螺柱焊接基礎知識

   螺柱焊及螺柱穿透焊工藝的由來和現狀 螺柱焊起于上世紀30年代，首先在造船工業裝修中應用，到50~60年代發達國家在鋼結構工程中開始應用，70年代應用范圍和行業逐漸增加，鍋爐、壓力容器、汽車、造船、金屬結構中 ...
螺柱焊及螺柱穿透焊工藝的由來和現狀
    螺柱焊起于上世紀30年代，首先在造船工業裝修中應用，到50~60年代發達國家在鋼結構工程中開始應用，70年代應用范圍和行業逐漸增加，鍋爐、壓力容器、汽車、造船、金屬結構中的大量應用。我國80年代在成都第一臺國產螺柱焊機問世，并通過機電部鑒定。90年代初國產RSR電容貯能螺柱焊機已成系列，解決了M2—M8螺柱的焊接問題，90年代中期研制成功RSR系列螺柱焊機，滿足2~30 mm的螺柱焊接問題。隨著鋼結構防火耐熱要求的提高，螺柱焊技術得到了長足的進步，對異種鋼的焊接取得了成功，目前國內有關單位正在攻克螺柱焊的另外二大難關，即橫立焊和仰焊。不斷地向國內外行業領先的地位進軍。
螺柱穿透焊是伴隨著鋼—混凝土結構的發展而推廣起來的，作為鋼—混凝土聯結件的栓釘對結構發揮兩種作用，一是承受鋼—混凝土結構的水平剪切力，二是防止鋼—混結構垂直剝離的抗翹作用?？辜翎斨饕糜阡摻罨炷林?，梁及樓板的抗剪，特別是大跨度鐵路橋梁，市政公路高架橋、高承載力鋼結構建筑等。在多層鋼結構組合樓板施工中，經常是安裝鋼結構柱梁，在鋪設壓型鋼板后進行螺柱焊施工。在壓型鋼板鋪設時，為提高其支承剛度，通常采用多跨連接布置方式。因此，大量的螺柱需在壓型鋼板上引弧并穿透壓型鋼板焊接于梁上，這種方法就叫“螺柱穿透焊”工藝。 穿透焊和非穿透焊的區別在于支撐梁與螺柱端部之間增加了壓型鋼板的隔離層，使螺柱端部無法與鋼梁表面直接接觸，由于壓型板隔離層的存在，形成了許多焊接工藝上無法控制的因素，致使焊接質量得不到保證。
螺柱焊優點
    電弧螺柱焊（以下簡稱螺柱焊）是焊接學科的一個分支，也是目前各國工業領域廣泛應用的連接和裝配方式，這種工藝具有三大優越性：
（1）同焊條電弧焊對比，可實現全截面的焊接，焊條電弧焊只能實現角焊縫，所以螺柱焊的螺栓抗剪能力得到大幅度的提高。
（2）焊接速度快，可實現標準化作業（國內目前已出現電容式貯電螺柱充電時間2s
的焊機。即：1個/2s達到國際先進水平）。
（3）具有高質量的再現性，重復性強。

螺柱焊簡介
    將金屬螺柱或類似的其他金屬緊固件（栓、釘等）焊到工作（一般為板件）上去的方法叫做螺柱焊，通常用英文簡稱SW（STUD WELDING）表示。螺柱焊可以代替鉚接或鉆孔螺絲緊固等。它廣泛應用于汽車、造船、機車、航空、機械、鍋爐、化工設備、變壓器及大型建筑結構等行業。
    實現螺柱焊接的方法有電阻焊、摩擦焊、爆炸焊及電弧焊等多種，這里指的是電弧法螺柱焊（STUD ARC WELDING）。電弧法螺柱焊在使用設備及焊接技術方法上有其特殊性，而其他螺柱焊接方法均采用傳統設備，僅僅焊接夾具有所改變，例如：電阻法螺柱焊其實就是電阻焊中的T形焊，是凸焊的一種。
電弧法螺柱焊又可根據其所用焊接電源不同而分為三種基本形式：
    第一種是穩定電弧螺柱焊，螺柱端部與工件表面之間產生穩定的電弧過程，電弧作為熱源在工作上形成熔池，同時螺柱端被加熱形成熔化層，在壓力（彈簧等機械壓力）作用下將螺柱端部浸入熔池，并將液態金屬全部或部分擠出接頭之外，從而形成再結晶的塑性連接或再結晶與重結晶混合連接接頭。這種螺柱焊的電源一般是弧焊整流器（可控整流或不控整流）、焊接逆變器或直流弧發電機，即普通弧焊電源就可以。穩定電弧螺柱焊通常稱作電弧螺柱焊（ARC STUD WELDING），也有資料稱作標準螺柱焊。電弧螺柱焊的電弧放電是持續而穩定的電弧過程，焊接電流不經過調制，焊接過程中焊接電流基本上是恒定的。
    第二種是不穩定電弧螺柱焊，與上述方法不同之處在于供電電源是電容器組，電容器在螺柱端部與工作表面間的放電過程是不穩定的電弧過程，即電弧電壓與電弧電流瞬時在變化著，焊接過程是不可控的。這種穩定電弧螺柱焊通常稱作電容放電螺柱焊或電容儲能螺柱焊，有些資料亦稱作尖端放電螺柱焊。
    第三種電弧法螺柱焊的基本形成是電弧電流經過波形控制的電流螺柱焊，通常稱作短周期螺柱焊（SHORT CYCLE STUD WELDING）或短時間螺柱焊（SHORT TIME STUD WELDING）也有資料稱作行程式螺柱焊，這種螺柱焊的電源一般情況下是兩個并聯的電源先后給電弧供電，可以是兩個弧焊整流器，也可是整流器加電容器組，只有采用逆變器作電源時可以不用雙電源。短周期螺柱焊采用逆變器或雙整流作電源時的電弧過程是階段穩定的電弧過程，當雙電源中含有電容器組時，電容放電產生的電弧過程仍然是不穩定的。
    三種基本方法各有不同的特點及不同的最佳應用領域。但也有共同之處，即為了保證接頭質量都要求螺柱浸入熔池，熄弧后仍然保留幾毫秒帶電（短路電流）加壓時間，這和電阻對焊中的有電頂鍛的概念是一致的。
本章僅介紹在鋼結構行業大量使用的電弧螺柱焊焊接接過程
（1）焊接過程 電弧螺柱焊電弧發生與焊條電弧焊時焊條的引弧原理是相同的，都是短路提升引弧。不同的是螺柱被夾持在焊槍的夾頭上，操作者將焊槍的支撐架定位螺柱與工件短路點。焊槍中的磁力提升機構使螺柱上升引弧。當提升機構的電磁鐵釋放時，彈簧加壓使螺柱浸入熔池，斷電冷卻形成接頭。螺柱提升高度即螺柱的行程是在焊槍中焊前調定的。電弧螺柱焊的焊接過程示意圖如圖1所示。


（2）保護瓷環 電弧螺柱焊的焊接加熱過程是穩定的電弧燃燒過程，像有保護的普通電弧焊（藥皮焊條弧焊、埋弧焊及氣體保護焊）一樣，為防止空氣侵入熔池惡化接頭質量而要求保護，電弧螺柱焊可以采用氣保護，一般采用氬氣，像GTAW焊一樣由氬氣通過噴嘴形成圍繞電弧的保護罩，因為螺柱焊不存在熔滴過渡以及接頭基本上是塑性連接，熔池沒有冶金過程，所以不采用CO2氣。也可以采用渣保護，在螺柱定位短路后用埋弧焊焊劑埋上焊接區進行引弧焊接，同時焊劑也可以穩弧，和埋弧焊過程基本一樣，亦只限于可以存住焊劑的平位焊。但大多數情況（結構鋼螺柱焊）采用陶瓷環的機械保護方法。陶瓷環也稱作保護套圈（圖2）其作用是除了防止空氣侵入焊接區之外，還可以產生熱量集中的效果以及有助于接頭在各種空間位置成形。焊接螺柱被加壓下落將熔池熔化金屬擠出到瓷環的焊縫成形穴中，由瓷環控制焊腳形狀，凝固后成為接頭的一部分，所以接頭是由塑性連接及熔化連接兩種連接方式共同完成的焊接過程。瓷環保護圈是一次性消耗材料，焊后自然破碎清除即可，瓷環市場價一角錢左右，比采用氬氣保護焊接成本低得多。


（2）螺柱尺寸 電弧螺柱焊對螺柱尺寸要求如下：
1）螺柱長度必須大于20mm才能施焊。螺柱長度應由夾持長度、瓷環高度及焊接留量三部分組成。焊接時套入螺柱的瓷環一般在10mm左右，焊接留量大約在3~5mm，其余是夾持長度約5~6mm。所謂焊接留量是指螺柱視在長度與焊后工件表面到螺柱上端長度的差值，差值是由于焊接熔化、插入熔池及加壓時塑性變形共同縮短的量。在設計螺柱長度時必須考慮預留這段長度，所以叫做焊接留量。
2）螺柱直徑一般得大于6mm，小于30mm，否則焊接難度增大甚至難以采用電弧螺焊接方法。
3）螺柱端部應加工成錐形，錐度按專業標準規定，允許偏差較大。加工成錐形是為了便于短路引弧，短路通電時電流線集中，提升引弧時熱電離及熱發射在電弧發生過程起更大的作用。有時在錐端鑲嵌或涂敷鋁的氧化物作為引弧劑，當焊接電流強度選得較大時可以不用引弧劑。
螺柱焊機的分類
概要: 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 ...

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 ms 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 瓷環保護 ＞100 3～25 300～3000 瓷環 1/4d但不能小于1mm
氣體保護 ＞100 3～16 300～3000 氣體 1/8d但不能小于1mm
短周期焊接 ≤100 3～12 ≤1500 不保護或氣體保護 1/8d但不能小于0.6mm
拉弧式電容放電螺柱焊 ＜10 3～10 ≤3000（峰值） 不保護 1/10d但不能小于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GB15579的規定。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定性，保證焊接質量。

b、焊接電源應有引弧電流（40～50A）和較高的空載電壓（70～100V）。以確保100％的引弧成功率，對于大直徑的螺柱焊接，其空載電壓甚至超過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≥600A時，其負載電壓應保持44V不變。在施工現場使用的焊機，其焊接電纜較長，有的長達50m，電壓降很大。如果不增加負載電壓加以補償，就勢必會降低其焊接能力，若不按照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32ms之內，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，否則就有可能出現焊接時間已到，但焊接電流還沒有達到其峰值的現象。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”是發生在螺柱壓入熔池時，瞬間發生的噴濺物。

通過試驗已經證明：三相全波硅整流電源（紋波系數γ＝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范圍而定。

e、電源要有較小的內阻抗。焊接電源的主電路的電氣絕緣，采用H級耐熱等級與B級相比，具有體積小重量輕的優點，倍受人們的推崇。但深入分析后發現，也并非完美無缺。GB11021規定：H、B級耐熱等級的最高溫度分別為180℃和130℃，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0.006Ω，按2500A焊接電流計算，其增加的功耗為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，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。國產RSN2-3150電弧螺柱焊機，B級絕緣，能焊接d=30mm的焊釘，這是同等級的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、櫥柜等行業應用很廣。電容放電螺柱焊不用氣體保護，操作也比較簡單，很適合自動化生產線的要求，所以這種焊接技術已廣泛應用于汽車焊接生產線。螺柱焊接的生產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3～10ms，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≤3ms，而間隙式螺柱焊的焊接時間大約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 （1）

式中：W—焊機的額定儲存能量，J；
C—電容器組的總電容量， F；
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。