螺柱焊機解析及其日常生活中的焊接工藝

所謂螺柱焊機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gai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TWMS可焊螺柱直徑DMM焊接電流IA保護方式最低板厚電弧螺柱焊瓷環保護》1003～25300～3000瓷環1／4D但不能小于1MM氣體保護》1003～16300～3000氣體1／8D但不能小于1MM短周期焊接≤1003～12≤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《103～10≤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qiang、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。