拉弧式与储能式螺柱焊机的性能比较分析

深圳信息职业技术学院  刘孙东

       螺柱焊接机是一种将螺柱通过焊枪，直接焊接在母材上的一种焊接设备。使用螺柱焊机焊接螺柱，在柱焊接过程中，不需要填充料，焊接直径较小的焊钉时，也不需要任何保护，是一种焊接工艺简单，焊接牢固度好，焊接成本低，焊接效率高的焊接方式。这种焊接方式最早流行于欧美，近些年才开始在我国推广，而且使用还不够广泛。但随着我国螺柱焊机制造水平的不断提高，以及螺柱焊机使用效果逐渐被更多的人所认识，螺柱焊机必将在我国得到广泛使用。为了普及螺柱焊机知识，让更多的人了解各种螺柱焊机的性能就很有必要。

      一、拉弧式和储能式螺柱焊机的基本特性

      1、拉弧式螺柱焊机的基本特性：

      拉弧式螺柱焊机按照机器的工作频率不同，可分为工频拉弧式螺柱焊机和IGBT高频逆变拉弧式。工频拉弧式螺柱焊机的工作原理是：输入三相380V电流，经大功率工频变压器降压，转换成   60-90V、50赫兹的交流电；然后经可控硅和二极管进行整流，形成50-90V的脉动直流电，成为拉弧式螺柱焊机的焊接电源。输出电流的大小，可通过调整可控硅导通角来完成。高频拉弧式螺柱焊机的工作原理是：输入三相380V交流电，经整流器整流、滤波后形成540V的直流电，然后经过IGBT逆变器，生成方波。方波经过整流，送到高频降压变压器，经过快速二极管整流，变成50-90V脉动的直流电，成为拉弧式螺柱焊机的焊接电源，输出电流的大小，可通过软件程序调制脉宽来控制。

      拉弧式螺柱焊机是一种在螺柱焊接时，首先由机器产生的一股小电流引弧，在这股小电流将焊接母材表面的各种附着物燃烧清除后，再由机器产生一股大电流，将螺柱焊接在母材上的一种焊接方式。拉弧式螺柱机的短周期焊接过程示意图如下（图一）：

      拉弧式螺柱焊机按其焊接过程所需要的时间长短，可分为短周期拉弧和长周期拉弧两种。短周期拉弧即焊接的时间较短，一般在200毫秒以内，适用于薄板（5mm以下）和直径较小（10mm以下）的焊钉之间的焊接；长周期拉弧的焊接周期较长，最长可达2000毫秒，适用于板厚（2mm以上）和直径较大（10mm以上）的焊钉之间的焊接。短周期螺拉弧的柱焊接主要适用于汽车、轮船和五金制造等行业；长周期拉弧的螺柱焊接主要适用于建筑、桥梁和钢结构生产。

                               短周期拉弧式螺柱焊机焊接示意图（图一）

     2、电容储能式螺柱焊机的基本特性：

     电容储能式螺柱焊机的工作原理是：输入单项220V的电流，先由电容进行储能，然后由控制系统控制电容放电，放电的电压的高低，可根据焊接需要进行调节，在电容放电的瞬间，将装在焊枪上的螺柱焊接在母材上。

电容储能式螺柱焊机是一种在螺柱焊接时，由螺柱前端专门设计的引弧点引弧燃烧，同时将螺柱焊接在母材上的一种焊接方式。电容储能式螺柱焊机的焊接过程示意图如下（图二）：

                                    电容储能式螺柱焊机焊接示意图

      电容储能螺柱焊接，一般焊钉前端的引弧点大小为直径0.8mm，长度0.8mm；电容的放电时间在4毫秒mm。由于受引弧点大小和放电时间的影响，电容储能焊接一般适用于薄板和小钉之间的焊接。具体说，焊接板厚在5mm以内，焊钉直径在10mm以内，再大的焊钉和再厚的板材焊接起来就很困难，就是再大的电容的容量和电压也难以凑效。

二、拉弧式螺柱焊机和电容储能式螺柱焊接在焊接工艺上的区别

拉弧式螺柱焊机和电容储能式螺柱焊机由于其工作原理不同，因此，在焊接工艺上有着本质的区别。

      第一， 二者使用的焊钉样式不同。

      拉弧式螺柱焊机使用的焊钉为较为普通的焊钉，要求焊钉的材质尽可能与母材的材质一致或接近，焊钉的焊接的端面有3到5度的锥度；而电容储能式螺柱焊机除了材质和焊钉焊接端面的要求与拉弧式螺柱焊机相同外，还要求焊钉的焊接端面要有一个0.8*0.8mm的引弧点。

拉弧式螺柱焊机使用的焊钉与电容储能式螺柱焊机使用的焊钉样式如图（图三）：

      
       第二，二者对焊钉的直径要求不同。

       第三，二者对焊接母材表面的要求不同。

       拉弧式螺柱焊机对焊接母材的要求不严格，只要焊接母材的表面能导电，即使焊接的表面有轻微的锈蚀，有油污，有金属镀层，有其他杂质，也不会影响焊接；而电容储能式螺柱焊机对焊接母材的要求就比较严格，如果焊接母材的表面有锈蚀、油污、杂质等，导致焊接表面电阻增大，都无法焊接或焊不牢。如果焊接母材表面的金属镀层较厚，比如镀锌层较厚就很难焊接，甚至根本无法焊接。

       第四，二者对焊接母材的厚度要求不同。

       拉弧式螺柱焊机对焊接母材的厚度要求不严格，目前国内生产的“DSP高频逆变拉弧式螺柱焊机”，可以将直径为6mm的焊钉焊接在板厚0.4mm的母材上，焊接点的背面也完好无损；将直径6mm的焊钉焊接在板厚20mm的母材上，也焊得很牢。当然，对于拉弧式螺柱焊机对焊接母材的厚度要求也不是没有限制，对于短周期螺柱焊接，最薄的母材厚度要大于0.4mm,且在母材厚度在0.4mm的情况下，焊钉的焊接端面直径不超过6mm，否则焊接面将会被焊穿。对于长周期拉弧式螺柱焊接，焊钉的直径与母材的厚度之间要大于5比1；即焊钉的直径为15mm，焊接母材的厚度要大于3mm，否则有焊穿的危险。

电容储能式螺柱焊机对焊接母材的厚度要求比较严格，尤其是焊接母材不能太厚，将直径10mm的焊钉焊接在10mm厚的板材上，即使加大电容储量也是比较困难的。

       第五，二者焊接熔深不同   

       拉弧式螺柱焊机焊接的熔池较深，短周期焊接熔深根据焊钉直径和母材厚度不同一般大于0.1mm；长周期焊接熔深根据焊钉直径和母材厚度不同一般大于0.3mm；并且拉弧式螺柱焊接都会在已经焊接的螺柱周围形成比较有规则的焊缝成型，大大增加了焊接强度。电容储能式螺柱焊机焊接的熔深较浅，一般都小于0.2mm。即使焊接母材较厚，也不会增加多少熔深。

       三、拉弧式螺柱焊机与电容储能式螺柱焊机的焊接效果比较

       在试验过程中，我们在1.0厚且表面比较清洁的普通钢板上分别焊接材质相同的直径为6mm的镀铜焊钉，其扭力测试的效果是相同的。将该焊接工件放入H2SO4含量为15%的硫酸稀释液中浸泡240小时后，进行拔钉试验，其结果是:拉弧式焊接的焊钉拔出的孔径比较一致，且焊接仍然牢靠，母材与焊钉之间无脱离；而电容储能式焊接的焊钉拔出的孔径不够一致，母材与焊钉之间有脱离和锈蚀现象。对于2mm的薄板，用拉弧式螺柱焊机焊接直径为6mm螺柱，焊接点背面会有明显的痕迹，表现为颜色改变；0.6mm的薄板，用拉弧式螺柱焊机焊接直径为6mm螺柱，焊接点背面不仅会有明显的痕迹，表现为颜色改变，而且还会发生变形，表现为有稍微突出的现象。而同样用电容储能式螺柱焊机焊接直径为6mm的螺柱，对于2mm的薄板，焊接点背面几乎看不见任何有被焊接过的现象；对于0.6mm的薄板，虽然背面有轻微的颜色改变，但没有发生任何形状的变化。当然，对于焊接母材的表面锈蚀比较重，或油污较多，或镀锌层较厚的，用拉弧式螺柱焊机可以照样焊接，电容储能式螺柱焊机就为之叹息了。

       四、拉弧式螺柱焊机与电容储能式螺柱焊机的长处和短处比较

       1.拉弧式螺柱焊机的长处和短处

       拉弧式螺柱焊机长处：一是可以焊接从直径2mm-30mm的焊钉；二是焊接母材厚度最薄0.4mm，再厚的母材都能焊接；三是对焊接母材表面的要求不是很严格，有镀层，有油污、有锈蚀，都不影响焊接；四是螺柱与母材熔合好，焊缝成形好，耐久性好。短处是：对于焊接母材较薄的，其焊点背面焊接地痕迹比较明显，在焊接薄板时，对母材焊接背面要求比较严格的不能采用。

       2电容储能式螺柱焊机的长处和短处

       电容储能式螺柱焊机的长处：一是由于焊熔深较浅，在焊接母材较薄的情况下，相对于拉弧式焊接，焊点背面出现的焊痕要好的多；二是机器的价格便宜，与拉弧式螺柱焊机相比，功率大体相同，价格仅是拉弧式螺柱焊机的几分之一。短处：一是焊钉直径不能大，一般10mm即可，再大就影响焊接牢度；二是焊接母材不能太厚，尤其是焊接直径大于8mm的焊钉，母材厚度超过5mm，焊接起来就比较困难；三是要求焊接母材表面清洁度好，对于镀锌层较厚、油污较多、锈蚀较多的材料，焊接起来效果都不好，甚至根本不能焊接；四是由于电容储能式螺柱焊接地熔深较浅，加上焊接时不能很好地清除母材表面的杂质，焊接好的螺柱耐久性不如使用拉弧式焊接的好。

       五、拉弧式螺柱焊机和电容储能式螺柱焊机的运用范围

       拉弧式螺柱焊机可焊接普碳钢、不锈钢、铜材、铝材等，适用于汽车和船舶制造、五金制造、机箱机柜、建筑桥梁、钢结构工程等；电容储能式螺柱焊机同样可以焊接普碳钢、不锈钢、铜材、铝材等，适用于五金制造、机箱机柜等。