船用螺柱碰焊原理及应用研究分析

耿立伟

摘 要：碰焊机的原理是利用正负两极在瞬间短路时产生的高温电弧来熔化碰钉和钢板，来达到使它们结合的目的。电焊机的结构十分简单，说白了就是一个大功率的变压器，将其变为低电压，大电流的电源，可以是直流的也可以是交流的。

关键词：电焊机；大电流；碰焊机；稳定；高效

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.002

1 焊接制造概述

随着现代工业科学与技术的高速发展，作为机械制造重要手段之一的焊接技术，已被广泛应用于机械制造业的各个部门。在航空航天，能源动力，桥梁，压力容器，船舶等工程结构中，焊接是其制造过程中不可缺少的热加工技术，同时现代工业科学与技术也对焊接提出了更高的要求。可以说一个国家的焊接技术发展水平往往也是这个国家工业科学与技术现代化发展的重要标志之一。

1.1 焊接技术基础

焊接技术是一种集成技术，它涉及焊接方法，焊接工艺及焊接过程控制等。焊接过程通常由热过程，物理化学冶金过程及应力变形过程组成。金属等固体材料所以能保持固定的形状是因为其内部原子间距而形成了牢固的结合力。要把分离的金属连接在一起，从物理本质上讲就是要使分离金属的连接表面上的原子彼此接近到金属晶格距离。

1.2 焊接分类

焊接的本质是如何利用外部能量实现连接。目前已发展了数十种焊接方法，焊接方法分为三大类，即熔焊，固向焊和钎焊.碰焊则属于熔焊中的电阻焊，即碰焊接头形成过程伴随有融化结晶的过程。

2 螺柱焊及应用

螺柱焊是将金属螺柱或其他紧固件焊接在工件上的方法。目前在汽车，造船，机车等诸多行业应用很广的螺柱焊属于一种加压熔焊，它兼有熔焊和压焊的特征。将螺柱的一端与板件表面接触，通电引弧，待接触面熔化后，给螺柱一定压力从而完成焊接。

2.1 螺柱焊的应用

螺柱焊在安装螺柱或类似的紧固件方面可以取代铆接，钻孔，焊条电弧焊，电阻焊或钎焊。可以焊接低碳钢，低合金钢，铜，铝及其合金材质制成的螺柱，螺钉，销钉以及各种异型钉，广泛应用于高层钢骨结构建筑，工业厂房建筑，公路，铁路，桥梁，塔架汽车，能源，交通设施建筑，机场，车站，管道支架，起重机械及船舶舾装等

2.2 螺柱焊的分类

实现螺柱焊接的方法有多种，与之相对应的焊机也有所不同，螺柱焊机在国类有多种非正规名称，如种焊机，植焊机，种钉机，植钉机，螺钉焊机，螺丝焊机，碰钉机，碰焊机等，均是指螺柱焊机。螺柱焊机根据所用电源和接头形成过程的不同寻常可以分为三种基本形式：电弧螺柱焊，电容储能螺柱焊，短周期螺柱焊。

3 船用螺柱碰焊机种类

第一种是焊接窗户螺柱的电弧螺柱焊，螺柱直径较大，一般在8毫米到18毫米之间，电弧螺柱焊是电弧焊方法的一种特殊应用。

第二种是焊接绝缘碰钉的短周期螺柱焊，螺柱直径较小，一般在3毫米到5毫米之间，短周期螺柱焊是焊接电流经过波形控制的电弧螺柱焊，是普遍电弧螺柱焊的一种特殊形式。绝缘螺柱焊机按工作电压可以分为220V交直流碰焊机和380 V交流碰焊机。

3.1 船用储能式螺柱焊

储能式螺柱焊机采用大容量电容作为焊接能量的来源，通过可控硅精确控制放电时间，以瞬间低电压，强电流的方式将螺柱尖端迅速熔化，使螺柱和工作面间隙快速合并，将螺柱牢固地焊接在工作面上，整个过程持续约1～3s.以充于电容器中的电能瞬时放电产生电弧热来连接螺柱与工件的方法，称为电容放电螺柱焊。由于在焊接前电能已经储存在电容器内，故又称为电容储能螺柱焊。根据引弧的方式不同，将电容储能螺柱焊分为成预接触式，预留间隙式和拉弧式三种焊接方法。

3.1.1 预接触式

预接触式电容储能螺柱焊的特征是先接触后通电，再完成焊接。因电流密度很大，瞬间被烧断而产生电弧。在电弧燃烧过程中，待焊面被加热熔化，这时由于压力一直存在，因此螺柱向焊件移动，待螺柱端与焊件接触，电弧熄灭，即形成焊缝。

3.1.2 预留间隙式

预留间隙式电容储能螺柱焊的特征是留间隙，先通电后接触放电加压，完成焊接。

3.1.3 拉弧式

拉弧式电容储能螺柱焊的特征是接触后拉起引弧，再使电容放电完成焊接。

3.2 船用绝缘螺柱碰焊机应用

在船舶建造中绝缘螺柱焊机使用频率很大，每条船的绝缘施工都需要焊接3毫米绝缘碰钉或5毫米碰螺，绝缘面积少一点的诸如61000T散货船，一条船的绝缘面积大约有3500平方左右，绝缘面积多的如3800PCTC LNG双燃料滚装船，每条船绝缘38000平方的施工面积，工程量可谓非常巨大，大面积的绝缘碰钉焊接对螺柱碰焊机是很大的考验。在一般的施工队伍中仅配备380V绝缘螺柱碰焊机，因为绝缘施工范围小，且单船技术要求即需使用3毫米的绝缘碰钉，也需要焊接5毫米碰焊螺柱，所以选择380V熔透能力更强的碰焊机。但因为380V交流碰焊机机身较大，携带不方便，在船尾机舱等结构复杂区域选择更容易携带搬运的220V绝缘螺柱焊机是更合适。220V交直流碰焊机虽然操作方便，但有个小缺陷，即在施工距离超过30M的时候，由于电源线电阻的原因，导致焊接电流下降，不容易使螺柱焊透。因此，在选择使用220V螺柱焊机时应该考虑施工范围的大小。

3.3 船用窗户螺柱碰焊机应用

螺柱焊机广泛地应用在造船业中，有着较高的经济效益。船舶的居住区需要安装窗户，窗户除了焊接窗以外，非焊接窗户是使用螺柱焊机预先将M10或M16的Q235材质镀镍碳钢焊接在钢板上，待螺柱及预涂完工后，将窗框直接安装校队即可。该型螺柱焊机电源为380V交流焊机，焊接时间在3S至4S，焊接时需要相对应尺寸的陶瓷护圈，起保护作用。螺柱焊机焊接成型效果好，无焊渣，有轻微火焰，相比于人工电焊焊接，质量稳定，焊接强度低且工作效率高效，不用任何焊剂且具有符合要求的强度和金相组织。

4 总结

在船舶建造过程中，不同船型的内装工程，需要因地制宜的选用合适的碰焊机，这样可以达到高效的施工效果，和稳定的施工质量，从而达到节约工时，提高船舶建造质量。

参考文献：

[1]张建勋.现代焊接制造与管理[M].机械工业出版社.

[2]侯志敏.焊接技术与设备[M].西安交通大学出版社.