螺柱焊及螺柱穿透焊工藝的由來(lái)和現(xiàn)狀 螺柱焊起于上世紀(jì)30年代，首先在造船工業(yè)裝修中應(yīng)用，到50~60年代發(fā)達(dá)國(guó)家在鋼結(jié)構(gòu)工程中開(kāi)始應(yīng)用，70年代應(yīng)用范圍和行業(yè)逐漸增加，鍋爐、壓力容器、汽車、造船、金屬結(jié)構(gòu)中 ...
螺柱焊及螺柱穿透焊工藝的由來(lái)和現(xiàn)狀
    螺柱焊起于上世紀(jì)30年代，首先在造船工業(yè)裝修中應(yīng)用，到50~60年代發(fā)達(dá)國(guó)家在鋼結(jié)構(gòu)工程中開(kāi)始應(yīng)用，70年代應(yīng)用范圍和行業(yè)逐漸增加，鍋爐、壓力容器、汽車、造船、金屬結(jié)構(gòu)中的大量應(yīng)用。我國(guó)80年代在成都第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)螺柱焊機(jī)問(wèn)世，并通過(guò)機(jī)電部鑒定。90年代初國(guó)產(chǎn)RSR電容貯能螺柱焊機(jī)已成系列，解決了M2—M8螺柱的焊接問(wèn)題，90年代中期研制成功RSR系列螺柱焊機(jī)，滿足2~30 mm的螺柱焊接問(wèn)題。隨著鋼結(jié)構(gòu)防火耐熱要求的提高，螺柱焊技術(shù)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，對(duì)異種鋼的焊接取得了成功，目前國(guó)內(nèi)有關(guān)單位正在攻克螺柱焊的另外二大難關(guān)，即橫立焊和仰焊。不斷地向國(guó)內(nèi)外行業(yè)領(lǐng)先的地位進(jìn)軍。
螺柱穿透焊是伴隨著鋼—混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展而推廣起來(lái)的，作為鋼—混凝土聯(lián)結(jié)件的栓釘對(duì)結(jié)構(gòu)發(fā)揮兩種作用，一是承受鋼—混凝土結(jié)構(gòu)的水平剪切力，二是防止鋼—混結(jié)構(gòu)垂直剝離的抗翹作用。抗剪釘主要用于鋼筋混凝土柱，梁及樓板的抗剪，特別是大跨度鐵路橋梁，市政公路高架橋、高承載力鋼結(jié)構(gòu)建筑等。在多層鋼結(jié)構(gòu)組合樓板施工中，經(jīng)常是安裝鋼結(jié)構(gòu)柱梁，在鋪設(shè)壓型鋼板后進(jìn)行螺柱焊施工。在壓型鋼板鋪設(shè)時(shí)，為提高其支承剛度，通常采用多跨連接布置方式。因此，大量的螺柱需在壓型鋼板上引弧并穿透壓型鋼板焊接于梁上，這種方法就叫“螺柱穿透焊”工藝。 穿透焊和非穿透焊的區(qū)別在于支撐梁與螺柱端部之間增加了壓型鋼板的隔離層，使螺柱端部無(wú)法與鋼梁表面直接接觸，由于壓型板隔離層的存在，形成了許多焊接工藝上無(wú)法控制的因素，致使焊接質(zhì)量得不到保證。
螺柱焊優(yōu)點(diǎn)
    電弧螺柱焊（以下簡(jiǎn)稱螺柱焊）是焊接學(xué)科的一個(gè)分支，也是目前各國(guó)工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的連接和裝配方式，這種工藝具有三大優(yōu)越性：
（1）同焊條電弧焊對(duì)比，可實(shí)現(xiàn)全截面的焊接，焊條電弧焊只能實(shí)現(xiàn)角焊縫，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，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)（國(guó)內(nèi)目前已出現(xiàn)電容式貯電螺柱充電時(shí)間2s
的焊機(jī)。即：1個(gè)/2s達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平）。
（3）具有高質(zhì)量的再現(xiàn)性，重復(fù)性強(qiáng)。

螺柱焊簡(jiǎn)介
    將金屬螺柱或類似的其他金屬緊固件（栓、釘?shù)龋┖傅焦ぷ鳎ㄒ话銥榘寮┥先サ姆椒ń凶雎葜?，通常用英文?jiǎn)稱SW（STUD WELDING）表示。螺柱焊可以代替鉚接或鉆孔螺絲緊固等。它廣泛應(yīng)用于汽車、造船、機(jī)車、航空、機(jī)械、鍋爐、化工設(shè)備、變壓器及大型建筑結(jié)構(gòu)等行業(yè)。
    實(shí)現(xiàn)螺柱焊接的方法有電阻焊、摩擦焊、爆炸焊及電弧焊等多種，這里指的是電弧法螺柱焊（STUD ARC WELDING）。電弧法螺柱焊在使用設(shè)備及焊接技術(shù)方法上有其特殊性，而其他螺柱焊接方法均采用傳統(tǒng)設(shè)備，僅僅焊接夾具有所改變，例如：電阻法螺柱焊其實(shí)就是電阻焊中的T形焊，是凸焊的一種。
電弧法螺柱焊又可根據(jù)其所用焊接電源不同而分為三種基本形式：
    第一種是穩(wěn)定電弧螺柱焊，螺柱端部與工件表面之間產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧過(guò)程，電弧作為熱源在工作上形成熔池，同時(shí)螺柱端被加熱形成熔化層，在壓力（彈簧等機(jī)械壓力）作用下將螺柱端部浸入熔池，并將液態(tài)金屬全部或部分?jǐn)D出接頭之外，從而形成再結(jié)晶的塑性連接或再結(jié)晶與重結(jié)晶混合連接接頭。這種螺柱焊的電源一般是弧焊整流器（可控整流或不控整流）、焊接逆變器或直流弧發(fā)電機(jī)，即普通弧焊電源就可以。穩(wěn)定電弧螺柱焊通常稱作電弧螺柱焊（ARC STUD WELDING），也有資料稱作標(biāo)準(zhǔn)螺柱焊。電弧螺柱焊的電弧放電是持續(xù)而穩(wěn)定的電弧過(guò)程，焊接電流不經(jīng)過(guò)調(diào)制，焊接過(guò)程中焊接電流基本上是恒定的。
    第二種是不穩(wěn)定電弧螺柱焊，與上述方法不同之處在于供電電源是電容器組，電容器在螺柱端部與工作表面間的放電過(guò)程是不穩(wěn)定的電弧過(guò)程，即電弧電壓與電弧電流瞬時(shí)在變化著，焊接過(guò)程是不可控的。這種穩(wěn)定電弧螺柱焊通常稱作電容放電螺柱焊或電容儲(chǔ)能螺柱焊，有些資料亦稱作尖端放電螺柱焊。
    第三種電弧法螺柱焊的基本形成是電弧電流經(jīng)過(guò)波形控制的電流螺柱焊，通常稱作短周期螺柱焊（SHORT CYCLE STUD WELDING）或短時(shí)間螺柱焊（SHORT TIME STUD WELDING）也有資料稱作行程式螺柱焊，這種螺柱焊的電源一般情況下是兩個(gè)并聯(lián)的電源先后給電弧供電，可以是兩個(gè)弧焊整流器，也可是整流器加電容器組，只有采用逆變器作電源時(shí)可以不用雙電源。短周期螺柱焊采用逆變器或雙整流作電源時(shí)的電弧過(guò)程是階段穩(wěn)定的電弧過(guò)程，當(dāng)雙電源中含有電容器組時(shí)，電容放電產(chǎn)生的電弧過(guò)程仍然是不穩(wěn)定的。
    三種基本方法各有不同的特點(diǎn)及不同的最佳應(yīng)用領(lǐng)域。但也有共同之處，即為了保證接頭質(zhì)量都要求螺柱浸入熔池，熄弧后仍然保留幾毫秒帶電（短路電流）加壓時(shí)間，這和電阻對(duì)焊中的有電頂鍛的概念是一致的。
本章僅介紹在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)大量使用的電弧螺柱焊焊接接過(guò)程
（1）焊接過(guò)程 電弧螺柱焊電弧發(fā)生與焊條電弧焊時(shí)焊條的引弧原理是相同的，都是短路提升引弧。不同的是螺柱被夾持在焊槍的夾頭上，操作者將焊槍的支撐架定位螺柱與工件短路點(diǎn)。焊槍中的磁力提升機(jī)構(gòu)使螺柱上升引弧。當(dāng)提升機(jī)構(gòu)的電磁鐵釋放時(shí)，彈簧加壓使螺柱浸入熔池，斷電冷卻形成接頭。螺柱提升高度即螺柱的行程是在焊槍中焊前調(diào)定的。電弧螺柱焊的焊接過(guò)程示意圖如圖1所示。


（2）保護(hù)瓷環(huán) 電弧螺柱焊的焊接加熱過(guò)程是穩(wěn)定的電弧燃燒過(guò)程，像有保護(hù)的普通電弧焊（藥皮焊條弧焊、埋弧焊及氣體保護(hù)焊）一樣，為防止空氣侵入熔池惡化接頭質(zhì)量而要求保護(hù)，電弧螺柱焊可以采用氣保護(hù)，一般采用氬氣，像GTAW焊一樣由氬氣通過(guò)噴嘴形成圍繞電弧的保護(hù)罩，因?yàn)槁葜覆淮嬖谌鄣芜^(guò)渡以及接頭基本上是塑性連接，熔池沒(méi)有冶金過(guò)程，所以不采用CO2氣。也可以采用渣保護(hù)，在螺柱定位短路后用埋弧焊焊劑埋上焊接區(qū)進(jìn)行引弧焊接，同時(shí)焊劑也可以穩(wěn)弧，和埋弧焊過(guò)程基本一樣，亦只限于可以存住焊劑的平位焊。但大多數(shù)情況（結(jié)構(gòu)鋼螺柱焊）采用陶瓷環(huán)的機(jī)械保護(hù)方法。陶瓷環(huán)也稱作保護(hù)套圈（圖2）其作用是除了防止空氣侵入焊接區(qū)之外，還可以產(chǎn)生熱量集中的效果以及有助于接頭在各種空間位置成形。焊接螺柱被加壓下落將熔池熔化金屬擠出到瓷環(huán)的焊縫成形穴中，由瓷環(huán)控制焊腳形狀，凝固后成為接頭的一部分，所以接頭是由塑性連接及熔化連接兩種連接方式共同完成的焊接過(guò)程。瓷環(huán)保護(hù)圈是一次性消耗材料，焊后自然破碎清除即可，瓷環(huán)市場(chǎng)價(jià)一角錢左右，比采用氬氣保護(hù)焊接成本低得多。


（2）螺柱尺寸 電弧螺柱焊對(duì)螺柱尺寸要求如下：
1）螺柱長(zhǎng)度必須大于20mm才能施焊。螺柱長(zhǎng)度應(yīng)由夾持長(zhǎng)度、瓷環(huán)高度及焊接留量三部分組成。焊接時(shí)套入螺柱的瓷環(huán)一般在10mm左右，焊接留量大約在3~5mm，其余是夾持長(zhǎng)度約5~6mm。所謂焊接留量是指螺柱視在長(zhǎng)度與焊后工件表面到螺柱上端長(zhǎng)度的差值，差值是由于焊接熔化、插入熔池及加壓時(shí)塑性變形共同縮短的量。在設(shè)計(jì)螺柱長(zhǎng)度時(shí)必須考慮預(yù)留這段長(zhǎng)度，所以叫做焊接留量。
2）螺柱直徑一般得大于6mm，小于30mm，否則焊接難度增大甚至難以采用電弧螺焊接方法。
3）螺柱端部應(yīng)加工成錐形，錐度按專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，允許偏差較大。加工成錐形是為了便于短路引弧，短路通電時(shí)電流線集中，提升引弧時(shí)熱電離及熱發(fā)射在電弧發(fā)生過(guò)程起更大的作用。有時(shí)在錐端鑲嵌或涂敷鋁的氧化物作為引弧劑，當(dāng)焊接電流強(qiáng)度選得較大時(shí)可以不用引弧劑。
螺柱焊機(jī)的分類
概要: 螺柱焊機(jī)分為電弧螺柱焊機(jī)和電容放電螺柱焊機(jī)兩大類，前者以弧焊整流器作為電源進(jìn)行焊接，后者則以電容器貯存的能量瞬間放電而進(jìn)行焊接。兩種焊接方式的特點(diǎn)及應(yīng)用情況見(jiàn)表1。 表1 電弧螺柱焊和電容放電螺柱焊 ...

螺柱焊機(jī)分為電弧螺柱焊機(jī)和電容放電螺柱焊機(jī)兩大類，前者以弧焊整流器作為電源進(jìn)行焊接，后者則以電容器貯存的能量瞬間放電而進(jìn)行焊接。兩種焊接方式的特點(diǎn)及應(yīng)用情況見(jiàn)表1。

表1 電弧螺柱焊和電容放電螺柱焊的特點(diǎn)
焊接方式 焊接時(shí)間tw ms 可焊螺柱直徑d mm 焊接電流I A 保護(hù)方式最低板厚
電弧螺柱焊 瓷環(huán)保護(hù) ＞100 3～25 300～3000 瓷環(huán) 1/4d但不能小于1mm
氣體保護(hù) ＞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(hù)或氣體保護(hù) 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(hù) 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(jī)

電弧螺柱焊機(jī)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(shù)焊接設(shè)備的焊接電源都與控制器合并為一體，稱為主機(jī)。比較先進(jìn)的控制方式是使用微處理器，以便精確設(shè)置和適時(shí)控制焊接過(guò)程中的焊接電流、焊接時(shí)間等參數(shù)。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(dòng)特性好，無(wú)疑是焊機(jī)的首選，但受大功率器件的限制，所以目前大容量的焊機(jī)還是以晶閘管控制的弧焊整流器為主。但不論那種結(jié)構(gòu)的焊接電源，其安全要求都應(yīng)符合GB15579的規(guī)定。用于螺柱焊的直流焊接電源應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

a、焊接電源應(yīng)具有下降的靜外特性。只有這樣才能維持電弧的穩(wěn)定性，保證焊接質(zhì)量。

b、焊接電源應(yīng)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(duì)于大直徑的螺柱焊接，其空載電壓甚至超過(guò)100V。只有這樣才能滿足提升高度較大時(shí)的需求。

c、要有較高的負(fù)載電壓。按弧焊電源下降特性的定義，當(dāng)焊接電流≥600A時(shí)，其負(fù)載電壓應(yīng)保持44V不變。在施工現(xiàn)場(chǎng)使用的焊機(jī)，其焊接電纜較長(zhǎng)，有的長(zhǎng)達(dá)50m，電壓降很大。如果不增加負(fù)載電壓加以補(bǔ)償，就勢(shì)必會(huì)降低其焊接能力，若不按照ISO14555規(guī)定配制焊接電纜的截面積，情況就會(huì)更加嚴(yán)重，甚至無(wú)法焊接。這就是為什么不同廠家制造的同一電流等級(jí)的焊機(jī)，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(diǎn)是瞬間大電流，因此要求焊接電源在接通后的32ms之內(nèi)，焊接電流應(yīng)達(dá)到其峰值。對(duì)于短周期螺柱焊而言，其焊接電流的上升時(shí)間應(yīng)該更短，否則就有可能出現(xiàn)焊接時(shí)間已到，但焊接電流還沒(méi)有達(dá)到其峰值的現(xiàn)象。設(shè)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(zhì)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(shí)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(shè)定的引弧、螺柱提升、接通主電源等邏輯順序進(jìn)行的。也就是說(shuō)，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(shí)的飛濺。其實(shí)螺柱焊的最大“飛濺”是發(fā)生在螺柱壓入熔池時(shí)，瞬間發(fā)生的噴濺物。

通過(guò)試驗(yàn)已經(jīng)證明：三相全波硅整流電源（紋波系數(shù)γ＝0.042），即使沒(méi)有濾波電抗器，照樣可以進(jìn)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(jié)構(gòu)和電流調(diào)節(jié)范圍而定。

e、電源要有較小的內(nèi)阻抗。焊接電源的主電路的電氣絕緣，采用H級(jí)耐熱等級(jí)與B級(jí)相比，具有體積小重量輕的優(yōu)點(diǎn)，倍受人們的推崇。但深入分析后發(fā)現(xiàn)，也并非完美無(wú)缺。GB11021規(guī)定：H、B級(jí)耐熱等級(jí)的最高溫度分別為180℃和130℃，H級(jí)比B級(jí)允許的溫度約高40％。也就是說(shuō)，在主電路設(shè)計(jì)時(shí)，其線圈的電流密度可以大幅度提高，以減小導(dǎo)線的截面積。隨之而來(lái)的是導(dǎo)線的電阻，也即電路的阻抗增加。這對(duì)于大電流焊接的螺柱焊機(jī)而言，則是致命的缺點(diǎn)。假如焊接電源主電路的絕緣由B級(jí)改為H級(jí)，次級(jí)回路所有導(dǎo)線截面積的減小而導(dǎo)致總電阻的增加那怕只有0.006Ω，按2500A焊接電流計(jì)算，其增加的功耗為37.5kw，再加上主變壓器初級(jí)增加的功耗，則是相當(dāng)可觀的。焊接電源主電路的功耗增加，勢(shì)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(jià)。也就是說(shuō)，焊接同一直徑的螺柱，H級(jí)比B級(jí)絕緣的焊機(jī)需要更高的功率才能達(dá)到同一效果，效率明顯下降。國(guó)產(chǎn)RSN2-3150電弧螺柱焊機(jī)，B級(jí)絕緣，能焊接d=30mm的焊釘，這是同等級(jí)的H級(jí)絕緣的電弧螺柱焊機(jī)無(wú)法達(dá)到的。

f、供電的電源柜（箱）應(yīng)有足夠的容量，電弧螺柱焊機(jī)的負(fù)載持續(xù)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(shí)，瞬間功率甚至超過(guò)300kw，這就要求供電的電源柜（箱）應(yīng)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(shí)，電源電壓的降低達(dá)到其額定值的15％以下，超過(guò)了晶閘管的調(diào)壓穩(wěn)流的范圍，就很難保證焊接質(zhì)量，有些焊機(jī)甚至按照已設(shè)定的電源電壓限值強(qiáng)迫停機(jī)。架設(shè)專線，提高電源柜（箱）的容量或錯(cuò)開(kāi)用電高峰是解決問(wèn)題的好辦法。

1.2 電容放電螺柱焊機(jī)

電容放電螺柱焊的特點(diǎn)是時(shí)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(yè)應(yīng)用很廣。電容放電螺柱焊不用氣體保護(hù)，操作也比較簡(jiǎn)單，很適合自動(dòng)化生產(chǎn)線的要求，所以這種焊接技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車焊接生產(chǎn)線。螺柱焊接的生產(chǎn)率依賴于電容器的充電速度，可以達(dá)到8個(gè)/分鐘（手工焊），60個(gè)/分鐘（自動(dòng)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(shí)間約3～10ms，見(jiàn)表1。引弧梢式電容放電螺柱焊的特點(diǎn)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(shí)間≤3ms，而間隙式螺柱焊的焊接時(shí)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(hù)。電容放電螺柱焊的焊接時(shí)間都是不可調(diào)節(jié)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(jìn)行計(jì)算：

W= CU2 （1）

式中：W—焊機(jī)的額定儲(chǔ)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(guò)200V。

電容放電螺柱焊機(jī)都應(yīng)設(shè)有限流保護(hù)裝置或恒流充電裝置以及自動(dòng)放電裝置，以保護(hù)人身和設(shè)備的安全。

1.3 焊接極性

一般地講，焊接黑色金屬時(shí)，應(yīng)采用“直流正接”，即螺柱（焊槍）接焊接電源的負(fù)極，工件接正極，這樣可以增加熔深。因?yàn)楹附訒r(shí)，陽(yáng)極的溫度高于陰極的溫度。若焊接銅、鋁及其合金時(shí)，則應(yīng)“直流反接”，即螺柱接正極，工件接負(fù)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(zhì)量。使用電弧螺柱焊機(jī)或電容放電螺柱焊機(jī)焊接時(shí)，其極性都應(yīng)如此。