螺柱焊接技術(shù)的應(yīng)用

目前，我國汽車制造業(yè)主要應(yīng)用的螺柱焊接技術(shù)是短周期拉弧式螺柱焊，輔以相關(guān)的自動控制設(shè)備，大幅提高了汽車的焊接質(zhì)量，提升了汽車品質(zhì)。

螺柱焊接技術(shù)由于具有快速、可靠、操作簡單和成本低等優(yōu)點，可替代鉚接、鉆孔、手工電弧焊和釬焊等連接工藝，可焊接碳鋼、不銹鋼、鋁以及銅及其合金等金屬，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用在汽車、 船舶制造等領(lǐng)域。 我國應(yīng)用螺柱焊接技術(shù)的歷史不長， 但是隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和制造業(yè)水平的不斷提高，螺柱焊接技術(shù)正被越來越多的國內(nèi)企業(yè)所采用。

螺柱焊接技術(shù)及原理

將螺柱或類似的金屬柱狀物及其他緊固件焊接在工件上的方法稱為螺柱焊。實現(xiàn)螺柱焊的方法有多種：電阻焊、摩擦焊、爆炸焊及電弧焊等。目前應(yīng)用最廣泛的方法是電弧法螺柱焊，根據(jù)焊接電源的不同，可細(xì)分為儲能式（電容放電）螺柱焊和拉弧式螺柱焊。

1．儲能式螺柱焊

儲能式螺柱焊由充電電容放電提供焊接所需的能量，當(dāng)電容放電時，螺柱和工件之間出現(xiàn)很短時間的電弧， 電弧會熔化工件表面和螺柱頂端的少量金屬， 隨后螺柱浸入熔池， 熔化金屬迅速冷卻，形成焊接接頭。儲能式螺柱焊的焊接時間極短，通常情況下在 5ms之內(nèi)，無需保護氣體；熔池淺，約 0.1mm，工件背面無變形、壓痕，適于薄板焊接；可用于焊接碳鋼、不銹鋼、鋁、銅及其合金等金屬；板厚與螺柱直徑比可達 1∶10。

儲能式螺柱焊設(shè)備根據(jù)焊槍的配置不同，可分為接觸式和間隙式兩種。

接觸式螺柱焊依靠焊槍內(nèi)置彈簧壓緊螺柱，工件和螺柱之間的距離由螺柱頂部小凸臺來保證，當(dāng)電容放電時，小凸臺迅速氣化，螺柱和工件之間出現(xiàn)電弧，電弧產(chǎn)生的熱量使螺柱頂部形成熔化層，工件表面形成很淺的熔池。在焊槍內(nèi)置彈簧壓力下，螺柱快速下沉，在3～4ms內(nèi)，螺柱浸入熔池，電弧消失，熔池冷卻迅速形成焊接接頭（見圖 1）。

間隙式螺柱焊接過程和接觸式螺柱焊大致相同， 不過與接觸式的彈簧壓緊螺柱與工件接觸不同的是，間隙式是通過電動或氣動的方式把螺柱從工件表面提升到一定距離， 然后螺柱下沉，同時電容放電，螺柱與工件之間產(chǎn)生電弧。這種焊接方式與接觸式相比，焊接時間更短。

（1）焊接工藝參數(shù)。儲能式螺柱焊的工藝參數(shù)主要有：螺柱直徑、焊接電壓、焊接時間和螺柱伸出長度。 儲能式螺柱焊只有一個顯著的特點： 電容放電過程不可控， 焊接時間不可調(diào)。螺柱伸出長度可以根據(jù)經(jīng)驗來確定，通常在 1.0 ～1.5mm 之間。

儲能式螺柱焊的焊接能量是由螺柱焊機的電容組的電容量和充電電壓決定： W＝CU2，其中， W-焊接設(shè)備的額定儲存能量， C-電容器組的總電容量， U-充電電壓。

儲能式螺柱焊設(shè)備的瞬間焊接電流峰值約為 1000～10000A，這取決于設(shè)備電容量、充電電壓、焊接回路電阻和電感。一般來講，從保護操作者和設(shè)備本身的安全性考慮，充電電壓通常在 200V 之內(nèi)。由于設(shè)備出廠時，電容量已經(jīng)固定，所以實際工作時，只能調(diào)節(jié)充電電壓，根據(jù)螺柱直徑大小和工件板厚，確定合適的電壓值。

（2）設(shè)備組成及特點。儲能式螺柱焊設(shè)備由焊接電源、焊槍、地線鉗以及混合電纜等部分組成。 增加自動送料器等輔助設(shè)備可配置成半自動或自動螺柱焊接設(shè)備。 根據(jù)焊接電源和螺柱規(guī)格的不同，手工焊接效率可達 15 個/min 左右，自動焊接可達 50 個/min 左右。儲能式螺柱焊設(shè)備操作簡單， 設(shè)備輕巧， 適用于直徑≤ 10mm、 對連接強度要求不高的螺柱焊接。

（1）焊接工藝參數(shù)。儲能式螺柱焊的工藝參數(shù)主要有：螺柱直徑、焊接電壓、焊接時間和螺柱伸出長度。 儲能式螺柱焊只有一個顯著的特點： 電容放電過程不可控， 焊接時間不可調(diào)。螺柱伸出長度可以根據(jù)經(jīng)驗來確定，通常在 1.0 ～1.5mm 之間。儲能式螺柱焊的焊接能量是由螺柱焊機的電容組的電容量和充電電壓決定： W＝CU2，其中， W-焊接設(shè)備的額定儲存能量， C-電容器組的總電容量， U-充電電壓。

儲能式螺柱焊設(shè)備的瞬間焊接電流峰值約為 1000～10000A，這取決于設(shè)備電容量、充電電壓、焊接回路電阻和電感。一般來講，從保護操作者和設(shè)備本身的安全性考慮，充電電壓通常在 200V 之內(nèi)。由于設(shè)備出廠時，電容量已經(jīng)固定，所以實際工作時，只能調(diào)節(jié)充電電壓，根據(jù)螺柱直徑大小和工件板厚，確定合適的電壓值。

（2）設(shè)備組成及特點。儲能式螺柱焊設(shè)備由焊接電源、焊槍、地線鉗以及混合電纜等部分組成。 增加自動送料器等輔助設(shè)備可配置成半自動或自動螺柱焊接設(shè)備。 根據(jù)焊接電源和螺柱規(guī)格的不同，手工焊接效率可達 15 個/min 左右，自動焊接可達 50 個/min 左右。儲能式螺柱焊設(shè)備操作簡單， 設(shè)備輕巧， 適用于直徑≤ 10mm、 對連接強度要求不高的螺柱焊接。

2．拉弧式螺柱焊

拉弧式螺柱焊接與儲能式焊接的電容放電不同，它是通過晶閘管控制的直流電源或逆變式焊接電源來進行焊接。 拉弧式螺柱焊接工藝， 螺柱和工件的金屬熔化量比儲能式螺柱焊多，熔深較深，影響焊接質(zhì)量的參數(shù)較為復(fù)雜，螺柱所能承受的強度也更大。

拉弧式螺柱焊根據(jù)焊接時間的長短，可細(xì)分為長周期螺柱焊和短周期螺柱焊。拉弧式螺柱焊的工作過程是（見圖 2）：螺柱接觸工件，通電后利用螺柱夾持機構(gòu)提升螺柱，此時螺柱與工件之間出現(xiàn)穩(wěn)定燃燒電弧， 電弧熱熔化螺柱頂部和工件表面， 隨后螺柱夾持機構(gòu)壓迫螺柱下沉到工件熔池， 斷電后形成焊接接頭。 短周期螺柱焊與長周期螺柱焊不同的地方是焊接時間僅為長周期螺柱焊的十分之一到幾十分之一。 另外短周期螺柱焊在焊接電弧出現(xiàn)之前有一個引導(dǎo)電弧，其作用是清除工件或螺柱頂部表面的油污、油脂或涂層。

（1）焊接工藝參數(shù)。拉弧式螺柱焊接工藝參數(shù)主要有：焊接電流、焊接時間、引弧電流、引弧時間、提升高度、螺柱伸出長度以及送釘時間等。

焊接電流——主要根據(jù)螺柱頂部法蘭直徑來選擇，就普通低碳鋼而言，焊接電流和螺柱直徑的關(guān)系為： 短周期螺柱焊， I ＝（95～110） d，d＝3～15mm； 長周期螺柱焊， I ＝（50～100）d，d＝16～30mm。對于鍍鋅螺柱或焊接在鍍鋅工件上的螺柱而言，焊接電流需要增加 20%。當(dāng)然在實際操作中，可以根據(jù)工件厚度來調(diào)整焊接時間。

焊接時間——短周期螺柱焊， Tw＝（4～5）d，d＝3～15mm； 長周期螺柱焊， Tw＝（10～100）d，d≥16mm。對于短周期螺柱焊來言，焊接時間通常在 20～100ms之間；長周期螺柱焊，通常對于焊接強度要求高，熔池深，焊接時間為 200～2000ms。無論短周期螺柱焊或長周期螺柱焊，其焊接時間與焊接電流共同組成焊接輸入熱量，可以互相配合、靈活調(diào)節(jié)。

引弧電流和引弧時間——這兩個工藝參數(shù)僅在短周期拉弧式螺柱焊中出現(xiàn)，目的是清除工件表面與螺柱頂部法蘭的油污、油脂或涂層。引弧電流一般為 30～50A，可調(diào)范圍比較?。灰r間通常為 20～40ms。目前很多品牌焊機的引弧電流和引弧時間在出廠時已設(shè)為固定值，不可調(diào)節(jié)。

提升高度——螺柱提升高度是決定焊接質(zhì)量的一個重要參數(shù)。 它與螺柱直徑成正比。 提升高度能有效防止因熔滴過渡時短路所造成的電弧不穩(wěn)和焊接成形不良。 但是， 過高的提升高度也有不利的一面： 一是由于電弧的增長易發(fā)生磁偏吹現(xiàn)象， 影響焊接質(zhì)量； 二是增加焊縫氣孔數(shù)量。 這是一個較敏感的影響焊接質(zhì)量的因素。 對于短周期螺柱焊來說， 利用電磁感應(yīng)提升螺柱的焊槍，提升高度通常為 1.2mm，利用伺服電機提升螺柱的焊槍，提升高度通常為1.5mm。

螺柱伸出長度——螺柱伸出長度對于長周期螺柱焊來說，是螺柱熔化的長度與工件熔池深度之和，與螺柱直徑成正比，經(jīng)驗值在 1.5 ～6mm；對于短周期螺柱焊接而言，電磁式焊槍的螺柱伸出長度是螺柱熔化的長度加工件熔深， 通常為 1.2mm；伺服電機式焊槍的螺柱，其伸出槍嘴端面一定的長度， 僅僅是便于螺柱與工件接觸， 而形成穩(wěn)定的電路短路， 通常為2.2 ～3mm。伺服電機式焊槍的螺柱熔化長度與工件熔池深度為單獨的參數(shù)值， 與螺柱伸出長度沒有直接關(guān)系。

焊接電流、焊接時間、螺柱提升高度和螺柱伸出長度是拉弧式螺柱焊接工藝的 4 個重要參數(shù)，在實際工作中應(yīng)根據(jù)螺柱直徑和工件厚度、材質(zhì)來設(shè)定。要進行多次試焊，根據(jù)焊接效果調(diào)節(jié)出合適的工藝參數(shù)。

（2）設(shè)備組成及特點。拉弧式螺柱焊設(shè)備主要由焊接電源、控制系統(tǒng)、焊槍以及接地鉗等組成， 根據(jù)要求還可以配備自動送釘?shù)乃土显O(shè)備。 通常焊接電源都與控制系統(tǒng)結(jié)合在一起，稱為焊接主機。目前先進焊機都采用了微處理器和液晶顯示屏，可以直觀、精確地設(shè)置和記錄、存儲焊接參數(shù)，并能在焊接過程中實時監(jiān)控、數(shù)字顯示。大部分焊機電源采用的是晶閘管控制弧焊整流器； 先進的焊機電源采用了逆變式直流電源。 為了得到穩(wěn)定的電弧， 螺柱焊電源為直流電源， 具有陡降外特性， 較高的空載電壓。 拉弧式螺柱焊的最大特點是瞬間大電流， 所以要求焊接電源在很短時間內(nèi)焊接電流達到設(shè)定值， 短周期螺柱焊機電流上升的時間更短，如果供電電網(wǎng)電源的容量不足會導(dǎo)致焊接電源的電壓不穩(wěn)， 而造成焊接質(zhì)量不良。目前就焊槍而言， 長周期螺柱焊以手工送釘?shù)碾姶鸥袘?yīng)式焊槍為主； 短周期螺柱焊在生產(chǎn)節(jié)拍高的位置以自動送釘?shù)乃欧姍C式焊槍為主， 當(dāng)然短周期螺柱焊在生產(chǎn)節(jié)拍不高的位置可以使用手工焊槍。

螺柱焊接技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用，螺柱焊接具有快速、可靠、操作簡單及無孔連接等優(yōu)點，正在替代汽車制造中的鉚接、攻螺紋和鉆孔等連接工藝。 目前螺柱在轎車車廂內(nèi)的作用是固定線束、 內(nèi)飾件和地毯等； 在車廂外的作用是固定線束、油管、制動油管以及隔熱板、導(dǎo)流板等底盤附件?，F(xiàn)在螺柱在轎車制造中的使用量日益增長，以神龍公司的車型為例，愛麗舍的螺柱使用量是 50 多個，標(biāo)致 307 的螺柱使用量為 106 個，雪鐵龍 C5的螺柱使用量為 187 個。轎車制造中常用螺柱類型如圖 3 所示。

儲能式螺柱焊焊接時間、焊接電流不可調(diào)，熔深很淺，在汽車行業(yè)的應(yīng)用很少。目前汽車行業(yè)應(yīng)用的螺柱焊工藝是短周期拉弧式螺柱焊， 主要采用逆變式焊接電源。 焊接主機用了計算機技術(shù)、自動化技術(shù)，具有參數(shù)編制軟件，編程操作非常直觀，同時具備故障自我診斷系統(tǒng)， 便于設(shè)備維修。 焊接主機可通過 RS232接口與筆記本電腦相連。 一臺焊接主機可連接 5 把焊槍，大大提高了焊接主機的利用率。最近幾年，焊槍由氣動發(fā)展到電動，內(nèi)部具有螺柱提升行程測量系統(tǒng)，與伺服電機技術(shù)相結(jié)合精確控制螺柱提升高度，確保焊接質(zhì)量。此外，螺柱焊接設(shè)備可以與自動化設(shè)備相結(jié)合形成全自動螺柱焊接， 在神龍汽車 2 號平臺地板合裝線， 就應(yīng)用了螺柱焊設(shè)備與 PLC控制裝置相結(jié)合的全自動螺柱焊接。 螺柱焊接設(shè)備與機器人技術(shù)相結(jié)合而形成的機器人螺柱焊在汽車制造業(yè)已經(jīng)得到應(yīng)用， 如德國大眾公司已經(jīng)采用了這項技術(shù)。

螺柱焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢，隨著計算機技術(shù)、自動化技術(shù)及電子電力技術(shù)的不斷發(fā)展，目前焊接設(shè)備正在向自動化、智能化和數(shù)字化的方向發(fā)展， 螺柱焊接技術(shù)作為一種焊接技術(shù)工藝當(dāng)然也在順應(yīng)著這個趨勢。 IGBT 逆變式焊接電源正在取代晶閘管控制的焊接電源，控制系統(tǒng)采用了微處理器和液晶顯示屏， 使焊接參數(shù)編程操作簡單直觀。 伺服電機控制的焊槍正在取代彈簧機械式焊槍，可以精確控制螺柱的提升行程，使焊接質(zhì)量更可靠。

結(jié)語

相對于熔化極氣體保護焊、 TIG 焊和埋弧焊等電弧焊接方式， 國內(nèi)研究應(yīng)用電弧螺柱焊接技術(shù)的時間只有十幾年， 不過國內(nèi)對于螺柱焊技術(shù)與設(shè)備的研究已有了很大進展， 國內(nèi)廠家已經(jīng)推出性能比較完善的螺柱焊接設(shè)備。 但是設(shè)備廠家尚不具備伺服電機式焊槍的生產(chǎn)能力，應(yīng)加大研究力度，早日推出與國外先進水平相媲美的產(chǎn)品。