螺柱焊接基础知识

   螺柱焊及螺柱穿透焊工艺的由来和现状 螺柱焊起于上世纪30年代，首先在造船工业装修中应用，到50~60年代发达国家在钢结构工程中开始应用，70年代应用范围和行业逐渐增加，锅炉、压力容器、汽车、造船、金属结构中 ...
螺柱焊及螺柱穿透焊工艺的由来和现状
    螺柱焊起于上世纪30年代，首先在造船工业装修中应用，到50~60年代发达国家在钢结构工程中开始应用，70年代应用范围和行业逐渐增加，锅炉、压力容器、汽车、造船、金属结构中的大量应用。我国80年代在成都第一台国产螺柱焊机问世，并通过机电部鉴定。90年代初国产RSR电容贮能螺柱焊机已成系列，解决了M2—M8螺柱的焊接问题，90年代中期研制成功RSR系列螺柱焊机，满足2~30 mm的螺柱焊接问题。随着钢结构防火耐热要求的提高，螺柱焊技术得到了长足的进步，对异种钢的焊接取得了成功，目前国内有关单位正在攻克螺柱焊的另外二大难关，即横立焊和仰焊。不断地向国内外行业领先的地位进军。
螺柱穿透焊是伴随着钢—混凝土结构的发展而推广起来的，作为钢—混凝土联结件的栓钉对结构发挥两种作用，一是承受钢—混凝土结构的水平剪切力，二是防止钢—混结构垂直剥离的抗翘作用。抗剪钉主要用于钢筋混凝土柱，梁及楼板的抗剪，特别是大跨度铁路桥梁，市政公路高架桥、高承载力钢结构建筑等。在多层钢结构组合楼板施工中，经常是安装钢结构柱梁，在铺设压型钢板后进行螺柱焊施工。在压型钢板铺设时，为提高其支承刚度，通常采用多跨连接布置方式。因此，大量的螺柱需在压型钢板上引弧并穿透压型钢板焊接于梁上，这种方法就叫“螺柱穿透焊”工艺。 穿透焊和非穿透焊的区别在于支撑梁与螺柱端部之间增加了压型钢板的隔离层，使螺柱端部无法与钢梁表面直接接触，由于压型板隔离层的存在，形成了许多焊接工艺上无法控制的因素，致使焊接质量得不到保证。
螺柱焊优点
    电弧螺柱焊（以下简称螺柱焊）是焊接学科的一个分支，也是目前各国工业领域广泛应用的连接和装配方式，这种工艺具有三大优越性：
（1）同焊条电弧焊对比，可实现全截面的焊接，焊条电弧焊只能实现角焊缝，所以螺柱焊的螺栓抗剪能力得到大幅度的提高。
（2）焊接速度快，可实现标准化作业（国内目前已出现电容式贮电螺柱充电时间2s
的焊机。即：1个/2s达到国际先进水平）。
（3）具有高质量的再现性，重复性强。

螺柱焊简介
    将金属螺柱或类似的其他金属紧固件（栓、钉等）焊到工作（一般为板件）上去的方法叫做螺柱焊，通常用英文简称SW（STUD WELDING）表示。螺柱焊可以代替铆接或钻孔螺丝紧固等。它广泛应用于汽车、造船、机车、航空、机械、锅炉、化工设备、变压器及大型建筑结构等行业。
    实现螺柱焊接的方法有电阻焊、摩擦焊、爆炸焊及电弧焊等多种，这里指的是电弧法螺柱焊（STUD ARC WELDING）。电弧法螺柱焊在使用设备及焊接技术方法上有其特殊性，而其他螺柱焊接方法均采用传统设备，仅仅焊接夹具有所改变，例如：电阻法螺柱焊其实就是电阻焊中的T形焊，是凸焊的一种。
电弧法螺柱焊又可根据其所用焊接电源不同而分为三种基本形式：
    第一种是稳定电弧螺柱焊，螺柱端部与工件表面之间产生稳定的电弧过程，电弧作为热源在工作上形成熔池，同时螺柱端被加热形成熔化层，在压力（弹簧等机械压力）作用下将螺柱端部浸入熔池，并将液态金属全部或部分挤出接头之外，从而形成再结晶的塑性连接或再结晶与重结晶混合连接接头。这种螺柱焊的电源一般是弧焊整流器（可控整流或不控整流）、焊接逆变器或直流弧发电机，即普通弧焊电源就可以。稳定电弧螺柱焊通常称作电弧螺柱焊（ARC STUD WELDING），也有资料称作标准螺柱焊。电弧螺柱焊的电弧放电是持续而稳定的电弧过程，焊接电流不经过调制，焊接过程中焊接电流基本上是恒定的。
    第二种是不稳定电弧螺柱焊，与上述方法不同之处在于供电电源是电容器组，电容器在螺柱端部与工作表面间的放电过程是不稳定的电弧过程，即电弧电压与电弧电流瞬时在变化着，焊接过程是不可控的。这种稳定电弧螺柱焊通常称作电容放电螺柱焊或电容储能螺柱焊，有些资料亦称作尖端放电螺柱焊。
    第三种电弧法螺柱焊的基本形成是电弧电流经过波形控制的电流螺柱焊，通常称作短周期螺柱焊（SHORT CYCLE STUD WELDING）或短时间螺柱焊（SHORT TIME STUD WELDING）也有资料称作行程式螺柱焊，这种螺柱焊的电源一般情况下是两个并联的电源先后给电弧供电，可以是两个弧焊整流器，也可是整流器加电容器组，只有采用逆变器作电源时可以不用双电源。短周期螺柱焊采用逆变器或双整流作电源时的电弧过程是阶段稳定的电弧过程，当双电源中含有电容器组时，电容放电产生的电弧过程仍然是不稳定的。
    三种基本方法各有不同的特点及不同的最佳应用领域。但也有共同之处，即为了保证接头质量都要求螺柱浸入熔池，熄弧后仍然保留几毫秒带电（短路电流）加压时间，这和电阻对焊中的有电顶锻的概念是一致的。
本章仅介绍在钢结构行业大量使用的电弧螺柱焊焊接接过程
（1）焊接过程 电弧螺柱焊电弧发生与焊条电弧焊时焊条的引弧原理是相同的，都是短路提升引弧。不同的是螺柱被夹持在焊枪的夹头上，操作者将焊枪的支撑架定位螺柱与工件短路点。焊枪中的磁力提升机构使螺柱上升引弧。当提升机构的电磁铁释放时，弹簧加压使螺柱浸入熔池，断电冷却形成接头。螺柱提升高度即螺柱的行程是在焊枪中焊前调定的。电弧螺柱焊的焊接过程示意图如图1所示。


（2）保护瓷环 电弧螺柱焊的焊接加热过程是稳定的电弧燃烧过程，像有保护的普通电弧焊（药皮焊条弧焊、埋弧焊及气体保护焊）一样，为防止空气侵入熔池恶化接头质量而要求保护，电弧螺柱焊可以采用气保护，一般采用氩气，像GTAW焊一样由氩气通过喷嘴形成围绕电弧的保护罩，因为螺柱焊不存在熔滴过渡以及接头基本上是塑性连接，熔池没有冶金过程，所以不采用CO2气。也可以采用渣保护，在螺柱定位短路后用埋弧焊焊剂埋上焊接区进行引弧焊接，同时焊剂也可以稳弧，和埋弧焊过程基本一样，亦只限于可以存住焊剂的平位焊。但大多数情况（结构钢螺柱焊）采用陶瓷环的机械保护方法。陶瓷环也称作保护套圈（图2）其作用是除了防止空气侵入焊接区之外，还可以产生热量集中的效果以及有助于接头在各种空间位置成形。焊接螺柱被加压下落将熔池熔化金属挤出到瓷环的焊缝成形穴中，由瓷环控制焊脚形状，凝固后成为接头的一部分，所以接头是由塑性连接及熔化连接两种连接方式共同完成的焊接过程。瓷环保护圈是一次性消耗材料，焊后自然破碎清除即可，瓷环市场价一角钱左右，比采用氩气保护焊接成本低得多。


（2）螺柱尺寸 电弧螺柱焊对螺柱尺寸要求如下：
1）螺柱长度必须大于20mm才能施焊。螺柱长度应由夹持长度、瓷环高度及焊接留量三部分组成。焊接时套入螺柱的瓷环一般在10mm左右，焊接留量大约在3~5mm，其余是夹持长度约5~6mm。所谓焊接留量是指螺柱视在长度与焊后工件表面到螺柱上端长度的差值，差值是由于焊接熔化、插入熔池及加压时塑性变形共同缩短的量。在设计螺柱长度时必须考虑预留这段长度，所以叫做焊接留量。
2）螺柱直径一般得大于6mm，小于30mm，否则焊接难度增大甚至难以采用电弧螺焊接方法。
3）螺柱端部应加工成锥形，锥度按专业标准规定，允许偏差较大。加工成锥形是为了便于短路引弧，短路通电时电流线集中，提升引弧时热电离及热发射在电弧发生过程起更大的作用。有时在锥端镶嵌或涂敷铝的氧化物作为引弧剂，当焊接电流强度选得较大时可以不用引弧剂。
螺柱焊机的分类
概要: 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1。 表1 电弧螺柱焊和电容放电螺柱焊 ...

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1。

表1 电弧螺柱焊和电容放电螺柱焊的特点
焊接方式 焊接时间tw ms 可焊螺柱直径d mm 焊接电流I A 保护方式最低板厚
电弧螺柱焊 瓷环保护 ＞100 3～25 300～3000 瓷环 1/4d但不能小于1mm
气体保护 ＞100 3～16 300～3000 气体 1/8d但不能小于1mm
短周期焊接 ≤100 3～12 ≤1500 不保护或气体保护 1/8d但不能小于0.6mm
拉弧式电容放电螺柱焊 ＜10 3～10 ≤3000（峰值） 不保护 1/10d但不能小于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。

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15％，消耗的平均功率较低，但瞬间功率却很大，大直径螺柱焊接时，瞬间功率甚至超过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15％以下，超过了晶闸管的调压稳流的范围，就很难保证焊接质量，有些焊机甚至按照已设定的电源电压限值强迫停机。架设专线，提高电源柜（箱）的容量或错开用电高峰是解决问题的好办法。

1.2 电容放电螺柱焊机

电容放电螺柱焊的特点是时间短，热变形小，很适合薄板的螺柱焊接，在造船、汽车、电控柜、橱柜等行业应用很广。电容放电螺柱焊不用气体保护，操作也比较简单，很适合自动化生产线的要求，所以这种焊接技术已广泛应用于汽车焊接生产线。螺柱焊接的生产率依赖于电容器的充电速度，可以达到8个/分钟（手工焊），60个/分钟（自动焊）。

电容放电螺柱焊有拉弧式和引弧梢式两种。拉弧式电容放电螺柱焊类似于拉弧式短周期电弧螺柱焊，其焊接时间约3～10ms，见表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≤3ms，而间隙式螺柱焊的焊接时间大约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 （1）

式中：W—焊机的额定储存能量，J；
C—电容器组的总电容量， F；
U—充电电压，V。

电容放电螺柱焊的焊接电流的峰值约为1000～10000A，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200V。

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。

1.3 焊接极性

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。