短周期拉弧式螺柱焊的应用

何琪，刘晓锋

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

工艺·设备·材料

短周期拉弧式螺柱焊的应用

何琪，刘晓锋

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

对影响短周期拉弧式螺柱焊焊接质量的几项因素进行分析，结合车身焊装车间两种常用螺柱焊接产品，归纳总结几项主要参数调整规范及两种焊接产品的优劣。

短周期拉弧式；螺柱焊；焊接质量

CLC NO.:U463.6Docum ent Code:AArticle ID:1671-7988(2014)06-91-03

引言

随着制造业的发展，螺柱焊接技术日益成熟，因其对母材适应性强、操作简单、焊接速度快、焊接质量稳定，现已广泛应用于各个生产领域。根据螺柱焊机的工作原理，通常可将螺柱焊机分为储能式螺柱焊机和拉弧式螺柱焊机两类。而拉弧式螺柱焊机又可根据焊接时间的长短划分为长周期螺柱焊和短周期螺柱焊。目前汽车行业普遍采用短周期拉弧式螺柱焊机，用以替代汽车制造中的铆接、钻孔、攻螺纹等连接工艺。

1、设备构成

本文以目前国内汽车厂常用的英国泰勒公司和德国图克公司生产的两种短周期拉弧式半自动螺柱焊接产品为例进行分析，此两种半自动螺柱焊机均由焊接电源、控制器、焊枪、地线钳、焊接电缆、自动送料器等部分组成。其中泰勒螺柱焊由DA751控制器、DA自动送钉拉弧式焊枪及电磁振动送料器等组成，最大输出电流为750A；图克螺柱焊由DCE1500控制器、PLM 200螺柱焊枪及ETF50送料器等组成，最大输出电流1500A。下文中泰勒螺柱焊与图克螺柱焊均基于此配置进行讨论。

2、焊接过程及焊接参数

螺柱焊接时，焊枪将被焊接螺柱从工件表面提升，同时在螺柱和工件之间产生电弧，电弧热使螺柱尖端和工件表面融化，经过预设时间后，焊枪推压螺柱使螺柱和工件的融化区连接在一起，完成焊接，焊接过程见图1。

影响短周期拉弧式螺柱焊机焊接质量的因素主要为：焊接电流、焊接时间、螺柱伸出长度和螺柱提升高度。

2.1 焊接电流

在众多螺柱焊机使用说明中，焊接电流一般主要是根据螺柱顶部直径进行选取，短周期拉弧式螺柱焊在低碳钢焊接中，焊接电流和螺柱直径的参考关系为：

焊接电流I=螺柱焊接面直径(mm) × 110 A

在实际使用时，焊接电流一般在参考电流附近浮动，通常以满足现场使用要求为准。泰勒螺柱焊焊接电流可通过控制器上的2个电流档位进行设定，设定范围相当有限；而图克螺柱焊可在控制面板上准确输入许可范围内的任意电流值，且在实际焊接过程中图克螺柱焊可通过焊接参数监视功能（Weld Monitor），实时检测其焊接电流，确保焊接电流在设定值相符。

2.2 焊接时间

焊接时间t=I × 0.04 ms，对于短周期螺柱焊来言，焊接时间通常在20～100ms之间。泰勒螺柱焊虽可无级调整焊接时间，但无法精准输入焊接时间值，一般只能取到参考值的近似值，在实际使用中以满足焊接要求为原则，通过“焊接时间选择档位”及“焊接时间调节旋钮”来组合设定；图克螺柱焊则可在面板上精准输入焊接时间数值，同样，图克螺柱焊的焊接时间可通过Weld Monitor实时检测，确保与设定值一致，泰勒则无法对其实际输出进行闭环检测。

焊接时间与焊接电流共同组成拉弧式螺柱焊的焊接输入能量，因此可根据实际焊接效果配合使用，灵活调节。严格意义上讲，在短周期模式下选择焊接参数时，不仅仅要考虑螺柱直径，还需考虑工件的厚度和焊枪本身特点，原则上，开始时应选择设备的最大电流和最短时间，然后在试验中调整到最佳参数。焊接能量过小会导致焊接熔合面小于螺柱焊接面，而焊接能量过大又会导致螺柱熔化过多，焊接熔合面变小，工件熔化过薄，甚至焊穿（见图2）。2.3 螺柱伸出长度

螺柱伸出长度指焊接前，压缩空气推动焊枪顶针将螺柱顶出后，自由状态下，螺柱法兰端面超出防溅套部分的垂直距离（见图3）。一般情况下，螺柱伸出长度约为2-3mm。实际使用时，加工人扣动焊接扳机前，已靠外力将伸出部分螺柱压下至与防溅套端面齐平。螺柱伸出长度是为了保证焊接时的浸入量（伸出长度必须大于螺柱熔化的长度与工件熔池深度之和），否则螺柱在熔池中运动会中途停止，造成缩孔缺陷。此外，图克螺柱焊枪之所以能实现垂直检测，也是通过将加工人实际压下的长度与调试时依靠磁栅尺记录并保存的长度进行比较，判断螺柱伸出长度值，进而作出焊枪是否垂直的反馈。2.4 螺柱提升高度

在很多有关螺柱焊的文献中，对螺柱提升高度规定较为模糊。一般来说，螺柱提升高度特指焊接时的引弧高度，即在压缩空气推动焊枪顶针将螺柱顶出的条件下，螺柱被提升机构提升到位后，螺柱法兰端面与防溅套端面的垂直距离（以图克螺柱焊枪为例进行说明，见图4），泰勒螺柱焊机通过电磁线圈提升螺柱，提升高度一般设定为1.2mm左右，而图克螺柱焊机则通过直线电机提升螺柱，提升高度约为1.5mm。

为了更好地说明提升高度和螺柱伸出长度的相互关系及含义，本文引入“总提升高度”，并规定总提升高度为：焊枪提升机构可缩进的总体高度，从机械原理上分析，总提升高度=螺柱提升高度+螺柱伸出长度。

泰勒半自动螺柱焊枪可通过旋转焊枪尾部的端盖调节总提升高度，其调节原理为：端盖通过螺栓与提升调节器相连接，提升调节器与电磁圈外盖通过左旋螺纹连接，旋转端盖时，端盖及提升调节器的轴向位置不变，在左旋螺纹的作用下，电磁圈外盖带着电磁线圈轴向移动，此时，总提升高度便会发生变化（见图5）。而图克螺柱焊焊枪的总提升高度为其直线电机的固有属性，现场无法调节（见图6）。

在总提升高度一定的情况下，通过调整枪嘴三角架位置可灵活改变螺柱伸出长度及提升高度。对于泰勒螺柱焊枪，还可以通过在焊枪顶针活塞前增减衬垫改变螺柱伸伸出长度及提升高度。

3、结束语

实际使用中影响螺柱焊焊接质量的因素很多，除了设备本身原因外，料厚、偏弧、加工人操作素养等也很重要。整体而言，图克螺柱焊在设计方面优于泰勒螺柱焊，且增加了焊接时的垂直检测功能。应用事实也证明图克螺柱焊焊接质量明显优于泰勒螺柱焊，当然，其整套价格也高于泰勒螺柱焊，尽管如此，为了确保产品质量，很多汽车厂在新生产线建设时更倾向于选用图克螺柱焊或同级别产品。

[1]《螺柱焊焊接技术及其应用》，张义等编著，机械工业出版社，2009.9；

[2]《浅谈螺柱焊接技术》，魏国旗、陈有福著，金属加工报2011年，第18期；

[3]《泰勒螺柱焊操作说明书》，泰勒螺柱焊接系统有限公司;

[4]《图克螺柱焊焊枪说明书》，Emhart Teknologies;

[5]《德国KOCO拉弧式螺柱焊机说明书》，Koster&Co.GmbH Germany.

Short-cycle drawn arc stud welding app lications

He Qi, Liu Xiaofeng
(Shaanxi Heavy-Duty Truck Co., Ltd., Shaanxi, Xi'an 710200)

On the impact of short-cycle drawn arc stud welding quality analysis of several factors, combined w ith the two body assembly plant commonly stud welding products, summarizes several key parameters to adjust the specifications and the pros and cons of two welding products.

Short-cycle d rawn arc；Stud Welding；Welding quality

U466

A

1671-7988(2014)06-91-03

何琪，就职于陕西重型汽车有限公司。