吹造成的，解決的辦法有：1a1. b、 試著改變接地鉗的位置，如圖1C1、圖—混凝土組合樓蓋板結構“鋼”建筑中的應用是越來越廣泛。所謂栓釘穿透焊是指栓釘（焊釘）通過”焊接在工件（鋼梁）上，并與鍍鋅板熔為一體。栓釘如何通過鍍鋅板？有兩種方法：① 先在鍍鋅板的焊接部位打（沖）孔，然后再將栓釘焊接在工件上。這種方法的優點是焊接質量容易得到保證，缺點是比較費工費時。國外使用這種方法的較多。

② 用電弧將鍍鋅板燒穿，而后將栓釘焊接在工件上。這種方法的優點是鍍鋅板穿孔和栓釘焊接一氣呵成，簡單省時，但有一系列技術問題急待解決，否則其焊接質量很難保證。這些技術問題有：1mm，但施工中這一要求很難保證。大的間隙固然可以用機械夾緊的辦法予以減小，但實施起來并不容易。成都斯達特焊接工程部根據多年的施工經驗，按照上述原則而制訂的焊接工藝，有效地解決了這一難題，成功地應用到”近φ19×150（mm栓釘的穿透焊接（圖4000℃，使鍍鋅板上的鋅迅速汽化和氧化，在焊縫中產生大量的氣孔；鋅在焊縫中產生的低熔點共晶體可形成熱裂紋，這些缺陷都嚴重影響焊接質量。雖然焊接結束時，通過栓釘的擠壓將這些有害物質排出，但要做到完全排凈也決非易事。建議在栓釘穿透焊時適當增加栓釘的插入速度，甚至不用焊槍的阻尼裝置（視具體情況而定），對排除這些有害物質，提高焊縫的質量是非常有效的。

D、鑒于上述情況，栓釘穿透焊時應選用壁厚和排氣孔均已加大的”，以防因熱沖擊而破碎和排氣不暢。

E、栓釘穿透焊的焊接質量的好壞，除了焊接工藝參數的合理設定和正確的操作外，還與組合樓蓋板的施工質量有很大的關系，如上述已提到的鍍鋅板與鋼梁之間的間隙以及兩者之間是否有夾渣和鋼梁上的涂層等。鋼梁上的涂層是防腐的需要，但對于穿透焊而言，盡量使用碳氮化鉛類防腐涂料，避免使用紅丹防腐涂料和紅丹鋅黃涂料，而且焊接部位的涂層不應太厚。如果忽視螺柱焊接的這些特殊要求，”，硬要焊工在現場解決這些難題，保證焊接質量，是極不現實的。解決的唯一辦法是把螺柱焊接的這些特殊要求納入組合樓蓋板的設計和施工中去。栓釘穿透焊是個系統工程，只有設計、施工、焊接等諸方面的共同努力，才能獲得符合要求的高質量的焊接接頭。

5、我國螺柱焊接技術的現狀分析據不完全統計，我國目前螺柱焊機生產廠家只有幾家，但能生產系列產品的僅有一家。電容放電螺柱焊機有1250、2500、φ3～RSN1-630、1600、3150，可焊30mm螺柱（焊釘）。這些焊接設備基本上能滿足手工螺柱焊的市場需求。我國生產的電容放電螺柱焊機的技術性能和可靠性已與進口產品不相上下，有些指標甚至優于進口產品，例如電容充電時間已達到4s.所以有些用戶已由購置進口產品轉而使用國產焊機。但從總體上看，我國螺柱焊接技術與國外相比，仍有不少差距。

5.1 國產電弧螺柱焊機的額定最大焊接電流達φ30mm栓釘，居世界前列。這類焊機與進口產品相比，其焊接電源都是用晶閘管控制，并可連續調節焊接電流。從調節和穩流性能以及可靠性方面考核，差別不大。國內還有兩家是用電阻降壓的方法分檔調節焊接電流，屬于落后產品。在控制方面，進口產品都是用微機控制的，而國內則處于研發階段，還未正式上市。至于焊槍，進口產品壽命較長，設有阻尼裝置。另外，進口產品都采用3倍。

5.2 自動螺柱焊接設備主要應用在汽車行業。汽車上的螺柱焊接有以下要求：M3～b、要可靠焊接在厚1mm的鍍鋅（25μm）鋼板上；d、主機應有多路輸出接口，以便配備送料機和焊槍，以實現在不同工位焊接不同直徑的螺柱。短周期電弧螺柱焊和拉弧式電容放電螺柱焊能滿足上述要求，因而在汽車行業得到了廣泛應用。前者螺柱焊接的強度要高于后者。在國內，目前自動螺柱焊接設備多處于開發階段，已成功應用到汽車焊接生產線上的并不多，所以自動螺柱焊接設備的國內市場，基本上由進口產品壟斷。

5.3 我國螺柱焊接技術與國外的差距還表現在焊接工藝的研究方面，當前最急需開展”的工藝研究。這幾項焊接工藝，不僅關系到栓釘的焊接合格率，而且還涉及到螺柱焊接能否在更大范圍內推廣應用。成都斯達特焊接研究所對栓釘穿透焊做了些研究工作，并正進行栓釘的橫焊研究。一般認為，能夠橫焊和仰焊的栓釘直徑應φ≥19mm的栓釘橫焊。因此大直徑栓釘的橫焊工藝研究具有重要的現實意義。

5.4 要在國內推廣普及螺柱焊接技術，除了焊接設備和焊接工藝外，還應制訂相應的標準和生產配套的螺柱、焊釘和瓷環。當前最急需將ISO14555轉化為我國標準，并盡快制訂”標準，以便統一螺柱焊接工藝、質量檢驗和工程驗收。

6 螺柱焊接技術的發展趨勢螺柱焊接技術的今后發展趨勢主要是擴大應用范圍、提高螺柱焊接自動化水平和焊接設備的更新換代。其中硬件的發展是關鍵，即將晶閘管控制的焊接電源升級為逆變式焊接電源。目前逆變使用的開關元件有快速晶閘管和kHZ，但輸出功率較大；后者頻率較高，十幾IGBT應該是發展方向。目前已投入使用的逆變式螺柱焊接電源的輸出電流約φ12mm的螺柱，主要應用在汽車行業。

至于焊槍的發展方向，則是電子控制。目前國內外焊槍大多是通過彈簧的伸縮來控制螺柱的升降，其可控性是相當有限的。如果采用步進電機或伺服電機控制，就可按工藝要求精確地控制螺柱的運動，焊接質量更能得到保證。特別是橋梁維修所需的大直徑超長的異型棒狀焊釘的平焊、橫焊和仰焊，則非使用這種先進的焊槍不可。事實上，有些國家已研制成功這種焊槍，并已應用到焊接工程上。

用微機控制的逆變式螺柱焊接設備，不僅能精確設置和記錄、貯存焊接參數，而且還能在焊接過程中適時檢測、顯示，并自動調整焊接參數，以保證焊接質量，重現性極好。相信再過若干年，2500A的這種焊接設備的重量將由現在的幾百公斤大幅度下降，焊機的搬動將更加方便。