第一節 螺柱焊

一、 螺柱焊

1、螺柱焊

將螺柱或類似的其他緊固件通過電弧熔化金屬的途徑焊于工件上的方法統稱螺柱焊，螺柱焊也是電弧焊中的一種.

2、焊接原理和過程

首先讓焊槍里的螺柱（釘子）接觸工件，焊接時,按鈕閉合,螺柱被焊槍里的機構提起，造成螺柱與工件之間產生電弧，將工件表面熔化形成熔池，然后螺柱在彈簧壓力作用下落下來，沾在工件上，形成牢固的焊接接頭。完成焊接過程。

3、螺柱焊的分類

電弧螺柱焊、電容放電螺柱焊(電容儲能螺柱焊)兩種基本的方法。

兩者的主要區別是焊接電源和燃弧時間長短不同，前者由弧焊電源供電，燃弧時間約0.1~1s;后者由電容儲能電源供電,燃燒時間非常短約1~15ms.此外，電弧螺柱焊常使用焊劑（焊鋁時使用保護氣體）和陶質套圈，而電容放電螺柱焊因燃燒時間短，不需焊劑和外加保護。焊接時不需要填充金屬。

電容儲能螺柱焊：根據其引弧方式的不同，有預接觸式、預留間隙式和拉弧式三種焊接方法。大部分主機廠多用拉弧式焊接方法。

焊接時，先將螺柱在工件上定位并使之接觸，按動焊槍開關，接通焊接回路和焊槍體內的電磁線圈；線圈起作用就把螺柱拉離工件，使它們之間引燃小電流電弧，當提升線圈斷電時，電容器通過電弧放電，大電流將螺柱和工件待焊面熔化，螺柱在彈簧或汽缸力的作用下返回向工件移動，當螺柱插入工件時電弧熄滅，完成焊接。

此法的特征是：接觸后拉起引弧，再電容放電完成任務焊接。

拉弧式電容放電螺柱焊的螺柱待焊端不需小凸臺(預接觸式電容放電螺柱焊和預留間隙式電容放電螺柱焊都要設計小凸臺)，但需加工成錐形或略呈球面。由于電容放電螺柱焊是在幾毫秒內完成的，一般可在沒有保護和焊劑情況下，獲得滿意的焊接接頭。

第二節

螺柱焊工藝與設備

1、電容放電螺柱焊焊接工藝參數

電容放電螺柱焊焊接質量取決于焊接能量，該能量由焊接時的放電電流和放電時間決定的(這一點一定要注意,很多時候工藝人員將電源能量選小,而影響焊接質量)。

焊接能量E=1/2CU

E—能量（J），C—電容（F），U—電壓（V）

而放電電流隨充電電壓而變，充電電壓越高,放電電流越大,放電時間由設備本身給定。

電容放電螺柱焊是根據螺柱材質、直徑和所選定的螺柱焊焊接方法確定工藝要求，從而確定充電電壓值。

螺柱直徑越大，需要的放電電流亦越大，則所需的充電電壓值就越大。當螺柱材質與直徑相同時，用不同的焊接方法所需的放電電流也不同。

螺柱焊的主要參數有：螺柱提升高度、螺柱外伸長度、（套圈夾頭的同軸度）、焊接電流、引弧電壓、引弧時間、電弧電壓（焊接電壓）、焊接時間和插入速度等。

焊接時間-從焊接主電流導通到焊接電弧電壓為0V所需的時間焊接時間是影響焊接質量的關鍵因素之一，由于Emhart控制器對焊接時間的控制是通過電弧電壓的反饋信號而加以控制，所以焊頭的工作狀態非常重要。在生產過程中，焊接時間常因下落時間（drop time）的變長而相應增長。焊接時間超出焊接規范，導致焊接質量的下降、出現焊穿、螺柱的法蘭過渡熔化等。

出現以上情況，主要有4個方面的原因：

①夾頭位置不對而導致提升距離變長。

②支撐彈簧超出疲勞極限。

③焊頭污染，其滑板滑動不暢。

④反饋線接觸不好或與接地線的連接斷路。

2、工藝要點：

1）電源的容量應足以滿足所需焊接的螺柱規格。

2）焊接表面不應有缺陷或過分粗糙，而且應清潔，無過多的油漬、潤滑脂（液），同時應無銹和氧化皮。

3）安放螺柱及操作焊槍時，必須使螺柱軸線垂直工件表面，這是保證接頭完全熔合的關鍵，焊接時焊槍不能晃動。

4）螺柱焊的焊接時間對質量的影響很大。

5）螺柱焊焊接普通碳鋼時應采用直流正接，焊接有色金屬時則采用直流反接.

3、焊接操作要點

（1）焊件表面清理

螺柱焊端和母材表面應具有清潔表面，無漆層、無軋鱗和油水污垢等。但允許有少量的銹跡。

（2）定位

根據螺柱的用途和要求的定位方法，精度要求很高時，要采用具有特殊定位模型的夾具。

（3）操作

鋼螺柱焊采用直流正接，鋁及其合金螺柱采用直流反接；調節好焊槍的提升量、螺柱超出套筒的外伸長度、焊接電流和燃弧時間。螺柱焊的操作簡單易學,焊接時，應保持焊槍與工件表面垂直，施焊過程中不能移動或搖晃焊槍。焊后不能立即提槍，以防拔起螺柱（脫焊）。

螺柱焊設備

電弧螺柱焊機:以弧焊整流器作為電源進行焊接。

電容放電螺柱焊機:以電容器貯存的能量瞬間放電而進行焊接。

對于螺柱焊的鍍層鋼板

1、對電鍍鋅鋼板。它在焊接時形成大量的鋅煙霧和蒸汽的混合物。如果焊接時間太短，氣化的鋅就會在螺柱熔化區內形成氣孔。當鍍鋅層厚度為5μm時，優先選用的是直接接觸儲能式螺柱焊。

2、對于熱鍍鋅的薄板與涂層厚度均勻的鍍鋅鋼板相反，在熱鍍鋅鋼板表面上進行螺柱焊就比較難掌握。其鍍層厚度在.5-25μm.當螺柱直徑在6 mm以下時也可以采用直接接觸儲能式螺柱焊.但是要考慮螺柱焊頭質量會有較大的不穩定性。

第一階段

當螺柱與工件接觸時（SOW），初始電流值約為40A，電壓為0V。初始電流的存在，一方面可激活焊接處的被焊金屬表面，以便順利起弧；另一方面為控制器反饋所診斷到的信息（見圖1）。在實際的生產過程中，由于焊接板材的形狀原因，或與車體尺寸的配合原因，在機器人焊接時，有時會出現螺柱與車身接觸困難，同時如果車體鋼板強度偏軟，也會影響焊接的質量。這就需要在工裝夾具上做相應的調整，增強被焊處鋼板的剛度，從而保證該階段的可靠和穩定。

第二階段

緊接著焊槍中的提升線圈得到70V（DC）的電壓，線圈動作，將螺柱提升到（0.045″=1.2mm），已被激活的金屬表面在電壓作用下由此而產生拉弧，由于提升高度一定，電弧電壓最終約為24V(DC)。該電壓為維弧電壓，為主電弧的順利導入創造了條件，如圖2所示

第三階段

主焊接電流導通，在電弧的作用下，被焊接處熔化成焊接熔池，由于提升高度相同，電弧電壓保持不變（見圖3）。

第四階段

提升線圈失掉電壓，螺柱下降，下落到焊接熔池中，下落時間為12ms。從而完成整個焊接過程（見圖4）。

1）、焊接電源和控制部分

焊接電源

電弧螺柱焊機焊接電源一般為晶閘管控制的或逆變式的弧焊整流器。逆變式的弧焊整流器體積小、重量輕、動特性好，無疑是焊機的首選，但受大功率器件的限制，所以目前大容量的焊機還是以晶閘管控制的弧焊整流器為主。

電容放電螺柱焊焊機的電源主要由儲能的電容器組和為電容器充電的裝置組成，控制部分的控制箱它具有存儲、輸出數據的功能。螺柱焊機的所有參數都是由它來控制的。在它的前方有一個接入口，通過它的外接數據編程器可以對所需要的參數進行設定，按要求輸出焊接電流，以達到所需要的焊接效果。

2）、送料器部分

送料器主要由一個送料電機和一段軌道組成。送料電機首先將送料盒里的螺釘翻動，使它落到軌道上，完成任務自動裝料過程。

3）、工作部分

工作部分主要由送釘管和焊槍組成。螺釘落到軌道上后由氣體推動進入送釘管，再由送釘管進入焊槍下部，然后由焊槍里的氣缸動作將釘子推向焊槍的前端。完成任務整個送料過程。焊槍分為半自動和自動按工作路線來分也分為兩條路線，氣路和電路

氣路

首先是管路里的高壓氣體通過軟管進入附在送料器上的三聯件中的油水分離器中，過濾高壓空氣中的雜質，然后經過氣動三聯件中的調壓閥，根據需要調節氣壓的大小（氣壓≥0.6Mpa）然后進入送釘管后，再進入焊槍氣缸里，見圖。

螺柱的設計

1、 一般電容放電螺柱是在冷沖壓流水線上制成，并且其法蘭與螺柱直徑相比大1.5-2.0mm。用這個法蘭是為了擴大焊接面。由于焊接時間短以至于焊接處的缺陷經常占30%-40%法蘭平面。但是螺柱的強度能達到。螺柱與工件是搭接的，焊接時的電弧不是圓柱形。螺柱帶法蘭與工件焊接，這樣焊接結果是較均勻的。

2、螺柱體幾乎可以是任何形狀,如圓柱形(帶螺紋或不帶螺紋)、方形、矩形、錐形、開槽的沖壓件，但它必須適合裝夾，而且焊接端必須是圓形的。螺柱的直徑范圍在1.6~13mm,但多在3~10mm范圍內。

3、拉弧式電容放電螺柱焊用的螺柱焊端不需設計成尖頂或凸臺，但需加工成錐形或略成球面形，這樣電弧能在弧柱中心部位引燃。其底部也設計成帶肩（凸緣）的形狀。與電弧螺柱焊相比，電容放電螺柱焊的螺柱熔耗量很小，通常在0.2~0.4mm范圍。熔化產生的縮短量幾乎可以忽略不計。

螺柱焊缺陷和檢驗

螺柱焊常見的焊接缺陷分為：

外觀缺陷:外觀缺陷主要有焊瘤過高、螺柱傾斜和螺栓過燒

內部缺陷,:內部缺陷主要是弱焊或虛焊。

如焊瘤過高超過預留線,造成在擰螺母時螺母傾斜、扭矩不夠、不能固定工件和產生線束固定卡松脫等現象。產生的原因可能是焊槍的彈簧壓力過大或焊接能量太大，此時要注意查看引弧時間，引弧電流、電弧電壓等。

螺柱傾斜會造成螺母和線束無法擰入。產生的原因是焊接時焊槍沒有垂直工件。弱焊或虛焊產生的原因是焊接時螺釘未插入和焊槍提起過早。

質量檢查的方法有:

1、目視檢測 對于T形螺柱、帶法蘭的螺柱，其焊接質量可以通過目視檢測螺柱底端焊縫外觀形狀來判斷焊接的質量，如圖5-所示。

圖a所示是一個合格的螺柱焊縫，其角焊縫均勻，成形連續且熔合好。

圖7b所示為虛焊，表明螺柱沒有完全插入熔池。這種情況應檢查夾頭的位置是否正確，焊槍的頂桿彈簧是否超出疲勞強度、焊頭滑動是否自如和提槍過早。

圖7c所示表明焊接熱量不足。解決的途徑是檢查夾頭與防飛濺套的位置是否等于1.2mm，是否所有導線接點可靠，以確保電流的順利導通，同時可根據情況增加焊接電流或焊接時間。

圖7d所示表明熱量過高。在確保夾頭位置正確的前提下，可降低焊接電流或焊接時間。

圖7e所示表明螺柱傾斜，只有局部的焊縫。通過矯正焊槍位置，使其與焊接表面垂直即可解決。

圖7f所示表明接頭一側焊縫堆積而另一側沒有焊縫。這是由于電弧偏吹所致，可通過改變接地方式和位置來解決。

彎矩檢測

主機廠采用專用的測力工具對`螺柱進行檢測。該專用工具如下圖所示，在檢測螺柱前，先按不同螺柱的尺寸調整好工具，檢測時手柄擺動角度為10~15°，如果螺柱在檢測時無斷裂和焊縫開裂，該螺柱為合格。

第四節

螺柱焊方法的選擇與應用

一、螺柱焊方法的選擇

為了正確地選擇和使用螺柱焊,必須考慮這種工藝方法的基本特點和它的適用范圍.

1.各種螺柱焊焊接方法的區別,見表

2、螺柱焊的優點和局限性

（1）優點

1）焊接時間短，不需要填充金屬，生產率高；熱輸入小，焊縫金屬和熱影響區窄小，焊接變形極小。

2）只需單面焊。安裝緊固件時，不必鉆孔，攻螺紋和鉚接。

3）電容放電螺柱焊可焊接小螺柱和薄母材，可焊異種金屬。也可把螺柱焊到有金屬涂層的母材上，因電容放電電弧有擊穿特性能將金屬涂層（如電鍍層、鍍鋅層等）排出接頭之外。

4）對焊件表面清理要求不高。若有電容放電螺柱焊焊接非鐵金屬和不銹鋼等，不必用Ar氣保護或焊劑，節約成本。

（2）局限性

1）螺柱焊的形狀和尺寸受到焊槍夾持和電源容量限制；螺柱底端尺寸受到母材厚度的限制。

2）預接觸式或預留間隙式電容放電螺柱焊的螺柱，其待焊端需加工出嚴格的凸臺或尖頂用于引弧，而且螺柱的直徑一般限在1.610mm范圍內，超出此范圍，無論是螺柱的制備和焊接，都變得不經濟。