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螺柱焊機及其焊接工藝

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    所謂螺柱焊是指在金屬或類似金屬件的端面與另一金屬工件表面之間產生電弧，待接合面熔化時迅速施加壓力，完成焊接的一種方法。螺柱焊接方法起源于1918年,由于這種焊接新技術具有快速、可靠、簡化工序、降低成本等一系列優點，因而引起了世界各國的普遍重視，經過不斷地改進和完善，特別是二次世界大戰后得到了迅速發展，現已廣泛應用到橋梁、高速公路、房屋建筑、造船、汽車、電站、電控柜等行業。 可焊接低碳鋼、不銹鋼、低合金鋼，銅、鋁及其合金材質的螺柱、焊釘、銷釘、栓釘等。據報道1），日本園柱頭焊釘(栓釘)的年焊接量為6000萬個，異型棒狀焊釘年焊接量為300萬個。可見螺柱焊接在日本鋼結構建筑中的應用規模。近年來我國經濟建設發展迅速，使用螺柱焊接的領域也越來越廣泛，因此有必要對螺柱焊接技術和焊接工藝進行深入研究，以便提高焊接質量，推廣普及這種焊接技術。
    螺柱焊接技術發展到今天，已經成為西方發達國家的一種基本的熱加工方法，螺柱（焊釘）的焊接大約有80%以上是通過螺柱焊機完成的。而我國1986年才在成都試制成功第一臺螺柱焊機。至于螺柱焊接技術的應用，還是從上世紀的九十年代才逐步展開的，到現在也只有20來年的歷史，因此螺柱焊在我國還是一種剛剛興起的行業，不論焊接設備，還是焊接工藝都與國外有不少差距。分析這種差距，并逐步縮短這種差距，直至趕超世界水平則是我國螺柱焊接行業的神圣使命。
    1.螺柱焊機的分類
    螺柱焊機分為電弧螺柱焊機和電容放電螺柱焊機兩大類，前者以弧焊整流器作為電源進行焊接，后者則以電容器貯存的能量瞬間放電而進行焊接。兩種焊接方式的特點及應用情況見表1。
    表1 電弧螺柱焊和電容放電螺柱焊的特點
    焊接方式 焊接時間tw ms 可焊螺柱直徑d mm 焊接電流I A 保護方式 最低板厚
    電弧螺柱焊 瓷環保護 ＞100 3～25 300～3000 瓷環 1/4d但不能小于1mm
    氣體保護 ＞100 3～16 300～3000 氣體 1/8d但不能小于1mm
    短周期焊接 ≤100 3～12 ≤1500 不保護或氣體保護 1/8d但不能小于0.6mm
    拉弧式電容放電螺柱焊 ＜10 3～10 ≤3000（峰值） 不保護 1/10d但不能小于0.5mm
    注：最低板厚是指避免燒穿的厚度。

    1.1 電弧螺柱焊機
    電弧螺柱焊機是由焊接電源、控制器、焊槍、地線鉗、焊接電纜等部分組成。但大多數焊接設備的焊接電源都與控制器合并為一體，稱為主機。比較先進的控制方式是使用微處理器，以便精確設置和適時控制焊接過程中的焊接電流、焊接時間等參數。焊接電源一般為晶閘管控制的或逆變式的弧焊整流器。逆變式的弧焊整流器體積小、重量輕、動特性好，無疑是焊機的首選，但受大功率器件的限制，所以目前大容量的焊機還是以晶閘管控制的弧焊整流器為主。但不論那種結構的焊接電源，其安全要求都應符合GB15579的規定。用于螺柱焊的直流焊接電源應具有以下特點：
    a、焊接電源應具有下降的靜外特性。只有這樣才能維持電弧的穩定性，保證焊接質量。
    b、焊接電源應有引弧電流（40～50A）和較高的空載電壓（70～100V）。以確保100％的引弧成功率，對于大直徑的螺柱焊接，其空載電壓甚至超過100V。只有這樣才能滿足提升高度較大時的需求。
    c、要有較高的負載電壓。按弧焊電源下降特性的定義，當焊接電流≥600A時，其負載電壓應保持44V不變。在施工現場使用的焊機，其焊接電纜較長，有的長達50m，電壓降很大。如果不增加負載電壓加以補償，就勢必會降低其焊接能力，若不按照ISO14555規定配制焊接電纜的截面積，情況就會更加嚴重，甚至無法焊接。這就是為什么不同廠家制造的同一電流等級的焊機，其焊接螺柱的最大直徑有較大差異的主要原因之一。
    d、焊接電流要有陡升的前沿。螺柱焊接的最大特點是瞬間大電流，因此要求焊接電源在接通后的32ms之內，焊接電流應達到其峰值。對于短周期螺柱焊而言，其焊接電流的上升時間應該更短，否則就有可能出現焊接時間已到，但焊接電流還沒有達到其峰值的現象。設定的焊接電流與螺柱焊接所得到的能量不成比例，則很難保證其焊接質量。
    提高焊接電流上升速度的唯一辦法是減小電抗器的電感量。普通弧焊整流器之所以要加大電抗器，除了濾波之外還要限制短路電流的上升速度和短路電流的峰值，以降低引弧時的沖擊電流，減小飛濺和弧坑，并避免燒穿工件。螺柱焊則不同，是按照已設定的引弧、螺柱提升、接通主電源等邏輯順序進行的。也就是說，在螺柱與工件有一定間隙的情況下才接通焊接主電源的，因而避免了引弧時的飛濺。其實螺柱焊的最大“飛濺”是發生在螺柱壓入熔池時，瞬間發生的噴濺物。
    通過試驗已經證明：三相全波硅整流電源（紋波系數γ＝0.042），即使沒有濾波電抗器，照樣可以進行螺柱焊接。螺柱焊用的由晶閘管控制的焊接電源的電抗器只是濾波而已，因此可以大大減小，至于減少多少？要視電源的主電路結構和電流調節范圍而定。
    e、電源要有較小的內阻抗。焊接電源的主電路的電氣絕緣，采用H級耐熱等級與B級相比，具有體積小重量輕的優點，倍受人們的推崇。但深入分析后發現，也并非完美無缺。GB11021規定：H、B級耐熱等級的最高溫度分別為180℃和130℃，H級比B級允許的溫度約高40％。也就是說，在主電路設計時，其線圈的電流密度可以大幅度提高，以減小導線的截面積。隨之而來的是導線的電阻，也即電路的阻抗增加。這對于大電流焊接的螺柱焊機而言，則是致命的缺點。假如焊接電源主電路的絕緣由B級改為H級，次級回路所有導線截面積的減小而導致總電阻的增加那怕只有0.006Ω，按2500A焊接電流計算，其增加的功耗為37.5kw，再加上主變壓器初級增加的功耗，則是相當可觀的。焊接電源主電路的功耗增加，勢必減小輸出的焊接功率，使焊接能力下降，這便是體積、重量的減小付出的代價。也就是說，焊接同一直徑的螺柱，H級比B級絕緣的焊機需要更高的功率才能達到同一效果，效率明顯下降。國產RSN2-3150電弧螺柱焊機，B級絕緣，能焊接d=30mm的焊釘，這是同等級的H級絕緣的電弧螺柱焊機無法達到的。
    f、供電的電源柜（箱）應有足夠的容量，電弧螺柱焊機的負載持續率很低，一般都小于15％，消耗的平均功率較低，但瞬間功率卻很大，大直徑螺柱焊接時，瞬間功率甚至超過300kw，這就要求供電的電源柜（箱）應有足夠的容量，以滿足螺柱焊接的要求。如果供電電源的容量小，在焊接時，電源電壓的降低達到其額定值的15％以下，超過了晶閘管的調壓穩流的范圍，就很難保證焊接質量，有些焊機甚至按照已設定的電源電壓限值強迫停機。架設專線，提高電源柜（箱）的容量或錯開用電高峰是解決問題的好辦法。

    1.2 電容放電螺柱焊機
    電容放電螺柱焊的特點是時間短，熱變形小，很適合薄板的螺柱焊接，在造船、汽車、電控柜、櫥柜等行業應用很廣。電容放電螺柱焊不用氣體保護，操作也比較簡單，很適合自動化生產線的要求，所以這種焊接技術已廣泛應用于汽車焊接生產線。螺柱焊接的生產率依賴于電容器的充電速度，可以達到8個/分鐘（手工焊），60個/分鐘（自動焊）。
    電容放電螺柱焊有拉弧式和引弧梢式兩種。拉弧式電容放電螺柱焊類似于拉弧式短周期電弧螺柱焊，其焊接時間約3～10ms，見表1。引弧梢式電容放電螺柱焊的特點是欲焊螺柱的端面有一引弧尖梢，它又分為接觸式和間隙式兩種。接觸式螺柱焊的焊接時間≤3ms，而間隙式螺柱焊的焊接時間大約1ms。采用間隙式電容放電螺柱焊，即使焊接鋁及其合金也可以不用氣體保護。電容放電螺柱焊的焊接時間都是不可調節的。
    電容放電螺柱焊的焊接能量依賴于電容器的電容量和充電電壓，可按下式進行計算：
    W= CU2 （1）
    式中：W?焊機的額定儲存能量，J；
    C?電容器組的總電容量， F；
    U?充電電壓，V。
    電容放電螺柱焊的焊接電流的峰值約為1000～10000A，這依賴于電容器的電容量、充電電壓和焊接回路的電感和電阻。從安全方面考慮，充電電壓一般不超過200V。
    電容放電螺柱焊機都應設有限流保護裝置或恒流充電裝置以及自動放電裝置，以保護人身和設備的安全。

    1.3 焊接極性
    一般地講，焊接黑色金屬時，應采用“直流正接”，即螺柱（焊槍）接焊接電源的負極，工件接正極，這樣可以增加熔深。因為焊接時，陽極的溫度高于陰極的溫度。若焊接銅、鋁及其合金時，則應“直流反接”，即螺柱接正極，工件接負極。這樣可以利用正離子的轟擊霧化作用，清除工件表面的氧化層，提高焊接質量。使用電弧螺柱焊機或電容放電螺柱焊機焊接時，其極性都應如此。

    2.電弧螺柱焊的焊接工藝參數
    電弧螺柱焊的焊接工藝參數有焊接電流、焊接電壓、焊接時間、提升高度、伸出長度、插入速度等。
    a、焊接電流主要根據螺柱的直徑進行調節，大約為300～3000A。對于非合金鋼，在已知螺柱直徑d時，可以用下式估算焊接電流2）：
    I（A）=80×d（mm） d≤16mm （2）
    I（A）=90×d（mm） d＞16mm （3）
    對于合金鋼，其焊接電流大約比上式計算值少10％。
    短周期電弧螺柱焊的焊接電流（600～1500A）與電源有關，是固定的，因此，焊接能量僅依賴于焊接時間。
    b、電弧電壓與焊接電流的關系是由焊接電源的靜外特性決定的。電弧電壓主要取決于提升高度和焊接電流，其值一般為20～40V。焊接時，工件表面上的油或油脂會增加弧壓，而惰性氣體則會降低電弧電壓。
    c、對于平焊（工件焊接平面平行于地平面），其焊接時間可用下式進行估算：
    tw（s）=0.02×d（mm） d≤12mm （4）
    tw（s）=0.04×d（mm） d ＞12mm （5）
    對于橫焊（工件焊接平面垂直于地平面），其焊接時間應該減小。短周期焊接時間小于100ms，這不僅依賴于螺柱直徑，而且還與電流強度有關。
    d、焊柱的提升高度正比于螺柱的直徑，大約為1.5～7mm。提升高度主要是為了防止熔滴過渡時造成短路而影響電弧的穩定性及焊縫質量。維持電弧的穩定，為焊接提供足夠的能量至關重要。因為弧柱的溫度遠比陽極或陰極的溫度要高。穿透焊接時，要加大提升高度，利用電弧的高溫迅速燒穿鍍鋅板，以獲得滿意的接頭。當然增加提升高度也有害處，一方面會增加電弧的長度，使之更易受磁場的影響，發生磁偏吹；另一方面也會增加焊縫的氣孔。
    e、螺柱的伸出長度正比于螺柱的直徑，一般為1～8mm。當使用瓷環對熔池進行保護時，也與要求的焊縫四周焊腳的形狀有關。當要求周邊的焊腳高而寬時，螺柱的伸出長度應該增加，反之則可以減小。
    螺柱的伸出長度實際上是螺柱的熔化長度。此值若設計的過長，在螺柱提升后螺柱端面與工件之間的距離過短，使之無法形成穩定的電弧，造成大量的金屬飛濺并出現夾渣缺陷；反之若螺柱伸出長度過短，金屬熔化量不足，其焊縫成型肯定不良。
    f、螺柱插入熔池是采用擠壓的方式，在焊縫成型前的瞬間將熔化的有害物質擠出焊縫，以便形成良好的焊接接頭。但插入速度又不可太快，以防止形成大量的噴濺。螺柱的插入速度，當螺柱的直徑d≤14mm時，大約為200mm/s；當d ＞14mm時，為100mm/s。

    焊槍一般都帶有可調節的阻尼裝置，以滿足上述要求。螺柱焊接時，金屬的熔化量正比于伸出長度和螺柱的直徑，因此大直徑螺柱焊接時，因金屬熔化量多，應該調低螺柱的插入速度，以減小這種噴濺。
    焊接電流、 焊接時間、提升高度和伸出長度是電弧螺柱焊的四個主要焊接工藝參數，應根據螺柱的直徑，工件的材質進行設定。對于同一螺柱直徑的焊接，使用不同廠家制造的焊接設備，其焊接工藝參數也不盡相同，因此應進行多次試焊，并對焊縫的外觀和成型、螺柱焊后高度和力學性能（拉伸、錘擊、彎曲、扭力等）評定后，才能選定一組最佳的工藝參數進行焊接。

    3.電弧的磁偏吹
    由于鋼結構的不對稱性和接地鉗固定點不合理等諸多因素，造成螺柱焊接處附近的磁場分布不均勻，使電弧四周受到的電磁力不平衡，因而產生電弧的磁偏吹現象，致使螺柱四周的焊縫不對稱，這在大直徑螺柱焊或穿透焊時，由于提升高度較大，因而更容易出現。焊后檢查如發現焊縫四周不均勻，或某邊根本沒有焊肉，或某邊焊縫有大量氣孔，則應懷疑是磁偏吹造成的，解決的辦法有：
    a、 設置雙接地鉗，使焊點盡量在兩接地鉗的中央，如圖1a1。
    b、 試著改變接地鉗的位置，如圖1b1。
    c、 設置臨時的導磁板，以減少冗余物的影響，或去掉另一邊接地鉗，如圖1C1、圖1C2。
    d、 將焊接電源的輸出電纜線饒焊接點一周。



    4、栓釘穿透焊
    栓釘穿透焊是“鋼?混凝土組合樓蓋板結構”施工中的一項新技術，而且在大型“鋼?混凝土結構”建筑中的應用是越來越廣泛。所謂栓釘穿透焊是指栓釘（焊釘）通過“鍍鋅板”焊接在工件（鋼梁）上，并與鍍鋅板熔為一體。栓釘如何通過鍍鋅板？有兩種方法：
    ① 先在鍍鋅板的焊接部位打（沖）孔，然后再將栓釘焊接在工件上。這種方法的優點是焊接質量容易得到保證，缺點是比較費工費時。國外使用這種方法的較多。
    ② 用電弧將鍍鋅板燒穿，而后將栓釘焊接在工件上。這種方法的優點是鍍鋅板穿孔和栓釘焊接一氣呵成，簡單省時，但有一系列技術問題急待解決，否則其焊接質量很難保證。這些技術問題有：
    A、與非穿透焊相比，要燒穿鍍鋅板就必須附加能量，因此應適當增加焊接電流和焊接時間，否則就會出現未完全熔化的現象。但是如果焊接電流過大也會產生咬邊、夾渣等缺陷。
    B、穿透鍍鋅板靠的是穩定的電弧，因此要加大伸出長度和提升高度，特別是鍍鋅板與工件之間的間隙較大時更應如此。鍍鋅板與工件之間的間隙按焊接工藝要求應小于1mm，但施工中這一要求很難保證。大的間隙固然可以用機械夾緊的辦法予以減小，但實施起來并不容易。成都斯達特焊接工程部根據多年的施工經驗，按照上述原則而制訂的焊接工藝，有效地解決了這一難題，成功地應用到“蘇州國際博覽中心”近30萬顆φ19×150（120）mm栓釘的穿透焊接（圖2）。

    C、鋅的熔點約為420℃，汽化溫度為908℃。在栓釘穿透焊時，高溫電弧約為3000～4000℃，使鍍鋅板上的鋅迅速汽化和氧化，在焊縫中產生大量的氣孔；鋅在焊縫中產生的低熔點共晶體可形成熱裂紋，這些缺陷都嚴重影響焊接質量。雖然焊接結束時，通過栓釘的擠壓將這些有害物質排出，但要做到完全排凈也決非易事。建議在栓釘穿透焊時適當增加栓釘的插入速度，甚至不用焊槍的阻尼裝置（視具體情況而定），對排除這些有害物質，提高焊縫的質量是非常有效的。
    D、鑒于上述情況，栓釘穿透焊時應選用壁厚和排氣孔均已加大的“栓釘穿透焊專用瓷環”，以防因熱沖擊而破碎和排氣不暢。
    E、栓釘穿透焊的焊接質量的好壞，除了焊接工藝參數的合理設定和正確的操作外，還與組合樓蓋板的施工質量有很大的關系，如上述已提到的鍍鋅板與鋼梁之間的間隙以及兩者之間是否有夾渣和鋼梁上的涂層等。鋼梁上的涂層是防腐的需要，但對于穿透焊而言，盡量使用碳氮化鉛類防腐涂料，避免使用紅丹防腐涂料和紅丹鋅黃涂料，而且焊接部位的涂層不應太厚。如果忽視螺柱焊接的這些特殊要求，“生米做成熟飯”，硬要焊工在現場解決這些難題，保證焊接質量，是極不現實的。解決的唯一辦法是把螺柱焊接的這些特殊要求納入組合樓蓋板的設計和施工中去。栓釘穿透焊是個系統工程，只有設計、施工、焊接等諸方面的共同努力，才能獲得符合要求的高質量的焊接接頭。

    5、我國螺柱焊接技術的現狀分析
    據不完全統計，我國目前螺柱焊機生產廠家只有幾家，但能生產系列產品的僅有一家。電容放電螺柱焊機有RSR1-630、1250、1600、2500、3150，可焊φ3～12mm螺柱；電弧螺柱焊機有RSN1-630、1000、1600、RSN2-2500、3150，可焊φ3～30mm螺柱（焊釘）。這些焊接設備基本上能滿足手工螺柱焊的市場需求。我國生產的電容放電螺柱焊機的技術性能和可靠性已與進口產品不相上下，有些指標甚至優于進口產品，例如電容充電時間已達到2s，而進口產品大多為4s。所以有些用戶已由購置進口產品轉而使用國產焊機。但從總體上看，我國螺柱焊接技術與國外相比，仍有不少差距。

    5.1 國產電弧螺柱焊機的額定最大焊接電流達3150A，可焊φ30mm栓釘，居世界前列。這類焊機與進口產品相比，其焊接電源都是用晶閘管控制，并可連續調節焊接電流。從調節和穩流性能以及可靠性方面考核，差別不大。國內還有兩家是用電阻降壓的方法分檔調節焊接電流，屬于落后產品。在控制方面，進口產品都是用微機控制的，而國內則處于研發階段，還未正式上市。至于焊槍，進口產品壽命較長，設有阻尼裝置。另外，進口產品都采用H級絕緣，因而相對體積小、重量輕，但效率較低。總之，進口焊機在控制、焊槍、體積重量、外觀質量等方面優于國產焊機，但價格也不菲，近似是國產焊機的3倍。

    5.2 自動螺柱焊接設備主要應用在汽車行業。汽車上的螺柱焊接有以下要求：
    a、螺柱是具有特殊結構的標準螺柱（M3～M8）；
    b、要可靠焊接在厚0.7～1mm的鍍鋅（15～25μm）鋼板上；
    c、要高節奏的自動焊接，并具有焊接質量的重現性；
    d、主機應有多路輸出接口，以便配備送料機和焊槍，以實現在不同工位焊接不同直徑的螺柱。短周期電弧螺柱焊和拉弧式電容放電螺柱焊能滿足上述要求，因而在汽車行業得到了廣泛應用。前者螺柱焊接的強度要高于后者。在國內，目前自動螺柱焊接設備多處于開發階段，已成功應用到汽車焊接生產線上的并不多，所以自動螺柱焊接設備的國內市場，基本上由進口產品壟斷。

    5.3 我國螺柱焊接技術與國外的差距還表現在焊接工藝的研究方面，當前最急需開展“栓釘穿透焊、栓釘橫焊和仰焊”的工藝研究。這幾項焊接工藝，不僅關系到栓釘的焊接合格率，而且還涉及到螺柱焊接能否在更大范圍內推廣應用。成都斯達特焊接研究所對栓釘穿透焊做了些研究工作，并正進行栓釘的橫焊研究。一般認為，能夠橫焊和仰焊的栓釘直徑應≤16mm，但橋梁和高架橋的橋墩、高層建筑和大型體育場館的立柱、大型碼頭地腳錨固件等需要大量φ≥19mm的栓釘橫焊。因此大直徑栓釘的橫焊工藝研究具有重要的現實意義。

    5.4 要在國內推廣普及螺柱焊接技術，除了焊接設備和焊接工藝外，還應制訂相應的標準和生產配套的螺柱、焊釘和瓷環。當前最急需將ISO13918、ISO14555轉化為我國標準，并盡快制訂“螺柱焊接工藝”標準，以便統一螺柱焊接工藝、質量檢驗和工程驗收。

    6 螺柱焊接技術的發展趨勢
    螺柱焊接技術的今后發展趨勢主要是擴大應用范圍、提高螺柱焊接自動化水平和焊接設備的更新換代。其中硬件的發展是關鍵，即將晶閘管控制的焊接電源升級為逆變式焊接電源。目前逆變使用的開關元件有快速晶閘管和IGBT兩種。前者的逆變頻率較低，幾kHZ，但輸出功率較大；后者頻率較高，十幾kHZ，但輸出功率較低。從電源的動特性、體積重量等方面考慮，IGBT應該是發展方向。目前已投入使用的逆變式螺柱焊接電源的輸出電流約1000A，可焊φ12mm的螺柱，主要應用在汽車行業。
    至于焊槍的發展方向，則是電子控制。目前國內外焊槍大多是通過彈簧的伸縮來控制螺柱的升降，其可控性是相當有限的。如果采用步進電機或伺服電機控制，就可按工藝要求精確地控制螺柱的運動，焊接質量更能得到保證。特別是橋梁維修所需的大直徑超長的異型棒狀焊釘的平焊、橫焊和仰焊，則非使用這種先進的焊槍不可。事實上，有些國家已研制成功這種焊槍，并已應用到焊接工程上。
    用微機控制的逆變式螺柱焊接設備，不僅能精確設置和記錄、貯存焊接參數，而且還能在焊接過程中適時檢測、顯示，并自動調整焊接參數，以保證焊接質量，重現性極好。相信再過若干年，2500A的這種焊接設備的重量將由現在的幾百公斤大幅度下降，焊機的搬動將更加方便。

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