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目前，我國(guó)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(dòng)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(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、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)，無需保護(hù)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(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。

   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(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。

圖2 短周期螺柱焊接過程

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，它是通過晶閘管控制的直流電源或逆變式焊接電源來進(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程是：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??；引弧時(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)。

圖3 轎車制造常用螺柱類型

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渡時(shí)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(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(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)周期螺柱焊來說，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)度沒有直接關(guān)系。

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