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(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(jiǎn)化工序、降低成本等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而引起了世界各國(guó)的普遍重視，經(jīng)過(guò)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(chē)、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(wàn)個(gè)，異型棒狀焊釘年焊接量為300萬(wàn)個(gè)。可見(jiàn)螺柱焊接在日本鋼結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用規(guī)模。近年來(lái)我國(guó)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(lái)越廣泛，因此有必要對(duì)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(guó)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(guò)螺柱焊機(jī)完成的。而我國(guó)1986年才在成都試制成功第一臺(tái)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(kāi)的，到現(xiàn)在也只有20來(lái)年的歷史，因此螺柱焊在我國(guó)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(guó)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(guó)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(jiàn)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tw ms 可焊螺柱直徑d mm 焊接電流I A 保護(hù)方式 最低板厚
電弧螺柱焊 瓷環(huán)保護(hù) ＞100 3～25 300～3000 瓷環(huán) 1/4d但不能小于1mm
氣體保護(hù) ＞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(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 ＜10 3～10 ≤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(guò)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(dòng)特性好，無(wú)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(duì)于大直徑的螺柱焊接，其空載電壓甚至超過(guò)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(chǎng)使用的焊機(jī)，其焊接電纜較長(zhǎng)，有的長(zhǎng)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(shì)必會(huì)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(huì)更加嚴(yán)重，甚至無(wú)法焊接。這就是為什么不同廠家制造的同一電流等級(jí)的焊機(jī)，其焊接螺柱的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(duì)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(méi)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(shuō)，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“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(guò)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(méi)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(jí)耐熱等級(jí)與B級(jí)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(wú)缺。GB11021規(guī)定：H、B級(jí)耐熱等級(jí)的溫度分別為180℃和130℃，H級(jí)比B級(jí)允許的溫度約高40％。也就是說(shuō)，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(lái)的是導(dǎo)線的電阻，也即電路的阻抗增加。這對(duì)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(jí)改為H級(jí)，次級(jí)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(jí)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(shì)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(shuō)，焊接同一直徑的螺柱，H級(jí)比B級(jí)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(guó)產(chǎn)RSN2-3150電弧螺柱焊機(jī)，B級(jí)絕緣，能焊接d=30mm的焊釘，這是同等級(jí)的H級(jí)絕緣的電弧螺柱焊機(jī)無(wú)法達(dá)到的。
f、供電的電源柜（箱）應(yīng)有足夠的容量，電弧螺柱焊機(jī)的負(fù)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(shí)，瞬間功率甚至超過(guò)300kw，這就要求供電的電源柜（箱）應(yīng)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(shí)，電源電壓的降低達(dá)到其額定值的15％以下，超過(guò)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(jī)甚至按照已設(shè)定的電源電壓限值強(qiáng)迫停機(jī)。架設(shè)專線，提高電源柜（箱）的容量或錯(cuò)開(kāi)用電高峰是解決問(wèn)題的好辦法。
1.2 電容放電螺柱焊機(jī)
電容放電螺柱焊的特點(diǎn)是時(shí)間短，熱變形小，很適合薄板的螺柱焊接，在造船、汽車(chē)、電控柜、櫥柜等行業(yè)應(yīng)用很廣。電容放電螺柱焊不用氣體保護(hù)，操作也比較簡(jiǎn)單，很適合自動(dòng)化生產(chǎn)線的要求，所以這種焊接技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)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(dá)到8個(gè)/分鐘（手工焊），60個(gè)/分鐘（自動(dòng)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(shí)間約3～10ms，見(jiàn)表1.引弧梢式電容放電螺柱焊的特點(diǎn)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(shí)間≤3ms，而間隙式螺柱焊的焊接時(shí)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(hù)。電容放電螺柱焊的焊接時(shí)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(jìn)行計(jì)算：
W= CU2 （1）
式中：W—焊機(jī)的額定儲(chǔ)存能量，J；
C—電容器組的總電容量， F；
U—充電電壓，V.
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(jiǎn)化工序、降低成本等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而引起了世界各國(guó)的普遍重視，經(jīng)過(guò)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(chē)、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(wàn)個(gè)，異型棒狀焊釘年焊接量為300萬(wàn)個(gè)。可見(jiàn)螺柱焊接在日本鋼結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用規(guī)模。近年來(lái)我國(guó)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(lái)越廣泛，因此有必要對(duì)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(guó)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(guò)螺柱焊機(jī)完成的。而我國(guó)1986年才在成都試制成功第一臺(tái)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(kāi)的，到現(xiàn)在也只有20來(lái)年的歷史，因此螺柱焊在我國(guó)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(guó)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(guó)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(jiàn)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tw ms 可焊螺柱直徑d mm 焊接電流I A 保護(hù)方式 最低板厚
電弧螺柱焊 瓷環(huán)保護(hù) ＞100 3～25 300～3000 瓷環(huán) 1/4d但不能小于1mm
氣體保護(hù) ＞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(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 ＜10 3～10 ≤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(guò)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(dòng)特性好，無(wú)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(duì)于大直徑的螺柱焊接，其空載電壓甚至超過(guò)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(chǎng)使用的焊機(jī)，其焊接電纜較長(zhǎng)，有的長(zhǎng)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(shì)必會(huì)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(huì)更加嚴(yán)重，甚至無(wú)法焊接。這就是為什么不同廠家制造的同一電流等級(jí)的焊機(jī)，其焊接螺柱的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(duì)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(méi)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(shuō)，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“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(guò)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(méi)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(jí)耐熱等級(jí)與B級(jí)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(wú)缺。GB11021規(guī)定：H、B級(jí)耐熱等級(jí)的溫度分別為180℃和130℃，H級(jí)比B級(jí)允許的溫度約高40％。也就是說(shuō)，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(lái)的是導(dǎo)線的電阻，也即電路的阻抗增加。這對(duì)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(jí)改為H級(jí)，次級(jí)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(jí)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(shì)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(shuō)，焊接同一直徑的螺柱，H級(jí)比B級(jí)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(guó)產(chǎn)RSN2-3150電弧螺柱焊機(jī)，B級(jí)絕緣，能焊接d=30mm的焊釘，這是同等級(jí)的H級(jí)絕緣的電弧螺柱焊機(jī)無(wú)法達(dá)到的。
f、供電的電源柜（箱）應(yīng)有足夠的容量，電弧螺柱焊機(jī)的負(fù)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(shí)，瞬間功率甚至超過(guò)300kw，這就要求供電的電源柜（箱）應(yīng)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(shí)，電源電壓的降低達(dá)到其額定值的15％以下，超過(guò)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(jī)甚至按照已設(shè)定的電源電壓限值強(qiáng)迫停機(jī)。架設(shè)專線，提高電源柜（箱）的容量或錯(cuò)開(kāi)用電高峰是解決問(wèn)題的好辦法。
1.2 電容放電螺柱焊機(jī)
電容放電螺柱焊的特點(diǎn)是時(shí)間短，熱變形小，很適合薄板的螺柱焊接，在造船、汽車(chē)、電控柜、櫥柜等行業(yè)應(yīng)用很廣。電容放電螺柱焊不用氣體保護(hù)，操作也比較簡(jiǎn)單，很適合自動(dòng)化生產(chǎn)線的要求，所以這種焊接技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)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(dá)到8個(gè)/分鐘（手工焊），60個(gè)/分鐘（自動(dòng)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(shí)間約3～10ms，見(jiàn)表1.引弧梢式電容放電螺柱焊的特點(diǎn)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(shí)間≤3ms，而間隙式螺柱焊的焊接時(shí)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(hù)。電容放電螺柱焊的焊接時(shí)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(jìn)行計(jì)算：
W= CU2 （1）
式中：W—焊機(jī)的額定儲(chǔ)存能量，J；
C—電容器組的總電容量， F；
U—充電電壓，V.