大直徑螺柱橫焊技術(shù)研究

朱環(huán)

安徽理工大學(xué) 安徽淮南 232001

螺柱焊是一種將直徑2～25mm螺柱或圓柱狀零件焊接到板件（或管件）表面的先進(jìn)焊接方法，其具有焊接效率高、質(zhì)量好、成本低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車制造、鍋爐、管道和工程機(jī)械等領(lǐng)域。在工程機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，有大量用于安裝液壓管路、電器線路的安裝座或螺紋孔，傳統(tǒng)方法主要是板上攻螺紋或人工焊接帶有螺紋孔的安裝座，生產(chǎn)效率低、成本高，而應(yīng)用螺柱焊則可取代這些傳統(tǒng)工藝，實現(xiàn)安裝連接部件的高效加工。但是大直徑螺柱橫焊時，由于熔池受重力影響向下流動導(dǎo)致焊接質(zhì)量差，直接影響了螺柱焊的應(yīng)用。本文從螺柱陶瓷環(huán)結(jié)構(gòu)和焊接工藝兩個方面分析，提出了大直徑螺柱橫焊問題解決方法。

1 拉弧式螺柱焊工藝介紹

拉弧式螺柱焊是通過變壓器或整流器降壓后直接放電，其工作原理與普通電焊焊接類似，電能可以源源不斷地釋放，可焊螺柱直徑為3～25mm，螺柱焊接范圍廣，因此工程機(jī)械行業(yè)普遍采用螺柱焊接方式。使用拉弧式螺柱焊機(jī)焊接時，先將陶瓷環(huán)和螺柱放置到焊槍上，然后將焊槍垂直放置于工件需焊接區(qū)域，按下焊槍使陶瓷環(huán)緊靠于工件，扣下焊接按鈕開始焊接程序[1]。其詳細(xì)焊接過程（見圖1）分為6個步驟：啟動→焊槍提升螺柱→引弧點燃→主弧點燃熔化螺柱和工件→電弧停止，螺柱浸入熔池→焊接完成。

圖1 拉弧式螺柱焊接過程

2 大直徑螺柱橫焊技術(shù)難點分析

螺柱橫焊是指將螺柱水平焊接在垂直放置的工件表面（見圖2），焊接時，金屬熔池豎直分布于螺柱焊接區(qū)域，其同時受到重力、電磁力和表面張力等共同作用，合力的作用效果將決定了熔滴的狀態(tài)和焊接的質(zhì)量。對于大直徑螺柱（≥φ19mm），隨著螺柱直接的增大，需要熔化的金屬熔液也在增大，焊接時間和焊接電流也越長，焊接熔池的體積和重力也在增大，導(dǎo)致其表面張力和電磁力無法有效克服熔滴重力的影響，熔滴將向下流動，很容易出現(xiàn)焊縫不均勻、不完整和螺柱上表面出現(xiàn)咬邊、弧坑等不合格現(xiàn)象（見圖3），所以解決大直徑螺柱橫焊問題的關(guān)鍵是解決熔池下垂問題[2]。

圖2 橫焊示意

圖3 焊縫不完整

3 改進(jìn)措施

根據(jù)大直徑螺柱焊技術(shù)難點分析可知，解決大直徑螺柱橫焊問題，主要是解決熔池受重力向下流動問題，從焊接陶瓷環(huán)結(jié)構(gòu)和焊接參數(shù)兩個方面進(jìn)行研究改進(jìn)，提出螺柱橫焊解決辦法，并在生產(chǎn)中進(jìn)行推廣應(yīng)用，取得了良好效果（見圖4），此方法可以有效解決大直徑螺柱橫焊問題。

圖4 合格焊縫

3.1 改進(jìn)螺柱焊陶瓷環(huán)

螺柱焊陶瓷環(huán)在螺柱焊過程中起保護(hù)和成形的作用，對拉弧式螺柱焊的焊接質(zhì)量有非常重要的作用，大直徑螺柱橫焊時，由于重力熔池向下流動，普通全齒陶瓷環(huán)（見圖5）保護(hù)和成形效果較差，不能滿足螺柱橫焊要求。為此，改進(jìn)陶瓷環(huán)結(jié)構(gòu)，將陶瓷環(huán)由全齒改為半齒（見圖6），焊接時使陶瓷環(huán)無齒部分在螺柱下方，增強(qiáng)陶瓷環(huán)對熔池的保護(hù)和成形作用，從而提升陶瓷環(huán)抑制金屬熔池下垂的能力，提高焊接質(zhì)量。

圖5 普通陶瓷環(huán)（全齒）

圖6 橫焊陶瓷環(huán)（半齒）

3.2 螺柱橫焊工藝

螺柱焊主要參數(shù)有焊接電流、焊接時間、提升高度和伸出值等，根據(jù)螺柱直徑和工件材料進(jìn)行選擇相應(yīng)的參數(shù)，對于大直徑螺柱橫焊參數(shù)，應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行修正，最終實現(xiàn)減少重力對焊接質(zhì)量的影響，得到合格的焊接接頭。經(jīng)過大量的焊接試驗，總結(jié)出大直徑螺柱橫焊工藝應(yīng)遵循“一快、二慢、三穩(wěn)、四等”的原則。

1）“一快”是指橫焊時要在極短時間內(nèi)大電流完成拉弧、熔化螺柱焊接部位，實現(xiàn)焊接，減小重力對焊接質(zhì)量的影響。焊接電流和焊接時間直接決定螺柱焊的焊接熱輸入，合適的焊接熱輸入是獲得合格接頭的保證，大直徑螺柱橫焊時，為了減少重力對焊接熔池的影響，電流、電壓選擇遵循的原則是在保證焊接熱輸入的前提下，適當(dāng)減少焊接時間、增大焊接電流。

2）“二慢”是指在焊槍緩沖器的作用下將螺柱緩慢推入熔池。由于大直徑螺柱焊接時，金屬熔化量大，熔池液體金屬多，螺柱插入焊接熔池的速度過快會使熔池噴濺，無法形成完整的焊縫（見圖7），為解決熔池噴濺問題，在焊槍上安裝阻尼裝置（見圖8），調(diào)節(jié)螺柱壓入熔池的速度，減少熔池噴濺。

圖7 熔池噴濺

圖8 增加阻尼器

3）“三穩(wěn)”是指焊接時手持焊槍要保持穩(wěn)定的姿態(tài)，焊槍垂直工件表面；焊接時如果持槍不穩(wěn)，會產(chǎn)生缺口和偏弧，金屬熔滴會從缺口處噴出，影響焊接質(zhì)量。

4）“四等”是指焊接完成后保持固定姿態(tài)稍作等待。螺柱壓入熔池完成焊接后，金屬熔液仍處于高溫狀態(tài)，尚未完全凝固，如果快速抽離焊槍，焊縫會因外力作用而變形，影響螺柱焊質(zhì)量[3]。

4 應(yīng)用案例

某型號礦用機(jī)械車架上有大量用于安裝液壓管路和電器線路的螺柱，以前使用人工焊接，每個螺柱焊接需要3min，焊接效率低、焊縫質(zhì)量差（見圖9），無法滿足生產(chǎn)需求；大直徑螺柱橫焊技術(shù)獲得突破后，每個螺柱焊接時間為20s，效率大大提升，獲得非常好的經(jīng)濟(jì)效益，且焊接質(zhì)量好（見圖10、圖11）。詳細(xì)情況如下：焊接螺柱φ20mm，材質(zhì)為ML08；板材厚度≥20mm，材質(zhì)為Q355B；焊接狀態(tài)為大直徑螺柱橫焊；螺柱焊機(jī)選用SYSTEM 2000E、焊槍選用DA2A；焊接參數(shù)：焊接電流為1860A，焊接時間為600ms，伸出值5mm，提升高度2～3mm。

圖9 人工焊螺柱

圖10 應(yīng)用案例

圖11 橫焊螺柱

5 結(jié)束語

通過對大直徑螺柱橫焊技術(shù)難點進(jìn)行分析，得出解決大直徑螺柱橫焊問題的關(guān)鍵是減少重力對金屬熔池的影響，經(jīng)過大量試驗，提出使用半齒橫焊陶瓷環(huán)和“一快、二慢、三穩(wěn)、四等”工藝選擇的原則，可以有效解決大直徑螺柱橫焊難點。經(jīng)生產(chǎn)驗證，應(yīng)用大直徑螺柱橫焊技術(shù)，可以大大提升焊接效率和焊接質(zhì)量，取得非常好的效果，對大直徑螺柱橫焊在工程機(jī)械行業(yè)推廣應(yīng)用具有重要意義。