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

1、螺柱焊機及其焊接技術、人 前言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(chǎn)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(yōu)點，因而引起了世界各國的普遍重視， 經(jīng)過不斷地改進和完善，特別是二次世界大戰(zhàn)后得到了迅速發(fā)展， 現(xiàn)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(yè)?？珊附拥吞间摗⒉讳P鋼、低合金鋼，銅、鋁及其合金材質的螺柱、焊釘、銷釘、栓釘?shù)?。近年來我國?jīng)濟建設發(fā)展迅速，使用螺柱焊接的領域也越來越廣泛，螺柱焊接技術發(fā)展到今天，已成為一種基本的熱

2、加工方法，螺柱（焊釘）的焊接大約有90%以上是通過螺柱焊機完成的。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1。表 1 電弧螺柱焊和電容放電螺柱焊的特點：焊接方式焊接時間tw(m§可焊螺柱直徑 d (mm焊接電流I(A)保護方式最低板厚電弧螺柱焊>1003253003000瓷環(huán)保護1/4d但不能小于1mm氣體保護>1003163003000氣體1可/8d但不能小二 1mm短周期 焊接<100312<1500不保護或 氣體保護

3、1/8d但不能小二 0.6mm拉弧式 電容放 電螺柱 焊<10310<3000不保護1可/10d但不能小二 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(shù)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(shù)。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。

4、但不論那種結構的 焊接電源，具安全要求都應符合ISO14555的規(guī)定。用于螺柱焊的直 流焊接電源應具有以下特點：a、焊接電源應具有下降的靜外特性。只有這樣才能維持電弧的穩(wěn)定性，保證焊接質量b、焊接電源應有引弧電流（4050A）和較高的空載電壓（70 100VO。以確保100%的引弧成功率，對于大直徑的螺柱焊接，具空 載電壓甚至超過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A 600A時，其負載電壓應保持44V不變。在施工現(xiàn)場使用的 焊機，其焊接電纜較長，有的長達 50ml電壓降很大。如果不增加負 載電壓加以補償，就勢必會降低其

5、焊接能力，若不按照ISO14555規(guī)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 32ms之內(nèi)，焊接電流應達到其峰值。對于短周期螺柱焊而言，其焊接電流的上升時間應該更短，否則就有可能出現(xiàn)焊接時間已到，但焊接電流還沒有達到其峰值的現(xiàn)象。 設定的焊接電流與螺柱焊接所得到的能量不成比例，則很難保證其焊接質量。提高焊接電流上升速度的唯一辦法是減小電抗器的電感量。普通弧焊整流器之所以要加大電抗器，除了濾波之外還要

6、限制短路電流的上升速度和短路電流的峰值，以降低引弧時的沖擊電流，減小飛濺和弧坑，并避免燒穿工件。螺柱焊則不同，是按照已設定的引弧、螺柱提升、接通主電源等邏輯順序進行的。也就是說，在螺柱與工件有一定間隙的情況下才接通焊接主電源的，因而避免了引弧時的飛濺。 其實螺柱焊的最大“飛濺”是發(fā)生在螺柱壓入熔池時， 瞬間發(fā)生 的噴濺物。通過試驗已經(jīng)證明：三相全波硅整流電源（紋波系數(shù) 丫 = 0.042），即使沒有濾波電抗器，照樣可以進行螺柱焊接。螺柱焊用的由晶閘管控制的焊接電源的電抗器只是濾波而已，因此可以大大減小，至于減少多少？要視電源的主電路結構和電流調節(jié)范圍而定。e 、電源要有較小的內(nèi)阻抗。焊接電源的

7、主電路的電氣絕緣，采用H級耐熱等級與B級相比，具有體積小重量輕的優(yōu)點，倍受人們 的推崇。但深入分析后發(fā)現(xiàn)，也并非完美無缺。ISO14555規(guī)定：H、 B級耐熱等級的最高溫度分別為 180c和130c , H級比B級允許的溫 度約高40。也就是說，在主電路設計時，其線圈的電流密度可以大幅度提高，以減小導線的截面積。隨之而來的是導線的電阻，也即電路的阻抗增加。這對于大電流焊接的螺柱焊機而言，則是致命的缺點。假如焊接電源主電路的絕緣由 B級改為H級，次級回路所有導線 截面積的減小而導致總電阻的增加那怕只有 0.006 Q。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

8、、重量的減小付出的代價。也就是說，焊接同一直徑的螺柱，H級比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。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(xù)率很低，一般都小于15，消耗的平均功率較低，但瞬間功率卻很大，大直徑螺柱焊接時，瞬間功率甚至超過 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15以下，超過了晶閘管的調壓穩(wěn)流的范圍，就很難保證焊接質量，有些焊機甚至按照已設定的電源電壓限值強迫停機。架設專線，提高電源柜（箱）的容量或錯開用電高峰是解決問題的好辦法1.2 電容

9、放電螺柱焊機電容放電螺柱焊的特點是時間短，熱變形小，很適合薄板的螺柱焊接，在造船、汽車、電控柜、櫥柜等行業(yè)應用很廣。電容放電螺柱焊不用氣體保護，操作也比較簡單。螺柱焊接的生產(chǎn)率依賴于電容器的充電速度，可以達到8個 /分鐘（手工焊），60個 /分鐘（自動焊）。電容放電螺柱焊有拉弧式和引弧梢式兩種。拉弧式電容放電螺柱焊類似于拉弧式短周期電弧螺柱焊，其焊接時間約310ms見表 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w 3ms 而間隙式螺柱焊的焊接時間大約1m$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

10、放電螺柱焊的焊接時間都是不可調節(jié)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（ 1）式中：WF焊機的額定儲存能量，J;5電容器組的總電容量，F(xiàn);U-充電電壓，V。電容放電螺柱焊的焊接電流的峰值約為1000 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200V。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1.3 焊接極性一般地講，焊接黑色金屬時，應采用“直流正接”，即螺柱（焊槍）接焊接電源的負極，工件接正極，這樣可以增加熔深。因為焊接時，陽極的溫

11、度高于陰極的溫度。若焊接銅、鋁及其合金時，則應“直流反接”， 即螺柱接正極，工件接負極。這樣可以利用正離子的轟擊霧化作用，清除工件表面的氧化層，提高焊接質量。使用電弧螺柱焊機或電容放電螺柱焊機焊接時，其極性都應如此。2. 電弧螺柱焊的焊接工藝參數(shù)電弧螺柱焊的焊接工藝參數(shù)有焊接電流、焊接電壓、焊接時間、提升高度、伸出長度、插入速度等。a、焊接電流主要根據(jù)螺柱的直徑進行調節(jié)，大約為3003000A對于非合金鋼，在已知螺柱直徑 d時，可以用下式估算焊接電流2）：I (A) =80xd (mm dw 16mm (2)I (A) =90xd ( mim d >16mm (3)對于合金鋼，其焊接電流

12、大約比上式計算值少10。短周期電弧螺柱焊的焊接電流(1501500Q與電源有關，是固定的，因此，焊接能量僅依賴于焊接時間。b、 電弧電壓與焊接電流的關系是由焊接電源的靜外特性決定的。電弧電壓主要取決于提升高度和焊接電流，具值一般為2040V。焊接時， 工件表面上的油或油脂會增加弧壓，而惰性氣體則會降低電弧電壓。c、對于平焊(工件焊接平面平行于地平面)，其焊接時間可用下式進行估算：tw (s) =0.02 xd (mim dw 12mm (4)tw (s) =0.04 xd (mim d >12mm (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100m

13、s這不僅依賴于螺柱直徑，而且還與電流強度有關。d、焊柱的提升高度正比于螺柱的直徑，大約為 1.57mm提升高度主要是為了防止熔滴過渡時造成短路而影響電弧的穩(wěn)定性及焊縫質量。維持電弧的穩(wěn)定，為焊接提供足夠的能量至關重要。因為弧柱的溫度遠比陽極或陰極的溫度要高。穿透焊接時，要加大提升高度，利用電弧的高溫迅速燒穿鍍鋅板，以獲得滿意的接頭。當然增加提升高度也有害處，一方面會增加電弧的長度，使之更易受磁場的影響，發(fā)生磁偏吹；另一方面也會增加焊縫的氣孔。e、螺柱的伸出長度正比于螺柱的直徑，一般為 18mm當使用瓷環(huán)對熔池進行保護時，也與要求的焊縫四周焊腳的形狀有關。當要求周邊的焊腳高而寬時，螺柱的伸出長度

14、應該增加，反之則可以減小。螺柱的伸出長度實際上是螺柱的熔化長度。此值若設計的過長， 在螺柱提升后螺柱端面與工件之間的距離過短，使之無法形成穩(wěn)定的電弧，造成大量的金屬飛濺并出現(xiàn)夾渣缺陷；反之若螺柱伸出長度過短，金屬熔化量不足，其焊縫成型肯定不良。f 、 螺柱插入熔池是采用擠壓的方式，在焊縫成型前的瞬間將熔化的有害物質擠出焊縫，以便形成良好的焊接接頭。但插入速度又不可太快，以防止形成大量的噴濺。螺柱的插入速度，當螺柱的直徑dw 14mm寸，大約為 200mm/§ 當 d > 14mm寸，為 100mm/$焊槍一般都帶有可調節(jié)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

15、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(shù)，應根據(jù)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(shù)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(shù)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(chǎn)生電弧的磁偏吹現(xiàn)象，致使螺柱四周

16、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(xiàn)。焊后檢查如發(fā)現(xiàn)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：a、 、 設置雙接地鉗，使焊點盡量在兩接地鉗的中央，如圖1a1。b、 試著改變接地鉗的位置，如圖1b1。c、 設置臨時的導磁板，以減少冗余物的影響，或去掉另一邊接地鉗，如圖1C1、圖1C2d、 將焊接電源的輸出電纜線饒焊接點一周。0J1qjL/叫忤” V接地用反的磁偏吹Qjh回“，平，網(wǎng)©aia按咫燈回小點舊歌小0 ri冗余物產(chǎn)小磁偏歐GI炳設的時導磁極的小也魯吹仃 雙檢地喳電揩地H小施偏味圖1防止磁

17、偏吹示意閱4.栓釘穿透焊栓釘穿透焊是“鋼一混凝土組合樓蓋板結構”施工中的一項新技術，而且在大型“鋼一混凝土結構”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“鍍鋅板”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: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(yōu)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。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(yōu)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：A 、與非穿透焊相比，要燒穿鍍

18、鋅板就必須附加能量，因此應 適當增加焊接電流和焊接時間，否則就會出現(xiàn)未完全熔化的現(xiàn)象。但是如果焊接電流過大也會產(chǎn)生咬邊、夾渣等缺陷。 B 、 穿透鍍鋅板靠的是穩(wěn)定的電弧，因此要加大伸出長度和提升高度， 特別是鍍鋅板與工件之間的間隙較大時更應如此。鍍鋅板與工件之間的間隙按焊接工藝要求應小于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(jù)多年的施工經(jīng)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.C、鋅的熔點約為420C,汽化溫度為908C o在栓釘穿透焊時， 高溫電弧約為30004000C ,使鍍鋅板上的鋅迅速汽化和氧化，在 焊縫中產(chǎn)生大量的氣孔；鋅在焊縫中產(chǎn)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?shù)臄D 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?shù)牟迦胨俣?，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“栓釘穿透焊專用瓷環(huán)”，以防因熱沖擊而破碎和排氣