板材拉弧式螺柱焊接操作技巧

任务描述

1.了解螺柱焊的特点、分类及应用。

2.熟悉拉弧式螺柱焊设备。

3.了解拉弧式螺柱焊和电容放电式螺柱焊的焊接过程。

4.了解螺柱焊方法的选择。

5.掌握拉弧式螺柱焊焊接技术。

任务分析

本任务主要涉及螺柱焊的原理、特点、分类及应用，拉弧式螺柱焊设备，拉弧式螺柱焊和电容放电式螺柱焊的焊接过程及螺柱焊方法的选择等知识点，并使学生通过板材拉弧式螺柱焊操作训练来完成螺柱焊的学习任务。

相关知识

一、螺柱焊的特点、应用及分类

将柱状金属紧固件（如螺栓、螺钉等）垂直地焊到另一构件平面或曲面上的方法称为螺柱焊，又称为植钉焊，如图9-23所示。它兼具有熔焊和压焊的特征。螺柱焊的接头形式为T形接头，接头处是全断面焊合。实现螺柱焊的方法有电弧焊、电阻焊、摩擦焊等。

1.螺柱焊的特点

图9-23 螺柱焊

（1）优点

1）无需钻孔、打洞、攻螺纹、黏结、铆接等连接方式。

2）无需对非焊接面进行再次加工。

3）对于有密封性要求的产品，螺柱焊能实现不漏水、不漏气。

4）焊接上的金属紧固件成为连接母体的一部分。

5）螺柱焊速度快、准确度高、稳定性好。

6）连接成本低、效率高。

7）易于全位置焊。

（2）缺点

1）设备不易调节。

2）在焊接淬硬金属时，由于焊接冷却速度快，易在焊缝和热影响区形成淬硬组织，因此接头塑性较差。

2.螺柱焊的应用

螺柱焊可用于螺纹紧固件、普通销钉和开口销钉、内螺纹紧固件、矩形断面的扁头紧固件的焊接，可以焊接低碳钢、低合金钢、不锈钢及有色金属。螺柱焊在汽车、锅炉、建筑结构、家用设备制造、造船、国防工业等方面得到较广泛的应用。

3.螺柱焊的分类

螺柱焊按操作过程的不同，可分为拉弧式螺柱焊和电容放电式（电容储能式）螺柱焊两种主要形式。两者的主要区别是供电电源和燃弧时间的不同。拉弧式螺柱焊由弧焊电源供电，燃弧时间为0.1～1s；电容放电式螺柱焊则由电容储能电源供电，燃弧时间非常短，为1～15ms。此外，拉弧式螺柱焊常使用瓷环、焊剂及保护气体等作为保护介质，而电容放电式螺柱焊因燃弧时间很短，故不需焊剂和外加保护。

二、拉弧式螺柱焊

1.拉弧式螺柱焊的焊接原理

拉弧式螺柱焊是在螺柱端面与工件之间建立电弧，用电弧热熔化两待焊面后施加压力而完成焊接的工艺过程。其焊接过程如下：

（1）工件表面的清理 螺柱和工件待焊面应清洁，无漆层和油水、污垢等，但允许有少量锈迹。

（2）定位 根据螺柱预定用途和要求确定定位方法，当对精度要求很高时，推荐采用特殊定位夹具或固定式螺柱焊设备。当采用手提式螺柱焊枪时，最简单和最常用的定位方法是在工件上用样板画线或打中心冲眼，然后把螺柱尖端对准其位置。

（3）焊接 首先应正确地选择极性和焊接参数，然后对不同焊接位置和电弧偏吹进行处理，之后开始焊接。

拉弧式螺柱焊包括瓷环保护拉弧式螺柱焊、气体保护拉弧式螺柱焊、短周期拉弧式螺柱焊和电容放电拉弧式螺柱焊，下面以瓷环保护拉弧式螺柱焊为例进行说明。

瓷环保护拉弧式螺柱焊焊接过程见表9-12。

表9-12 瓷环保护拉弧式螺柱焊的焊接过程

（续）

2.拉弧式螺柱焊的设备

拉弧式螺柱焊的设备有焊接电源、焊接时间控制器和焊枪等。

拉弧式螺柱焊专用焊机通常将焊接电源和焊接时间控制器做成一体。拉弧式螺柱焊对焊接电源的要求是：直流电源，以获得稳定的电弧；有较高的空载电压，为70～100V；具有陡降的外特性和良好的动特性；能在短时间内输出大电流并迅速达到设定值。小直径拉弧式螺柱焊或生产数量不大的拉弧式螺柱焊可以使用焊条电弧焊用的直流电源，但必须配备一个控制箱，以实现对焊接电流的通断、引弧和燃弧时间的控制。由于拉弧式螺柱焊的焊接电流比焊条电弧焊的大得多，因此大直径或大批量生产时宜用专用电源。

焊枪有手持式和固定式两种，其工作原理相同。手持式焊枪应用较为普遍。固定式焊枪是为特定产品专门设计的，被固定在支架上，在一定工位上完成焊接。

瓷环保护拉弧式螺柱焊用设备如图9-24所示。

图9-24 瓷环保护拉弧式螺柱焊用设备

3.焊接参数

拉弧式螺柱焊需要足够的能量。该能量的大小取决于螺柱的焊端直径（或断面积）。输入能量与焊接电流、电弧电压及燃弧时间有关。电弧电压取决于弧长或螺柱焊枪设定的提升高度。在将提升高度设定好以后，电弧能量就由焊接电流和焊接时间决定。由于相同的输入能量可由不同的焊接电流和焊接时间组合而成，所以在一定范围内，改变焊接时间有可能修正低的或高的焊接电流。

焊接时使用的是直流电，有正接和反接两种接线方法。通常在焊接钢材时，螺柱接电源的负极，工件（母材）接电源的正极，即用正接法。在焊接铝合金或黄铜等材料时，工件（母材）接电源的负极，螺柱接电源的正极，即用反接法。引弧时需提升螺柱，其提升高度不能过大，否则容易产生电弧漂移和偏吹；若提升高度过小，则容易造成短路断弧。提升高度正比于螺柱直径，一般用瓷环保护焊时，在1.5～7.0mm范围内选取；用气体保护焊时略小一些，在1.0～4.0mm之间选取。

提示：

从上述过程可知，瓷环保护拉弧式螺柱焊的主要特点是：接触式引弧，燃弧的时间较长，焊接时对焊接区需用瓷环进行保护。焊接碳钢时使用瓷环，既能保护熔化的金属不受空气污染，也具有强制焊缝成形的作用。瓷环通常是一次性使用的。焊接易氧化的金属（如铝及铝合金、镁及镁合金和不锈钢等）时，不宜采用瓷环，应采用惰性气体保护的方法，这种情况称为气体保护拉弧式螺柱焊。

知识卡：

短周期拉弧式螺柱焊与电容放电拉弧式螺柱焊

短周期拉弧式螺柱焊与瓷环保护拉弧式螺柱焊一样，焊接时也有短接、提升、焊接、顶锻等操作过程，区别在于焊接时对焊接电流进行了波形控制，使焊接周期大为缩短，从而不必再用瓷环或气体进行保护。它的一个焊接周期一般不超过100ms，故被称为短周期拉弧式螺柱焊。短周期拉弧式螺柱焊的设备由电源、控制装置、送料机及焊枪等部分组成。

电容放电拉弧式螺柱焊的原理与短周期拉弧式螺柱焊的相似，焊接时的电弧可分为先导电弧和焊接电弧，区别在于这两个电弧的供电方法不同。电容放电拉弧式螺柱焊由整流电源为先导电弧供电，焊接电弧由电容器组供电，而短周期拉弧式螺柱焊的这两个电弧均由整流器供电。电容放电拉弧式螺柱焊的焊接过程与直接接触式电容放电螺柱焊的相似，均有提升螺柱引弧的动作，但螺柱待焊端不需设计小凸台，只需加工成锥形或略凸的球面。

三、电容放电式螺柱焊

利用电容器中的电能瞬时放电产生的电弧热来连接螺柱与工件的方法，称为电容放电式螺柱焊。由于焊前电能已经储在电容器内，故又称电容储能式螺柱焊。根据电弧引燃时螺柱放电尖端与工件间隙的不同，电容放电式螺柱焊分为直接接触式和预留间隙式两种方法。

1.直接接触式

焊前螺柱与工件预先接触，然后通电，由电容器放电完成焊接。为了增加接头承载能力，将螺柱焊接端设计成法兰状，以增加接合面积，同时为了使电容放电顺利和加热均衡，将端面设计成凸锥，在中心设置一个小凸台。焊接过程见表9-13。

表9-13 直接接触式电容放电式螺柱焊焊接过程

2.预留间隙式

这种焊接方法所用的电源以及螺柱的形状和尺寸与直接接触式电容放电式螺柱焊是一样的，区别在于操作过程不同，因而焊枪不能通用。这种焊接方法最大的特点是焊前螺柱与工件之间不接触，而是预留一定间隙，在通电后再接近工件，电容器在接近工件的瞬间即放电，从而完成焊接。

3.电容放电式螺柱焊的设备

电容放电式螺柱焊的设备由电源、控制系统和焊枪三部分组成。电源和控制系统一般装在同一箱体内。由于采用电容器元件作为焊接能量的提供装置，因此设备的重量大幅度减轻，并且体积小巧、携带方便。手提式电容放电式螺柱焊的设备如图9-25所示。

电容放电式螺柱焊的焊枪有手持式和固定式两种类型。由于电容放电式螺柱焊的焊接程序不同，因此焊枪内部机构各异。

图9-25 手提式电容放电式螺柱焊的设备

四、螺柱焊方法的选择(www.xing528.com)

选择螺柱焊方法的主要依据是工件的材质、厚度及紧固件的尺寸。

1）当螺柱直径大于8mm时，适合采用拉弧式螺柱焊。虽然拉弧式螺柱焊可以焊接直径为3～25mm的螺柱，但是直径在8mm以下的螺柱更适合采用电容放电式螺柱焊。

2）ω（C）≤0.18%的结构钢、镍铬钢材料，可以选用任一螺柱焊方法。铝及铝合金、铜及铜合金、涂层薄钢板和异种金属材料，最好选用电容放电式螺柱焊。

3）不同的螺柱焊方法其螺柱直径与焊件厚度的比值不同。瓷环（或气体）保护拉弧式螺柱焊时螺柱直径与工件厚度的比值为3～4，电容放电式螺柱焊和短周期拉弧式螺柱焊时为8左右，所以厚度小于3mm的工件最好采用电容放电式螺柱焊。

各种螺柱焊方法的特点和应用范围见表9-14。

表9-14 各种螺柱焊方法的特点和应用范围

①d为螺柱直径，δ为工件厚度。

任务准备

1）工件：Q235钢，尺寸为300mm×200mm×1mm。

2）焊接材料：尺寸为ϕ5mm×15mm低碳钢材质的普通螺柱焊用螺栓若干。

3）焊接设备及工具：RSR—1200型电容放电式螺柱焊专用焊机、手持式焊枪、橡胶软管等。

4）焊前在钢板上做好螺柱的排列标记。

5）焊前清理：焊前应将工件表面的氧化皮、铁锈、油污等用钢丝刷、砂布或用抛光的方法进行清理，直至露出金属光泽。

6）焊前要仔细检查焊机的工作状况是否正常，地线接地是否良好。

任务实施

板材拉弧式螺柱焊焊件图如图9-26所示。

图9-26 板材拉弧式螺柱焊焊件图

1.确定并调试焊接参数

螺柱直径为5mm，峰值电流为3000A，焊接时间为5ms。

2.焊接

1）在将螺柱安装到焊枪上时，要安装得可靠，不能有偏差。

2）将焊枪对准预先做的记号，在使焊枪垂直于工件后，扣动焊枪扳机并施加一定的下压力，以使焊枪能够贴紧焊件，待焊枪自动完成焊接动作后，垂直抬起焊枪，完成一次焊接过程。

3）依次对准其他记号点进行焊接。

3.焊接结束

仔细检查周围有没有燃烧的物品及危险源，在确定无其他的隐患后，关闭焊机，整理现场后方可离开。

检查评议

板材拉弧式螺柱焊操作评分表见表9-15。

表9-15 板材拉弧式螺柱焊操作评分表

问题防治

1.螺柱焊不住

原因：螺柱焊不住的原因有很多种，其中最主要的是焊枪参数调整不正确。大约80%的螺柱焊不住的情况是由于焊枪参数调整不正确造成的，尤其在铝螺柱焊接时更为明显。

解决措施：焊枪参数调整分为压力参数调整及提升参数调整，应该将这两项参数根据焊接的板厚及所焊螺柱直径进行相应地调整。

2.焊缝热量不足

原因：焊接电源的焊接参数选择不当。

解决措施：在焊接前，应先详细了解所焊接的板材的厚度，表面是否有其他涂层及电镀层等，还要对所焊接的螺柱的直径加以确认。在对所有的相关数据了解后，本着“板越厚，电流越大”和“螺柱直径越大，电流越大”的原则，适当地加大电流和延长电弧燃烧的时间。

扩展知识

螺柱焊与传统螺柱固定方法相比所具有的优势

相对于传统螺柱固定方法，螺柱焊具有以下优势：

1.取代插入的方法

螺柱焊代替了插入的方法，快速且牢固，可以焊接较薄的板材且背面无焊痕，并且防潮、耐蚀。

2.取代钻孔和攻螺纹

螺柱焊可使制造商大大提高生产效率。钻孔和攻螺纹工艺要求每次在钻孔和攻螺纹后都要进行检漏测试，如果使用较厚的法兰，则需要花费更长的时间和更高的成本。

3.取代反面焊接

螺柱焊取代反面焊接可将生产效率提高10倍。螺柱焊避免了反面焊接时需要对工件表面进行研磨、除毛刺和烧痕等工序，避免了不良品的产生，既节省了时间又降低了成本。

4.取代螺纹联接工艺

螺柱焊不会破坏工件并且能防止渗漏现象发生。螺纹联接工艺通常有螺纹松动和装配时螺纹很难拧到螺柱根部的问题，而螺柱焊解决了的这些问题。

5.取代电阻焊

螺柱焊解决了焊接很大的工件时必须放到大电阻焊机上的问题。螺柱焊取代电阻焊可解决焊剂产生的侵蚀问题。较长时间的热影响会使某些先前进行钎焊的工件有持续性的损坏，而螺柱焊就可以避免这个问题。

6.改进了设计

对最终外观、安全或卫生要求较高的装饰面板、标牌、柜面、标示和徽章的固定受益于螺柱焊，因为螺柱焊后背面没有焊接痕迹。因为螺柱焊不会损坏工件表面，所以不会产生泄漏或侵蚀的危险。螺柱焊特别适合于那些要求不得穿透到工件背面的单面焊接，如电路板、铁轨、仪器、接地等零件的焊接。

螺柱焊接适合于液体/气体管道、电路、机器防护罩、把手、绝缘材料和防火材料的固定。

考证要点

一、填空题

1.按热源方式的不同，螺柱焊可分为____与____两种主要形式。

2.焊枪机械部分由____、____和____三部分组成。

3.通常焊接钢材时，螺柱接电源的____，工件接____，即用正接法。

4.电容放电式螺柱焊的设备由____、____和____三部分组成。

5.螺柱焊焊接方法选择的依据是：____、____、____。

二、判断题

1.拉弧式螺柱焊是在螺柱端面与工件之间建立电弧，用电阻热熔化两待焊面后施加压力而完成焊接的工艺过程。 （ ）

2.螺柱和工件待焊面应清洁，无漆层和油水、污垢等。 （ ）

3.螺柱的外形必须能满足焊枪夹持并顺利地进行焊接的要求。 （ ）

4.拉弧式螺柱焊使用的是交流电。 （ ）

5.拉弧式螺柱焊对工作场地无安全要求，有易燃易爆物品也可以。 （ ）

三、简答题

1.简述螺柱焊的特点。

2.简述电容放电式螺柱焊的原理及分类。