螺柱焊接技術(shù)的應(yīng)用
- 2017-02-06 09:39:00
- sawchina 原創(chuàng)
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螺柱焊接技術(shù)及原理
將螺柱或類(lèi)似的金屬柱狀物及其他緊固件焊接在工件上的方法稱(chēng)為螺柱焊。實(shí)現(xiàn)螺柱焊的方法有多種:電阻焊、摩擦焊、爆炸焊及電弧焊等。目前應(yīng)用最廣泛的方法是電弧法螺柱焊,根據(jù)焊接電源的不同,可細(xì)分為儲(chǔ)能式(電容放電)螺柱焊和拉弧式螺柱焊。
1.儲(chǔ)能式螺柱焊
儲(chǔ)能式螺柱焊由充電電容放電提供焊接所需的能量,當(dāng)電容放電時(shí),螺柱和工件之間出現(xiàn)很短時(shí)間的電弧,電弧會(huì)熔化工件表面和螺柱頂端的少量金屬,隨后螺柱浸入熔池,熔化金屬迅速冷卻,形成焊接接頭。儲(chǔ)能式螺柱焊的焊接時(shí)間極短,通常情況下在5ms之內(nèi),無(wú)需保護(hù)氣體;熔池淺,約0.1mm,工件背面無(wú)變形、壓痕,適于薄板焊接;可用于焊接碳鋼、不銹鋼、鋁、銅及其合金等金屬;板厚與螺柱直徑比可達(dá)1∶10。
儲(chǔ)能式螺柱焊設(shè)備根據(jù)焊槍的配置不同,可分為接觸式和間隙式兩種。
接觸式螺柱焊依靠焊槍內(nèi)置彈簧壓緊螺柱,工件和螺柱之間的距離由螺柱頂部小凸臺(tái)來(lái)保證,當(dāng)電容放電時(shí),小凸臺(tái)迅速氣化,螺柱和工件之間出現(xiàn)電弧,電弧產(chǎn)生的熱量使螺柱頂部形成熔化層,工件表面形成很淺的熔池。在焊槍內(nèi)置彈簧壓力下,螺柱快速下沉,在3~4ms內(nèi),螺柱浸入熔池,電弧消失,熔池冷卻迅速形成焊接接頭(見(jiàn)圖1)。
圖1 接觸式螺柱焊接過(guò)程
(1)焊接工藝參數(shù)。儲(chǔ)能式螺柱焊的工藝參數(shù)主要有:螺柱直徑、焊接電壓、焊接時(shí)間和螺柱伸出長(zhǎng)度。儲(chǔ)能式螺柱焊只有一個(gè)顯著的特點(diǎn):電容放電過(guò)程不可控,焊接時(shí)間不可調(diào)。螺柱伸出長(zhǎng)度可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定,通常在1.0~1.5mm之間。
儲(chǔ)能式螺柱焊的焊接能量是由螺柱焊機(jī)的電容組的電容量和充電電壓決定:W=CU2,其中,W-焊接設(shè)備的額定儲(chǔ)存能量,C-電容器組的總電容量,U-充電電壓。
儲(chǔ)能式螺柱焊設(shè)備的瞬間焊接電流峰值約為1000~10000A,這取決于設(shè)備電容量、充電電壓、焊接回路電阻和電感。一般來(lái)講,從保護(hù)操作者和設(shè)備本身的安全性考慮,充電電壓通常在200V之內(nèi)。由于設(shè)備出廠時(shí),電容量已經(jīng)固定,所以實(shí)際工作時(shí),只能調(diào)節(jié)充電電壓,根據(jù)螺柱直徑大小和工件板厚,確定合適的電壓值。
(2)設(shè)備組成及特點(diǎn)。儲(chǔ)能式螺柱焊設(shè)備由焊接電源、焊槍、地線鉗以及混合電纜等部分組成。增加自動(dòng)送料器等輔助設(shè)備可配置成半自動(dòng)或自動(dòng)螺柱焊接設(shè)備。根據(jù)焊接電源和螺柱規(guī)格的不同,手工焊接效率可達(dá)15個(gè)/min左右,自動(dòng)焊接可達(dá)50個(gè)/min左右。儲(chǔ)能式螺柱焊設(shè)備操作簡(jiǎn)單,設(shè)備輕巧,適用于直徑≤10mm、對(duì)連接強(qiáng)度要求不高的螺柱焊接。
2.拉弧式螺柱焊
拉弧式螺柱焊接與儲(chǔ)能式焊接的電容放電不同,它是通過(guò)晶閘管控制的直流電源或逆變式焊接電源來(lái)進(jìn)行焊接。拉弧式螺柱焊接工藝,螺柱和工件的金屬熔化量比儲(chǔ)能式螺柱焊多,熔深較深,影響焊接質(zhì)量的參數(shù)較為復(fù)雜,螺柱所能承受的強(qiáng)度也更大。
拉弧式螺柱焊根據(jù)焊接時(shí)間的長(zhǎng)短,可細(xì)分為長(zhǎng)周期螺柱焊和短周期螺柱焊。拉弧式螺柱焊的工作過(guò)程是(見(jiàn)圖2):螺柱接觸工件,通電后利用螺柱夾持機(jī)構(gòu)提升螺柱,此時(shí)螺柱與工件之間出現(xiàn)穩(wěn)定燃燒電弧,電弧熱熔化螺柱頂部和工件表面,隨后螺柱夾持機(jī)構(gòu)壓迫螺柱下沉到工件熔池,斷電后形成焊接接頭。短周期螺柱焊與長(zhǎng)周期螺柱焊不同的地方是焊接時(shí)間僅為長(zhǎng)周期螺柱焊的十分之一到幾十分之一。另外短周期螺柱焊在焊接電弧出現(xiàn)之前有一個(gè)引導(dǎo)電弧,其作用是清除工件或螺柱頂部表面的油污、油脂或涂層。
圖2 短周期螺柱焊接過(guò)程
焊接電流——主要根據(jù)螺柱頂部法蘭直徑來(lái)選擇,就普通低碳鋼而言,焊接電流和螺柱直徑的關(guān)系為:短周期螺柱焊,I=(95~110)d,d=3~15mm;長(zhǎng)周期螺柱焊,I=(50~100)d,
d=16~30mm。對(duì)于鍍鋅螺柱或焊接在鍍鋅工件上的螺柱而言,焊接電流需要增加20%。當(dāng)然在實(shí)際操作中,可以根據(jù)工件厚度來(lái)調(diào)整焊接時(shí)間。
焊接時(shí)間——短周期螺柱焊,Tw=(4~5)d,d=3~15mm;長(zhǎng)周期螺柱焊,Tw=(10~100)d,d≥16mm。對(duì)于短周期螺柱焊來(lái)言,焊接時(shí)間通常在20~100ms之間;長(zhǎng)周期螺柱焊,通常對(duì)于焊接強(qiáng)度要求高,熔池深,焊接時(shí)間為200~2000ms。無(wú)論短周期螺柱焊或長(zhǎng)周期螺柱焊,其焊接時(shí)間與焊接電流共同組成焊接輸入熱量,可以互相配合、靈活調(diào)節(jié)。
引弧電流和引弧時(shí)間——這兩個(gè)工藝參數(shù)僅在短周期拉弧式螺柱焊中出現(xiàn),目的是清除工件表面與螺柱頂部法蘭的油污、油脂或涂層。引弧電流一般為30~50A,可調(diào)范圍比較?。灰r(shí)間通常為20~40ms。目前很多品牌焊機(jī)的引弧電流和引弧時(shí)間在出廠時(shí)已設(shè)為固定值,不可調(diào)節(jié)。
提升高度——螺柱提升高度是決定焊接質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。它與螺柱直徑成正比。提升高度能有效防止因熔滴過(guò)渡時(shí)短路所造成的電弧不穩(wěn)和焊接成形不良。但是,過(guò)高的提升高度也有不利的一面:一是由于電弧的增長(zhǎng)易發(fā)生磁偏吹現(xiàn)象,影響焊接質(zhì)量;二是增加焊縫氣孔數(shù)量。這是一個(gè)較敏感的影響焊接質(zhì)量的因素。對(duì)于短周期螺柱焊來(lái)說(shuō),利用電磁感應(yīng)提升螺柱的焊槍?zhuān)嵘叨韧ǔ?.2mm,利用伺服電機(jī)提升螺柱的焊槍?zhuān)嵘叨韧ǔ?.5mm。
螺柱伸出長(zhǎng)度——螺柱伸出長(zhǎng)度對(duì)于長(zhǎng)周期螺柱焊來(lái)說(shuō),是螺柱熔化的長(zhǎng)度與工件熔池深度之和,與螺柱直徑成正比,經(jīng)驗(yàn)值在1.5~6mm;對(duì)于短周期螺柱焊接而言,電磁式焊槍的螺柱伸出長(zhǎng)度是螺柱熔化的長(zhǎng)度加工件熔深,通常為1.2mm;伺服電機(jī)式焊槍的螺柱,其伸出槍嘴端面一定的長(zhǎng)度,僅僅是便于螺柱與工件接觸,而形成穩(wěn)定的電路短路,通常為2.2~3mm。伺服電機(jī)式焊槍的螺柱熔化長(zhǎng)度與工件熔池深度為單獨(dú)的參數(shù)值,與螺柱伸出長(zhǎng)度沒(méi)有直接關(guān)系。
焊接電流、焊接時(shí)間、螺柱提升高度和螺柱伸出長(zhǎng)度是拉弧式螺柱焊接工藝的4個(gè)重要參數(shù),在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)螺柱直徑和工件厚度、材質(zhì)來(lái)設(shè)定。要進(jìn)行多次試焊,根據(jù)焊接效果調(diào)節(jié)出合適的工藝參數(shù)。
(2)設(shè)備組成及特點(diǎn)。拉弧式螺柱焊設(shè)備主要由焊接電源、控制系統(tǒng)、焊槍以及接地鉗等組成,根據(jù)要求還可以配備自動(dòng)送釘?shù)乃土显O(shè)備。通常焊接電源都與控制系統(tǒng)結(jié)合在一起,稱(chēng)為焊接主機(jī)。目前先進(jìn)焊機(jī)都采用了微處理器和液晶顯示屏,可以直觀、精確地設(shè)置和記錄、存儲(chǔ)焊接參數(shù),并能在焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)字顯示。大部分焊機(jī)電源采用的是晶閘管控制弧焊整流器;先進(jìn)的焊機(jī)電源采用了逆變式直流電源。為了得到穩(wěn)定的電弧,螺柱焊電源為直流電源,具有陡降外特性,較高的空載電壓。拉弧式螺柱焊的最大特點(diǎn)是瞬間大電流,所以要求焊接電源在很短時(shí)間內(nèi)焊接電流達(dá)到設(shè)定值,短周期螺柱焊機(jī)電流上升的時(shí)間更短,如果供電電網(wǎng)電源的容量不足會(huì)導(dǎo)致焊接電源的電壓不穩(wěn),而造成焊接質(zhì)量不良。目前就焊槍而言,長(zhǎng)周期螺柱焊以手工送釘?shù)碾姶鸥袘?yīng)式焊槍為主;短周期螺柱焊在生產(chǎn)節(jié)拍高的位置以自動(dòng)送釘?shù)乃欧姍C(jī)式焊槍為主,當(dāng)然短周期螺柱焊在生產(chǎn)節(jié)拍不高的位置可以使用手工焊槍。
螺柱焊接技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用
螺柱焊接具有快速、可靠、操作簡(jiǎn)單及無(wú)孔連接等優(yōu)點(diǎn),正在替代汽車(chē)制造中的鉚接、攻螺紋和鉆孔等連接工藝。目前螺柱在轎車(chē)車(chē)廂內(nèi)的作用是固定線束、內(nèi)飾件和地毯等;在車(chē)廂外的作用是固定線束、油管、制動(dòng)油管以及隔熱板、導(dǎo)流板等底盤(pán)附件。現(xiàn)在螺柱在轎車(chē)制造中的使用量日益增長(zhǎng),以神龍公司的車(chē)型為例,愛(ài)麗舍的螺柱使用量是50多個(gè),標(biāo)致307的螺柱使用量為106個(gè),雪鐵龍C5的螺柱使用量為187個(gè)。轎車(chē)制造中常用螺柱類(lèi)型如圖3所示。
圖3 轎車(chē)制造常用螺柱類(lèi)型
螺柱焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及電子電力技術(shù)的不斷發(fā)展,目前焊接設(shè)備正在向自動(dòng)化、智能化和數(shù)字化的方向發(fā)展,螺柱焊接技術(shù)作為一種焊接技術(shù)工藝當(dāng)然也在順應(yīng)著這個(gè)趨勢(shì)。IGBT逆變式焊接電源正在取代晶閘管控制的焊接電源,控制系統(tǒng)采用了微處理器和液晶顯示屏,使焊接參數(shù)編程操作簡(jiǎn)單直觀。伺服電機(jī)控制的焊槍正在取代彈簧機(jī)械式焊槍?zhuān)梢跃_控制螺柱的提升行程,使焊接質(zhì)量更可靠。
結(jié)語(yǔ)
相對(duì)于熔化極氣體保護(hù)焊、TIG焊和埋弧焊等電弧焊接方式,國(guó)內(nèi)研究應(yīng)用電弧螺柱焊接技術(shù)的時(shí)間只有十幾年,不過(guò)國(guó)內(nèi)對(duì)于螺柱焊技術(shù)與設(shè)備的研究已有了很大進(jìn)展,國(guó)內(nèi)廠家已經(jīng)推出性能比較完善的螺柱焊接設(shè)備。但是設(shè)備廠家尚不具備伺服電機(jī)式焊槍的生產(chǎn)能力,應(yīng)加大研究力度,早日推出與國(guó)外先進(jìn)水平相媲美的產(chǎn)品。 (end)
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