电弧螺柱焊机及其焊接工艺

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唯一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。其实螺柱焊的最大“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级耐热等级的最高温度分别为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。
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。