螺柱焊接方法分类及应用

螺柱焊接方法分类及应用

——摘自《焊接设备选用手册》

金属结构加工制造的高速发展和技术进步对将金属螺柱（或类似的金属紧固件如栓、钉、锚等）焊到板件（或管件）上去形成T形接头的连接方法不断提出新的要求，于是逐渐产生并形成了一种特殊的焊接技术，即螺柱焊，也称作植焊。螺柱焊接技术虽然建立在其他成熟的焊接方法的原理基础上，但它毕竟有自己特殊的工艺规律及需要专用的设备，因而形成了一门有别于其他焊接技术的独立学科或技术分支。实现螺柱焊接的方法根据热源分类，可以有电阻法、摩擦法、****法及电弧法等多种焊接方法。这里指的是电弧法螺柱焊（stud arc welding），因为只有电弧法螺柱焊才有其技术及焊接设备的特殊性。电弧法螺柱焊又根据所采用的供电电源可分为三大类螺柱焊接方法。

第一种是稳定的电弧法螺柱焊。螺柱端部与工件之间，产生稳定的电弧过程，电弧作为热源在工件上形成熔池，同时在螺柱端部形成熔化层及塑性区，螺柱被夹持在焊枪中，靠焊枪中的弹簧压力或其他机械压力作用将螺柱压入熔池，并且将部分或全部熔化金属挤出熔池进入陶瓷环成形槽中，从而形成再结晶的塑性连接或再结晶和重结晶的混合连接接头。这种螺柱焊的电源一般是具有下降伏安特性的弧焊整流器（可控及不可控整流器）、焊接逆变器或直流弧焊发电机。如同焊条电弧焊一样，电弧放电是稳定而持续的电弧过程。稳定的电弧法螺柱焊也称作电弧螺柱焊（arc stud welding）。

第二种是不稳定电弧法螺柱焊。与前者的不同之处在于电弧的供电电源是电容器组。电容器在螺柱端部与工件之间放电，实现螺柱焊接。因为电容放电是不稳定的电弧过程，即电弧电压与焊接电源是瞬间变化着的，过程是不可控的。这种不稳定的电弧法螺柱焊一般称作电容储能螺柱焊或电容放电螺柱焊（capacitance discharge stud welding）。又因为用这种方法施焊的螺柱端部中心必须加工出一个凸尖，所以也有人称作尖端放电螺柱焊（peak discharge stud welding）。

第三种电弧法螺柱焊称作短周期螺柱焊（short cycle stud welding）或短时螺柱焊（short time stud welding）。焊接电弧经过了电流波形调制，由较小的先导电弧电流及较大的焊接电弧电流两部分组成。因而是短时阶段稳定或不稳定电弧法螺柱焊。短周期螺柱焊的供电电源一般由两个并联的电源分别先后给先导电弧及焊接电弧供电。可以是两个弧焊整流器（可控或不控），也可以是整流器和电容器组，只有采用逆变电源是才可以不用双电源并联。

三种基本焊接方法各有不同的焊接特点及不同的最佳应用领域如表8-1所示。

电弧螺柱焊适用于φ6mm以上φ30mm以下的大直径螺柱在中厚钢板上的焊接。一般应用于大型金属构件的植钉。如锅炉、化工炉的保温层固定，造船、铁路、客车、桥梁及粮食钢板仓库的建造等场合，

φ10~φ12mm的螺柱用得最多；高层建筑金属构架、电力变压器、高速公路护栏以及建筑工程上的预埋件结构等，用φ16~φ20mm的螺柱河钢筋较多。

电容放电螺柱焊适用于非镀层薄钢板上的植钉。如机箱、仪表箱、橱具、家电、超市货架等薄壁结构φ6mm以下的螺柱较多。其中拉弧式电容放电螺柱焊却可以焊接锌层薄钢板。

短周期螺柱焊主要用于镀层薄钢板上的植钉。如汽车车身、通讯设备的机箱、机柜、箱式变电站等场合。

电弧螺柱焊（arc stud welding）作为熔化焊接方法之一，同样存在如何保护熔池不受空气的侵犯的问题。这里基本上没有采用传统的渣保护、气保护或渣之联合保护等方法，而使用了陶瓷环的机械保护法。它基本上可以满足结构钢（低碳钢及普低钢）的植焊质量要求。而且成本低，每个陶瓷环仅合人民币1角钱左右，焊后瓷环破碎作为垃圾清除。对有色金属或不锈钢或其他材料，用氩气（Ar）保护是比较理想的，自然成本略高。电容储能螺柱焊和短周期螺柱焊则不采用任何保护措施，因为电弧燃烧时间极短（前者约为1~2ms，后者为20~50ms）在引发电弧和电弧由小电流到大电流迅速膨胀过程中，将接头区的空气排挤出去，电离化的金属蒸汽充满了电弧空间并具有一定的负压，当被排挤出的空气重新回来恢复到新的平衡时，焊接过程已经结束。这个时间临界值为50ms。所以短周期螺柱焊不能焊φ12mm以上的螺柱也是受到了燃弧时间会超过临界无保护时间的50ms的限制。

螺柱焊接接头是在焊枪中弹簧压力或其他机械压力条件下形成的，所以电弧法螺柱焊又具备压力焊的接

头特征，螺柱插入熔池后不要马上断电，更不允许螺柱下落未插入熔池之前断电，要求有一段（几个ms）带电顶锻时间（这里借用了电阻焊的一个概念）以保证接头能形成完整的再结晶过程，使接头强度能满足“等强度”原则。