大直径螺柱横焊技术研究

朱环

安徽理工大学 安徽淮南 232001

螺柱焊是一种将直径2～25mm螺柱或圆柱状零件焊接到板件（或管件）表面的先进焊接方法，其具有焊接效率高、质量好、成本低等优点，广泛应用于汽车制造、锅炉、管道和工程机械等领域。在工程机械产品结构中，有大量用于安装液压管路、电器线路的安装座或螺纹孔，传统方法主要是板上攻螺纹或人工焊接带有螺纹孔的安装座，生产效率低、成本高，而应用螺柱焊则可取代这些传统工艺，实现安装连接部件的高效加工。但是大直径螺柱横焊时，由于熔池受重力影响向下流动导致焊接质量差，直接影响了螺柱焊的应用。本文从螺柱陶瓷环结构和焊接工艺两个方面分析，提出了大直径螺柱横焊问题解决方法。

1 拉弧式螺柱焊工艺介绍

拉弧式螺柱焊是通过变压器或整流器降压后直接放电，其工作原理与普通电焊焊接类似，电能可以源源不断地释放，可焊螺柱直径为3～25mm，螺柱焊接范围广，因此工程机械行业普遍采用螺柱焊接方式。使用拉弧式螺柱焊机焊接时，先将陶瓷环和螺柱放置到焊枪上，然后将焊枪垂直放置于工件需焊接区域，按下焊枪使陶瓷环紧靠于工件，扣下焊接按钮开始焊接程序[1]。其详细焊接过程（见图1）分为6个步骤：启动→焊枪提升螺柱→引弧点燃→主弧点燃熔化螺柱和工件→电弧停止，螺柱浸入熔池→焊接完成。

图1 拉弧式螺柱焊接过程

2 大直径螺柱横焊技术难点分析

螺柱横焊是指将螺柱水平焊接在垂直放置的工件表面（见图2），焊接时，金属熔池竖直分布于螺柱焊接区域，其同时受到重力、电磁力和表面张力等共同作用，合力的作用效果将决定了熔滴的状态和焊接的质量。对于大直径螺柱（≥φ19mm），随着螺柱直接的增大，需要熔化的金属熔液也在增大，焊接时间和焊接电流也越长，焊接熔池的体积和重力也在增大，导致其表面张力和电磁力无法有效克服熔滴重力的影响，熔滴将向下流动，很容易出现焊缝不均匀、不完整和螺柱上表面出现咬边、弧坑等不合格现象（见图3），所以解决大直径螺柱横焊问题的关键是解决熔池下垂问题[2]。

图2 横焊示意

图3 焊缝不完整

3 改进措施

根据大直径螺柱焊技术难点分析可知，解决大直径螺柱横焊问题，主要是解决熔池受重力向下流动问题，从焊接陶瓷环结构和焊接参数两个方面进行研究改进，提出螺柱横焊解决办法，并在生产中进行推广应用，取得了良好效果（见图4），此方法可以有效解决大直径螺柱横焊问题。

图4 合格焊缝

3.1 改进螺柱焊陶瓷环

螺柱焊陶瓷环在螺柱焊过程中起保护和成形的作用，对拉弧式螺柱焊的焊接质量有非常重要的作用，大直径螺柱横焊时，由于重力熔池向下流动，普通全齿陶瓷环（见图5）保护和成形效果较差，不能满足螺柱横焊要求。为此，改进陶瓷环结构，将陶瓷环由全齿改为半齿（见图6），焊接时使陶瓷环无齿部分在螺柱下方，增强陶瓷环对熔池的保护和成形作用，从而提升陶瓷环抑制金属熔池下垂的能力，提高焊接质量。

图5 普通陶瓷环（全齿）

图6 横焊陶瓷环（半齿）

3.2 螺柱横焊工艺

螺柱焊主要参数有焊接电流、焊接时间、提升高度和伸出值等，根据螺柱直径和工件材料进行选择相应的参数，对于大直径螺柱横焊参数，应根据实际情况进行修正，最终实现减少重力对焊接质量的影响，得到合格的焊接接头。经过大量的焊接试验，总结出大直径螺柱横焊工艺应遵循“一快、二慢、三稳、四等”的原则。

1）“一快”是指橫焊时要在极短时间内大电流完成拉弧、熔化螺柱焊接部位，实现焊接，减小重力对焊接质量的影响。焊接电流和焊接时间直接决定螺柱焊的焊接热输入，合适的焊接热输入是获得合格接头的保证，大直径螺柱横焊时，为了减少重力对焊接熔池的影响，电流、电压选择遵循的原则是在保证焊接热输入的前提下，适当减少焊接时间、增大焊接电流。

2）“二慢”是指在焊枪缓冲器的作用下将螺柱缓慢推入熔池。由于大直径螺柱焊接时，金属熔化量大，熔池液体金属多，螺柱插入焊接熔池的速度过快会使熔池喷溅，无法形成完整的焊缝（见图7），为解决熔池喷溅问题，在焊枪上安装阻尼装置（见图8），调节螺柱压入熔池的速度，减少熔池喷溅。

图7 熔池喷溅

图8 增加阻尼器

3）“三稳”是指焊接时手持焊枪要保持稳定的姿态，焊枪垂直工件表面；焊接时如果持枪不稳，会产生缺口和偏弧，金属熔滴会从缺口处喷出，影响焊接质量。

4）“四等”是指焊接完成后保持固定姿态稍作等待。螺柱压入熔池完成焊接后，金属熔液仍处于高温状态，尚未完全凝固，如果快速抽离焊枪，焊缝会因外力作用而变形，影响螺柱焊质量[3]。

4 应用案例

某型号矿用机械车架上有大量用于安装液压管路和电器线路的螺柱，以前使用人工焊接，每个螺柱焊接需要3min，焊接效率低、焊缝质量差（见图9），无法满足生产需求；大直径螺柱横焊技术获得突破后，每个螺柱焊接时间为20s，效率大大提升，获得非常好的经济效益，且焊接质量好（见图10、图11）。详细情况如下：焊接螺柱φ20mm，材质为ML08；板材厚度≥20mm，材质为Q355B；焊接状态为大直径螺柱横焊；螺柱焊机选用SYSTEM 2000E、焊枪选用DA2A；焊接参数：焊接电流为1860A，焊接时间为600ms，伸出值5mm，提升高度2～3mm。

图9 人工焊螺柱

图10 应用案例

图11 横焊螺柱

5 结束语

通过对大直径螺柱横焊技术难点进行分析，得出解决大直径螺柱横焊问题的关键是减少重力对金属熔池的影响，经过大量试验，提出使用半齿横焊陶瓷环和“一快、二慢、三稳、四等”工艺选择的原则，可以有效解决大直径螺柱横焊难点。经生产验证，应用大直径螺柱横焊技术，可以大大提升焊接效率和焊接质量，取得非常好的效果，对大直径螺柱横焊在工程机械行业推广应用具有重要意义。