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1、拉弧式螺柱焊理论基础与应用3 274034884.doc 3 第 2 章 螺柱焊的过程及工艺参数2.1 螺柱焊的过程螺柱焊的基本过程是引弧焊接电弧顶锻冷却凝固；在这一过程中，焊接电流、焊接时间以及焊接过程中电弧的形态，对焊接结果有很大影响。螺柱焊的引弧受程序控制，先是螺钉接触到工件，当按住启动按钮后，焊机首先提供一个微小电流，之后螺钉被提升，在螺钉尖端的铝极与工件之间建立电弧。（说明：铝极是襄嵌在螺柱尖端的一部份铝材料，其作用是便于引弧及还原被氧化的铁。）当建立了电弧之后，焊机自动进入大电流焊接：螺柱端部开始熔化，工件上形成溶池。此时的燃弧过程称焊接电弧阶段。当到达设定的焊接时间之后，电弧熄灭
2、，螺柱在外力( 一般为弹簧力 ) 的作用下，浸入溶池。进入顶锻阶段。然后，溶池自然冷却凝固，完成焊接过程。2.2 螺柱焊的工艺参数螺柱焊的工艺参数主要包括极性选取、电流和焊接时间的选择、提升高度、浸入尺寸及速度的调节。首先说明的是，螺柱直径增加时，焊接所需要的能量也增加。1.极性极性是指工件到焊接电源的连接方式，以工件为准：工件接正极即为正极性，工件接负即为负极性。一般的钢质螺钉采用正极性接法。而对于铝及其合金，黄铜材料的螺钉，常采用负极性连接方式。2.焊接电流与焊接时间一般情况下， 焊接电流正比与螺柱的公称直径。当直径小于16mm 时，焊接电流一般是公称直径的80倍，即 10mm 的螺钉，使
3、用的焊接电流为800A。当直径超过16mm 时，焊接电流一般取值为公称直径的90 倍。当螺钉材料为合金钢时，电流取值减少10%。焊接时间的取值也与直径成比例关系：对于公称直径小于 12mm 的螺柱， 一般取 0.02d （d 为螺柱的公称直径） ，对于公称直径大于12mm 的螺柱，一般取 0.04d。如果焊接位置不是平焊，而是横焊或仰焊，一般采用增大电流和减少焊接时间进行焊接。当工件为薄板时，为了不致工件烧穿，也采用增大电流和减少焊接时间的方法。3.提升高度对于不同直径形状的螺柱，要求的提升高度是不一样的，提升高度是否合适，要看是否在焊接过程中出现磁偏吹或短路。当提升高度过大时，电弧燃烧不稳定
4、，容易产生电弧漂移和电弧偏吹。提升高度过小时，电弧容易产生短路而断弧。提升高度对于同一端部形状的螺柱来说，正比于其公称直径，一般在名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - 拉弧式螺柱焊理论基础与应用4 274034884.doc 4 1.54mm 变化 . 4.浸入尺寸和浸入速度一般要求螺柱浸入工件尺寸为3-8mm， 且正比于螺柱直径。 浸入尺寸取决于螺柱下降时的速度和压力。螺柱下降速度越快，压力越大，则浸入的尺寸越大，此
5、时飞溅越大；反之，则浸入尺寸较小，飞溅较小。但如果螺柱下降速度太小，则螺柱有可能不能浸入溶池，出现焊接不牢的现象。调节浸入速度的方法是调节焊枪阻尼。 （调整方法参阅后面有关章节）表 2.1 不通螺柱直径的提升高度和浸入尺寸螺柱直径/mm 提升高度/mm 浸入尺寸/mm 浸入速度/mms-16 8 10 13 1.0 1.0 1.5 1.5 3.0 3.5 4.0 4.0 约 200 16 19 22 2.0 2.5 3.0 5.0 5.5 6.5 约 100 2.3 螺柱焊时的磁偏吹螺柱焊的电弧对焊接结果具有重要意义，原因是螺柱焊时瞬间电流很大，产生了很强的磁场。另外，过热的空气和陶瓷环产生的
6、气流也对电弧产生影响。这两个因素都会导致电弧沿螺柱轴线发生偏移，从而造成电弧偏吹，其结果是栓钉单边熔化，顶锻后由于热胀冷缩不对称发生偏斜。通常情况下，由于磁场分布不均而引起的“磁偏吹”影响较大，磁偏吹发生时，严重影响焊接质量和合格率，有的几乎不能正常进行焊接。彻底消除螺柱焊时的“磁偏吹”现象几乎是不可能的，人们只能从以下几种方法中选择一两种方法来降低其影响。1、在电弧偏吹背向端接入地线接地端在生产过程中总是预先接好，在焊接过程中，由于工件慢慢被磁化，将发生电弧向接入端的另一面偏移。此时应尽早接入另一根规格相同的地线，长度相同，以防止工件被磁化而发生磁偏吹。如下图 2-2 所示：名师资料总结 -
7、 - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 拉弧式螺柱焊理论基础与应用5 274034884.doc 5 图 2-2 在工件两端接入地线减小磁偏吹2、结构的影响当电弧两面为非对称结构时，磁偏吹会偏向质量（重量）较大的一面。这是因为质量较大的一面将会被更大强度地磁化，从而对电弧产生引力，当发生这一现象时，应从结构上进行修正，设计者应考虑螺柱焊施工的要求，在无法避免的情况下，焊接时应注意加入“引铁”。如图 2-3 所示图 2-3 在磁偏吹的背向
8、端加入“引铁”减小磁偏吹加入“引铁” 的目的是 “吸引” 电弧， 引铁常常加工成半圆形，厚度 30mm 左右， 重量约为 1Kg （可根据实际情况稍微做调整）。3、 焊接工装尽量采用非磁性材料。焊接过程中经常使用一些工具，为防磁化和影响焊接效果，尽量使用塑料制品、铝、奥氏体不锈铜和铜质材料。4、焊枪电缆也会影响电弧焊枪电缆（尾线） ，在阴影区的面积越小，导致磁偏吹越严重，建议焊接时尽量控制尾线，避免焊接质量下降。如图2-4 所示注：同样道理，在临近焊接部位的地方，尽量不要设置任何导线。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -
9、- 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - 拉弧式螺柱焊理论基础与应用6 274034884.doc 6 图 2-4 焊接电缆对磁偏吹的影响5、 焊接部位两面分布异种金属材料此时应注意是否有材料的磁性差别，如一边是低碳钢，而另一边分布有不锈钢，尽量避免这种情况发生，如无法避免，应尝试使用引铁进行校正。螺柱焊接机是一种将螺柱通过焊枪，直接焊接在母材上的一种焊接设备。使用螺柱焊机焊接螺柱，在柱焊接过程中，不需要填充料，焊接直径较小的焊钉时，也不需要任何保护，是一种焊接工艺简单，焊接牢固度好，焊接成本低，焊接效率高的焊接方式。这种焊接方式
10、最早流行于欧美，近些年才开始在我国推广，而且使用还不够广泛。但随着我国螺柱焊机制造水平的不断提高，以及螺柱焊机使用效果逐渐被更多的人所认识，螺柱焊机必将在我国得到广泛使用。为了普及螺柱焊机知识，让更多的人了解各种螺柱焊机的性能就很有必要。一、拉弧式和储能式螺柱焊机的基本特性1、拉弧式螺柱焊机的基本特性：拉弧式螺柱焊机按照机器的工作频率不同，可分为工频拉弧式螺柱焊机和IGBT 高频逆变拉弧式。工频拉弧式螺柱焊机的工作原理是：输入三相380V 电流，经大功率工频变压器降压，转换成60-90V、 50 赫兹的交流电 ; 然后经可控硅和二极管进行整流，形成 50-90V 的脉动直流电， 成为拉弧式螺柱
11、焊机的焊接电源。输出电流的大小，可通过调整可控硅导通角来完成。高频拉弧式螺柱焊机的工作原理是：输入三相380V交流电，经整流器整流、滤波后形成540V的直流电，然后经过IGBT逆变器，生成方波。方波经过整流，送到高频降压变压器，经过快速二极管整流，变成50-90V 脉动的直流电，成为拉弧式螺柱焊机的焊接电源，输出电流的大小，可通过软件程序调制脉宽来控制。拉弧式螺柱焊机是一种在螺柱焊接时，首先由机器产生的一股小电流引弧，在这股小电流将焊接母材表面的各种附着物燃烧清除后，再由机器产生一股大电流，将螺柱焊接在母材上的一种焊接方式。拉弧式螺柱机的短周期焊接过程示意图如下( 图一 ) ：名师资料总结 -
12、 - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - 拉弧式螺柱焊理论基础与应用7 274034884.doc 7 拉弧式螺柱焊机按其焊接过程所需要的时间长短，可分为短周期拉弧和长周期拉弧两种。短周期拉弧即焊接的时间较短，一般在200 毫秒以内，适用于薄板(5mm以下 ) 和直径较小 (10mm以下 ) 的焊钉之间的焊接;长周期拉弧的焊接周期较长，最长可达2000 毫秒，适用于板厚(2mm以上 ) 和直径较大 (10mm以上 ) 的焊钉之间的焊接。短
13、周期螺拉弧的柱焊接主要适用于汽车、轮船和五金制造等行业; 长周期拉弧的螺柱焊接主要适用于建筑、桥梁和钢结构生产。短周期拉弧式螺柱焊机焊接示意图( 图一 ) 2、电容储能式螺柱焊机的基本特性：电容储能式螺柱焊机的工作原理是：输入单项220V 的电流，先由电容进行储能，然后由控制系统控制电容放电，放电的电压的高低，可根据焊接需要进行调节，在电容放电的瞬间，将装在焊枪上的螺柱焊接在母材上。 var script = document.createElement(script); script.src = http:/ document.body.appendChild(script); 电容储能式螺
14、柱焊机是一种在螺柱焊接时，由螺柱前端专门设计的引弧点引弧燃烧，同时将螺柱焊接在母材上的一种焊接方式。电容储能式螺柱焊机的焊接过程示意图如下( 图二 ) ：电容储能式螺柱焊机焊接示意图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - 拉弧式螺柱焊理论基础与应用8 274034884.doc 8 电容储能螺柱焊接，一般焊钉前端的引弧点大小为直径0.8mm ，长度 0.8mm;电容的放电时间在4 毫秒 mm 。由于受引弧点大小和放电时间
15、的影响，电容储能焊接一般适用于薄板和小钉之间的焊接。具体说，焊接板厚在 5mm以内，焊钉直径在10mm以内，再大的焊钉和再厚的板材焊接起来就很困难，就是再大的电容的容量和电压也难以凑效。二、拉弧式螺柱焊机和电容储能式螺柱焊接在焊接工艺上的区别拉弧式螺柱焊机和电容储能式螺柱焊机由于其工作原理不同，因此，在焊接工艺上有着本质的区别。第一，二者使用的焊钉样式不同。拉弧式螺柱焊机使用的焊钉为较为普通的焊钉，要求焊钉的材质尽可能与母材的材质一致或接近，焊钉的焊接的端面有3 到 5 度的锥度 ; 而电容储能式螺柱焊机除了材质和焊钉焊接端面的要求与拉弧式螺柱焊机相同外，还要求焊钉的焊接端面要有一个0.8*0
16、.8mm 的引弧点。拉弧式螺柱焊机使用的焊钉与电容储能式螺柱焊机使用的焊钉样式如图( 图三 ) ：第二，二者对焊钉的直径要求不同。第三，二者对焊接母材表面的要求不同。拉弧式螺柱焊机对焊接母材的要求不严格，只要焊接母材的表面能导电，即使焊接的表面有轻微的锈蚀，有油污，有金属镀层，有其他杂质，也不会影响焊接; 而电容储能式螺柱焊机对焊接母材的要求就比较严格，如果焊接母材的表面有锈蚀、油污、杂质等，导致焊接表面电阻增大，都无法焊接或焊不牢。如果焊接母材表面的金属镀层较厚，比如镀锌层较厚就很难焊接，甚至根本无法焊接。第四，二者对焊接母材的厚度要求不同。拉弧式螺柱焊机对焊接母材的厚度要求不严格，目前国内
17、生产的 “DSP高频逆变拉弧式螺柱焊机”，可以将名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 拉弧式螺柱焊理论基础与应用9 274034884.doc 9 直径为 6mm的焊钉焊接在板厚0.4mm的母材上，焊接点的背面也完好无损; 将直径 6mm 的焊钉焊接在板厚20mm 的母材上，也焊得很牢。当然，对于拉弧式螺柱焊机对焊接母材的厚度要求也不是没有限制，对于短周期螺柱焊接， 最薄的母材厚度要大于0.4mm,且在母材厚度在0.4
18、mm的情况下， 焊钉的焊接端面直径不超过 6mm ，否则焊接面将会被焊穿。对于长周期拉弧式螺柱焊接，焊钉的直径与母材的厚度之间要大于5 比1; 即焊钉的直径为15mm ，焊接母材的厚度要大于3mm ，否则有焊穿的危险。电容储能式螺柱焊机对焊接母材的厚度要求比较严格，尤其是焊接母材不能太厚，将直径10mm的焊钉焊接在 10mm 厚的板材上，即使加大电容储量也是比较困难的。第五，二者焊接熔深不同拉弧式螺柱焊机焊接的熔池较深，短周期焊接熔深根据焊钉直径和母材厚度不同一般大于0.1mm;长周期焊接熔深根据焊钉直径和母材厚度不同一般大于0.3mm;并且拉弧式螺柱焊接都会在已经焊接的螺柱周围形成比较有规则
19、的焊缝成型，大大增加了焊接强度。电容储能式螺柱焊机焊接的熔深较浅，一般都小于0.2mm。即使焊接母材较厚，也不会增加多少熔深。三、拉弧式螺柱焊机与电容储能式螺柱焊机的焊接效果比较在试验过程中，我们在1.0 厚且表面比较清洁的普通钢板上分别焊接材质相同的直径为6mm 的镀铜焊钉，其扭力测试的效果是相同的。将该焊接工件放入H2SO4含量为15% 的硫酸稀释液中浸泡240 小时后，进行拔钉试验，其结果是: 拉弧式焊接的焊钉拔出的孔径比较一致，且焊接仍然牢靠，母材与焊钉之间无脱离; 而电容储能式焊接的焊钉拔出的孔径不够一致，母材与焊钉之间有脱离和锈蚀现象。对于2mm 的薄板，用拉弧式螺柱焊机焊接直径为
20、6mm 螺柱，焊接点背面会有明显的痕迹，表现为颜色改变;0.6mm 的薄板，用拉弧式螺柱焊机焊接直径为6mm 螺柱，焊接点背面不仅会有明显的痕迹，表现为颜色改变，而且还会发生变形， 表现为有稍微突出的现象。而同样用电容储能式螺柱焊机焊接直径为6mm 的螺柱， 对于 2mm 的薄板，焊接点背面几乎看不见任何有被焊接过的现象; 对于 0.6mm 的薄板，虽然背面有轻微的颜色改变，但没有发生任何形状的变化。当然，对于焊接母材的表面锈蚀比较重，或油污较多，或镀锌层较厚的，用拉弧式螺柱焊机可以照样焊接，电容储能式螺柱焊机就为之叹息了。四、拉弧式螺柱焊机与电容储能式螺柱焊机的长处和短处比较1. 拉弧式螺柱
21、焊机的长处和短处拉弧式螺柱焊机长处：一是可以焊接从直径2mm-30mm 的焊钉 ; 二是焊接母材厚度最薄0.4mm ，再厚的母材都能焊接 ; 三是对焊接母材表面的要求不是很严格，有镀层，有油污、有锈蚀，都不影响焊接; 四是螺柱与母材熔合好，焊缝成形好，耐久性好。短处是：对于焊接母材较薄的，其焊点背面焊接地痕迹比较明显，在焊接薄板时，对母材焊接背面要求比较严格的不能采用。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 拉弧式螺柱焊理论基础与应用10 274034884.doc 10 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -