小白也能焊得很好的焊接方法：特种焊接技术之螺柱焊

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，已经成为西方发达国家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第一台螺柱焊机。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d mm 焊接电流25 300～ 1/4d但不能小于16 300～ 1/8d但不能小于12 ≤1500 不保护或气体保护0.6mm

拉弧式电容放电螺柱焊 ＜10 ≤3000（峰值） 不保护0.5mm

注：最低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，无疑是焊机的首选，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50A）和较高的空载电压（100V）。以确保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44V不变。在施工现场使用的焊机，其焊接电缆较长，有的长达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，其焊接螺柱的最大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。螺柱焊接的最大特点是瞬间大电流，因此要求焊接电源在接通后的“飞溅γ＝H级耐热等级与GB11021规定：B级耐热等级的最高温度分别为B级允许的温度约高B级改为0.006Ω，按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，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B级绝缘，能焊接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8个60个3～1.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 （J；

C—电容器组的总电容量， F；

U—充电电压，

·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。

电容放电螺柱焊的焊接电流的峰值约为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“直流正接“直流反接300～d时，可以用下式估算焊接电流I（=80×d（ d≤16mm （=90×d（ d＞3）

对于合金钢，其焊接电流大约比上式计算值少600～20～tw（=0.02×d（ d≤12mm （=0.04×d（ d ＞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1.5～1～d≤14mm时，大约为d ＞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，才能选定一组最佳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：1a1. b、 试着改变接地钳的位置，如图1C1、图—混凝土组合楼盖板结构“钢”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”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：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”近φ19×150（mm栓钉的穿透焊接（图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”，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，”，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。解决的唯一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1250、2500、φ3～RSN1-630、1600、3150，可焊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最大焊接电流达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：M3～b、要可靠焊接在厚1mm的镀锌（25μm）钢板上；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”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ISO14555转化为我国标准，并尽快制订”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kHZ，但输出功率较大；后者频率较高，十几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，有些国家已研制成功这种焊枪，并已应用到焊接工程上。