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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(lèi)似的金屬柱狀物及其他緊固件焊接在工件上的方法稱(chēng)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。

   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。

圖2 短周期螺柱焊接過(guò)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(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：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)。

圖3 轎車(chē)制造常用螺柱類(lèi)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(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?zhuān)嵘叨韧ǔ?.2mm，利用伺服電機(jī)提升螺柱的焊槍?zhuān)嵘叨韧ǔ?.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。

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