螺柱焊接技术的应用

摘要：螺柱焊接技术由于具有快速、可靠、操作简单和成本低等优点，可替代铆接、钻孔、手工电弧焊和钎焊等连接工艺，可焊接碳钢、不锈钢、铝以及铜及其合金等金属，现在已广泛应用在汽车、船舶制造等领域。我国应用螺柱焊接技术的历史不长，但是随着我国经济的快速发展和制造业水平的不断提高，螺柱焊接技术正被越来越多的国内企业所采用。

螺柱焊接技术由于具有快速、可靠、操作简单和成本低等优点，可替代铆接、钻孔、手工电弧焊和钎焊等连接工艺，可焊接碳钢、不锈钢、铝以及铜及其合金等金属，现在已广泛应用在汽车、船舶制造等领域。我国应用螺柱焊接技术的历史不长，但是随着我国经济的快速发展和制造业水平的不断提高，螺柱焊接技术正被越来越多的国内企业所采用。

螺柱焊接技术及原理

将螺柱或类似的金属柱状物及其他紧固件焊接在工件上的方法称为螺柱焊。实现螺柱焊的方法有多种：电阻焊、摩擦焊、爆炸焊及电弧焊等。目前应用最广泛的方法是电弧法螺柱焊，根据焊接电源的不同，可细分为储能式（电容放电）螺柱焊和拉弧式螺柱焊。

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1．储能式螺柱焊

储能式螺柱焊由充电电容放电提供焊接所需的能量，当电容放电时，螺柱和工件之间出现很短时间的电弧，电弧会熔化工件表面和螺柱顶端的少量金属，随后螺柱浸入熔池，熔化金属迅速冷却，形成焊接接头。储能式螺柱焊的焊接时间极短，通常情况下在5ms之内，无需保护气体；熔池浅，约0.1mm，工件背面无变形、压痕，适于薄板焊接；可用于焊接碳钢、不锈钢、铝、铜及其合金等金属；板厚与螺柱直径比可达1∶10。

储能式螺柱焊设备根据焊枪的配置不同，可分为接触式和间隙式两种。

接触式螺柱焊依靠焊枪内置弹簧压紧螺柱，工件和螺柱之间的距离由螺柱顶部小凸台来保证，当电容放电时，小凸台迅速气化，螺柱和工件之间出现电弧，电弧产生的热量使螺柱顶部形成熔化层，工件表面形成很浅的熔池。在焊枪内置弹簧压力下，螺柱快速下沉，在3～4ms内，螺柱浸入熔池，电弧消失，熔池冷却迅速形成焊接接头（见图1）。

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图1 接触式螺柱焊接过程

间隙式螺柱焊接过程和接触式螺柱焊大致相同，不过与接触式的弹簧压紧螺柱与工件接触不同的是，间隙式是通过电动或气动的方式把螺柱从工件表面提升到一定距离，然后螺柱下沉，同时电容放电，螺柱与工件之间产生电弧。这种焊接方式与接触式相比，焊接时间更短。

（1）焊接工艺参数。储能式螺柱焊的工艺参数主要有：螺柱直径、焊接电压、焊接时间和螺柱伸出长度。储能式螺柱焊只有一个显著的特点：电容放电过程不可控，焊接时间不可调。螺柱伸出长度可以根据经验来确定，通常在1.0～1.5mm之间。

储能式螺柱焊的焊接能量是由螺柱焊机的电容组的电容量和充电电压决定：W＝CU2，其中，W-焊接设备的额定储存能量，C-电容器组的总电容量，U-充电电压。

储能式螺柱焊设备的瞬间焊接电流峰值约为1000～10000A，这取决于设备电容量、充电电压、焊接回路电阻和电感。一般来讲，从保护操作者和设备本身的安全性考虑，充电电压通常在200V之内。由于设备出厂时，电容量已经固定，所以实际工作时，只能调节充电电压，根据螺柱直径大小和工件板厚，确定合适的电压值。

（2）设备组成及特点。储能式螺柱焊设备由焊接电源、焊枪、地线钳以及混合电缆等部分组成。增加自动送料器等辅助设备可配置成半自动或自动螺柱焊接设备。根据焊接电源和螺柱规格的不同，手工焊接效率可达15个/min左右，自动焊接可达50个/min左右。储能式螺柱焊设备操作简单，设备轻巧，适用于直径≤10mm、对连接强度要求不高的螺柱焊接。

2．拉弧式螺柱焊

拉弧式螺柱焊接与储能式焊接的电容放电不同，它是通过晶闸管控制的直流电源或逆变式焊接电源来进行焊接。拉弧式螺柱焊接工艺，螺柱和工件的金属熔化量比储能式螺柱焊多，熔深较深，影响焊接质量的参数较为复杂，螺柱所能承受的强度也更大。

拉弧式螺柱焊根据焊接时间的长短，可细分为长周期螺柱焊和短周期螺柱焊。拉弧式螺柱焊的工作过程是（见图2）：螺柱接触工件，通电后利用螺柱夹持机构提升螺柱，此时螺柱与工件之间出现稳定燃烧电弧，电弧热熔化螺柱顶部和工件表面，随后螺柱夹持机构压迫螺柱下沉到工件熔池，断电后形成焊接接头。短周期螺柱焊与长周期螺柱焊不同的地方是焊接时间仅为长周期螺柱焊的十分之一到几十分之一。另外短周期螺柱焊在焊接电弧出现之前有一个引导电弧，其作用是清除工件或螺柱顶部表面的油污、油脂或涂层。

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图2 短周期螺柱焊接过程

（1）焊接工艺参数。拉弧式螺柱焊接工艺参数主要有：焊接电流、焊接时间、引弧电流、引弧时间、提升高度、螺柱伸出长度以及送钉时间等。

焊接电流——主要根据螺柱顶部法兰直径来选择，就普通低碳钢而言，焊接电流和螺柱直径的关系为：短周期螺柱焊，I＝（95～110）d，d＝3～15mm；长周期螺柱焊，I＝（50～100）d，
d＝16～30mm。对于镀锌螺柱或焊接在镀锌工件上的螺柱而言，焊接电流需要增加20%。当然在实际操作中，可以根据工件厚度来调整焊接时间。

焊接时间——短周期螺柱焊，Tw＝（4～5）d，d＝3～15mm；长周期螺柱焊，Tw＝（10～100）d，d≥16mm。对于短周期螺柱焊来言，焊接时间通常在20～100ms之间；长周期螺柱焊，通常对于焊接强度要求高，熔池深，焊接时间为200～2000ms。无论短周期螺柱焊或长周期螺柱焊，其焊接时间与焊接电流共同组成焊接输入热量，可以互相配合、灵活调节。

引弧电流和引弧时间——这两个工艺参数仅在短周期拉弧式螺柱焊中出现，目的是清除工件表面与螺柱顶部法兰的油污、油脂或涂层。引弧电流一般为30～50A，可调范围比较小；引弧时间通常为20～40ms。目前很多品牌焊机的引弧电流和引弧时间在出厂时已设为固定值，不可调节。

提升高度——螺柱提升高度是决定焊接质量的一个重要参数。它与螺柱直径成正比。提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接成形不良。但是，过高的提升高度也有不利的一面：一是由于电弧的增长易发生磁偏吹现象，影响焊接质量；二是增加焊缝气孔数量。这是一个较敏感的影响焊接质量的因素。对于短周期螺柱焊来说，利用电磁感应提升螺柱的焊枪，提升高度通常为1.2mm，利用伺服电机提升螺柱的焊枪，提升高度通常为1.5mm。

螺柱伸出长度——螺柱伸出长度对于长周期螺柱焊来说，是螺柱熔化的长度与工件熔池深度之和，与螺柱直径成正比，经验值在1.5～6mm；对于短周期螺柱焊接而言，电磁式焊枪的螺柱伸出长度是螺柱熔化的长度加工件熔深，通常为1.2mm；伺服电机式焊枪的螺柱，其伸出枪嘴端面一定的长度，仅仅是便于螺柱与工件接触，而形成稳定的电路短路，通常为2.2～3mm。伺服电机式焊枪的螺柱熔化长度与工件熔池深度为单独的参数值，与螺柱伸出长度没有直接关系。

焊接电流、焊接时间、螺柱提升高度和螺柱伸出长度是拉弧式螺柱焊接工艺的4个重要参数，在实际工作中应根据螺柱直径和工件厚度、材质来设定。要进行多次试焊，根据焊接效果调节出合适的工艺参数。

（2）设备组成及特点。拉弧式螺柱焊设备主要由焊接电源、控制系统、焊枪以及接地钳等组成，根据要求还可以配备自动送钉的送料设备。通常焊接电源都与控制系统结合在一起，称为焊接主机。目前先进焊机都采用了微处理器和液晶显示屏，可以直观、精确地设置和记录、存储焊接参数，并能在焊接过程中实时监控、数字显示。大部分焊机电源采用的是晶闸管控制弧焊整流器；先进的焊机电源采用了逆变式直流电源。为了得到稳定的电弧，螺柱焊电源为直流电源，具有陡降外特性，较高的空载电压。拉弧式螺柱焊的最大特点是瞬间大电流，所以要求焊接电源在很短时间内焊接电流达到设定值，短周期螺柱焊机电流上升的时间更短，如果供电电网电源的容量不足会导致焊接电源的电压不稳，而造成焊接质量不良。目前就焊枪而言，长周期螺柱焊以手工送钉的电磁感应式焊枪为主；短周期螺柱焊在生产节拍高的位置以自动送钉的伺服电机式焊枪为主，当然短周期螺柱焊在生产节拍不高的位置可以使用手工焊枪。

螺柱焊接技术在汽车行业的应用

螺柱焊接具有快速、可靠、操作简单及无孔连接等优点，正在替代汽车制造中的铆接、攻螺纹和钻孔等连接工艺。目前螺柱在轿车车厢内的作用是固定线束、内饰件和地毯等；在车厢外的作用是固定线束、油管、制动油管以及隔热板、导流板等底盘附件。现在螺柱在轿车制造中的使用量日益增长，以神龙公司的车型为例，爱丽舍的螺柱使用量是50多个，标致307的螺柱使用量为106个，雪铁龙C5的螺柱使用量为187个。轿车制造中常用螺柱类型如图3所示。

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图3 轿车制造常用螺柱类型

储能式螺柱焊焊接时间、焊接电流不可调，熔深很浅，在汽车行业的应用很少。目前汽车行业应用的螺柱焊工艺是短周期拉弧式螺柱焊，主要采用逆变式焊接电源。焊接主机采用了计算机技术、自动化技术，具有参数编制软件，编程操作非常直观，同时具备故障自我诊断系统，便于设备维修。焊接主机可通过RS232接口与笔记本电脑相连。一台焊接主机可连接5把焊枪，大大提高了焊接主机的利用率。最近几年，焊枪由气动发展到电动，内部具有螺柱提升行程测量系统，与伺服电机技术相结合精确控制螺柱提升高度，确保焊接质量。此外，螺柱焊接设备可以与自动化设备相结合形成全自动螺柱焊接，在神龙汽车2号平台地板合装线，就应用了螺柱焊设备与PLC控制装置相结合的全自动螺柱焊接。螺柱焊接设备与机器人技术相结合而形成的机器人螺柱焊在汽车制造业已经得到应用，如德国大众公司已经采用了这项技术。

螺柱焊接技术的发展趋势

随着计算机技术、自动化技术及电子电力技术的不断发展，目前焊接设备正在向自动化、智能化和数字化的方向发展，螺柱焊接技术作为一种焊接技术工艺当然也在顺应着这个趋势。IGBT逆变式焊接电源正在取代晶闸管控制的焊接电源，控制系统采用了微处理器和液晶显示屏，使焊接参数编程操作简单直观。伺服电机控制的焊枪正在取代弹簧机械式焊枪，可以精确控制螺柱的提升行程，使焊接质量更可靠。

结语

相对于熔化极气体保护焊、TIG焊和埋弧焊等电弧焊接方式，国内研究应用电弧螺柱焊接技术的时间只有十几年，不过国内对于螺柱焊技术与设备的研究已有了很大进展，国内厂家已经推出性能比较完善的螺柱焊接设备。但是设备厂家尚不具备伺服电机式焊枪的生产能力，应加大研究力度，早日推出与国外先进水平相媲美的产品。 (end)

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