焊接方法简介：螺柱焊 (1)

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将金属螺柱或类似的其他金属紧固件（栓、钉等）焊到工作（一般为板件）上去的方法叫做螺柱焊，通常用英文简称SW（STUD WELDING）表示。螺柱焊可以代替铆接或钻孔螺丝紧固等。它广泛应用于汽车、造船、机车、航空、机械、锅炉、化工设备、变压器及大型建筑结构等行业。
实现螺柱焊接的方法有电阻焊、摩擦焊、爆炸焊及电弧焊等多种，这里指的是电弧法螺柱焊（STUD ARC WELDING）。电弧法螺柱焊在使用设备及焊接技术方法上有其特殊性，而其他螺柱焊接方法均采用传统设备，仅仅焊接夹具有所改变，例如：电阻法螺柱焊其实就是电阻焊中的T形焊，是凸焊的一种。
电弧法螺柱焊又可根据其所用焊接电源不同而分为三种基本形式：
第一种是稳定电弧螺柱焊，螺柱端部与工件表面之间产生稳定的电弧过程，电弧作为热源在工作上形成熔池，同时螺柱端被加热形成熔化层，在压力（弹簧等机械压力）作用下将螺柱端部浸入熔池，并将液态金属全部或部分挤出接头之外，从而形成再结晶的塑性连接或再结晶与重结晶混合连接接头。这种螺柱焊的电源一般是弧焊整流器（可控整流或不控整流）、焊接逆变器或直流弧发电机，即普通弧焊电源就可以。稳定电弧螺柱焊通常称作电弧螺柱焊（ARC STUD WELDING），也有资料称作标准螺柱焊。电弧螺柱焊的电弧放电是持续而稳定的电弧过程，焊接电流不经过调制，焊接过程中焊接电流基本上是恒定的。
第二种是不稳定电弧螺柱焊，与上述方法不同之处在于供电电源是电容器组，电容器在螺柱端部与工作表面间的放电过程是不稳定的电弧过程，即电弧电压与电弧电流瞬时在变化着，焊接过程是不可控的。这种稳定电弧螺柱焊通常称作电容放电螺柱焊或电容储能螺柱焊，有些资料亦称作尖端放电螺柱焊。
第三种电弧法螺柱焊的基本形成是电弧电流经过波形控制的电流螺柱焊，通常称作短周期螺柱焊（SHORT CYCLE STUD WELDING）或短时间螺柱焊（SHORT TIME STUD WELDING）也有资料称作行程式螺柱焊，这种螺柱焊的电源一般情况下是两个并联的电源先后给电弧供电，可以是两个弧焊整流器，也可是整流器加电容器组，只有采用逆变器作电源时可以不用双电源。短周期螺柱焊采用逆变器或双整流作电源时的电弧过程是阶段稳定的电弧过程，当双电源中含有电容器组时，电容放电产生的电弧过程仍然是不稳定的。
三种基本方法各有不同的特点及不同的最佳应用领域。但也有共同之处，即为了保证接头质量都要求螺柱浸入熔池，熄弧后仍然保留几毫秒带电（短路电流）加压时间，这和电阻对焊中的有电顶锻的概念是一致的。
本章仅介绍在钢结构行业大量使用的电弧螺柱焊焊接接过程
（1）焊接过程  电弧螺柱焊电弧发生与焊条电弧焊时焊条的引弧原理是相同的，都是短路提升引弧。不同的是螺柱被夹持在焊枪的夹头上，操作者将焊枪的支撑架定位螺柱与工件短路点。焊枪中的磁力提升机构使螺柱上升引弧。当提升机构的电磁铁释放时，弹簧加压使螺柱浸入熔池，断电冷却形成接头。螺柱提升高度即螺柱的行程是在焊枪中焊前调定的。电弧螺柱焊的焊接过程示意图如图1所示。

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（2）保护瓷环  电弧螺柱焊的焊接加热过程是稳定的电弧燃烧过程，像有保护的普通电弧焊（药皮焊条弧焊、埋弧焊及气体保护焊）一样，为防止空气侵入熔池恶化接头质量而要求保护，电弧螺柱焊可以采用气保护，一般采用氩气，像GTAW焊一样由氩气通过喷嘴形成围绕电弧的保护罩，因为螺柱焊不存在熔滴过渡以及接头基本上是塑性连接，熔池没有冶金过程，所以不采用CO2气。也可以采用渣保护，在螺柱定位短路后用埋弧焊焊剂埋上焊接区进行引弧焊接，同时焊剂也可以稳弧，和埋弧焊过程基本一样，亦只限于可以存住焊剂的平位焊。但大多数情况（结构钢螺柱焊）采用陶瓷环的机械保护方法。陶瓷环也称作保护套圈（图2）其作用是除了防止空气侵入焊接区之外，还可以产生热量集中的效果以及有助于接头在各种空间位置成形。焊接螺柱被加压下落将熔池熔化金属挤出到瓷环的焊缝成形穴中，由瓷环控制焊脚形状，凝固后成为接头的一部分，所以接头是由塑性连接及熔化连接两种连接方式共同完成的焊接过程。瓷环保护圈是一次性消耗材料，焊后自然破碎清除即可，瓷环市场价一角钱左右，比采用氩气保护焊接成本低得多。

（2）螺柱尺寸  电弧螺柱焊对螺柱尺寸要求如下：
1）螺柱长度必须大于20mm才能施焊。螺柱长度应由夹持长度、瓷环高度及焊接留量三部分组成。焊接时套入螺柱的瓷环一般在10mm左右，焊接留量大约在3~5mm，其余是夹持长度约5~6mm。所谓焊接留量是指螺柱视在长度与焊后工件表面到螺柱上端长度的差值，差值是由于焊接熔化、插入熔池及加压时塑性变形共同缩短的量。在设计螺柱长度时必须考虑预留这段长度，所以叫做焊接留量。
2）螺柱直径一般得大于6mm，小于30mm，否则焊接难度增大甚至难以采用电弧螺焊接方法。
3）螺柱端部应加工成锥形，锥度按专业标准规定，允许偏差较大。加工成锥形是为了便于短路引弧，短路通电时电流线集中，提升引弧时热电离及热发射在电弧发生过程起更大的作用。有时在锥端镶嵌或涂敷铝的氧化物作为引弧剂，当焊接电流强度选得较大时可以不用引弧剂。