所謂螺柱焊機(jī)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(shí)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(shù)具有快速、可靠、簡化工序、降低成本等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而引起了世界各國的普遍重視，經(jīng)過不斷地改進(jìn)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(yīng)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)。可焊接低碳鋼、不銹鋼、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(bào)道1)，日本園柱頭焊釘(栓釘)的年焊接量為6000萬個(gè)，異型棒狀焊釘年焊接量為300萬個(gè)�？梢娐葜附釉谌毡句摻Y(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用規(guī)模。近年來我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展迅速，使用螺柱焊接的領(lǐng)域也越來越廣泛，因此有必要對螺柱焊接技術(shù)和焊接工藝進(jìn)行深入研究，以便提高焊接質(zhì)量，推廣普及這種焊接技術(shù)。
螺柱焊接技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)成為西方發(fā)達(dá)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(jī)完成的。而我國1986年才在成都試制成功第一臺螺柱焊機(jī)。至于螺柱焊接技術(shù)的應(yīng)用，還是從上世紀(jì)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(shè)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(jī)的分類
螺柱焊機(jī)分為電弧螺柱焊機(jī)和電容放電螺柱焊機(jī)兩大類，前者以弧焊整流器作為電源進(jìn)行焊接，后者則以電容器貯存的能量瞬間放電而進(jìn)行焊接。兩種焊接方式的特點(diǎn)及應(yīng)用情況見表1。
表1電弧螺柱焊和電容放電螺柱焊的特點(diǎn)焊接方式焊接時(shí)間twms可焊螺柱直徑dmm焊接電流IA保護(hù)方式最低板厚電弧螺柱焊瓷環(huán)保護(hù)＞1003～25300～3000瓷環(huán)1/4d但不能小于1mm氣體保護(hù)＞1003～16300～3000氣體1/8d但不能小于1mm短周期焊接≤1003～12≤1500不保護(hù)或氣體保護(hù)1/8d但不能小于0.6mm拉弧式電容放電螺柱焊＜103～10≤3000(峰值)不保護(hù)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(jī)
電弧螺柱焊機(jī)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(shè)備的焊接電源都與控制器合并為一體，稱為主機(jī)。比較先進(jìn)的控制方式是使用微處理器，以便精確設(shè)置和適時(shí)控制焊接過程中的焊接電流、焊接時(shí)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(jī)的首選，但受大功率器件的限制，所以目前大容量的焊機(jī)還是以晶閘管控制的弧焊整流器為主。但不論那種結(jié)構(gòu)的焊接電源，其安全要求都應(yīng)符合GB15579的規(guī)定。用于螺柱焊的直流焊接電源應(yīng)具有以下特點(diǎn)：
a、焊接電源應(yīng)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(yīng)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(shí)的需求。
c、要有較高的負(fù)載電壓。按弧焊電源下降特性的定義，當(dāng)焊接電流≥600A時(shí)，其負(fù)載電壓應(yīng)保持44V不變。在施工現(xiàn)場使用的焊機(jī)，其焊接電纜較長，有的長達(dá)50m，電壓降很大。如果不增加負(fù)載電壓加以補(bǔ)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(yán)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(jī)，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(diǎn)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(yīng)達(dá)到其峰值。對于短周期螺柱焊而言，其焊接電流的上升時(shí)間應(yīng)該更短，否則就有可能出現(xiàn)焊接時(shí)間已到，但焊接電流還沒有達(dá)到其峰值的現(xiàn)象。設(shè)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(shí)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(shè)定的引弧、螺柱提升、接通主電源等邏輯順序進(jìn)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(shí)的飛濺。其實(shí)螺柱焊的最大“飛濺”是發(fā)生在螺柱壓入熔池時(shí)，瞬間發(fā)生的噴濺物。
通過試驗(yàn)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(jìn)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(gòu)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(diǎn)，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(shè)計(jì)時(shí)，其線圈的電流密度可以大幅度提高，以減小導(dǎo)線的截面積。隨之而來的是導(dǎo)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(jī)而言，則是致命的缺點(diǎn)。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(dǎo)線截面積的減小而導(dǎo)致總電阻的增加那怕只有0.006Ω，按2500A焊接電流計(jì)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(dāng)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(jià)。也就是說，焊接同一直徑的螺柱，H級比B級絕緣的焊機(jī)需要更高的功率才能達(dá)到同一效果，效率明顯下降。國產(chǎn)RSN2-3150電弧螺柱焊機(jī)，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(jī)無法達(dá)到的。
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