淺析螺柱焊工藝在軌道車輛不銹鋼車體上的應用

引言

隨著現代工業的快速發展，螺柱焊工藝的使用越來越廣泛。螺柱焊工藝具有快速可靠、低成本等優點，可替代鉚接、鉆孔、釬焊等螺柱連接工藝，可焊接多種金屬材料。現已廣泛應用于汽車、船舶、建筑等行業。并在不銹鋼城鐵客車的生產制造中逐漸得到應用。現階段螺柱焊主要用于車體鋼結構大部件或輔助連接安裝等部件上。

2 螺柱焊的基本原理

螺柱焊基本原理是在待焊螺柱與工件間引燃電弧，當螺柱與工件被加熱到合適溫度時，在外力作用下，螺柱送入工件上的熔池中形成焊接接頭，從而形成牢固的連接。

3 螺柱焊機的分類

根據焊接電源的不同，螺柱焊機可分為拉弧螺柱焊機和電容放電螺柱焊機兩類。拉弧螺柱焊機又分為短周期和帶陶瓷箍套或保護氣體的拉弧螺柱焊機，電容放電螺柱焊機按照焊槍的配置不同，又分為接觸式和間隙式兩種。

4 城鐵客車中應用工藝性分析

不銹鋼城鐵中使用的不銹鋼材質一般為奧氏體型不銹鋼且為薄板，所用螺柱直徑一般不大于 12mm。對于該條件，短周期拉弧螺柱焊和電容放電螺柱焊更適合，短周期拉弧螺柱焊的板厚可以到 0.6mm。電容放電螺柱焊可以到 0.5mm。目前在不銹鋼城鐵客車的生產制造中，主要采用短周期拉弧螺柱焊完成螺柱焊接，短周期拉弧螺柱焊與電容放電螺柱焊相比，螺柱與工件金屬熔化量比電容放電螺柱焊接的更多，熔深較深，螺柱所能承受的強度也更大。

5 短周期拉弧螺柱焊工藝技術

5.1 組成及結構

拉弧式螺柱焊機主要由焊接電源、控制系統、焊槍、地線鉗等部分組成。一般控制系統與電源合二為一。一般焊接主電源應具有預引弧電流、較高的空載電壓、較高的負載電壓、內阻抗較小等功能和特點。焊接用電纜應符和 ISO14555中規定的截面積配制。

5.2 工藝參數

5.2.1 電弧電壓電弧電壓主要取決于上升高度和焊接電流，一般為20-40V，如工件表面存在油污等雜質，電弧電壓會變大，導致焊接電流發生變化，同時易產生氣孔等缺陷，作業前需對工件表面進行除臟，利于電流、電壓穩定。

5.2.2 焊接電流

焊接電流主要根據螺柱的直徑選定，各種不同機型能調節的范圍也不同，在 300-3000A 內連續可調，就非合金鋼而言，焊接電流和螺柱直徑的關系為：

I=（75-85）d 用于螺柱直徑不大于 16mm 時；

I=（85-95）d 用于螺柱直徑大于 16mm 時；對于合金鋼，焊接電流相應地降低 10%左右。在實際的焊接中要視板厚和強度要求調節。

5.2.3 焊接時間

焊接時間 Tw 單位以毫秒（ms）計量，又稱焊接電流持續時間。主要影響焊接熱輸入量。可用下面公式進行估算：

Tw=（2-3）d 螺柱直徑不大于 12mm；

Tw=（4-5）d 螺柱直徑大于 12mm；

預引弧電流很大程度上決定了母材的熔深。預引弧電流一般為 40-50A，可調范圍較窄。一般預引弧電流是固定的，短周期焊接電源的預引弧時間約為 40-100ms。

5.2.4 突出距離

突出距離是維持穩定的焊接電弧和獲得良好焊縫外觀成形的一個重要的焊接參數。它與螺柱直徑成正比，一般為1-8mm。

5.2.5 上升高度

上升高度即螺柱提升后末端距工件的距離，也與螺柱直徑成正比，經驗值約為 1.5-8mm。合理的上升高度能有效防止因熔滴過渡時短路所造成的電弧不穩和焊縫質量不佳。

5.2.6 保護方式

螺柱焊接的保護方式主要有無外加保護、氣體保護和陶瓷箍套保護 3 種。短周期拉弧螺柱焊在螺柱直徑小于 6mm 時一般采用無外加保護方式或陶瓷箍套保護方式保護，一般氣體保護一般采用氬氧混合氣或氬二氧化碳混合氣等；無外加保護表面氧化嚴重，且易出現氣孔等缺陷。焊接電流、焊接時間、上升高度、突出距離是拉弧式螺柱焊的主要參數，實際中應根據螺柱直徑、母材厚度、材質等匹配。需多次生產實驗，對外觀、彎曲、拉伸、抗扭等方面綜合判斷，調節出適合的參數。

6 焊后檢驗

在螺柱焊完成后要對其進行焊接檢驗，用于驗證螺柱的焊接質量，對于短周期拉弧螺柱（d≤12mm）一般進行目測檢測、60°彎曲、宏觀金相、扭矩等實驗，用以驗證質量。扭矩實驗：螺柱本身根部發生斷裂，螺柱斷裂后所得到的力矩應大于設計力矩值，視為合格。60°彎曲實驗：采用錘擊或沖擊的方法對螺柱施加外力，使螺柱與工件成 30°銳角，并不發生斷裂或母材撕裂。視為合格。目測檢測：焊縫規整、圓滑，無裂紋、氣孔等缺陷。宏觀金相實驗：螺柱與工件融合線圓滑過渡，無氣孔、未焊透、未熔合等缺陷。

7 結論和建議

通過對螺柱焊在不銹鋼城鐵車體上應用的分析和實驗說明得出如下結論和建議：

（1）螺柱焊操作簡單、適用性強，適合多種材料焊接、接頭強度高同時變形量小，適用于 0.6mm 以上板厚的焊接。

（2）用于不銹鋼車體上的螺柱焊一般選用短周期拉弧螺柱焊，不需要鉆孔、沖孔、車螺紋、鉚接、擰螺紋和精整等步驟。

（3）螺柱焊的工件是從一側焊接。能在全位置焊接，借助于擴展器可以焊接到受限制的垂直隔板上，適用性強。

（4）批量生產工件時，螺柱焊可達 8-40 個/min，若采用自動送料可達到 60 個/min，因此可根據實際情況對設備進行選擇。

（5）標準的螺柱成本較低，同時螺柱焊設備也具有多種類型，設備的購置費用相對較低。根據情況可制成自動焊機。