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(jī)及其焊接技術(shù)、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(shí)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(shù)具有快速、可靠、簡(jiǎn)化工序、降低成本等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而引起了世界各國的普遍重視， 經(jīng)過不斷地改進(jìn)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(yīng)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)。可焊接低碳鋼、不銹鋼、低合金鋼，銅、鋁及其合金材質(zhì)的螺柱、焊釘、銷釘、栓釘?shù)?。近年來我國?jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展迅速，使用螺柱焊接的領(lǐng)域也越來越廣泛，螺柱焊接技術(shù)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(jī)完成的。1. 螺柱焊機(jī)的分類螺柱焊機(jī)分為電弧螺柱焊機(jī)和電容放電螺柱焊機(jī)兩大類，前者以弧焊整流器作為電源進(jìn)行焊接，后者則以電容器貯存的能量瞬間放電而進(jìn)行焊接。兩種焊接方式的特點(diǎn)及應(yīng)用情況見表1。表 1 電弧螺柱焊和電容放電螺柱焊的特點(diǎn)：焊接方式焊接時(shí)間tw(m§可焊螺柱直徑 d (mm焊接電流I(A)保護(hù)方式最低板厚電弧螺柱焊>1003253003000瓷環(huán)保護(hù)1/4d但不能小于1mm氣體保護(hù)>1003163003000氣體1可/8d但不能小二 1mm短周期 焊接<100312<1500不保護(hù)或 氣體保護(hù)

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(hù)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(jī)電弧螺柱焊機(jī)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(shè)備的焊接電源都與控制器合并為一體，稱為主機(jī)。比較先進(jìn)的控制方式是使用微處理器，以便精確設(shè)置和適時(shí)控 制焊接過程中的焊接電流、焊接時(shí)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(dòng)特性好，無疑是焊機(jī)的首選，但受大功率器件的限制，所以目前大 容量的焊機(jī)還是以晶閘管控制的弧焊整流器為主。

4、但不論那種結(jié)構(gòu)的 焊接電源，具安全要求都應(yīng)符合ISO14555的規(guī)定。用于螺柱焊的直 流焊接電源應(yīng)具有以下特點(diǎn)：a、焊接電源應(yīng)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(zhì)量b、焊接電源應(yīng)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(duì)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(shí)的需求。c、要有較高的負(fù)載電壓。按弧焊電源下降特性的定義，當(dāng)焊 接電流A 600A時(shí)，其負(fù)載電壓應(yīng)保持44V不變。在施工現(xiàn)場(chǎng)使用的 焊機(jī)，其焊接電纜較長，有的長達(dá) 50ml電壓降很大。如果不增加負(fù) 載電壓加以補(bǔ)償，就勢(shì)必會(huì)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(huì)更加嚴(yán)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(jí)的焊機(jī)，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(diǎn)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(yīng)達(dá)到其峰值。對(duì)于短周期螺柱焊而言，其焊接電流的上升時(shí)間應(yīng)該更短，否則就有可能出現(xiàn)焊接時(shí)間已到，但焊接電流還沒有達(dá)到其峰值的現(xiàn)象。 設(shè)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(zhì)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(shí)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(shè)定的引弧、螺柱提升、接通主電源等邏輯順序進(jìn)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(shí)的飛濺。 其實(shí)螺柱焊的最大“飛濺”是發(fā)生在螺柱壓入熔池時(shí)， 瞬間發(fā)生 的噴濺物。通過試驗(yàn)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(jìn)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(jié)構(gòu)和電流調(diào)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(jí)耐熱等級(jí)與B級(jí)相比，具有體積小重量輕的優(yōu)點(diǎn)，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(jí)耐熱等級(jí)的最高溫度分別為 180c和130c , H級(jí)比B級(jí)允許的溫 度約高40。也就是說，在主電路設(shè)計(jì)時(shí)，其線圈的電流密度可以大幅度提高，以減小導(dǎo)線的截面積。隨之而來的是導(dǎo)線的電阻，也即電路的阻抗增加。這對(duì)于大電流焊接的螺柱焊機(jī)而言，則是致命的缺點(diǎn)。假如焊接電源主電路的絕緣由 B級(jí)改為H級(jí)，次級(jí)回路所有導(dǎo)線 截面積的減小而導(dǎo)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(shì)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(jià)。也就是說，焊接同一直徑的螺柱，H級(jí)比B級(jí)絕緣的焊機(jī)需要更高的功率才能達(dá)到同一效果， 效率明顯下 降。f 、供電的電源柜（箱）應(yīng)有足夠的容量，電弧螺柱焊機(jī)的負(fù)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(shí)，瞬間功率甚至超過 300kw這就要求供電的電源柜（箱）應(yīng)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(shí)，電源電壓的降低達(dá)到其額定值的15以下，超過了晶閘管的調(diào)壓穩(wěn)流的范圍，就很難保證焊接質(zhì)量，有些焊機(jī)甚至按照已設(shè)定的電源電壓限值強(qiáng)迫停機(jī)。架設(shè)專線，提高電源柜（箱）的容量或錯(cuò)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(jī)電容放電螺柱焊的特點(diǎn)是時(shí)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(yīng)用很廣。電容放電螺柱焊不用氣體保護(hù)，操作也比較簡(jiǎn)單。螺柱焊接的生產(chǎn)率依賴于電容器的充電速度，可以達(dá)到8個(gè) /分鐘（手工焊），60個(gè) /分鐘（自動(dòng)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(shí)間約310ms見表 1。引弧梢式電容放電螺柱焊的特點(diǎn)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(shí)間w 3ms 而間隙式螺柱焊的焊接時(shí)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(hù)。電容

10、放電螺柱焊的焊接時(shí)間都是不可調(diào)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(jìn)行計(jì)算：W= CU2（ 1）式中：WF焊機(jī)的額定儲(chǔ)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(jī)都應(yīng)設(shè)有限流保護(hù)裝置或恒流充電裝置以及自動(dòng)放電裝置，以保護(hù)人身和設(shè)備的安全1.3 焊接極性一般地講，焊接黑色金屬時(shí)，應(yīng)采用“直流正接”，即螺柱（焊槍）接焊接電源的負(fù)極，工件接正極，這樣可以增加熔深。因?yàn)楹附訒r(shí)，陽極的溫

11、度高于陰極的溫度。若焊接銅、鋁及其合金時(shí)，則應(yīng)“直流反接”， 即螺柱接正極，工件接負(fù)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(zhì)量。使用電弧螺柱焊機(jī)或電容放電螺柱焊機(jī)焊接時(shí)，其極性都應(yīng)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(shí)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(jìn)行調(diào)節(jié)，大約為3003000A對(duì)于非合金鋼，在已知螺柱直徑 d時(shí)，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(duì)于合金鋼，其焊接電流

12、大約比上式計(jì)算值少10。短周期電弧螺柱焊的焊接電流(1501500Q與電源有關(guān)，是固定的，因此，焊接能量僅依賴于焊接時(shí)間。b、 電弧電壓與焊接電流的關(guān)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(shí)， 工件表面上的油或油脂會(huì)增加弧壓，而惰性氣體則會(huì)降低電弧電壓。c、對(duì)于平焊(工件焊接平面平行于地平面)，其焊接時(shí)間可用下式進(jìn)行估算：tw (s) =0.02 xd (mim dw 12mm (4)tw (s) =0.04 xd (mim d >12mm (5)對(duì)于橫焊(工件焊接平面垂直于地平面)，其焊接時(shí)間應(yīng)該減小。短周期焊接時(shí)間小于100m

13、s這不僅依賴于螺柱直徑，而且還與電流強(qiáng)度有關(guān)。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(shí)造成短路而影響電弧的穩(wěn)定性及焊縫質(zhì)量。維持電弧的穩(wěn)定，為焊接提供足夠的能量至關(guān)重要。因?yàn)榛≈臏囟冗h(yuǎn)比陽極或陰極的溫度要高。穿透焊接時(shí)，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(dāng)然增加提升高度也有害處，一方面會(huì)增加電弧的長度，使之更易受磁場(chǎng)的影響，發(fā)生磁偏吹；另一方面也會(huì)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(dāng)使用瓷環(huán)對(duì)熔池進(jìn)行保護(hù)時(shí)，也與要求的焊縫四周焊腳的形狀有關(guān)。當(dāng)要求周邊的焊腳高而寬時(shí)，螺柱的伸出長度

14、應(yīng)該增加，反之則可以減小。螺柱的伸出長度實(shí)際上是螺柱的熔化長度。此值若設(shè)計(jì)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(zhì)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(dāng)螺柱的直徑dw 14mm寸，大約為 200mm/§ 當(dāng) d > 14mm寸，為 100mm/$焊槍一般都帶有可調(diào)節(jié)的阻尼裝置，以滿足上述要求。螺柱焊接時(shí)，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(shí)，因金屬熔化量多，應(yīng)該調(diào)低螺柱的插入速度，以減小這種噴濺。焊接電流、焊接時(shí)間、提升高度和伸出長度是電弧螺柱焊的四個(gè)主要焊接工藝參數(shù)，應(yīng)根據(jù)螺柱的直徑，工件的材質(zhì)進(jìn)行設(shè)定。對(duì)于同一螺柱直徑的焊接，使用不同廠家制造的焊接設(shè)備，其焊接工藝參數(shù)也不盡相同，因此應(yīng)進(jìn)行多次試焊，并對(duì)焊縫的外觀和成型、螺柱焊后高度和力學(xué)性能（拉伸、錘擊、彎曲、扭力等）評(píng)定后，才能選定一組最佳的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。3. 電弧的磁偏吹由于鋼結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性和接地鉗固定點(diǎn)不合理等諸多因素，造成螺柱焊接處附近的磁場(chǎng)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(duì)稱，這在大直徑螺柱焊或穿透焊時(shí)，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(yīng)懷疑是磁偏吹造成的，解決的辦法有：a、 、 設(shè)置雙接地鉗，使焊點(diǎn)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(shè)置臨時(shí)的導(dǎo)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(diǎn)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(diǎn)舊歌小0 ri冗余物產(chǎn)小磁偏歐GI炳設(shè)的時(shí)導(dǎo)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(jié)構(gòu)”施工中的一項(xiàng)新技術(shù)，而且在大型“鋼一混凝土結(jié)構(gòu)”建筑中的應(yīng)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(diǎn)是焊接質(zhì)量容易得到保證，缺點(diǎn)是比較費(fèi)工 費(fèi)時(shí)。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(diǎn)是鍍鋅板穿孔和栓釘焊接一氣呵成，簡(jiǎn)單省時(shí)，但有一系列技術(shù)問題急待解決，否則其焊接質(zhì)量很難保證。這些技術(shù)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(yīng) 適當(dāng)增加焊接電流和焊接時(shí)間，否則就會(huì)出現(xiàn)未完全熔化的現(xiàn)象。但是如果焊接電流過大也會(huì)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(shí)更應(yīng)如此。鍍鋅板與工件之間的間隙按焊接工藝要求應(yīng)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(jī)械夾緊的辦法予以減小，但實(shí)施起來并不容易。 成都斯達(dá)特焊接工程部根據(jù)多年的施工經(jīng)驗(yàn)，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(diǎn)約為420C,汽化溫度為908C o在栓釘穿透焊時(shí)， 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(diǎn)共晶體可形成熱裂紋，這些缺陷都嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。雖然焊接結(jié)束時(shí)，通過栓釘?shù)臄D 壓將這些有害物質(zhì)排出，但要做到完全排凈也決非易事。建議在栓釘穿透焊時(shí)適當(dāng)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(duì)排除這些有害物質(zhì)，提高焊縫的質(zhì)量是非常有效的。D 、 鑒于上述情況，栓釘穿透焊時(shí)應(yīng)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