论文部分内容阅读
摘要：本文针对薄壁螺柱焊焊接中，常见的偏焊、飞边不均、气孔等质量缺陷问题。从基础理论出发，结合实践经验及试验，提出了对工件底板进行支撑及对螺柱进行定位的解决方法。对螺柱焊技术在工程机械中的具体应用具有一定的参考意义。
关键词：螺柱焊;储能焊接;薄壁螺
柱焊是一种广泛运用于汽车、船舶、工程制造等领域的焊接工艺。其主要起到固定连接作用，因而需要具有一定的位置精度及结合强度要求。若螺柱焊焊接质量达不到要求，将导致工件脱落，无法满足最终装配要求。尤其对于薄壁异形工件，焊接电流的波动将直接影响焊接质量，当焊接电流大时会导致焊透、击穿现象;电流小时会导致虚焊、气孔现象。本文介绍的工艺改善方法，可以减少上述问题的发生，更好的保证薄壁螺柱焊产品的一致性，满足焊接质量及螺柱的位置要求。
1螺柱焊原理及方式
1.1焊接原理。目前螺柱焊焊接主要通过两种原理实现：尖端引弧式（电容储能式）和拉弧式。储能式螺柱焊焊接需要将设置好的能量额度冲入电容内，随后焊接时，能量从电容中一次性全部释放，用于焊接，焊接时间为1-5毫秒。储能式螺柱焊的焊接能力有限，一般运用于焊接直径3-10毫米的螺柱。而拉弧式螺柱焊焊接通过变压器/整流器降压后直接放电。由于不需要预充电，电能可以源源不断地释放，所以焊接时间长短可以控制，根据设备功率不同，可焊接直径3-25mm的螺柱。1.2焊接方式。以储能式螺柱焊焊接为例，螺柱（正对工件）被焊枪加速至0.5-1米/秒的速度运动，与此同时，电容电瓶也充电完成;放电尖端接触工件产生放电电流，尖端被瞬间强大的电流加热并蒸发;电弧引燃，在1-2毫秒内使工件母材熔化;螺柱被压入焊接熔池，热量很快被工件吸收，使焊池凝固;两者间达到原子间结合，形成永久焊接接头螺柱牢牢地焊接在了工件上。
2薄壁螺柱焊焊接效果及问题
图1所示，分别为薄壁工件与螺柱，其中螺柱需要被焊接在工件6.35mm的沉孔内。首先工件形状不规则，其次工件沉孔跨越0.633mm和3mm两处壁厚，同时螺柱与工件材料均为不易焊接的铍铜。图1薄壁螺柱焊接零件外形尺寸图（左为薄壁工件外形图，右为螺柱外形图）焊接后螺柱需要达到垂直度，焊接强度的要求，以满足后续装配使用。但由于工件的异形及薄壁结构，按照设备推荐的工艺参数进行焊接。工件有明显的飞边不均、偏弧、焊穿等的外观（功能）缺陷，且焊接强度也远远达不到产品性能要求。
3螺柱焊焊接质量的典型影响因素
3.1焊接材料影响。螺柱及焊接工件的材料，由于其自身的材料化学成分影响，本文不做详细讨论。在此主要研究螺柱及工件外形、表面状态等因素对焊接质量的影响。焊接工件首先需要满足的是在厚度上与螺柱直径相匹配，一般情况下螺柱直径与工件厚度的比例不大于3：1。如在非对称或不规则的工件进行焊接，如不采取相应的防护措施，极有可能造成电弧偏移螺柱中心的现象，即“磁偏吹”现象。磁偏吹表现为螺柱与工件间的电弧不稳定，导致螺柱与工件接合处金属熔化不规则，接合面积小于螺柱面积，这样的接头必然会存在一定缺陷，从而影响焊接质量。材料表面杂质，包括水分、氧化皮、油污等，不仅会大大降低电弧导电性，引起电弧偏吹，而且会形成夹杂，影响焊缝的内在质量。当材料表面状态未知或发生变化时，采用相同的焊接工艺参数施焊，焊接质量将不稳定。3.2螺柱垂直度影响。在焊接过程的细分状态中，在接头成型时，螺柱下落方向尽量保持与工件垂直。有资料研究发现，偏斜的角度超过2.5°时，焊接质量会受到一定的影响。当螺柱被压入焊池瞬间呈倾斜状态，就可能使螺柱一边出现未焊透，而另一边液体金属被挤飞，导致焊接接头质量降低。尤其手工操作时，螺柱垂直度在很大程度上由操作者把握，受人为因素印象更大。
4改善螺柱焊焊接质量的方式
4.1保证螺柱焊接强度（材料影响）。根据热传导傅立叶定律，单位时间内通过定截面的热量，正比例于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。较厚部位对电弧加热部位的冷却作用最强，接头温度下降速度最快，其次是薄壁部位，而细杆的散热速度最慢。通过工件定位夹具，工件薄壁部位与夹具充分接触，焊接操作时，机械打磨去除工件表面与夹具接触面的氧化皮，而工件较厚本体与夹具通过铜网弹性接触。夹具起到两个作用：其一，工件薄壁及本体分别通过紧贴及弹性接触，实现了“焊枪-螺柱-工件-夹具”之间均匀的电流回路分布;其二，减小了工件本体与工装的接触面积的同时，保证薄壁与工装的充分接触，从而实现了工件整体均匀的散热效果。4.2保证螺柱位置精度（垂直度影响）。为保证焊接后螺柱的位置要求，首先需要保证螺柱与焊枪的平行关系，同时也要保证焊枪与工件的垂直度关系。随着焊接次数的增加，螺柱卡头十字槽与焊枪之间的同轴度不断增大，导致螺柱与焊枪（支撑套筒）之间形成斜角;焊枪与工件之间主要通过三角支撑套筒保证，由于人工手动操作焊枪，支撑套筒与工件无法保证每次都是三点接触，尤其是在施焊的瞬间，一致性无法保证。为此对焊枪进行定位，将焊枪（定位套筒）固定，如图3示意。定位套筒与焊枪螺纹连接，定位套筒通过C型爪，固定于气动导轨上。焊枪通过气压作用，在垂直方向上，仅可以通过导轨活动，焊接时，仅需提供在垂直方向的下压力，以此保证焊枪与工件的垂直关系。4.3验证分析。通过以上的分析：薄壁工件通过夹具固定，利用弹性的铜网实现工件和夹具之间的可靠接触，在台阶处增加了一处热平衡空间使焊接过程中较为均匀的热量。焊枪通过气动导轨固定，在气动作用下垂直下行，保证了焊枪与焊接面之间的垂直。工最终成功制作出符合技术要求的螺柱焊产品。
5结论
本文介紹了螺柱焊焊接的基础知识，结合薄壁工件的焊接问题，通过影响因素分析提出了通过对焊枪限位及工件定位支撑的方式，改善薄壁螺柱焊的焊接质量。本文的不足是没有针对薄壁工件，进行磁场及热平衡进行建模分析及仿真，理论依据有限，这也是后续研究进一步完善的方向。
参考文献：
[1]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2]黄志林，张亮.一种有效改善薄板螺柱焊焊接质量及精度的方式[J].电焊机，2013，43（7）.
[3]池强，张建勋，付继飞，等.拉弧式电弧螺柱焊质量影响因素[J].电焊机，2005，34（4）.
关键词：螺柱焊;储能焊接;薄壁螺
柱焊是一种广泛运用于汽车、船舶、工程制造等领域的焊接工艺。其主要起到固定连接作用，因而需要具有一定的位置精度及结合强度要求。若螺柱焊焊接质量达不到要求，将导致工件脱落，无法满足最终装配要求。尤其对于薄壁异形工件，焊接电流的波动将直接影响焊接质量，当焊接电流大时会导致焊透、击穿现象;电流小时会导致虚焊、气孔现象。本文介绍的工艺改善方法，可以减少上述问题的发生，更好的保证薄壁螺柱焊产品的一致性，满足焊接质量及螺柱的位置要求。
1螺柱焊原理及方式
1.1焊接原理。目前螺柱焊焊接主要通过两种原理实现：尖端引弧式（电容储能式）和拉弧式。储能式螺柱焊焊接需要将设置好的能量额度冲入电容内，随后焊接时，能量从电容中一次性全部释放，用于焊接，焊接时间为1-5毫秒。储能式螺柱焊的焊接能力有限，一般运用于焊接直径3-10毫米的螺柱。而拉弧式螺柱焊焊接通过变压器/整流器降压后直接放电。由于不需要预充电，电能可以源源不断地释放，所以焊接时间长短可以控制，根据设备功率不同，可焊接直径3-25mm的螺柱。1.2焊接方式。以储能式螺柱焊焊接为例，螺柱（正对工件）被焊枪加速至0.5-1米/秒的速度运动，与此同时，电容电瓶也充电完成;放电尖端接触工件产生放电电流，尖端被瞬间强大的电流加热并蒸发;电弧引燃，在1-2毫秒内使工件母材熔化;螺柱被压入焊接熔池，热量很快被工件吸收，使焊池凝固;两者间达到原子间结合，形成永久焊接接头螺柱牢牢地焊接在了工件上。
2薄壁螺柱焊焊接效果及问题
图1所示，分别为薄壁工件与螺柱，其中螺柱需要被焊接在工件6.35mm的沉孔内。首先工件形状不规则，其次工件沉孔跨越0.633mm和3mm两处壁厚，同时螺柱与工件材料均为不易焊接的铍铜。图1薄壁螺柱焊接零件外形尺寸图（左为薄壁工件外形图，右为螺柱外形图）焊接后螺柱需要达到垂直度，焊接强度的要求，以满足后续装配使用。但由于工件的异形及薄壁结构，按照设备推荐的工艺参数进行焊接。工件有明显的飞边不均、偏弧、焊穿等的外观（功能）缺陷，且焊接强度也远远达不到产品性能要求。
3螺柱焊焊接质量的典型影响因素
3.1焊接材料影响。螺柱及焊接工件的材料，由于其自身的材料化学成分影响，本文不做详细讨论。在此主要研究螺柱及工件外形、表面状态等因素对焊接质量的影响。焊接工件首先需要满足的是在厚度上与螺柱直径相匹配，一般情况下螺柱直径与工件厚度的比例不大于3：1。如在非对称或不规则的工件进行焊接，如不采取相应的防护措施，极有可能造成电弧偏移螺柱中心的现象，即“磁偏吹”现象。磁偏吹表现为螺柱与工件间的电弧不稳定，导致螺柱与工件接合处金属熔化不规则，接合面积小于螺柱面积，这样的接头必然会存在一定缺陷，从而影响焊接质量。材料表面杂质，包括水分、氧化皮、油污等，不仅会大大降低电弧导电性，引起电弧偏吹，而且会形成夹杂，影响焊缝的内在质量。当材料表面状态未知或发生变化时，采用相同的焊接工艺参数施焊，焊接质量将不稳定。3.2螺柱垂直度影响。在焊接过程的细分状态中，在接头成型时，螺柱下落方向尽量保持与工件垂直。有资料研究发现，偏斜的角度超过2.5°时，焊接质量会受到一定的影响。当螺柱被压入焊池瞬间呈倾斜状态，就可能使螺柱一边出现未焊透，而另一边液体金属被挤飞，导致焊接接头质量降低。尤其手工操作时，螺柱垂直度在很大程度上由操作者把握，受人为因素印象更大。
4改善螺柱焊焊接质量的方式
4.1保证螺柱焊接强度（材料影响）。根据热传导傅立叶定律，单位时间内通过定截面的热量，正比例于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。较厚部位对电弧加热部位的冷却作用最强，接头温度下降速度最快，其次是薄壁部位，而细杆的散热速度最慢。通过工件定位夹具，工件薄壁部位与夹具充分接触，焊接操作时，机械打磨去除工件表面与夹具接触面的氧化皮，而工件较厚本体与夹具通过铜网弹性接触。夹具起到两个作用：其一，工件薄壁及本体分别通过紧贴及弹性接触，实现了“焊枪-螺柱-工件-夹具”之间均匀的电流回路分布;其二，减小了工件本体与工装的接触面积的同时，保证薄壁与工装的充分接触，从而实现了工件整体均匀的散热效果。4.2保证螺柱位置精度（垂直度影响）。为保证焊接后螺柱的位置要求，首先需要保证螺柱与焊枪的平行关系，同时也要保证焊枪与工件的垂直度关系。随着焊接次数的增加，螺柱卡头十字槽与焊枪之间的同轴度不断增大，导致螺柱与焊枪（支撑套筒）之间形成斜角;焊枪与工件之间主要通过三角支撑套筒保证，由于人工手动操作焊枪，支撑套筒与工件无法保证每次都是三点接触，尤其是在施焊的瞬间，一致性无法保证。为此对焊枪进行定位，将焊枪（定位套筒）固定，如图3示意。定位套筒与焊枪螺纹连接，定位套筒通过C型爪，固定于气动导轨上。焊枪通过气压作用，在垂直方向上，仅可以通过导轨活动，焊接时，仅需提供在垂直方向的下压力，以此保证焊枪与工件的垂直关系。4.3验证分析。通过以上的分析：薄壁工件通过夹具固定，利用弹性的铜网实现工件和夹具之间的可靠接触，在台阶处增加了一处热平衡空间使焊接过程中较为均匀的热量。焊枪通过气动导轨固定，在气动作用下垂直下行，保证了焊枪与焊接面之间的垂直。工最终成功制作出符合技术要求的螺柱焊产品。
5结论
本文介紹了螺柱焊焊接的基础知识，结合薄壁工件的焊接问题，通过影响因素分析提出了通过对焊枪限位及工件定位支撑的方式，改善薄壁螺柱焊的焊接质量。本文的不足是没有针对薄壁工件，进行磁场及热平衡进行建模分析及仿真，理论依据有限，这也是后续研究进一步完善的方向。
参考文献：
[1]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2]黄志林，张亮.一种有效改善薄板螺柱焊焊接质量及精度的方式[J].电焊机，2013，43（7）.
[3]池强，张建勋，付继飞，等.拉弧式电弧螺柱焊质量影响因素[J].电焊机，2005，34（4）.