關于薄壁螺柱焊焊接質量的工藝改善方法

孔曉峰

摘 要：本文針對薄壁螺柱焊焊接中，常見的偏焊、飛邊不均、氣孔等質量缺陷問題。從基礎理論出發，結合實踐經驗及試驗，提出了對工件底板進行支撐及對螺柱進行定位的解決方法。對螺柱焊技術在工程機械中的具體應用具有一定的參考意義。

關鍵詞：螺柱焊；儲能焊接；薄壁

螺柱焊是一種廣泛運用于汽車、船舶、工程制造等領域的焊接工藝。其主要起到固定連接作用，因而需要具有一定的位置精度及結合強度要求。若螺柱焊焊接質量達不到要求，將導致工件脫落，無法滿足最終裝配要求。尤其對于薄壁異形工件，焊接電流的波動將直接影響焊接質量，當焊接電流大時會導致焊透、擊穿現象；電流小時會導致虛焊、氣孔現象。本文介紹的工藝改善方法，可以減少上述問題的發生，更好的保證薄壁螺柱焊產品的一致性，滿足焊接質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過兩種原理實現：尖端引弧式（電容儲能式）和拉弧式。

儲能式螺柱焊焊接需要將設置好的能量額度沖入電容內，隨后焊接時，能量從電容中一次性全部釋放，用于焊接，焊接時間為1-5毫秒。儲能式螺柱焊的焊接能力有限，一般運用于焊接直徑3-10毫米的螺柱。

而拉弧式螺柱焊焊接通過變壓器/整流器降壓后直接放電。由于不需要預充電，電能可以源源不斷地釋放，所以焊接時間長短可以控制，根據設備功率不同，可焊接直徑3-25mm的螺柱。

1.2 焊接方式

以儲能式螺柱焊焊接為例，螺柱（正對工件）被焊槍加速至0.5-1米/秒的速度運動，與此同時，電容電瓶也充電完成；放電尖端接觸工件產生放電電流，尖端被瞬間強大的電流加熱并蒸發；電弧引燃，在1-2毫秒內使工件母材熔化；螺柱被壓入焊接熔池，熱量很快被工件吸收，使焊池凝固；兩者間達到原子間結合，形成永久焊接接頭螺柱牢牢地焊接在了工件上。

2 薄壁螺柱焊焊接效果及問題

圖1所示，分別為薄壁工件與螺柱，其中螺柱需要被焊接在工件6.35mm的沉孔內。首先工件形狀不規則，其次工件沉孔跨越0.633mm和3mm兩處壁厚，同時螺柱與工件材料均為不易焊接的鈹銅。

焊接后螺柱需要達到垂直度，焊接強度的要求，以滿足后續裝配使用。但由于工件的異形及薄壁結構，按照設備推薦的工藝參數進行焊接。工件有明顯的飛邊不均、偏弧、焊穿等的外觀（功能）缺陷，且焊接強度也遠遠達不到產品性能要求。

3 螺柱焊焊接質量的典型影響因素

3.1 焊接材料影響

螺柱及焊接工件的材料，由于其自身的材料化學成分影響，本文不做詳細討論。在此主要研究螺柱及工件外形、表面狀態等因素對焊接質量的影響。

焊接工件首先需要滿足的是在厚度上與螺柱直徑相匹配，一般情況下螺柱直徑與工件厚度的比例不大于3：1。如在非對稱或不規則的工件進行焊接，如不采取相應的防護措施，極有可能造成電弧偏移螺柱中心的現象，即“磁偏吹”現象。磁偏吹表現為螺柱與工件間的電弧不穩定，導致螺柱與工件接合處金屬熔化不規則，接合面積小于螺柱面積，這樣的接頭必然會存在一定缺陷，從而影響焊接質量。

材料表面雜質，包括水分、氧化皮、油污等，不僅會大大降低電弧導電性，引起電弧偏吹，而且會形成夾雜，影響焊縫的內在質量。當材料表面狀態未知或發生變化時，采用相同的焊接工藝參數施焊，焊接質量將不穩定。

3.2 螺柱垂直度影響

在焊接過程的細分狀態中，在接頭成型時，螺柱下落方向盡量保持與工件垂直。有資料研究發現，偏斜的角度超過2.5°時，焊接質量會受到一定的影響。當螺柱被壓入焊池瞬間呈傾斜狀態，就可能使螺柱一邊出現未焊透，而另一邊液體金屬被擠飛，導致焊接接頭質量降低。尤其手工操作時，螺柱垂直度在很大程度上由操作者把握，受人為因素印象更大。

4 改善螺柱焊焊接質量的方式

4.1 保證螺柱焊接強度（材料影響）

根據熱傳導傅立葉定律，單位時間內通過定截面的熱量，正比例于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。較厚部位對電弧加熱部位的冷卻作用最強，接頭溫度下降速度最快，其次是薄壁部位，而細桿的散熱速度最慢。

通過工件定位夾具，工件薄壁部位與夾具充分接觸，焊接操作時，機械打磨去除工件表面與夾具接觸面的氧化皮，而工件較厚本體與夾具通過銅網彈性接觸。夾具起到兩個作用：其一，工件薄壁及本體分別通過緊貼及彈性接觸，實現了“焊槍-螺柱-工件-夾具”之間均勻的電流回路分布；其二，減小了工件本體與工裝的接觸面積的同時，保證薄壁與工裝的充分接觸，從而實現了工件整體均勻的散熱效果。

4.2 保證螺柱位置精度（垂直度影響）

為保證焊接后螺柱的位置要求，首先需要保證螺柱與焊槍的平行關系，同時也要保證焊槍與工件的垂直度關系。

隨著焊接次數的增加，螺柱卡頭十字槽與焊槍之間的同軸度不斷增大，導致螺柱與焊槍（支撐套筒）之間形成斜角；焊槍與工件之間主要通過三角支撐套筒保證，由于人工手動操作焊槍，支撐套筒與工件無法保證每次都是三點接觸，尤其是在施焊的瞬間，一致性無法保證。

為此對焊槍進行定位，將焊槍（定位套筒）固定，如圖3示意。定位套筒與焊槍螺紋連接，定位套筒通過C型爪，固定于氣動導軌上。焊槍通過氣壓作用，在垂直方向上，僅可以通過導軌活動，焊接時，僅需提供在垂直方向的下壓力，以此保證焊槍與工件的垂直關系。

4.3 驗證分析

通過以上的分析：薄壁工件通過夾具固定，利用彈性的銅網實現工件和夾具之間的可靠接觸，在臺階處增加了一處熱平衡空間使焊接過程中較為均勻的熱量。焊槍通過氣動導軌固定，在氣動作用下垂直下行，保證了焊槍與焊接面之間的垂直。工最終成功制作出符合技術要求的螺柱焊產品。

5 結論

本文介紹了螺柱焊焊接的基礎知識，結合薄壁工件的焊接問題，通過影響因素分析提出了通過對焊槍限位及工件定位支撐的方式，改善薄壁螺柱焊的焊接質量。本文的不足是沒有針對薄壁工件，進行磁場及熱平衡進行建模分析及仿真，理論依據有限，這也是后續研究進一步完善的方向。

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