螺柱焊接技術(shù)的應(yīng)用

目前，我國(guó)汽車(chē)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(dòng)控制設(shè)備，大幅提高了汽車(chē)的焊接質(zhì)量，提升了汽車(chē)品質(zhì)。

螺柱焊接技術(shù)由于具有快速、可靠、操作簡(jiǎn)單和成本低等優(yōu)點(diǎn)，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(chē)、 船舶制造等領(lǐng)域。 我國(guó)應(yīng)用螺柱焊接技術(shù)的歷史不長(zhǎng)， 但是隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(lái)越多的國(guó)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(shí)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(chǔ)能式（電容放電）螺柱焊和拉弧式螺柱焊。

1．儲(chǔ)能式螺柱焊

儲(chǔ)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(shí)，螺柱和工件之間出現(xiàn)很短時(shí)間的電弧， 電弧會(huì)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(chǔ)能式螺柱焊的焊接時(shí)間極短，通常情況下在 5ms之內(nèi)，無(wú)需保護(hù)氣體；熔池淺，約 0.1mm，工件背面無(wú)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(dá) 1∶10。

儲(chǔ)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(tái)來(lái)保證，當(dāng)電容放電時(shí)，小凸臺(tái)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(jiàn)圖 1）。

間隙式螺柱焊接過(guò)程和接觸式螺柱焊大致相同， 不過(guò)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(guò)電動(dòng)或氣動(dòng)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(shí)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(shí)間更短。

（1）焊接工藝參數(shù)。儲(chǔ)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(shí)間和螺柱伸出長(zhǎng)度。 儲(chǔ)能式螺柱焊只有一個(gè)顯著的特點(diǎn)： 電容放電過(guò)程不可控， 焊接時(shí)間不可調(diào)。螺柱伸出長(zhǎng)度可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，通常在 1.0 ～1.5mm 之間。

儲(chǔ)能式螺柱焊的焊接能量是由螺柱焊機(jī)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(chǔ)存能量， C-電容器組的總電容量， U-充電電壓。

儲(chǔ)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(lái)講，從保護(hù)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(shí)，電容量已經(jīng)固定，所以實(shí)際工作時(shí)，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(diǎn)。儲(chǔ)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(dòng)送料器等輔助設(shè)備可配置成半自動(dòng)或自動(dòng)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(dá) 15 個(gè)/min 左右，自動(dòng)焊接可達(dá) 50 個(gè)/min 左右。儲(chǔ)能式螺柱焊設(shè)備操作簡(jiǎn)單， 設(shè)備輕巧， 適用于直徑≤ 10mm、 對(duì)連接強(qiáng)度要求不高的螺柱焊接。

（1）焊接工藝參數(shù)。儲(chǔ)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(shí)間和螺柱伸出長(zhǎng)度。 儲(chǔ)能式螺柱焊只有一個(gè)顯著的特點(diǎn)： 電容放電過(guò)程不可控， 焊接時(shí)間不可調(diào)。螺柱伸出長(zhǎng)度可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，通常在 1.0 ～1.5mm 之間。儲(chǔ)能式螺柱焊的焊接能量是由螺柱焊機(jī)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(chǔ)存能量， C-電容器組的總電容量， U-充電電壓。

儲(chǔ)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(lái)講，從保護(hù)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(shí)，電容量已經(jīng)固定，所以實(shí)際工作時(shí)，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(diǎn)。儲(chǔ)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(dòng)送料器等輔助設(shè)備可配置成半自動(dòng)或自動(dòng)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(dá) 15 個(gè)/min 左右，自動(dòng)焊接可達(dá) 50 個(gè)/min 左右。儲(chǔ)能式螺柱焊設(shè)備操作簡(jiǎn)單， 設(shè)備輕巧， 適用于直徑≤ 10mm、 對(duì)連接強(qiáng)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(chǔ)能式焊接的電容放電不同，它是通過(guò)晶閘管控制的直流電源或逆變式焊接電源來(lái)進(jìn)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(chǔ)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(qiáng)度也更大。

拉弧式螺柱焊根據(jù)焊接時(shí)間的長(zhǎng)短，可細(xì)分為長(zhǎng)周期螺柱焊和短周期螺柱焊。拉弧式螺柱焊的工作過(guò)程是（見(jiàn)圖 2）：螺柱接觸工件，通電后利用螺柱夾持機(jī)構(gòu)提升螺柱，此時(shí)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(jī)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(zhǎng)周期螺柱焊不同的地方是焊接時(shí)間僅為長(zhǎng)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(gè)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(shí)間、引弧電流、引弧時(shí)間、提升高度、螺柱伸出長(zhǎng)度以及送釘時(shí)間等。

焊接電流——主要根據(jù)螺柱頂部法蘭直徑來(lái)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(zhǎng)周期螺柱焊， I ＝（50～100）d，d＝16～30mm。對(duì)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(shí)際操作中，可以根據(jù)工件厚度來(lái)調(diào)整焊接時(shí)間。

焊接時(shí)間——短周期螺柱焊， Tw＝（4～5）d，d＝3～15mm； 長(zhǎng)周期螺柱焊， Tw＝（10～100）d，d≥16mm。對(duì)于短周期螺柱焊來(lái)言，焊接時(shí)間通常在 20～100ms之間；長(zhǎng)周期螺柱焊，通常對(duì)于焊接強(qiáng)度要求高，熔池深，焊接時(shí)間為 200～2000ms。無(wú)論短周期螺柱焊或長(zhǎng)周期螺柱焊，其焊接時(shí)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(shí)間——這兩個(gè)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(shí)間通常為 20～40ms。目前很多品牌焊機(jī)的引弧電流和引弧時(shí)間在出廠時(shí)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(gè)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(guò)渡時(shí)短路所造成的電弧不穩(wěn)和焊接成形不良。 但是， 過(guò)高的提升高度也有不利的一面： 一是由于電弧的增長(zhǎng)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(gè)較敏感的影響焊接質(zhì)量的因素。 對(duì)于短周期螺柱焊來(lái)說(shuō)， 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(jī)提升螺柱的焊槍，提升高度通常為1.5mm。

螺柱伸出長(zhǎng)度——螺柱伸出長(zhǎng)度對(duì)于長(zhǎng)周期螺柱焊來(lái)說(shuō)，是螺柱熔化的長(zhǎng)度與工件熔池深度之和，與螺柱直徑成正比，經(jīng)驗(yàn)值在 1.5 ～6mm；對(duì)于短周期螺柱焊接而言，電磁式焊槍的螺柱伸出長(zhǎng)度是螺柱熔化的長(zhǎng)度加工件熔深， 通常為 1.2mm；伺服電機(jī)式焊槍的螺柱，其伸出槍嘴端面一定的長(zhǎng)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(jī)式焊槍的螺柱熔化長(zhǎng)度與工件熔池深度為單獨(dú)的參數(shù)值， 與螺柱伸出長(zhǎng)度沒(méi)有直接關(guān)系。

焊接電流、焊接時(shí)間、螺柱提升高度和螺柱伸出長(zhǎng)度是拉弧式螺柱焊接工藝的 4 個(gè)重要參數(shù)，在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)螺柱直徑和工件厚度、材質(zhì)來(lái)設(shè)定。要進(jìn)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(diǎn)。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(dòng)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(jī)。目前先進(jìn)焊機(jī)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(chǔ)焊接參數(shù)，并能在焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)字顯示。大部分焊機(jī)電源采用的是晶閘管控制弧焊整流器； 先進(jìn)的焊機(jī)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(diǎn)是瞬間大電流， 所以要求焊接電源在很短時(shí)間內(nèi)焊接電流達(dá)到設(shè)定值， 短周期螺柱焊機(jī)電流上升的時(shí)間更短，如果供電電網(wǎng)電源的容量不足會(huì)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(zhǎng)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(dòng)送釘?shù)乃欧姍C(jī)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(chē)行業(yè)的應(yīng)用，螺柱焊接具有快速、可靠、操作簡(jiǎn)單及無(wú)孔連接等優(yōu)點(diǎn)，正在替代汽車(chē)制造中的鉚接、攻螺紋和鉆孔等連接工藝。 目前螺柱在轎車(chē)車(chē)廂內(nèi)的作用是固定線束、 內(nèi)飾件和地毯等； 在車(chē)廂外的作用是固定線束、油管、制動(dòng)油管以及隔熱板、導(dǎo)流板等底盤(pán)附件。現(xiàn)在螺柱在轎車(chē)制造中的使用量日益增長(zhǎng)，以神龍公司的車(chē)型為例，愛(ài)麗舍的螺柱使用量是 50 多個(gè)，標(biāo)致 307 的螺柱使用量為 106 個(gè)，雪鐵龍 C5的螺柱使用量為 187 個(gè)。轎車(chē)制造中常用螺柱類型如圖 3 所示。

儲(chǔ)能式螺柱焊焊接時(shí)間、焊接電流不可調(diào)，熔深很淺，在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用很少。目前汽車(chē)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(jī)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)，具有參數(shù)編制軟件，編程操作非常直觀，同時(shí)具備故障自我診斷系統(tǒng)， 便于設(shè)備維修。 焊接主機(jī)可通過(guò) RS232接口與筆記本電腦相連。 一臺(tái)焊接主機(jī)可連接 5 把焊槍，大大提高了焊接主機(jī)的利用率。最近幾年，焊槍由氣動(dòng)發(fā)展到電動(dòng)，內(nèi)部具有螺柱提升行程測(cè)量系統(tǒng)，與伺服電機(jī)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(dòng)化設(shè)備相結(jié)合形成全自動(dòng)螺柱焊接， 在神龍汽車(chē) 2 號(hào)平臺(tái)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(dòng)螺柱焊接。 螺柱焊接設(shè)備與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合而形成的機(jī)器人螺柱焊在汽車(chē)制造業(yè)已經(jīng)得到應(yīng)用， 如德國(guó)大眾公司已經(jīng)采用了這項(xiàng)技術(shù)。

螺柱焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)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(dòng)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(gè)趨勢(shì)。 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(jiǎn)單直觀。 伺服電機(jī)控制的焊槍正在取代彈簧機(jī)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(yǔ)

相對(duì)于熔化極氣體保護(hù)焊、 TIG 焊和埋弧焊等電弧焊接方式， 國(guó)內(nèi)研究應(yīng)用電弧螺柱焊接技術(shù)的時(shí)間只有十幾年， 不過(guò)國(guó)內(nèi)對(duì)于螺柱焊技術(shù)與設(shè)備的研究已有了很大進(jìn)展， 國(guó)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(jī)式焊槍的生產(chǎn)能力，應(yīng)加大研究力度，早日推出與國(guó)外先進(jìn)水平相媲美的產(chǎn)品。