电弧螺柱焊的提离高度、外伸长度及同心度调节方法及典型值

1.电弧螺柱焊的原理

电弧螺柱焊又称拉弧式螺柱焊，实质上是电弧焊方法的又一应用。焊接时螺柱端部与焊件表面之间产生稳定的电弧过程，电弧作为热源在焊件上形成熔池，螺柱端被加热形成熔化层，在压力（弹簧等机械压力）作用下将螺柱端部浸入熔池，并将液态金属全部或部分挤出接头之外，从而形成连接。电弧螺柱焊的电弧放电是持续而稳定的电弧过程，焊接电流不经过调整，焊接过程中基本上是恒定的。

表5-196 常见螺柱焊接方法的主要特点

2.电弧螺柱焊的特点

1）螺柱焊是焊接紧固件的一种快速方法，焊接时间约为零点几秒到几秒，因此生产率高。

2）对焊接接头的质量可进行有效控制，能保证焊接接头的导热性、导电性、密封性及接头强度。

3）把紧固件（螺柱或螺母等）固定在工件上的方法中，电弧螺柱焊可代替焊条电弧焊、电阻焊和钎焊，也可以代替铆接、钻孔和攻螺纹。

4）可进行平焊、立焊、仰焊等，可将螺柱焊到平面和曲面上。

5）可使坚固件之间的距离达到最小。

图5-141 螺柱焊设备组成

3.电弧螺柱焊设备

电弧螺柱焊设备包括焊接电源（螺柱焊机）和焊枪及控制装置等部分组成，如图5-141所示。

（1）焊接电源 采用直流电源，如弧焊直流器、弧焊逆变器或直流弧焊发电机，焊接电源必须满足如下要求：

1）空载电压应在70～100V。

2）具有陡隆外特性。

3）能在短时间内输出大电流，巨输出电流能迅速达到设定值。

螺柱焊电源可以是具有陡降外特性的焊条电弧焊电源，但必须配备一个控制箱，以进行电源的通断、引弧和燃弧时间的控制。由于螺柱焊焊接电流比焊条电弧焊的焊接电流大得多，对大直径螺柱的焊接可以用两台以上普通弧焊电源并联使用。螺柱焊电源的负载持续率很低，相当于焊条电弧焊的1/3～1/5，若有可能宜选购专为电弧螺柱焊设计的电源。其专用焊机常把电源和控制器做成一体。

（2）焊枪 螺柱焊焊枪分为手提式和固定式两种，其工作原理相同。手提式螺柱焊枪又分为大、小两种类型。小型焊枪较轻便，约1.5kg，用于焊接直径为12mm以下螺柱；大型焊枪在1.5～3.0kg，用于焊接直径为12～30mm的螺柱。固定式焊枪是为焊接某些特定产品而进行专门设计的焊枪，焊枪被固定在支架上，在工位上进行焊接。

1）结构。焊枪上设有启动焊接用的开关，装有控制线与焊接电缆。焊枪中的主要构成部分有夹持机构、磁力提升机构、弹簧压下机构等，如图5-142所示。

2）焊枪可调节参数。包括提离高度、螺柱外伸长度及螺柱与瓷圈夹头的同心度。其中提离高度和螺柱外伸长度由磁力提升机构进行调节，提升量一般在3.2mm以下。而螺柱与瓷圈夹头的同心度可以通过支架粗调螺柱夹头和瓷圈夹头间的相对位置，再通过瓷圈夹头在焊枪上的轴向位置细调，同时也可调节螺柱外伸长度。利用弹簧压下机构可在焊接开始前保持螺柱伸出端与工件表面的接触预压，而在伸出端表面完全熔化后可将螺柱压入焊接熔池。为了减少在焊接过程中的飞溅，改善焊缝成形及保证焊缝质量，可在焊枪中安装阻尼机构，以便适当降低螺柱压入熔池的速度。

图5-142 电弧螺柱焊的焊枪结构

1—夹头 2—拉杆 3—离合器 4—电磁线圈 5—铁心 6—焊接电缆 7—控制电缆 8—扳机 9—支杆 10—脚盖

3）控制系统。与焊条电弧焊不同，电弧螺柱焊没有空载过程，故短接预顶、提升引弧焊接、螺柱落下顶锻、电流通断与维持等几个动作须由控制系统在焊前设定，并由焊枪自动完成。图5-143是一个典型的电弧螺柱焊机控制系统框图，它由驱动电路、反馈及给定电路、螺柱提升电路、时序控制电路，以及并联于焊接回路的引弧电路组成，驱动电路由三相同步变压器及控制电源组成，提供晶闸管同步电压脉冲信号，调节晶闸管的导通角；反馈及给定电路是从输出回路中取出电压信号及电流信号（由分流器取出），与给定信号比较后作为输入信号进入触发电路，从而获得焊接电源的下降特性及调节输出功率；螺柱提升电路是给焊枪中的电磁线圈提供一个70～80V的直流电，接通时电磁力吸引衔铁从而提升螺柱，引燃电弧进入焊接；时序控制电路是由多个延时电路与继电器组成，作用是控制前述三个电路和引弧电路工作的顺序和延时。通过该时序控制电路使焊机输出得到如图5-144所示的控制时序和参数。

图5-143 电弧螺柱焊机的控制系统框图

图5-144 电弧螺柱焊机控制时序图

I_w—焊接电流（25～2500A）

I_s—引弧电流（10～50A）

U_g—电弧电压（70～80V）

ΔS—螺柱位移（1～5mm间调节）

T₁—引弧电流短路时间（5～10ms）

T₂—焊接电流短路延时时间（20ms±2ms）

T₃—有电顶锻时间（≤10ms）

T_w—焊接时间（100～5000ms内均匀可调）

4）电弧螺柱焊机的型号及主要技术参数见表5-197。

表5-197 电弧螺柱焊机的型号及主要技术参数

现代先进的拉弧螺柱焊机多采用微机控制，如为适应建筑业在工地施工的特殊情况，国外生产一种ARC 2100 M螺柱焊机就是由微机控制，能焊接的螺柱直径范围在6～22mm，焊接电流最大为2300A，可在300～2000A无级调节，焊接时间在10～1000ms调节，焊接生产率较高，对直径为16mm的螺柱每分钟可焊接10件。

4.电弧螺柱焊的焊接材料

（1）螺柱 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，其端径受母材厚度的限制，见表5-195。螺柱待焊底端多为圆形，也可制成方形或矩形。底端横截面为圆形的螺柱焊接端一般加工成锥形，横截面为方形的坚固件焊接端一般加工成楔形。螺柱长度一般应大于20mm（夹持量+伸出长度+熔化量的长度），其中熔化量的长度为3～5mm。底端为矩形的宽度不应大于5mm。

螺柱的长度必须考虑焊接过程产生的缩短量（熔化量）。因为焊接时螺柱和母材金属熔化，随后熔化金属从接头处被挤出，所以螺柱总长度要缩短。电弧螺柱焊时，螺柱缩短量的典型值见表5-198。与电弧螺柱焊相比，电容放电螺柱焊的螺柱熔耗量很小，通常为0.2～0.4mm。熔化所产生的缩短量几乎可以忽略不计。

表5-198 电弧螺柱焊螺柱缩短量的典型值 （单位：mm）

钢的螺柱焊时，为了脱氧和稳弧，常在螺柱端部中心处（约在焊接点2.5mm范围内）放一定量的焊剂。图5-145给出将焊剂固定于柱端的4种方法，其中图5-145c较为常用。对于直径小于6mm以下的螺柱，一般不需要焊剂。

铝的螺柱焊时，螺柱端部不需加焊剂，为了便于引弧，端部可做成尖状，焊接时需用惰性气体保护，以防止焊缝金属氧化并稳定电弧。

图5-145 螺柱焊柱端焊剂固定方法

a）包覆颗粒 b）涂层 c）镶嵌固体焊剂 d）套固体焊剂(www.xing528.com)

常用的电弧螺柱焊的螺柱的设计已经标准化，表5-199和表5-200分别为国际标准化组织ISO给出的两种螺柱的设计标准，前者是有螺纹的螺柱，后者是有无螺纹的螺柱和抗剪锚栓。我国标准GB/T 10433—2002《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》给出的设计标准和表5-200是一致的，所用的材料多为螺纹钢ML15和ML15Al。

表5-199 有螺纹螺柱（PD）系列的形状和尺寸 （单位：mm）

表5-200 抗剪锚栓（SD）系列的形状和尺寸 （单位：mm）

（2）保护套圈 套圈又称瓷环，为圆柱形，底面与母材的待焊端表面相匹配并做成锯齿形，以便气体从焊接区排除。

1）作用。保护套圈的作用如下：

①防止空气进入焊接区，降低熔化金属的氧化程度。

②焊接时使电弧热量集中于焊接区内。

③防止熔化金属的流失，以利于各种位置的焊接。

④遮挡弧光。

2）套圈类型。可分为消耗型和半永久型两种。

①消耗型。在工业上应用很广泛，是用陶瓷材料制成，易于打破后除去。陶瓷套圈上设计有排气孔和焊缝成形穴，以便更好地控制焊脚形状和焊缝质量。由于焊后不用从螺柱体上取出套圈，所以螺柱形状可不受限制，套圈尺寸与形状可制成最佳状态。

②半永久性。在工业上很少采用，仅用于特殊场合。如用于自动送进螺柱系统，此时对焊脚控制要求不高。半永久性套圈一般能使用500次左右。

3）套圈的形状和尺寸。我国对圆柱头焊钉进行普通平焊时所使用的瓷环，形成标准设计，如图5-146所示。其相应的尺寸列于表5-201。

图5-146 圆柱头焊钉普通平焊用的瓷环

国际标准化组织给出两种螺柱焊用的瓷环的标准设计，见表5-202和表5-203。

5.电弧螺柱焊工艺

（1）焊前准备

1）螺柱端部和母材待焊处应具有清洁表面，无漆层、轧鳞和油水污垢等。

2）检查焊接电缆、导电夹头是否正常，导电回路是否牢固连接。

表5-201 圆柱头焊钉普通平焊用的套圈尺寸 （单位：mm）

表5-202 用于螺纹螺柱焊的套圈（PF）的形状和尺寸 （单位：mm）

表5-203 用于无螺纹螺柱和抗剪锚栓焊的套圈（UF）的形状和尺寸 （单位：mm）

3）将待焊螺柱装入螺柱焊枪夹头中，并将相配合的陶瓷保护套圈装入瓷圈夹头中。采用惰性气体保护时，按要求调整好气体流量。

4）检查螺柱对中及调整好螺柱伸出陶瓷的长度和提离长度。

5）调整好焊机电压输出，确认能够进行正常运行，焊前准备即可结束。

（2）焊接操作要点 焊接时将螺柱插入夹头底部，并调整夹持松紧度。长工件焊接时为防止磁偏吹，应采用两根地线，对称与工件相接，焊接过程中可随时调整地线位置。焊接过程如图5-147所示。

1）将螺柱接触面布置于工件待焊部位，如图5-147a所示。

2）利用焊枪上的弹簧压下机构使螺柱与陶瓷圈同时紧贴工件表面，如图5-147b所示。

3）打开焊枪上的开关，接通焊接回路使枪体内的电磁线圈激磁，此时螺柱自动提离工件，即可在螺柱与工件之间引弧，如图5-147c所示。

4）螺柱处于提离工件位置时，电弧引燃扩展到整个螺柱端面，在电弧热能作用下，使端面少量熔化，同时也使螺柱下方的工件表面熔化而形成熔池，如图5-147d所示。

5）电弧燃烧到预定时间时熄灭，同时焊接回路断开，电磁线圈去磁，靠弹簧快速将螺柱熔化端压入熔池，如图5-147e所示。

图5-147 电弧螺柱焊操作顺序（箭头表示螺柱运动方向）

6）弹簧压到一定时间后，将焊枪从焊好的螺柱上抽出，打碎并除去保护瓷圈，如图5-147f所示。

7）防止电弧偏吹。电弧螺柱焊也有弧偏吹现象，即电弧周围电磁场不均衡，引起弧柱轴线偏离了螺柱轴线，造成连接面加热不均，对焊接质量产生不利影响。图5-148表示了弧偏吹的产生原因和补救办法。通过改变接线卡或铁磁物质的位置，使电弧周围电磁场均衡，即可防止弧偏吹。

图5-148 电弧螺柱焊弧偏吹的产生和补救方法

a）、c）、e）电弧两侧磁场强度不相等而偏向较弱一侧，产生磁偏吹 b）、d）、f）通过改变导电线路（接线卡位置）或调整周边铁磁物质，使电弧两侧磁场均衡即可防止磁偏吹

1—工件 2—焊枪 3—铁磁物质 4—接线卡 5—电缆

图5-149 低碳钢电弧螺柱焊焊接电流与焊接时间范围

（3）焊接参数的选择 焊接参数的选择主要是焊接电流和焊接时间。焊接热输入的大小是能否获得优质螺柱焊接头的关键，只有足够大的焊接热输入才能保证接头的质量。而焊接热输入与焊接电流、电弧电压及焊接时间有关。当螺柱提离工件的距离确定后则电弧电压基本上保持不变。因此焊接热输入是由焊接电流和焊接时间来决定的。使用不同的焊接时间与焊接电流的组合均能得到相同的焊接热输入。但对应每种尺寸的螺柱，要获得合格焊缝的焊接电流是有一定的范围的，而焊接时间的选择应与此范围相配合。焊接电流和焊接时间的选择是根据螺柱的材质、横截面尺寸大小来确定的。各种直径低碳钢螺柱焊的焊接电流与时间的关系如图5-149所示，对于某一给定的螺柱尺寸，均存在一个参考范围，通常须在此范围内选定最适合的焊接电流和焊接时间。

电站锅炉水冷壁管屏螺柱焊推荐焊接参数见表5-204。

表5-204 电站锅炉水冷壁管屏螺柱焊推荐焊接参数