第一节 螺柱焊
一、 螺柱焊
1、螺柱焊
将螺柱或类似的其他紧固件通过电弧熔化金属的途径焊于工件上的方法统称螺柱焊，螺柱焊也是电弧焊中的一种.
2、焊接原理和过程
首先让焊枪里的螺柱（钉子）接触工件，焊接时,按钮闭合,螺柱被焊枪里的机构提起，造成螺柱与工件之间产生电弧，将工件表面熔化形成熔池，然后螺柱在弹簧压力作用下落下来，沾在工件上，形成牢固的焊接接头。完成焊接过程。
3、螺柱焊的分类
电弧螺柱焊、电容放电螺柱焊(电容储能螺柱焊)两种基本的方法。
两者的主要区别是焊接电源和燃弧时间长短不同，前者由弧焊电源供电，燃弧时间约0.1~1s;后者由电容储能电源供电,燃烧时间非常短约1~15ms.此外，电弧螺柱焊常使用焊剂（焊铝时使用保护气体）和陶质套圈，而电容放电螺柱焊因燃烧时间短，不需焊剂和外加保护。焊接时不需要填充金属。
电容储能螺柱焊：根据其引弧方式的不同，有预接触式、预留间隙式和拉弧式三种焊接方法。大部分主机厂多用拉弧式焊接方法。
焊接时，先将螺柱在工件上定位并使之接触，按动焊枪开关，接通焊接回路和焊枪体内的电磁线圈；线圈起作用就把螺柱拉离工件，使它们之间引燃小电流电弧，当提升线圈断电时，电容器通过电弧放电，大电流将螺柱和工件待焊面熔化，螺柱在弹簧或汽缸力的作用下返回向工件移动，当螺柱插入工件时电弧熄灭，完成焊接。
此法的特征是：接触后拉起引弧，再电容放电完成任务焊接。
拉弧式电容放电螺柱焊的螺柱待焊端不需小凸台(预接触式电容放电螺柱焊和预留间隙式电容放电螺柱焊都要设计小凸台)，但需加工成锥形或略呈球面。由于电容放电螺柱焊是在几毫秒内完成的，一般可在没有保护和焊剂情况下，获得满意的焊接接头。
第二节
螺柱焊工艺与设备
1、电容放电螺柱焊焊接工艺参数
电容放电螺柱焊焊接质量取决于焊接能量，该能量由焊接时的放电电流和放电时间决定的(这一点一定要注意,很多时候工艺人员将电源能量选小,而影响焊接质量)。
焊接能量E=1/2CU
E—能量（J），C—电容（F），U—电压（V）
而放电电流随充电电压而变，充电电压越高,放电电流越大,放电时间由设备本身给定。
电容放电螺柱焊是根据螺柱材质、直径和所选定的螺柱焊焊接方法确定工艺要求，从而确定充电电压值。
螺柱直径越大，需要的放电电流亦越大，则所需的充电电压值就越大。当螺柱材质与直径相同时，用不同的焊接方法所需的放电电流也不同。
螺柱焊的主要参数有：螺柱提升高度、螺柱外伸长度、（套圈夹头的同轴度）、焊接电流、引弧电压、引弧时间、电弧电压（焊接电压）、焊接时间和插入速度等。
焊接时间-从焊接主电流导通到焊接电弧电压为0V所需的时间焊接时间是影响焊接质量的关键因素之一，由于Emhart控制器对焊接时间的控制是通过电弧电压的反馈信号而加以控制，所以焊头的工作状态非常重要。在生产过程中，焊接时间常因下落时间（drop time）的变长而相应增长。焊接时间超出焊接规范，导致焊接质量的下降、出现焊穿、螺柱的法兰过渡熔化等。
出现以上情况，主要有4个方面的原因：
①夹头位置不对而导致提升距离变长。
②支撑弹簧超出疲劳极限。
③焊头污染，其滑板滑动不畅。
④反馈线接触不好或与接地线的连接断路。
2、工艺要点：
1）电源的容量应足以满足所需焊接的螺柱规格。
2）焊接表面不应有缺陷或过分粗糙，而且应清洁，无过多的油渍、润滑脂（液），同时应无锈和氧化皮。
3）安放螺柱及操作焊枪时，必须使螺柱轴线垂直工件表面，这是保证接头完全熔合的关键，焊接时焊枪不能晃动。
4）螺柱焊的焊接时间对质量的影响很大。
5）螺柱焊焊接普通碳钢时应采用直流正接，焊接有色金属时则采用直流反接.
3、焊接操作要点
（1）焊件表面清理
螺柱焊端和母材表面应具有清洁表面，无漆层、无轧鳞和油水污垢等。但允许有少量的锈迹。
（2）定位
根据螺柱的用途和要求的定位方法，精度要求很高时，要采用具有特殊定位模型的夹具。
（3）操作
钢螺柱焊采用直流正接，铝及其合金螺柱采用直流反接；调节好焊枪的提升量、螺柱超出套筒的外伸长度、焊接电流和燃弧时间。螺柱焊的操作简单易学,焊接时，应保持焊枪与工件表面垂直，施焊过程中不能移动或摇晃焊枪。焊后不能立即提枪，以防拔起螺柱（脱焊）。
螺柱焊设备
电弧螺柱焊机:以弧焊整流器作为电源进行焊接。
电容放电螺柱焊机:以电容器贮存的能量瞬间放电而进行焊接。
对于螺柱焊的镀层钢板
1、对电镀锌钢板。它在焊接时形成大量的锌烟雾和蒸汽的混合物。如果焊接时间太短，气化的锌就会在螺柱熔化区内形成气孔。当镀锌层厚度为5μm时，优先选用的是直接接触储能式螺柱焊。
2、对于热镀锌的薄板与涂层厚度均匀的镀锌钢板相反，在热镀锌钢板表面上进行螺柱焊就比较难掌握。其镀层厚度在.5-25μm.当螺柱直径在6 mm以下时也可以采用直接接触储能式螺柱焊.但是要考虑螺柱焊头质量会有较大的不稳定性。
第一阶段
当螺柱与工件接触时（SOW），初始电流值约为40A，电压为0V。初始电流的存在，一方面可激活焊接处的被焊金属表面，以便顺利起弧；另一方面为控制器反馈所诊断到的信息（见图1）。在实际的生产过程中，由于焊接板材的形状原因，或与车体尺寸的配合原因，在机器人焊接时，有时会出现螺柱与车身接触困难，同时如果车体钢板强度偏软，也会影响焊接的质量。这就需要在工装夹具上做相应的调整，增强被焊处钢板的刚度，从而保证该阶段的可靠和稳定。
第二阶段
紧接着焊枪中的提升线圈得到70V（DC）的电压，线圈动作，将螺柱提升到（0.045″=1.2mm），已被激活的金属表面在电压作用下由此而产生拉弧，由于提升高度一定，电弧电压最终约为24V(DC)。该电压为维弧电压，为主电弧的顺利导入创造了条件，如图2所示
第三阶段
主焊接电流导通，在电弧的作用下，被焊接处熔化成焊接熔池，由于提升高度相同，电弧电压保持不变（见图3）。
第四阶段
提升线圈失掉电压，螺柱下降，下落到焊接熔池中，下落时间为12ms。从而完成整个焊接过程（见图4）。
1）、焊接电源和控制部分
焊接电源
电弧螺柱焊机焊接电源一般为晶闸管控制的或逆变式的弧焊整流器。逆变式的弧焊整流器体积小、重量轻、动特性好，无疑是焊机的首选，但受大功率器件的限制，所以目前大容量的焊机还是以晶闸管控制的弧焊整流器为主。
电容放电螺柱焊焊机的电源主要由储能的电容器组和为电容器充电的装置组成，控制部分的控制箱它具有存储、输出数据的功能。螺柱焊机的所有参数都是由它来控制的。在它的前方有一个接入口，通过它的外接数据编程器可以对所需要的参数进行设定，按要求输出焊接电流，以达到所需要的焊接效果。
2）、送料器部分
送料器主要由一个送料电机和一段轨道组成。送料电机首先将送料盒里的螺钉翻动，使它落到轨道上，完成任务自动装料过程。
3）、工作部分
工作部分主要由送钉管和焊枪组成。螺钉落到轨道上后由气体推动进入送钉管，再由送钉管进入焊枪下部，然后由焊枪里的气缸动作将钉子推向焊枪的前端。完成任务整个送料过程。焊枪分为半自动和自动按工作路线来分也分为两条路线，气路和电路
气路
首先是管路里的高压气体通过软管进入附在送料器上的三联件中的油水分离器中，过滤高压空气中的杂质，然后经过气动三联件中的调压阀，根据需要调节气压的大小（气压≥0.6Mpa）然后进入送钉管后，再进入焊枪气缸里，见图。
螺柱的设计
1、 一般电容放电螺柱是在冷冲压流水线上制成，并且其法兰与螺柱直径相比大1.5-2.0mm。用这个法兰是为了扩大焊接面。由于焊接时间短以至于焊接处的缺陷经常占30%-40%法兰平面。但是螺柱的强度能达到。螺柱与工件是搭接的，焊接时的电弧不是圆柱形。螺柱带法兰与工件焊接，这样焊接结果是较均匀的。
2、螺柱体几乎可以是任何形状,如圆柱形(带螺纹或不带螺纹)、方形、矩形、锥形、开槽的冲压件，但它必须适合装夹，而且焊接端必须是圆形的。螺柱的直径范围在1.6~13mm,但多在3~10mm范围内。
3、拉弧式电容放电螺柱焊用的螺柱焊端不需设计成尖顶或凸台，但需加工成锥形或略成球面形，这样电弧能在弧柱中心部位引燃。其底部也设计成带肩（凸缘）的形状。与电弧螺柱焊相比，电容放电螺柱焊的螺柱熔耗量很小，通常在0.2~0.4mm范围。熔化产生的缩短量几乎可以忽略不计。
螺柱焊缺陷和检验
螺柱焊常见的焊接缺陷分为：
外观缺陷:外观缺陷主要有焊瘤过高、螺柱倾斜和螺栓过烧
内部缺陷,:内部缺陷主要是弱焊或虚焊。
如焊瘤过高超过预留线,造成在拧螺母时螺母倾斜、扭矩不够、不能固定工件和产生线束固定卡松脱等现象。产生的原因可能是焊枪的弹簧压力过大或焊接能量太大，此时要注意查看引弧时间，引弧电流、电弧电压等。
螺柱倾斜会造成螺母和线束无法拧入。产生的原因是焊接时焊枪没有垂直工件。弱焊或虚焊产生的原因是焊接时螺钉未插入和焊枪提起过早。
质量检查的方法有:
1、目视检测 对于T形螺柱、带法兰的螺柱，其焊接质量可以通过目视检测螺柱底端焊缝外观形状来判断焊接的质量，如图5-所示。
图a所示是一个合格的螺柱焊缝，其角焊缝均匀，成形连续且熔合好。
图7b所示为虚焊，表明螺柱没有完全插入熔池。这种情况应检查夹头的位置是否正确，焊枪的顶杆弹簧是否超出疲劳强度、焊头滑动是否自如和提枪过早。
图7c所示表明焊接热量不足。解决的途径是检查夹头与防飞溅套的位置是否等于1.2mm，是否所有导线接点可靠，以确保电流的顺利导通，同时可根据情况增加焊接电流或焊接时间。
图7d所示表明热量过高。在确保夹头位置正确的前提下，可降低焊接电流或焊接时间。
图7e所示表明螺柱倾斜，只有局部的焊缝。通过矫正焊枪位置，使其与焊接表面垂直即可解决。
图7f所示表明接头一侧焊缝堆积而另一侧没有焊缝。这是由于电弧偏吹所致，可通过改变接地方式和位置来解决。
弯矩检测
主机厂采用专用的测力工具对`螺柱进行检测。该专用工具如下图所示，在检测螺柱前，先按不同螺柱的尺寸调整好工具，检测时手柄摆动角度为10~15°，如果螺柱在检测时无断裂和焊缝开裂，该螺柱为合格。
第四节
螺柱焊方法的选择与应用
一、螺柱焊方法的选择
为了正确地选择和使用螺柱焊,必须考虑这种工艺方法的基本特点和它的适用范围.
1.各种螺柱焊焊接方法的区别,见表
2、螺柱焊的优点和局限性
（1）优点
1）焊接时间短，不需要填充金属，生产率高；热输入小，焊缝金属和热影响区窄小，焊接变形极小。
2）只需单面焊。安装紧固件时，不必钻孔，攻螺纹和铆接。
3）电容放电螺柱焊可焊接小螺柱和薄母材，可焊异种金属。也可把螺柱焊到有金属涂层的母材上，因电容放电电弧有击穿特性能将金属涂层（如电镀层、镀锌层等）排出接头之外。
4）对焊件表面清理要求不高。若有电容放电螺柱焊焊接非铁金属和不锈钢等，不必用Ar气保护或焊剂，节约成本。
（2）局限性
1）螺柱焊的形状和尺寸受到焊枪夹持和电源容量限制；螺柱底端尺寸受到母材厚度的限制。
2）预接触式或预留间隙式电容放电螺柱焊的螺柱，其待焊端需加工出严格的凸台或尖顶用于引弧，而且螺柱的直径一般限在1.610mm范围内，超出此范围，无论是螺柱的制备和焊接，都变得不经济。