所謂螺柱焊 是指在金屬或類似金屬件的端面與另一金屬工件表面之間產(chǎn)生電弧，待接合面熔化時迅速施加壓力，完成焊接的一種方法。螺柱焊接 方法起源于1918年,由于這種焊接新技術具有快速、可靠、簡化工序、降低成本等一系列優(yōu)點，因而引起了世界各國的普遍重視，經(jīng)過不斷地改進和完善，特別是二次世界大戰(zhàn)后得到了迅速發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應用到橋梁、高速公路、房屋建筑、造船、汽車、電站、電控柜等行業(yè)?？珊附拥吞间摗⒉讳P鋼、低合金鋼，銅、鋁及其合金材質(zhì)的螺柱、焊釘、銷釘、栓釘?shù)?。?jù)報道1），日本園柱頭焊釘(栓釘)的年焊接量為6000萬個，異型棒狀焊釘年焊接量為300萬個?？梢娐葜附釉谌毡句摻Y(jié)構建筑中的應用規(guī)模。近年來我國經(jīng)濟建設發(fā)展迅速，使用螺柱焊接的領域也越來越廣泛，因此有必要對螺柱焊接技術 和焊接工藝 進行深入研究，以便提高焊接質(zhì)量，推廣普及這種焊接技術 。 
螺柱焊接技術發(fā)展到今天，已經(jīng)成為西方發(fā)達國家的一種基本的熱加工方法，螺柱（焊釘）的焊接大約有80%以上是通過螺柱焊機 完成的。而我國1986年才在成都試制成功第一臺螺柱焊機。至于螺柱焊接技術的應用，還是從上世紀的九十年代才逐步展開的，到現(xiàn)在也只有20來年的歷史，因此螺柱焊在我國還是一種剛剛興起的行業(yè)，不論焊接設備，還是焊接工藝都與國外有不少差距。分析這種差距，并逐步縮短這種差距，直至趕超世界水平則是我國螺柱焊接行業(yè)的神圣使命。 
1.螺柱焊機的分類 
螺柱焊機分為電弧螺柱焊機 和電容放電螺柱焊機兩大類，前者以弧焊整流器作為電源進行焊接，后者則以電容器貯存的能量瞬間放電而進行焊接。兩種焊接方式的特點及應用情況見表1。 
表1 電弧螺柱焊 和電容放電螺柱焊的特點 焊接方式 焊接時間tw ms 可焊螺柱直徑d mm 焊接電流I A 保護方式 最低板厚 電弧螺柱焊 瓷環(huán)保護 ＞100 3～25 300～3000 瓷環(huán) 1/4d但不能小于1mm 氣體保護 ＞100 3～16 300～3000 氣體 1/8d但不能小于1mm 短周期焊接 ≤100 3～12 ≤1500 不保護或氣體保護 1/8d但不能小于0.6mm 拉弧式電容放電螺柱焊 ＜10 3～10 ≤3000（峰值） 不保護 1/10d但不能小于0.5mm 注：最低板厚是指避免燒穿的厚度。 
1.1 電弧螺柱焊機 
電弧螺柱焊機是由焊接電源、控制器、焊槍、地線鉗、焊接電纜等部分組成。但大多數(shù)焊接設備的焊接電源都與控制器合并為一體，稱為主機。比較先進的控制方式是使用微處理器，以便精確設置和適時控制焊接過程中的焊接電流、焊接時間等參數(shù)。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。但不論那種結(jié)構的焊接電源，其安全要求都應符合GB15579的規(guī)定。用于螺柱焊的直流焊接電源應具有以下特點： 
a、焊接電源應具有下降的靜外特性。只有這樣才能維持電弧的穩(wěn)定性，保證焊接質(zhì)量。 
b、焊接電源應有引弧電流（40～50A）和較高的空載電壓（70～100V）。以確保100％的引弧成功率，對于大直徑的螺柱焊接，其空載電壓甚至超過100V。只有這樣才能滿足提升高度較大時的需求。 
c、要有較高的負載電壓。按弧焊電源下降特性的定義，當焊接電流≥600A時，其負載電壓應保持44V不變。在施工現(xiàn)場使用的焊機，其焊接電纜較長，有的長達50m，電壓降很大。如果不增加負載電壓加以補償，就勢必會降低其焊接能力，若不按照ISO14555規(guī)定配制焊接電纜的截面積，情況就會更加嚴重，甚至無法焊接。這就是為什么不同廠家制造的同一電流等級的焊機，其焊接螺柱的最大直徑有較大差異的主要原因之一。 
d、焊接電流要有陡升的前沿。螺柱焊接的最大特點是瞬間大電流，因此要求焊接電源在接通后的32ms之內(nèi)，焊接電流應達到其峰值。對于短周期螺柱焊而言，其焊接電流的上升時間應該更短，否則就有可能出現(xiàn)焊接時間已到，但焊接電流還沒有達到其峰值的現(xiàn)象。設定的焊接電流與螺柱焊接所得到的能量不成比例，則很難保證其焊接質(zhì)量。 
提高焊接電流上升速度的唯一辦法是減小電抗器的電感量。普通弧焊整流器之所以要加大電抗器，除了濾波之外還要限制短路電流的上升速度和短路電流的峰值，以降低引弧時的沖擊電流，減小飛濺和弧坑，并避免燒穿工件。螺柱焊則不同，是按照已設定的引弧、螺柱提升、接通主電源等邏輯順序進行的。也就是說，在螺柱與工件有一定間隙的情況下才接通焊接主電源的，因而避免了引弧時的飛濺。其實螺柱焊的最大“飛濺”是發(fā)生在螺柱壓入熔池時，瞬間發(fā)生的噴濺物。 
通過試驗已經(jīng)證明：三相全波硅整流電源（紋波系數(shù)γ＝0.042），即使沒有濾波電抗器，照樣可以進行螺柱焊接。螺柱焊用的由晶閘管控制的焊接電源的電抗器只是濾波而已，因此可以大大減小，至于減少多少？要視電源的主電路結(jié)構和電流調(diào)節(jié)范圍而定。 
e、電源要有較小的內(nèi)阻抗。焊接電源的主電路的電氣絕緣，采用H級耐熱等級與B級相比，具有體積小重量輕的優(yōu)點，倍受人們的推崇。但深入分析后發(fā)現(xiàn)，也并非完美無缺。GB11021規(guī)定：H、B級耐熱等級的最高溫度分別為180℃和130℃，H級比B級允許的溫度約高40％。也就是說，在主電路設計時，其線圈的電流密度可以大幅度提高，以減小導線的截面積。隨之而來的是導線的電阻，也即電路的阻抗增加。這對于大電流焊接的螺柱焊機而言，則是致命的缺點。假如焊接電源主電路的絕緣由B級改為H級，次級回路所有導線截面積的減小而導致總電阻的增加那怕只有0.006Ω，按2500A焊接電流計算，其增加的功耗為37.5kw，再加上主變壓器初級增加的功耗，則是相當可觀的。焊接電源主電路的功耗增加，勢必減小輸出的焊接功率，使焊接能力下降，這便是體積、重量的減小付出的代價。也就是說，焊接同一直徑的螺柱，H級比B級絕緣的焊機需要更高的功率才能達到同一效果，效率明顯下降。國產(chǎn)RSN2-3150電弧螺柱焊機，B級絕緣，能焊接d=30mm的焊釘，這是同等級的H級絕緣的電弧螺柱焊機無法達到的。 
f、供電的電源柜（箱）應有足夠的容量，電弧螺柱焊機的負載持續(xù)率很低，一般都小于15％，消耗的平均功率較低，但瞬間功率卻很大，大直徑螺柱焊接時，瞬間功率甚至超過300kw，這就要求供電的電源柜（箱）應有足夠的容量，以滿足螺柱焊接的要求。如果供電電源的容量小，在焊接時，電源電壓的降低達到其額定值的15％以下，超過了晶閘管的調(diào)壓穩(wěn)流的范圍，就很難保證焊接質(zhì)量，有些焊機甚至按照已設定的電源電壓限值強迫停機。架設專線，提高電源柜（箱）的容量或錯開用電高峰是解決問題的好辦法。 
1.2 電容放電螺柱焊機 
電容放電螺柱焊的特點是時間短，熱變形小，很適合薄板的螺柱焊接，在造船、汽車、電控柜、櫥柜等行業(yè)應用很廣。電容放電螺柱焊不用氣體保護，操作也比較簡單，很適合自動化生產(chǎn)線的要求，所以這種焊接技術已廣泛應用于汽車焊接 生產(chǎn)線。螺柱焊接的生產(chǎn)率依賴于電容器的充電速度，可以達到8個/分鐘（手工焊），60個/分鐘（自動焊）。 
電容放電螺柱焊有拉弧式和引弧梢式兩種。拉弧式電容放電螺柱焊類似于拉弧式短周期電弧螺柱焊，其焊接時間約3～10ms，見表1。引弧梢式電容放電螺柱焊的特點是欲焊螺柱的端面有一引弧尖梢，它又分為接觸式和間隙式兩種。接觸式螺柱焊的焊接時間≤3ms，而間隙式螺柱焊的焊接時間大約1ms。采用間隙式電容放電螺柱焊，即使焊接鋁及其合金也可以不用氣體保護。電容放電螺柱焊的焊接時間都是不可調(diào)節(jié)的。 
電容放電螺柱焊的焊接能量依賴于電容器的電容量和充電電壓，可按下式進行計算： 
W= CU2 （1） 
式中：W—焊機的額定儲存能量，J； C—電容器組的總電容量， F； U—充電電壓，V。 
電容放電螺柱焊的焊接電流的峰值約為1000～10000A，這依賴于電容器的電容量、充電電壓和焊接回路的電感和電阻。從安全方面考慮，充電電壓一般不超過200V。 
電容放電螺柱焊機都應設有限流保護裝置或恒流充電裝置以及自動放電裝置，以保護人身和設備的安全。 
1.3 焊接極性 
一般地講，焊接黑色金屬時，應采用“直流正接”，即螺柱（焊槍）接焊接電源的負極，工件接正極，這樣可以增加熔深。因為焊接時，陽極的溫度高于陰極的溫度。若焊接銅、鋁及其合金時，則應“直流反接”，即螺柱接正極，工件接負極。這樣可以利用正離子的轟擊霧化作用，清除工件表面的氧化層，提高焊接質(zhì)量。使用電弧螺柱焊機或電容放電螺柱焊機焊接時，其極性都應如此。 
2.電弧螺柱焊的焊接工藝參數(shù) 
電弧螺柱焊的焊接工藝參數(shù)有焊接電流、焊接電壓、焊接時間、提升高度、伸出長度、插入速度等。 
a、焊接電流主要根據(jù)螺柱的直徑進行調(diào)節(jié)，大約為300～3000A。對于非合金鋼，在已知螺柱直徑d時，可以用下式估算焊接電流2）： 
I（A）=80×d（mm） d≤16mm （2） I（A）=90×d（mm） d＞16mm （3） 
對于合金鋼，其焊接電流大約比上式計算值少10％。 短周期電弧螺柱焊的焊接電流（600～1500A）與電源有關，是固定的，因此，焊接能量僅依賴于焊接時間。 
b、電弧電壓與焊接電流的關系是由焊接電源的靜外特性決定的。電弧電壓主要取決于提升高度和焊接電流，其值一般為20～40V。焊接時，工件表面上的油或油脂會增加弧壓，而惰性氣體則會降低電弧電壓。 
c、對于平焊（工件焊接平面平行于地平面），其焊接時間可用下式進行估算： 
tw（s）=0.02×d（mm） d≤12mm （4） tw（s）=0.04×d（mm） d ＞12mm （5） 
對于橫焊（工件焊接平面垂直于地平面），其焊接時間應該減小。短周期焊接時間小于100ms，這不僅依賴于螺柱直徑，而且還與電流強度有關。 
d、焊柱的提升高度正比于螺柱的直徑，大約為1.5～7mm。提升高度主要是為了防止熔滴過渡時造成短路而影響電弧的穩(wěn)定性及焊縫質(zhì)量。維持電弧的穩(wěn)定，為焊接提供足夠的能量至關重要。因為弧柱的溫度遠比陽極或陰極的溫度要高。穿透焊接時，要加大提升高度，利用電弧的高溫迅速燒穿鍍鋅板，以獲得滿意的接頭。當然增加提升高度也有害處，一方面會增加電弧的長度，使之更易受磁場的影響，發(fā)生磁偏吹 ；另一方面也會增加焊縫的氣孔。 
e、螺柱的伸出長度正比于螺柱的直徑，一般為1～8mm。當使用瓷環(huán)對熔池進行保護時，也與要求的焊縫四周焊腳的形狀有關。當要求周邊的焊腳高而寬時，螺柱的伸出長度應該增加，反之則可以減小。 
螺柱的伸出長度實際上是螺柱的熔化長度。此值若設計的過長，在螺柱提升后螺柱端面與工件之間的距離過短，使之無法形成穩(wěn)定的電弧，造成大量的金屬飛濺并出現(xiàn)夾渣缺陷；反之若螺柱伸出長度過短，金屬熔化量不足，其焊縫成型肯定不良。 
f、螺柱插入熔池是采用擠壓的方式，在焊縫成型前的瞬間將熔化的有害物質(zhì)擠出焊縫，以便形成良好的焊接接頭。但插入速度又不可太快，以防止形成大量的噴濺。螺柱的插入速度，當螺柱的直徑d≤14mm時，大約為200mm/s；當d ＞14mm時，為100mm/s。 
焊槍一般都帶有可調(diào)節(jié)的阻尼裝置，以滿足上述要求。螺柱焊接時，金屬的熔化量正比于伸出長度和螺柱的直徑，因此大直徑螺柱焊接時，因金屬熔化量多，應該調(diào)低螺柱的插入速度，以減小這種噴濺。 
焊接電流、 焊接時間、提升高度和伸出長度是電弧螺柱焊的四個主要焊接工藝參數(shù)，應根據(jù)螺柱的直徑，工件的材質(zhì)進行設定。對于同一螺柱直徑的焊接，使用不同廠家制造的焊接設備，其焊接工藝參數(shù)也不盡相同，因此應進行多次試焊，并對焊縫的外觀和成型、螺柱焊后高度和力學性能（拉伸、錘擊、彎曲、扭力等）評定后，才能選定一組最佳的工藝參數(shù)進行焊接。 
3.電弧的磁偏吹 
由于鋼結(jié)構的不對稱性和接地鉗固定點不合理等諸多因素，造成螺柱焊接處附近的磁場分布不均勻，使電弧四周受到的電磁力不平衡，因而產(chǎn)生電弧的磁偏吹現(xiàn)象，致使螺柱四周的焊縫不對稱，這在大直徑螺柱焊或穿透焊時，由于提升高度較大，因而更容易出現(xiàn)。焊后檢查如發(fā)現(xiàn)焊縫四周不均勻，或某邊根本沒有焊肉，或某邊焊縫有大量氣孔，則應懷疑是磁偏吹造成的，解決的辦法有： 
a、 設置雙接地鉗，使焊點盡量在兩接地鉗的中央，如圖1a1。 b、 試著改變接地鉗的位置，如圖1b1。 c、 設置臨時的導磁板，以減少冗余物的影響，或去掉另一邊接地鉗，如圖1C1、圖1C2。 d、 將焊接電源的輸出電纜線饒焊接點一周。