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螺柱焊机及其焊接工艺
所谓螺柱焊是指在金属或类似金属件的端面与另一金属工件表面之间产生电弧,待接合面熔化时迅速施加压力,完成焊接的一种方法。螺柱焊接方法起源于1918年,由于这种焊接新技术具有快速、可靠、简化工序、降低成本等一系列优点,因而引起了世界各国的普遍重视,经过不断地改进和完善,特别是二次世界大战后得到了迅速发展,现已广泛应用到桥梁、高速公路、房屋建筑、造船、汽车、电站、电控柜等行业。可焊接低碳钢、不锈钢、低合金钢,铜、铝及其合金材质的螺柱、焊钉、销钉、栓钉等。据报道1),日本园柱头焊钉(栓钉)的年焊接量为6000万个,异型棒状焊钉年焊接量为300万个。可见螺柱焊接在日本钢结构建筑中的应用规模。近年来我国经济建设发展迅速,使用螺柱焊接的领域也越来越广泛,因此有必要对螺柱焊接技术和焊接工艺进行深入研究,以便提高焊接质量,推广普及这种焊接技术。

  螺柱焊接技术发展到今天,已经成为西方发达国家的一种基本的热加工方法,螺柱(焊钉)的焊接大约有80%以上是通过螺柱焊机完成的。而我国1986年才在成都试制成功第一台螺柱焊机。至于螺柱焊接技术的应用,还是从上世纪的九十年代才逐步展开的,到现在也只有20来年的历史,因此螺柱焊在我国还是一种刚刚兴起的行业,不论焊接设备,还是焊接工艺都与国外有不少差距。分析这种差距,并逐步缩短这种差距,直至赶超世界水平则是我国螺柱焊接行业的神圣使命。

  1.螺柱焊机的分类

  螺柱焊机分为电弧螺柱焊机和电容放电螺柱焊机两大类,前者以弧焊整流器作为电源进行焊接,后者则以电容器贮存的能量瞬间放电而进行焊接。两种焊接方式的特点及应用情况见表1。

  表1电弧螺柱焊和电容放电螺柱焊的特点焊接方式焊接时间tw ms可焊螺柱直径d mm焊接电流I A保护方式最低板厚电弧螺柱焊瓷环保护>100 3~25 300~3000瓷环1/4d但不能小于1mm气体保护>100 3~16 300~3000气体1/8d但不能小于1mm短周期焊接≤100 3~12≤1500不保护或气体保护1/8d但不能小于0.6mm拉弧式电容放电螺柱焊<10 3~10≤3000(峰值)不保护1/10d但不能小于0.5mm注:最低板厚是指避免烧穿的厚度。

  1.1电弧螺柱焊机

  电弧螺柱焊机是由焊接电源、控制器、焊枪、地线钳、焊接电缆等部分组成。但大多数焊接设备的焊接电源都与控制器合并为一体,称为主机。比较先进的控制方式是使用微处理器,以便精确设置和适时控制焊接过程中的焊接电流、焊接时间等参数。焊接电源一般为晶闸管控制的或逆变式的弧焊整流器。逆变式的弧焊整流器体积小、重量轻、动特性好,无疑是焊机的首选,但受大功率器件的限制,所以目前大容量的焊机还是以晶闸管控制的弧焊整流器为主。但不论那种结构的焊接电源,其安全要求都应符合GB15579的规定。用于螺柱焊的直流焊接电源应具有以下特点:

  a、焊接电源应具有下降的静外特性。只有这样才能维持电弧的稳定性,保证焊接质量。

  b、焊接电源应有引弧电流(40~50A)和较高的空载电压(70~100V)。以确保100%的引弧成功率,对于大直径的螺柱焊接,其空载电压甚至超过100V。只有这样才能满足提升高度较大时的需求。

  c、要有较高的负载电压。按弧焊电源下降特性的定义,当焊接电流≥600A时,其负载电压应保持44V不变。在施工现场使用的焊机,其焊接电缆较长,有的长达50m,电压降很大。如果不增加负载电压加以补偿,就势必会降低其焊接能力,若不按照ISO14555规定配制焊接电缆的截面积,情况就会更加严重,甚至无法焊接。这就是为什么不同厂家制造的同一电流等级的焊机,其焊接螺柱的最大直径有较大差异的主要原因之一。

  d、焊接电流要有陡升的前沿。螺柱焊接的最大特点是瞬间大电流,因此要求焊接电源在接通后的32ms之内,焊接电流应达到其峰值。对于短周期螺柱焊而言,其焊接电流的上升时间应该更短,否则就有可能出现焊接时间已到,但焊接电流还没有达到其峰值的现象。设定的焊接电流与螺柱焊接所得到的能量不成比例,则很难保证其焊接质量。

  提高焊接电流上升速度的唯一办法是减小电抗器的电感量。普通弧焊整流器之所以要加大电抗器,除了滤波之外还要限制短路电流的上升速度和短路电流的峰值,以降低引弧时的冲击电流,减小飞溅和弧坑,并避免烧穿工件。螺柱焊则不同,是按照已设定的引弧、螺柱提升、接通主电源等逻辑顺序进行的。也就是说,在螺柱与工件有一定间隙的情况下才接通焊接主电源的,因而避免了引弧时的飞溅。其实螺柱焊的最大“飞溅”是发生在螺柱压入熔池时,瞬间发生的喷溅物。

  通过试验已经证明:三相全波硅整流电源(纹波系数γ=0.042),即使没有滤波电抗器,照样可以进行螺柱焊接。螺柱焊用的由晶闸管控制的焊接电源的电抗器只是滤波而已,因此可以大大减小,至于减少多少?要视电源的主电路结构和电流调节范围而定。

  e、电源要有较小的内阻抗。焊接电源的主电路的电气绝缘,采用H级耐热等级与B级相比,具有体积小重量轻的优点,倍受人们的推崇。但深入分析后发现,也并非完美无缺。GB11021规定:H、B级耐热等级的最高温度分别为180℃和130℃,H级比B级允许的温度约高40%。也就是说,在主电路设计时,其线圈的电流密度可以大幅度提高,以减小导线的截面积。随之而来的是导线的电阻,也即电路的阻抗增加。这对于大电流焊接的螺柱焊机而言,则是致命的缺点。假如焊接电源主电路的绝缘由B级改为H级,次级回路所有导线截面积的减小而导致总电阻的增加那怕只有0.006Ω,按2500A焊接电流计算,其增加的功耗为37.5kw,再加上主变压器初级增加的功耗,则是相当可观的。焊接电源主电路的功耗增加,势必减小输出的焊接功率,使焊接能力下降,这便是体积、重量的减小付出的代价。也就是说,焊接同一直径的螺柱,H级比B级绝缘的焊机需要更高的功率才能达到同一效果,效率明显下降。国产RSN2-3150电弧螺柱焊机,B级绝缘,能焊接d=30mm的焊钉,这是同等级的H级绝缘的电弧螺柱焊机无法达到的。

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