電弧螺柱焊機及其焊接工藝

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(shù)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(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(guī)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(wěn)定性，保證焊接質(zhì)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(xiàn)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(guī)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(nèi)，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(xiàn)焊接時間已到，但焊接電流還沒有達到其峰值的現(xiàn)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(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(fā)生在螺柱壓入熔池時，瞬間發(fā)生的噴濺物。通過試驗已經(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(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級耐熱等級與B級相比，具有體積小重量輕的優(yōu)點，倍受人們的推崇。但深入分析后發(fā)現(xiàn)，也并非完美無缺。GB11021規(guī)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(chǎn)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。
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(zhì)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(shù)
      電弧螺柱焊的焊接工藝參數(shù)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(jù)螺柱的直徑進行調(diào)節(jié)，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(wěn)定性及焊縫質(zhì)量。維持電弧的穩(wěn)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(fā)生磁偏吹 ；另一方面也會增加焊縫的氣孔。