電弧螺柱焊的基本原理是在待焊螺柱與工件間引燃電弧，當(dāng)螺柱與工件被加熱到合適溫度時(shí)，在外力作用下，螺柱送入工件上的焊接熔池形成焊接接頭。根據(jù)焊接過(guò)程中所用焊接電源的不同，傳統(tǒng)電弧螺柱焊可以分為普通電弧螺柱焊和電容儲(chǔ)能電弧螺柱焊兩種基本方法[1]。在普通電弧螺柱焊的應(yīng)用中，套圈保護(hù)是常用的一種焊接過(guò)程保護(hù)方法。 
步進(jìn)式電弧螺柱焊（簡(jiǎn)稱SASW）是基于新式焊槍的焊接方法，文獻(xiàn)[2]介紹了步進(jìn)式電弧螺柱焊槍 的研制情況以及焊接過(guò)程的初步實(shí)現(xiàn)。為了提高步進(jìn)式電弧螺柱焊的實(shí)用性，需要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本文主要研究套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過(guò)程，分析套圈保護(hù)對(duì)焊接過(guò)程電弧行為的影響。 
1 試驗(yàn)設(shè)備及材料 
1.1焊接設(shè)備 
焊接設(shè)備包括焊接電源、焊接控制器及焊槍。步進(jìn)式電弧螺柱焊槍的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程螺柱的運(yùn)動(dòng)要求。采用MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)控制焊槍及焊接過(guò)程的實(shí)現(xiàn)[2]。試驗(yàn)中，選用型號(hào)為ZXG-300的磁放大器式弧焊整流器作為焊接電源，該電源標(biāo)明空載電壓75V，具有陡降外特性，符合電弧螺柱焊引弧及焊接要求。 研究焊接過(guò)程，可以通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)，本試驗(yàn)通過(guò)采集焊接過(guò)程的能量輸入?yún)?shù)，利用波形法進(jìn)行分析。能量輸入?yún)?shù)主要包括焊接電流和焊接電壓。數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)如圖2所示。焊接電壓的采樣采用型號(hào)為GIV-Zv的直流電壓變送器，該變送器具有光電隔離作用；焊接電流的采樣是依靠分流器來(lái)獲得，電流信號(hào)經(jīng)分流器變換為一定大小的電壓信號(hào)，從分流器兩端出來(lái)的信號(hào)需進(jìn)行放大隔離。系統(tǒng)采用型號(hào)為T(mén)DS220的數(shù)字示波器記錄焊接過(guò)程，此示波器具有兩個(gè)輸入通道，可以同時(shí)采集焊接電壓和焊接電流。示波器外擴(kuò)計(jì)算機(jī)通訊模塊TDS2CM，通過(guò)RS232接口線與計(jì)算機(jī)串口相連接。采集的信息可以直接在計(jì)算機(jī)上顯示處理。 
試驗(yàn)中所用螺柱及試件材料為Q235鋼，螺柱直徑φ5mm，待焊頂端為平頂端面形式，不帶引弧結(jié)；試件厚度5mm，適合螺柱焊接 ，焊前對(duì)表面氧化皮、鐵銹、油漆、油脂等雜質(zhì)做簡(jiǎn)單處理。 
焊接中使用自制套圈，其主要成分如表1所示。表1 套圈主要成分(體積分?jǐn)?shù)，％) 佳工機(jī)電網(wǎng)2 結(jié)果及討論 
2.1無(wú)保護(hù)SASW 
步進(jìn)式電弧螺柱焊的焊接規(guī)范參數(shù)主要包括能量輸入?yún)?shù)(焊接電流，焊接時(shí)間)和焊槍行為參數(shù)(螺柱提起高度和送進(jìn)深度)。選用表2所示的焊接規(guī)范進(jìn)行無(wú)保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊。表中所列焊接時(shí)間是指螺柱在提起高度的保持時(shí)間；電弧在此段時(shí)間內(nèi)充分燃燒，決定了接頭的能量輸入。此規(guī)范基本適合無(wú)保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊接過(guò)程。  (1)螺柱提起階段大約有90ms，螺柱從工件上提起后，焊接電壓增高并保持在25V左右，這說(shuō)明電弧被順利引燃，開(kāi)始進(jìn)入焊接過(guò)程。而在此階段，焊接電流增長(zhǎng)速度較慢，保持在大約50A左右的水平。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是螺柱在提起過(guò)程中的連續(xù)運(yùn)動(dòng)改變了電弧的形態(tài)，使電流密度變?。涣硗怆娏髌∫埠碗娫措娏鞯臏筇匦杂嘘P(guān)。 
(2)電弧燃燒階段，在預(yù)設(shè)的螺柱提起高度，電弧充分燃燒。此階段可以分為兩部分進(jìn)行描述。在t1時(shí)間段內(nèi)，焊接電流的上升速度加快且比較穩(wěn)定，而焊接電壓略有下降趨勢(shì)。電壓下降是因?yàn)殡娀∪紵沟寐葜饘偃刍龆?，熔化金屬下垂而縮短了弧長(zhǎng)。此時(shí)焊接電弧在螺柱端面擴(kuò)展，能量不是很高，故此段時(shí)間可以定義為電弧擴(kuò)展階段。在進(jìn)入t2時(shí)間段內(nèi)，焊接電流上升到大約200A左右時(shí)，焊接電流陡然升高，對(duì)應(yīng)的焊接電壓降至接近0V。此后一段時(shí)間內(nèi)焊接電流和焊接電壓處于往復(fù)振蕩的過(guò)程。總的趨勢(shì)是焊接電流在增大，而焊接電壓總體低于t1時(shí)間段。如此的波形說(shuō)明螺柱與工件之間頻繁短路。因?yàn)殡S著電流的增大，螺柱端部熔化金屬增多并下垂，最終與工件接觸引起短路。此段時(shí)間可以定義為電弧不穩(wěn)定燃燒階段。由于頻繁的短路，導(dǎo)致焊接飛濺增加。 
(3)在螺柱送進(jìn)階段，螺柱與工件已經(jīng)處于完全短路狀態(tài)。此時(shí)焊接電流基本保持在530A左右，而焊接電壓則基本為0。這就說(shuō)明在螺柱送進(jìn)過(guò)程中，電弧已經(jīng)熄滅。 
2.2 套圈保護(hù)SASW 
在電弧螺柱焊過(guò)程中使用套圈進(jìn)行保護(hù)，具有兩個(gè)明顯的作用[3]：(1)使接頭處液態(tài)金屬不能隨意流動(dòng)，起到強(qiáng)制成形焊接接頭的作用；(2)減少了可見(jiàn)的弧光，保護(hù)了操作者的眼睛，改善了工作環(huán)境。另外，套圈中有限的空間對(duì)焊接電弧產(chǎn)生較強(qiáng)的約束作用，從而減輕了電弧磁偏吹 現(xiàn)象[4]。電弧偏吹 是影響電弧螺柱焊質(zhì)量的重要因素，可以導(dǎo)致焊腳成型不均勻，同時(shí)引起強(qiáng)烈的焊接飛濺。 
比較無(wú)保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過(guò)程表現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究套圈保護(hù)對(duì)步進(jìn)式電弧螺柱焊過(guò)程及電弧行為的影響。