螺柱焊机及其焊接工艺的发展历史

所谓螺柱焊是指在金属或类似金属件的端面与另一个金属工件的表面之间产生电弧，当接合面熔化时迅速施加压力，完成焊接的方法。

螺柱焊方法起源于1918年，由于这种新型焊接技术具有速度快、可靠、简化工艺、降低成本等一系列优点，引起了世界各国的广泛关注。 经过不断改进和完善，特别是二次世界大战后得到迅速发展，现已广泛应用于桥梁、公路、房屋建筑、造船、汽车、电站、电气控制柜等行业。 可焊接低碳钢、不锈钢、低合金钢、铜、铝及其合金制成的螺柱、焊钉、销钉、钉子等。 据报道1），日本圆柱头焊钉（螺栓）年焊接量为6000万颗，异形杆焊钉年焊接量为300万颗。 由此可见螺柱焊在日本钢结构建筑中的应用规模。 近年来，我国经济建设快速发展，使用螺柱焊的领域越来越广泛。 因此，有必要对螺柱焊技术和焊接工艺进行深入研究，以提高焊接质量，推广该焊接技术。 螺柱焊技术发展到今天，在西方发达国家已成为一种基本的热加工方法。 螺柱（焊钉）的焊接约有80%是由螺柱焊机完成的。 1986年，我国在成都试制成功第一台螺柱焊机。 至于螺柱焊技术的应用，是在20世纪90年代才逐渐开展的，至今只有20年左右的历史。 因此，无论是焊接设备还是焊接设备，螺柱焊在我国仍然是一个新兴行业。 工艺与国外还有很多差距。 分析这一差距并逐步缩短直至赶上世界水平，是我国螺柱焊行业的神圣使命。

1、螺柱焊机的分类

螺柱焊机分为两类：电弧螺柱焊机和电容放电螺柱焊机。 前者采用弧焊整流器作为电源进行焊接，后者则利用电容器储存的能量瞬间放电进行焊接。 两种焊接方法的特点及应用如表1所示。

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 可焊接螺柱直径 d mm 焊接电流 IA 保护方式最小板厚

电弧螺柱焊瓷环防护＞100 3～25 300～3000 瓷环1/4d但不小于1mm

气体保护＞100 3～16 300～3000 气体1/8d但不小于1mm

短周期焊接 ≤100 3～12 ≤1500 无保护或气体保护 1/8d但不小于0.6mm

拉弧电容放电螺柱焊<10 3～10 ≤3000（峰值） 无保护1/10d但不小于0.5mm

注：最小板厚是指避免烧穿的厚度。

1.1 电弧螺柱焊机

电弧螺柱焊机由焊接电源、控制器、焊枪、接地夹、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集成在一起，称为上位机。 更先进的控制方法是利用微处理器精确设定并及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或逆变弧焊整流器。 逆变弧焊整流器体积小、重量轻、动态特性好。 它们无疑是焊接机的首选。 但由于大功率器件的限制，目前大容量焊机仍以晶闸管控制的弧焊整流器为主。 但无论焊接电源的结构如何钢结构自动焊接设备，其安全要求均应符合GB15579的规定。 螺柱焊用直流焊接电源应具有以下特点：

A。 焊接电源应具有降低的静态外部特性。 只有这样才能保持电弧的稳定性，保证焊接质量。

b. 焊接电源应具有引弧电流（40~50A）和高空载电压（70~100V）。 为保证100%引弧成功率，对于大直径螺柱焊接，空载电压甚至超过100V。 只有这样才能满足大提升高度的需求。

C。 需要更高的负载电压。 根据弧焊电源压降特性的定义，当焊接电流≥600A时，负载电压应保持在44V不变。 建筑工地使用的电焊机焊接电缆很长，有的长达50m，电压降很大。 如果不提高负载电压进行补偿，其焊接能力必然会下降。 如果焊接电缆的截面积不按照ISO14555规定准备，情况会更加严重，甚至可能无法进行焊接。 这是不同厂家生产的相同电流等级的焊机焊钉最大直径存在较大差异的主要原因之一。

d. 焊接电流必须具有急剧的上升沿。 螺柱焊的最大特点是瞬间大电流，因此要求焊接电流在焊接电源接通后32ms内达到峰值。 对于短周期螺柱焊，焊接电流的上升时间应较短，否则可能焊接时间已到，但焊接电流尚未达到峰值。 如果设定的焊接电流与螺柱焊获得的能量不成正比，则难以保证焊接质量。

提高焊接电流上升速度的唯一方法是减小电抗器的电感。 普通弧焊整流器之所以需要增加电抗器，是因为除了滤波之外，还必须限制短路电流的上升速度和短路电流的峰值，以减少引弧时的冲击电流，减少飞溅和电弧坑，避免烧穿。 人工制品。 螺柱焊则不同。 按照设定的引弧、螺柱举升、接通主电源的逻辑顺序进行。 也就是说，当螺柱与工件之间有一定间隙时，主焊接电源就打开，从而避免引弧时飞溅。 事实上，螺柱焊接中最大的“飞溅”是螺柱压入熔池时发生的瞬间飞溅。

试验证明，采用三相全波硅整流电源（纹波系数γ=0.042），即使不加滤波电抗器，仍可进行螺柱焊。 用于螺柱焊的晶闸管控制焊接电源的电抗器只是一个滤波器，因此可以大大减少。 至于减少多少？ 取决于电源的主电路结构和电流调节范围。

e. 电源必须具有较小的内部阻抗。 焊接电源主电路电气绝缘采用H级耐热等级。 与B级相比，具有体积小、重量轻的优点，深受人们好评。 但深入分析后发现，它并不完美。 GB11021规定H级和B级耐热等级的最高温度分别为180℃和130℃。 H级的允许温度比B级高40%左右。 也就是说，在设计主电路时，可以大幅度提高线圈的电流密度，以减小导线的截面积。 随之而来的是导线电阻的增加，即电路的阻抗。 这对于大电流焊接的螺柱焊机来说是一个致命的缺点。 如果将焊接电源主电路的绝缘由B级改为H级，则二次电路中所有导线截面积的减少将导致总电阻仅增加0.006Ω 。 按2500A焊接电流计算，增加的电耗为37.5千瓦，加上主变压器初级增加的电耗，是相当可观的。 焊接电源主电路功耗的增加，必然会降低输出焊接功率，降低焊接能力。 这是尺寸和重量减小所付出的代价。 也就是说，焊接相同直径的螺柱时，H级绝缘焊机需要比B级绝缘焊机更高的功率才能达到同样的效果，效率显着降低。 国产RSN2-3150电弧螺柱焊机，B级绝缘，可焊接d=30mm的焊钉，这是同级H级绝缘电弧螺柱焊机无法实现的。

F。 电源柜（箱）应有足够的容量。 螺柱焊机的负载持续率很低，一般小于15%。 平均消耗功率较低，但瞬时功率很大。 大直径螺钉螺柱焊接时，瞬时功率甚至超过300kw，这就要求电源柜（箱）要有足够的容量，以满足螺柱焊接的要求。 如果电源容量较小，焊接时电源电压下降到其额定值的15%以下，超过晶闸管的调压、稳流范围，就难以保证焊接质量。 有些焊机甚至遵循设定的电源电压限制强制关机。 设置专线、增加供电柜（箱）容量或错峰用电都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。 非常适合薄板的螺柱焊接，广泛应用于造船、汽车、电气控制柜、机柜等行业。 电容放电螺柱焊不需要气体保护，操作也比较简单。 非常适合自动化生产线的要求。 因此，这种焊接技术在汽车焊接生产线上得到了广泛的应用。 螺柱焊的生产率取决于电容器的充电速度，可达到8个/分钟（手工焊）和60个/分钟（自动焊）。

电容放电螺柱焊有两种类型：拉弧式和弧尖式。 拉弧电容放电螺柱焊与拉弧短周期电弧螺柱焊类似，其焊接时间约为3～10ms，见表1。 拉弧尖端电容放电螺柱焊的特点是被焊螺柱的端面有起弧嘴，分为接触式和间隙式两种。 接触螺柱焊的焊接时间≤3ms，而间隙螺柱焊的焊接时间约为1ms。 采用间隙电容放电螺柱焊，即使在焊接铝及其合金时也可以使用气体保护。 电容放电螺柱焊的焊接时间不可调。

电容放电螺柱焊的焊接能量取决于电容器的电容量和充电电压，可按下式计算：

W=CU2(1)

式中：W——焊机额定储能，J；

C——电容器组的总电容，F；

U——充电电压，

电容放电螺柱焊的焊接电流峰值约为1000~10000A，这取决于电容器的电容量、充电电压以及焊接电路的电感和电阻。 出于安全考虑，充电电压一般不超过200V。

电容放电螺柱焊机应设有限流保护装置或恒流充电装置和自动放电装置，以保护人身和设备的安全。

1.3焊接极性一般来说钢结构自动焊接设备，焊接黑色金属时应采用“直流正极接法”，即螺柱（焊枪）接焊接电源负极，工件接正极，可以增加穿透深度。 因为焊接时阳极的温度高于阴极的温度。 焊接铜、铝及其合金时，直流连接应反接，即螺柱接正极，工件接负极。 这样就可以利用正离子的轰击和雾化作用，去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进行焊接时应该出现这种情况。

2、电弧螺柱焊的焊接工艺参数电弧螺柱焊的焊接工艺参数包括焊接电流、焊接电压、焊接时间、提升高度、伸出长度、插入速度等。

A。 焊接电流主要根据螺柱直径调整，约为300~3000A。 对于非合金钢，当螺柱直径d已知时，焊接电流可用下式2)估算： I(A)=80×d(mm) d≤16mm (2)

I(A)=90×d(mm) d＞16mm (3)

对于合金钢，焊接电流比上式计算值约小10%。

短周期电弧螺柱焊的焊接电流（600~1500A）与电源有关，是固定的。 因此，焊接能量仅取决于焊接时间。

b. 电弧电压与焊接电流的关系是由焊接电源的静态外特性决定的。 电弧电压主要取决于提升高度和焊接电流，其值一般为20~40V。 焊接时，工件表面的油或油脂会使电弧电压升高，而惰性气体会降低电弧电压。

C。 对于平焊（工件的焊接平面与地平面平行），焊接时间可按下式估算： tw(s)=0.02×d(mm) d≤12mm (4)

tw(s)=0.04×d(mm) d＞12mm (5)

对于水平焊接（工件焊接平面与地平面垂直），应减少焊接时间。 短周期焊接时间小于100ms，这不仅取决于螺柱直径，还取决于电流强度。

d. 焊柱的提升高度与螺柱直径成正比，约为1.5~7mm。 提升高度主要是为了防止熔滴转移造成短路，影响电弧的稳定性和焊缝质量。 保持电弧的稳定性并为焊接提供足够的能量至关重要。 因为弧柱的温度远高于阳极或阴极的温度。 穿透焊时，增加提升高度，利用电弧的高温快速烧穿镀锌板，以获得满意的接头。 当然，增加举升高度也是有害的。 一方面，它会增加电弧的长度，使其更容易受到磁场的影响，引起磁吹。 另一方面，也会增加焊缝中的气孔。

e. 螺柱的突出长度与螺柱的直径成正比，一般为1～8毫米。 当使用瓷环保护熔池时，还与焊缝周围焊腿所需的形状有关。 当要求周边焊脚又高又宽时，应增大螺柱的伸出长度，反之则可减小。

螺柱的突出长度实际上是螺柱的熔化长度。 如果该值设计太长，则螺柱升起后螺柱端面与工件的距离太短，无法形成稳定的电弧，从而产生大量的金属飞溅和夹渣。缺陷； 反之，如果螺柱延伸长度太短，金属熔化量不足，焊缝肯定成型不良。

F。 通过挤压将螺柱插入熔池中。 熔化的有害物质在焊缝形成前一刻被挤出焊缝，从而形成良好的焊接接头。 但插入速度不宜太快，以防大量飞溅。 当螺柱直径d≤14mm时，螺柱插入速度约为200mm/s； 当d>14mm时，为100mm/s。 焊枪一般都有可调阻尼装置来满足上述要求。 焊接螺柱时，金属熔化量与螺柱的突出长度和直径成正比。 因此，焊接大直径螺柱时，由于金属熔化量较大，应减慢螺柱插入速度，以减少这种飞溅。 。

焊接电流、焊接时间、提升高度和伸出长度是电弧螺柱焊的四个主要焊接工艺参数，应根据螺柱直径和工件材料进行设定。 对于相同螺柱直径的焊接，采用不同厂家生产的焊接设备，焊接工艺参数也不同。 因此，应进行多次试焊，检查焊缝的外观形状、焊后高度和螺柱的力学性能。 （拉伸、锤击、弯曲、扭转等）经过评估后，可以选择一组最佳的工艺参数进行焊接。

3、由于钢结构不对称、接地夹固定点不合理等多种因素造成电弧磁偏转，造成螺柱焊点附近磁场分布不均匀，使电弧周围的电磁力产生偏转。不平衡，从而产生电弧。 磁吹现象导致螺柱周围焊缝不对称，这种现象在焊接大直径螺柱或因提升高度较大而进行渗透焊时更容易出现。 如果焊后检查时发现焊缝周围不平整，或一侧根本没有焊肉，或一侧焊缝存在大量气孔，则应怀疑这是由磁偏转引起的。 解决办法是：a． 设置双接地夹，焊点尽量保持在两个接地夹的中心，如图1a1所示。 b. 尝试改变接地夹的位置，如图1b1所示。 C。 设置临时导磁板以减少多余物体的影响，或拆除另一侧接地夹，如图1C1和图1C2所示。 d. 将焊接电源输出线连接至焊接点一周。

4、螺柱穿透焊螺柱穿透焊是“钢-混凝土组合楼板结构”施工中的一项新技术，其在大型“钢-混凝土结构”建筑中的应用越来越广泛。 所谓螺柱穿透焊，是指将螺柱（焊钉）通过“镀锌板”焊接到工件（钢梁）上，并熔化成镀锌板。 螺柱如何穿过镀锌板？ 有两种方法：①先在镀锌板的焊接部分钻（冲）孔，然后将螺柱焊接到工件上。 这种方法的优点是焊接质量容易保证，缺点是比较费工、费时。 这种方法国外用的比较多。

②用电弧烧穿镀锌板，然后将螺柱焊接到工件上。 这种方法的优点是镀锌板穿孔和螺柱焊接可以一次完成，简单省时。 但还有一系列技术问题亟待解决，否则焊接质量将难以保证。 这些技术问题是： A、与非穿透焊接相比，必须增加额外的能量才能烧穿镀锌板。 因此，应适当增加焊接电流和焊接时间，否则会出现熔化不完全的现象。 但焊接电流过高也会产生咬边、夹渣等缺陷。

B、穿透镀锌板依靠稳定的电弧，因此必须增加伸出长度和提升高度，特别是当镀锌板与工件之间的间隙较大时。 根据焊接工艺要求，镀锌板与工件之间的间隙应小于1mm，但施工时这一要求很难保证。 虽然可以通过机械夹紧来减小大间隙，但实施起来并不容易。 成都思达焊接工程部根据多年的施工经验和按照上述原则制定的焊接工艺，有效解决了这一难题，并成功应用于“苏州国际博览中心”近30万件φ19×150（120）件毫米螺栓的穿透焊接（图 2）。

C、锌的熔点约为420℃，汽化温度为908℃。 螺柱熔深焊时，高温电弧约为3000～4000℃，使镀锌板上的锌迅速汽化、氧化，焊缝中产生大量气孔； 焊缝中锌产生的低熔点共晶会形成热裂纹，这些缺陷严重影响焊接质量。 虽然这些有害物质在焊接结束时通过螺栓的挤压排出，但要将其完全排出绝非易事。 建议在螺柱穿透焊时适当提高螺柱的插入速度，即使没有焊枪的阻尼装置（根据具体情况而定），这对于消除这些有害物质，提高焊缝质量非常有效。

D、针对上述情况，螺柱穿透焊时应采用壁厚加大、带有排气孔的“螺柱穿透焊专用瓷环”，以防止因热冲击和排气不畅而断裂。

E、螺柱穿透焊的焊接质量，除了焊接工艺参数的合理设置和正确的操作外，还与组合楼板的施工质量密切相关，例如上面提到的电镀。 镀锌板与钢梁之间的间隙以及两者之间和钢梁上的镀层是否有夹渣等。钢梁上的镀层是需要防腐的，但对于渗透焊，尽量采用碳氮化铅防腐漆避免使用红铅防腐漆和红铅锌黄漆，焊接部位涂层不宜太厚。 如果忽视螺柱焊接的这些特殊要求，强迫焊工现场解决这些问题并保证焊接质量是极不现实的。 唯一的解决方案是将螺柱焊接的这些特殊要求纳入复合楼板的设计和施工中。 螺栓熔深焊是一项系统工程。 只有设计、施工、焊接等各方面的共同努力，才能获得符合要求的高质量焊接接头。

5、我国螺柱焊技术现状分析。 据不完全统计，目前我国螺柱焊机生产企业仅有几家，但能生产系列产品的只有一家。 电容放电螺柱焊机有RSR1-630、1250、1600、2500、3150，可焊接φ3~12mm螺柱； 电弧螺柱焊机有RSN1-630、1000、1600、RSN2-2500、3150等，可焊接φ3~30mm螺柱（焊钉）。 这些焊接设备基本可以满足手工螺柱焊的市场需求。 我国生产的电容放电螺柱焊机的技术性能和可靠性与进口产品相当，部分指标甚至优于进口产品。 例如，电容充电时间已达到2s，而进口产品大多为4s。 因此，一些用户已从购买进口产品转而使用国产焊机。 但总体而言，我国螺柱焊技术与国外相比还存在不少差距。

5.1国产电弧螺柱焊机额定最大焊接电流3150A，可焊接φ30mm螺柱，位居国际前列。 与进口产品相比，该型焊机的焊接电源采用晶闸管控制，可连续调节焊接电流。 在调节和稳流性能及可靠性方面，没有太大区别。 国内尚有两家企业采用电阻降压来分阶段调节焊接电流，属于落后产品。 在控制方面，进口产品均采用微电脑控制，而国内产品正处于研发阶段，尚未正式推出。 焊枪方面，进口产品使用寿命更长，并配有阻尼装置。 另外，进口产品均采用H级绝缘，因此体积相对较小、重量较轻，但效率较低。 总之，进口焊机在控制、焊枪、体积重量、外观质量等方面均优于国产焊机，但价格也昂贵，约为国产焊机的三倍。

5.2自动螺柱焊设备主要应用于汽车行业。 汽车上的螺柱焊有以下要求： a． 螺柱为特殊结构的标准螺柱（M3~M8）； b. 必须可靠地焊接到厚度为0.7~1mm的镀锌（15~25μm）钢板上； C。 、需要高节奏自动焊接，焊接质量重现性好； d. 主机应具有多个输出接口，以便配备送料机和焊枪，实现不同工位不同直径螺柱的焊接。 短周期电弧螺柱焊和拉弧电容放电螺柱焊可以满足上述要求，已广泛应用于汽车行业。 前者的螺柱焊接强度高于后者。 在国内，目前大部分自动螺柱焊设备还处于研发阶段，成功应用于汽车焊接生产线的并不多。 因此，国内自动螺柱焊设备市场基本被进口产品垄断。

5.3 我国螺柱焊技术与国外的差距还体现在焊接工艺的研究上。 目前急需开展“螺柱穿透焊、螺柱水平焊、仰焊”的工艺研究。 这些焊接工艺不仅关系到螺柱焊接合格率，还关系到螺柱焊能否更广泛地推广和应用。 成都思达焊接研究所已经做了一些螺柱穿透焊的研究工作，正在开展螺柱横向焊的研究。 一般认为，可水平、架空焊接的螺栓直径应≤16mm，但桥梁、高架桥的桥墩、高层建筑和大型体育场馆的立柱、大型码头的锚栓等均要求大量直径≥19mm的螺栓进行水平焊接。 。 因此，对大直径螺栓水平焊接工艺的研究具有重要的现实意义。

5.4 在国内推广螺柱焊接技术，除了焊接设备和焊接工艺外，还应制定相应的标准，并生产配套的螺柱、焊钉和瓷环。 目前当务之急是将ISO13918、ISO14555转化为中国标准，并尽快制定《螺柱焊接工艺》标准，以统一螺柱焊接工艺、质量检验和工程验收。

6、螺柱焊技术的发展趋势 螺柱焊技术未来的发展趋势主要是扩大应用范围、提高螺柱焊自动化水平和更新焊接设备。 硬件的发展是关键，即将晶闸管控制的焊接电源升级为逆变焊接电源。 目前逆变器中使用的开关元件有两种类型：快速晶闸管和IGBT。 前者逆变频率较低，为几kHz，但输出功率较大； 后者频率较高，可达十几kHz，但输出功率较低。 考虑到电源的动态特性、体积和重量，IGBT应该是发展方向。 目前使用的逆变螺柱焊电源输出电流为1000A左右，可焊接φ12mm螺柱。 它主要用于汽车工业。

至于焊枪的发展方向，是电子控制。 At present, most domestic and foreign welding guns control the lifting and lowering of studs through the expansion and contraction of springs, and their controllability is quite limited. If stepper motor or servo motor control is used, the movement of the stud can be accurately controlled according to process requirements, and the welding quality can be guaranteed. Especially for flat welding, horizontal welding and overhead welding of large-diameter and extra-long special-shaped rod-shaped welding nails required for bridge repair, this advanced welding gun is indispensable. In fact, some countries have successfully developed this kind of welding gun and have applied it to welding projects.

The inverter stud welding equipment controlled by a microcomputer can not only accurately set, record and store welding parameters, but also detect and display them in a timely manner during the welding process, and automatically adjust the welding parameters to ensure welding quality and extremely reproducible good. I believe that in a few years, the weight of 2500A welding equipment will be significantly reduced from the current several hundred kilograms, and the welding machine will be more convenient to move.