螺柱焊机及其焊接工艺

所谓螺柱焊是指在金属或类似金属件的端面与另一金属工件表面之间产生电弧，待接合面熔化时迅速施加压力，完成焊接的一种方法。螺柱焊接方法起源于1918年,由于这种焊接新技术具有快速、可靠、简化工序、降低成本等一系列优点，因而引起了世界各国的普遍重视，经过不断地改进和完善，特别是二次世界大战后得到了迅速发展，现已广泛应用到桥梁、高速公路、房屋建筑、造船、汽车、电站、电控柜等行业。 可焊接低碳钢、不锈钢、低合金钢，铜、铝及其合金材质的螺柱、焊钉、销钉、栓钉等。据报道1），日本园柱头焊钉(栓钉)的年焊接量为6000万个，异型棒状焊钉年焊接量为300万个。可见螺柱焊接在日本钢结构建筑中的应用规模。近年来我国经济建设发展迅速，使用螺柱焊接的领域也越来越广泛，因此有必要对螺柱焊接技术和焊接工艺进行深入研究，以便提高焊接质量，推广普及这种焊接技术。
螺柱焊接技术发展到今天，已经成为西方发达*的一种基本的热加工方法，螺柱（焊钉）的焊接大约有80%以上是通过螺柱焊机完成的。而我国1986年才在成都试制成功*台螺柱焊机。至于螺柱焊接技术的应用，还是从上世纪的九十年代才逐步展开的，到现在也只有20来年的历史，因此螺柱焊在我国还是一种刚刚兴起的行业，不论焊接设备，还是焊接工艺都与国外有不少差距。分析这种差距，并逐步缩短这种差距，直至赶超世界水平则是我国螺柱焊接行业的神圣使命。

1.螺柱焊机的分类
螺柱焊机分为电弧螺柱焊机和电容放电螺柱焊机两大类，前者以弧焊整流器作为电源进行焊接，后者则以电容器贮存的能量瞬间放电而进行焊接。两种焊接方式的特点及应用情况见表1。
表1 电弧螺柱焊和电容放电螺柱焊的特点
焊接方式 焊接时间tw ms 可焊螺柱直径d mm 焊接电流I A 保护方式 *板厚
电弧螺柱焊 瓷环保护 ＞100 3～25 300～3000 瓷环 1/4d但不能小于1mm
气体保护 ＞100 3～16 300～3000 气体 1/8d但不能小于1mm
短周期焊接 ≤100 3～12 ≤1500 不保护或气体保护 1/8d但不能小于0.6mm
拉弧式电容放电螺柱焊 ＜10 3～10 ≤3000（峰值） 不保护 1/10d但不能小于0.5mm
注：*板厚是指避免烧穿的厚度。

1.1 电弧螺柱焊机
电弧螺柱焊机是由焊接电源、控制器、焊枪、地线钳、焊接电缆等部分组成。但大多数焊接设备的焊接电源都与控制器合并为一体，称为主机。比较先进的控制方式是使用微处理器，以便精确设置和适时控制焊接过程中的焊接电流、焊接时间等参数。焊接电源一般为晶闸管控制的或逆变式的弧焊整流器。逆变式的弧焊整流器体积小、重量轻、动特性好，无疑是焊机的*，但受大功率器件的限制，所以目前大容量的焊机还是以晶闸管控制的弧焊整流器为主。但不论那种结构的焊接电源，其安全要求都应符合GB15579的规定。用于螺柱焊的直流焊接电源应具有以下特点：
a、焊接电源应具有下降的静外特性。只有这样才能维持电弧的稳定性，保证焊接质量。
b、焊接电源应有引弧电流（40～50A）和较高的空载电压（70～100V）。以确保100％的引弧成功率，对于大直径的螺柱焊接，其空载电压甚至超过100V。只有这样才能满足提升高度较大时的需求。
c、要有较高的负载电压。按弧焊电源下降特性的定义，当焊接电流≥600A时，其负载电压应保持44V不变。在施工现场使用的焊机，其焊接电缆较长，有的长达50m，电压降很大。如果不增加负载电压加以补偿，就势必会降低其焊接能力，若不按照ISO14555规定配制焊接电缆的截面积，情况就会更加严重，甚至无法焊接。这就是为什么不同厂家制造的同一电流等级的焊机，其焊接螺柱的*直径有较大差异的主要原因之一。
d、焊接电流要有陡升的前沿。螺柱焊接的*特点是瞬间大电流，因此要求焊接电源在接通后的32ms之内，焊接电流应达到其峰值。对于短周期螺柱焊而言，其焊接电流的上升时间应该更短，否则就有可能出现焊接时间已到，但焊接电流还没有达到其峰值的现象。设定的焊接电流与螺柱焊接所得到的能量不成比例，则很难保证其焊接质量。
提高焊接电流上升速度的*办法是减小电抗器的电感量。普通弧焊整流器之所以要加大电抗器，除了滤波之外还要限制短路电流的上升速度和短路电流的峰值，以降低引弧时的冲击电流，减小飞溅和弧坑，并避免烧穿工件。螺柱焊则不同，是按照已设定的引弧、螺柱提升、接通主电源等逻辑顺序进行的。也就是说，在螺柱与工件有一定间隙的情况下才接通焊接主电源的，因而避免了引弧时的飞溅。其实螺柱焊的*“飞溅”是发生在螺柱压入熔池时，瞬间发生的喷溅物。
通过试验已经证明：三相全波硅整流电源（纹波系数γ＝0.042），即使没有滤波电抗器，照样可以进行螺柱焊接。螺柱焊用的由晶闸管控制的焊接电源的电抗器只是滤波而已，因此可以大大减小，至于减少多少？要视电源的主电路结构和电流调节范围而定。
e、电源要有较小的内阻抗。焊接电源的主电路的电气绝缘，采用H级耐热等级与B级相比，具有体积小重量轻的优点，倍受人们的推崇。但深入分析后发现，也并非完美无缺。GB11021规定：H、B级耐热等级的*温度分别为180℃和130℃，H级比B级允许的温度约高40％。也就是说，在主电路设计时，其线圈的电流密度可以大幅度提高，以减小导线的截面积。随之而来的是导线的电阻，也即电路的阻抗增加。这对于大电流焊接的螺柱焊机而言，则是致命的缺点。假如焊接电源主电路的绝缘由B级改为H级，次级回路所有导线截面积的减小而导致总电阻的增加那怕只有0.006Ω，按2500A焊接电流计算，其增加的功耗为37.5kw，再加上主变压器初级增加的功耗，则是相当可观的。焊接电源主电路的功耗增加，势必减小输出的焊接功率，使焊接能力下降，这便是体积、重量的减小付出的代价。也就是说，焊接同一直径的螺柱，H级比B级绝缘的焊机需要更高的功率才能达到同一效果，效率明显下降。国产RSN2-3150电弧螺柱焊机，B级绝缘，能焊接d=30mm的焊钉，这是同等级的H级绝缘的电弧螺柱焊机无法达到的。
f、供电的电源柜（箱）应有足够的容量，电弧螺柱焊机的负载持续率很低，一般都小于15％，消耗的平均功率较低，但瞬间功率却很大，大直径螺柱焊接时，瞬间功率甚至超过300kw，这就要求供电的电源柜（箱）应有足够的容量，以满足螺柱焊接的要求。如果供电电源的容量小，在焊接时，电源电压的降低达到其额定值的15％以下，超过了晶闸管的调压稳流的范围，就很难保证焊接质量，有些焊机甚至按照已设定的电源电压限值强迫停机。架设专线，提高电源柜（箱）的容量或错开用电高峰是解决问题的好办法。

1.2 电容放电螺柱焊机
电容放电螺柱焊的特点是时间短，热变形小，很适合薄板的螺柱焊接，在造船、汽车、电控柜、橱柜等行业应用很广。电容放电螺柱焊不用气体保护，操作也比较简单，很适合自动化生产线的要求，所以这种焊接技术已广泛应用于汽车焊接生产线。螺柱焊接的生产率依赖于电容器的充电速度，可以达到8个/分钟（手工焊），60个/分钟（自动焊）。
电容放电螺柱焊有拉弧式和引弧梢式两种。拉弧式电容放电螺柱焊类似于拉弧式短周期电弧螺柱焊，其焊接时间约3～10ms，见表1。引弧梢式电容放电螺柱焊的特点是欲焊螺柱的端面有一引弧尖梢，它又分为接触式和间隙式两种。接触式螺柱焊的焊接时间≤3ms，而间隙式螺柱焊的焊接时间大约1ms。采用间隙式电容放电螺柱焊，即使焊接铝及其合金也可以不用气体保护。电容放电螺柱焊的焊接时间都是不可调节的。
电容放电螺柱焊的焊接能量依赖于电容器的电容量和充电电压，可按下式进行计算：
W= CU2 （1）
式中：W—焊机的额定储存能量，J；
C—电容器组的总电容量， F；
U—充电电压，V。
电容放电螺柱焊的焊接电流的峰值约为1000～10000A，这依赖于电容器的电容量、充电电压和焊接回路的电感和电阻。从安全方面考虑，充电电压一般不超过200V。
电容放电螺柱焊机都应设有限流保护装置或恒流充电装置以及自动放电装置，以保护人身和设备的安全。

1.3 焊接极性
一般地讲，焊接黑色金属时，应采用“直流正接”，即螺柱（焊枪）接焊接电源的负极，工件接正极，这样可以增加熔深。因为焊接时，阳极的温度高于阴极的温度。若焊接铜、铝及其合金时，则应“直流反接”，即螺柱接正极，工件接负极。这样可以利用正离子的轰击雾化作用，清除工件表面的氧化层，提高焊接质量。使用电弧螺柱焊机或电容放电螺柱焊机焊接时，其极性都应如此。

2.电弧螺柱焊的焊接工艺参数
电弧螺柱焊的焊接工艺参数有焊接电流、焊接电压、焊接时间、提升高度、伸出长度、插入速度等。
a、焊接电流主要根据螺柱的直径进行调节，大约为300～3000A。对于非合金钢，在已知螺柱直径d时，可以用下式估算焊接电流2）：
I（A）=80×d（mm） d≤16mm （2）
I（A）=90×d（mm） d＞16mm （3）
对于合金钢，其焊接电流大约比上式计算值少10％。
短周期电弧螺柱焊的焊接电流（600～1500A）与电源有关，是固定的，因此，焊接能量仅依赖于焊接时间。
b、电弧电压与焊接电流的关系是由焊接电源的静外特性决定的。电弧电压主要取决于提升高度和焊接电流，其值一般为20～40V。焊接时，工件表面上的油或油脂会增加弧压，而惰性气体则会降低电弧电压。
c、对于平焊（工件焊接平面平行于地平面），其焊接时间可用下式进行估算：
tw（s）=0.02×d（mm） d≤12mm （4）
tw（s）=0.04×d（mm） d ＞12mm （5）
对于横焊（工件焊接平面垂直于地平面），其焊接时间应该减小。短周期焊接时间小于100ms，这不仅依赖于螺柱直径，而且还与电流强度有关。
d、焊柱的提升高度正比于螺柱的直径，大约为1.5～7mm。提升高度主要是为了防止熔滴过渡时造成短路而影响电弧的稳定性及焊缝质量。维持电弧的稳定，为焊接提供足够的能量至关重要。因为弧柱的温度远比阳极或阴极的温度要高。穿透焊接时，要加大提升高度，利用电弧的高温迅速烧穿镀锌板，以获得满意的接头。当然增加提升高度也有害处，一方面会增加电弧的长度，使之更易受磁场的影响，发生磁偏吹；另一方面也会增加焊缝的气孔。
e、螺柱的伸出长度正比于螺柱的直径，一般为1～8mm。当使用瓷环对熔池进行保护时，也与要求的焊缝四周焊脚的形状有关。当要求周边的焊脚高而宽时，螺柱的伸出长度应该增加，反之则可以减小。
螺柱的伸出长度实际上是螺柱的熔化长度。此值若设计的过长，在螺柱提升后螺柱端面与工件之间的距离过短，使之无法形成稳定的电弧，造成大量的金属飞溅并出现夹渣缺陷；反之若螺柱伸出长度过短，金属熔化量不足，其焊缝成型肯定不良。
f、螺柱插入熔池是采用挤压的方式，在焊缝成型前的瞬间将熔化的有害物质挤出焊缝，以便形成良好的焊接接头。但插入速度又不可太快，以防止形成大量的喷溅。螺柱的插入速度，当螺柱的直径d≤14mm时，大约为200mm/s；当d ＞14mm时，为100mm/s。

焊枪一般都带有可调节的阻尼装置，以满足上述要求。螺柱焊接时，金属的熔化量正比于伸出长度和螺柱的直径，因此大直径螺柱焊接时，因金属熔化量多，应该调低螺柱的插入速度，以减小这种喷溅。
焊接电流、 焊接时间、提升高度和伸出长度是电弧螺柱焊的四个主要焊接工艺参数，应根据螺柱的直径，工件的材质进行设定。对于同一螺柱直径的焊接，使用不同厂家制造的焊接设备，其焊接工艺参数也不尽相同，因此应进行多次试焊，并对焊缝的外观和成型、螺柱焊后高度和力学性能（拉伸、锤击、弯曲、扭力等）评定后，才能选定一组*的工艺参数进行焊接。

3.电弧的磁偏吹
由于钢结构的不对称性和接地钳固定点不合理等诸多因素，造成螺柱焊接处附近的磁场分布不均匀，使电弧四周受到的电磁力不平衡，因而产生电弧的磁偏吹现象，致使螺柱四周的焊缝不对称，这在大直径螺柱焊或穿透焊时，由于提升高度较大，因而更容易出现。焊后检查如发现焊缝四周不均匀，或某边根本没有焊肉，或某边焊缝有大量气孔，则应怀疑是磁偏吹造成的，解决的办法有：
a、 设置双接地钳，使焊点尽量在两接地钳的中央，如图1a1。
b、 试着改变接地钳的位置，如图1b1。
c、 设置临时的导磁板，以减少冗余物的影响，或去掉另一边接地钳，如图1C1、图1C2。
d、 将焊接电源的输出电缆线饶焊接点一周。

4.栓钉穿透焊
栓钉穿透焊是“钢—混凝土组合楼盖板结构”施工中的一项新技术，而且在大型“钢—混凝土结构”建筑中的应用是越来越广泛。所谓栓钉穿透焊是指栓钉（焊钉）通过“镀锌板”焊接在工件（钢梁）上，并与镀锌板熔为一体。栓钉如何通过镀锌板？有两种方法：
① 先在镀锌板的焊接部位打（冲）孔，然后再将栓钉焊接在工件上。这种方法的优点是焊接质量容易得到保证，缺点是比较费工费时。国外使用这种方法的较多。
② 用电弧将镀锌板烧穿，而后将栓钉焊接在工件上。这种方法的优点是镀锌板穿孔和栓钉焊接一气呵成，简单省时，但有一系列技术问题急待解决，否则其焊接质量很难保证。这些技术问题有：
A、与非穿透焊相比，要烧穿镀锌板就必须附加能量，因此应适当增加焊接电流和焊接时间，否则就会出现未完全熔化的现象。但是如果焊接电流过大也会产生咬边、夹渣等缺陷。
B、穿透镀锌板靠的是稳定的电弧，因此要加大伸出长度和提升高度，特别是镀锌板与工件之间的间隙较大时更应如此。镀锌板与工件之间的间隙按焊接工艺要求应小于1mm，但施工中这一要求很难保证。大的间隙固然可以用机械夹紧的办法予以减小，但实施起来并不容易。成都斯达特焊接工程部根据多年的施工经验，按照上述原则而制订的焊接工艺，有效地解决了这一难题，成功地应用到“苏州国际博览中心”近30万颗φ19×150（120）mm栓钉的穿透焊接（图2）。

图2 苏州国际博览中心栓钉穿透焊施工现场照片

C、锌的熔点约为420℃，汽化温度为908℃。在栓钉穿透焊时，高温电弧约为3000～4000℃，使镀锌板上的锌迅速汽化和氧化，在焊缝中产生大量的气孔；锌在焊缝中产生的低熔点共晶体可形成热裂纹，这些缺陷都严重影响焊接质量。虽然焊接结束时，通过栓钉的挤压将这些有害物质排出，但要做到完全排净也决非易事。建议在栓钉穿透焊时适当增加栓钉的插入速度，甚至不用焊枪的阻尼装置（视具体情况而定），对排除这些有害物质，提高焊缝的质量是非常有效的。
D、鉴于上述情况，栓钉穿透焊时应选用壁厚和排气孔均已加大的“栓钉穿透焊专用瓷环”，以防因热冲击而破碎和排气不畅。
E、栓钉穿透焊的焊接质量的好坏，除了焊接工艺参数的合理设定和正确的操作外，还与组合楼盖板的施工质量有很大的关系，如上述已提到的镀锌板与钢梁之间的间隙以及两者之间是否有夹渣和钢梁上的涂层等。钢梁上的涂层是防腐的需要，但对于穿透焊而言，尽量使用碳氮化铅类防腐涂料，避免使用红丹防腐涂料和红丹锌黄涂料，而且焊接部位的涂层不应太厚。如果忽视螺柱焊接的这些特殊要求，“生米做成熟饭”，硬要焊工在现场解决这些难题，保证焊接质量，是极不现实的。解决的*办法是把螺柱焊接的这些特殊要求纳入组合楼盖板的设计和施工中去。栓钉穿透焊是个系统工程，只有设计、施工、焊接等诸方面的共同努力，才能获得符合要求的高质量的焊接接头。

5、我国螺柱焊接技术的现状分析
据不完全统计，我国目前螺柱焊机生产厂家只有几家，但能生产系列产品的仅有一家。电容放电螺柱焊机有RSR1-630、1250、1600、2500、3150，可焊φ3～12mm螺柱；电弧螺柱焊机有RSN1-630、1000、1600、RSN2-2500、3150，可焊φ3～30mm螺柱（焊钉）。这些焊接设备基本上能满足手工螺柱焊的市场需求。我国生产的电容放电螺柱焊机的技术性能和可靠性已与进口产品不相上下，有些指标甚至优于进口产品，例如电容充电时间已达到2s，而进口产品大多为4s。所以有些用户已由购置进口产品转而使用国产焊机。但从总体上看，我国螺柱焊接技术与国外相比，仍有不少差距。

5.1 国产电弧螺柱焊机的额定*焊接电流达3150A，可焊φ30mm栓钉，居世界前列。这类焊机与进口产品相比，其焊接电源都是用晶闸管控制，并可连续调节焊接电流。从调节和稳流性能以及可靠性方面考核，差别不大。国内还有两家是用电阻降压的方法分档调节焊接电流，属于落后产品。在控制方面，进口产品都是用微机控制的，而国内则处于研发阶段，还未正式上市。至于焊枪，进口产品寿命较长，设有阻尼装置。另外，进口产品都采用H级绝缘，因而相对体积小、重量轻，但效率较低。总之，进口焊机在控制、焊枪、体积重量、外观质量等方面优于国产焊机，但价格也不菲，近似是国产焊机的3倍。

5.2 自动螺柱焊接设备主要应用在汽车行业。汽车上的螺柱焊接有以下要求：
a、螺柱是具有特殊结构的标准螺柱（M3～M8）；
b、要可靠焊接在厚0.7～1mm的镀锌（15～25μm）钢板上；
c、要高节奏的自动焊接，并具有焊接质量的重现性；
d、主机应有多路输出接口，以便配备送料机和焊枪，以实现在不同工位焊接不同直径的螺柱。短周期电弧螺柱焊和拉弧式电容放电螺柱焊能满足上述要求，因而在汽车行业得到了广泛应用。前者螺柱焊接的强度要高于后者。在国内，目前自动螺柱焊接设备多处于开发阶段，已成功应用到汽车焊接生产线上的并不多，所以自动螺柱焊接设备的国内市场，基本上由进口产品垄断。

5.3 我国螺柱焊接技术与国外的差距还表现在焊接工艺的研究方面，当前最急需开展“栓钉穿透焊、栓钉横焊和仰焊”的工艺研究。这几项焊接工艺，不仅关系到栓钉的焊接合格率，而且还涉及到螺柱焊接能否在更大范围内推广应用。成都斯达特焊接研究所对栓钉穿透焊做了些研究工作，并正进行栓钉的横焊研究。一般认为，能够横焊和仰焊的栓钉直径应≤16mm，但桥梁和高架桥的桥墩、高层建筑和大型体育场馆的立柱、大型码头地脚锚固件等需要大量φ≥19mm的栓钉横焊。因此大直径栓钉的横焊工艺研究具有重要的现实意义。

5.4 要在国内推广普及螺柱焊接技术，除了焊接设备和焊接工艺外，还应制订相应的标准和生产配套的螺柱、焊钉和瓷环。当前最急需将ISO13918、ISO14555转化为我国标准，并尽快制订“螺柱焊接工艺”标准，以便统一螺柱焊接工艺、质量检验和工程验收。

6 螺柱焊接技术的发展趋势
螺柱焊接技术的今后发展趋势主要是扩大应用范围、提高螺柱焊接自动化水平和焊接设备的更新换代。其中硬件的发展是关键，即将晶闸管控制的焊接电源升级为逆变式焊接电源。目前逆变使用的开关元件有快速晶闸管和IGBT两种。前者的逆变频率较低，几kHZ，但输出功率较大；后者频率较高，十几kHZ，但输出功率较低。从电源的动特性、体积重量等方面考虑，IGBT应该是发展方向。目前已投入使用的逆变式螺柱焊接电源的输出电流约1000A，可焊φ12mm的螺柱，主要应用在汽车行业。
至于焊枪的发展方向，则是电子控制。目前国内外焊枪大多是通过弹簧的伸缩来控制螺柱的升降，其可控性是相当有限的。如果采用步进电机或伺服电机控制，就可按工艺要求精确地控制螺柱的运动，焊接质量更能得到保证。特别是桥梁维修所需的大直径超长的异型棒状焊钉的平焊、横焊和仰焊，则非使用这种先进的焊枪不可。事实上，有些*已研制成功这种焊枪，并已应用到焊接工程上。
用微机控制的逆变式螺柱焊接设备，不仅能精确设置和记录、贮存焊接参数，而且还能在焊接过程中适时检测、显示，并自动调整焊接参数，以保证焊接质量，重现性极好。相信再过若干年，2500A的这种焊接设备的重量将由现在的几百公斤大幅度下降，焊机的搬动将更加方便。