浅析螺柱焊工艺在轨道车辆不锈钢车体上的应用

引言

随着现代工业的快速发展，螺柱焊工艺的使用越来越广泛。螺柱焊工艺具有快速可靠、低成本等优点，可替代铆接、钻孔、钎焊等螺柱连接工艺，可焊接多种金属材料。现已广泛应用于汽车、船舶、建筑等行业。并在不锈钢城铁客车的生产制造中逐渐得到应用。现阶段螺柱焊主要用于车体钢结构大部件或辅助连接安装等部件上。

2 螺柱焊的基本原理

螺柱焊基本原理是在待焊螺柱与工件间引燃电弧，当螺柱与工件被加热到合适温度时，在外力作用下，螺柱送入工件上的熔池中形成焊接接头，从而形成牢固的连接。

3 螺柱焊机的分类

根据焊接电源的不同，螺柱焊机可分为拉弧螺柱焊机和电容放电螺柱焊机两类。拉弧螺柱焊机又分为短周期和带陶瓷箍套或保护气体的拉弧螺柱焊机，电容放电螺柱焊机按照焊枪的配置不同，又分为接触式和间隙式两种。

4 城铁客车中应用工艺性分析

不锈钢城铁中使用的不锈钢材质一般为奥氏体型不锈钢且为薄板，所用螺柱直径一般不大于 12mm。对于该条件，短周期拉弧螺柱焊和电容放电螺柱焊更适合，短周期拉弧螺柱焊的板厚可以到 0.6mm。电容放电螺柱焊可以到 0.5mm。目前在不锈钢城铁客车的生产制造中，主要采用短周期拉弧螺柱焊完成螺柱焊接，短周期拉弧螺柱焊与电容放电螺柱焊相比，螺柱与工件金属熔化量比电容放电螺柱焊接的更多，熔深较深，螺柱所能承受的强度也更大。

5 短周期拉弧螺柱焊工艺技术

5.1 组成及结构

拉弧式螺柱焊机主要由焊接电源、控制系统、焊枪、地线钳等部分组成。一般控制系统与电源合二为一。一般焊接主电源应具有预引弧电流、较高的空载电压、较高的负载电压、内阻抗较小等功能和特点。焊接用电缆应符和 ISO14555中规定的截面积配制。

5.2 工艺参数

5.2.1 电弧电压电弧电压主要取决于上升高度和焊接电流，一般为20-40V，如工件表面存在油污等杂质，电弧电压会变大，导致焊接电流发生变化，同时易产生气孔等缺陷，作业前需对工件表面进行除脏，利于电流、电压稳定。

5.2.2 焊接电流

焊接电流主要根据螺柱的直径选定，各种不同机型能调节的范围也不同，在 300-3000A 内连续可调，就非合金钢而言，焊接电流和螺柱直径的关系为：

I=（75-85）d 用于螺柱直径不大于 16mm 时；

I=（85-95）d 用于螺柱直径大于 16mm 时；对于合金钢，焊接电流相应地降低 10%左右。在实际的焊接中要视板厚和强度要求调节。

5.2.3 焊接时间

焊接时间 Tw 单位以毫秒（ms）计量，又称焊接电流持续时间。主要影响焊接热输入量。可用下面公式进行估算：

Tw=（2-3）d 螺柱直径不大于 12mm；

Tw=（4-5）d 螺柱直径大于 12mm；

预引弧电流很大程度上决定了母材的熔深。预引弧电流一般为 40-50A，可调范围较窄。一般预引弧电流是固定的，短周期焊接电源的预引弧时间约为 40-100ms。

5.2.4 突出距离

突出距离是维持稳定的焊接电弧和获得良好焊缝外观成形的一个重要的焊接参数。它与螺柱直径成正比，一般为1-8mm。

5.2.5 上升高度

上升高度即螺柱提升后末端距工件的距离，也与螺柱直径成正比，经验值约为 1.5-8mm。合理的上升高度能有效防止因熔滴过渡时短路所造成的电弧不稳和焊缝质量不佳。

5.2.6 保护方式

螺柱焊接的保护方式主要有无外加保护、气体保护和陶瓷箍套保护 3 种。短周期拉弧螺柱焊在螺柱直径小于 6mm 时一般采用无外加保护方式或陶瓷箍套保护方式保护，一般气体保护一般采用氩氧混合气或氩二氧化碳混合气等；无外加保护表面氧化严重，且易出现气孔等缺陷。焊接电流、焊接时间、上升高度、突出距离是拉弧式螺柱焊的主要参数，实际中应根据螺柱直径、母材厚度、材质等匹配。需多次生产实验，对外观、弯曲、拉伸、抗扭等方面综合判断，调节出适合的参数。

6 焊后检验

在螺柱焊完成后要对其进行焊接检验，用于验证螺柱的焊接质量，对于短周期拉弧螺柱（d≤12mm）一般进行目测检测、60°弯曲、宏观金相、扭矩等实验，用以验证质量。扭矩实验：螺柱本身根部发生断裂，螺柱断裂后所得到的力矩应大于设计力矩值，视为合格。60°弯曲实验：采用锤击或冲击的方法对螺柱施加外力，使螺柱与工件成 30°锐角，并不发生断裂或母材撕裂。视为合格。目测检测：焊缝规整、圆滑，无裂纹、气孔等缺陷。宏观金相实验：螺柱与工件融合线圆滑过渡，无气孔、未焊透、未熔合等缺陷。

7 结论和建议

通过对螺柱焊在不锈钢城铁车体上应用的分析和实验说明得出如下结论和建议：

（1）螺柱焊操作简单、适用性强，适合多种材料焊接、接头强度高同时变形量小，适用于 0.6mm 以上板厚的焊接。

（2）用于不锈钢车体上的螺柱焊一般选用短周期拉弧螺柱焊，不需要钻孔、冲孔、车螺纹、铆接、拧螺纹和精整等步骤。

（3）螺柱焊的工件是从一侧焊接。能在全位置焊接，借助于扩展器可以焊接到受限制的垂直隔板上，适用性强。

（4）批量生产工件时，螺柱焊可达 8-40 个/min，若采用自动送料可达到 60 个/min，因此可根据实际情况对设备进行选择。

（5）标准的螺柱成本较低，同时螺柱焊设备也具有多种类型，设备的购置费用相对较低。根据情况可制成自动焊机。