螺柱焊-王耀东
紧固件焊接..
一、螺柱焊接技术及原理
■ 拉弧式螺柱焊 通过晶闸管控制的直流电源或逆变式焊接电源来进行焊接。拉弧式螺柱焊接 工艺，螺柱和工件的金属熔化量比储能式螺柱焊多，熔深较深，影响焊接质 量的参数较为复杂，螺柱所能承受的强度也更大。拉弧式螺柱焊根据焊接时 间的长短，可细分为长周期螺柱焊和短周期螺柱焊。拉弧式螺柱焊的工作过 程见下图：
螺柱接触工件，通电后利用螺柱夹持机构提升螺柱，此时螺柱与工件之间出 现稳定燃烧电弧，电弧热熔化螺柱顶部和工件表面，随后螺柱夹持机构压迫 螺柱下沉到工件熔池，断电后形成焊接接头。短周期螺柱焊与长周期螺柱焊 不同的地方是焊接时间仅为长周期螺柱焊的十分之一到几十分之一。另外短 周期螺柱焊在焊接电弧出现之前有一个引导电弧，其作用是清除工件或螺柱 顶部表面的油污、油脂或涂层.
一、螺柱焊接技术及原理
■ 提升高度—螺柱提升高度是决定焊接质量的一个重要参数。它与螺柱直径 成正比。提升高度能有效防止因熔滴过渡时短路所造成的电弧不稳和焊接 成形不良。但是，过高的提升高度也有不利的一面：一是由于电弧的增长 易发生磁偏吹现象，影响焊接质量；二是增加焊缝气孔数量。这是一个较 敏感的影响焊接质量的因素。对于短周期螺柱焊来说，利用电磁感应提升 螺柱的焊枪，提升高度通常为1.2mm，利用伺服电机提升螺柱的焊枪，提 升高度通常为1.5mm。 ■ 螺柱伸出长度——螺柱伸出长度对于长周期螺柱焊来说，是螺柱熔化的长 度与工件熔池深度之和，与螺柱直径成正比，经验值在1.5～6mm；对于短 周期螺柱焊接而言，电磁式焊枪的螺柱伸出长度是螺柱熔化的长度加工件 熔深，通常为1.2mm；伺服电机式焊枪的螺柱，其伸出枪嘴端面一定的长 度，仅仅是便于螺柱与工件接触，而形成稳定的电路短路，通常为2.2～ 3mm。伺服电机式焊枪的螺柱熔化长度与工件熔池深度为单独的参数值， 与螺柱伸出长度没有直接关系。
车身电弧螺柱焊强度影响因素及优化探析
166AUTO TIMEMANUFACTURING AND PROCESS | 制造与工艺车身电弧螺柱焊强度影响因素及优化探析范春平 郭跃辉 宾可 向涛 章维上汽大众汽车有限公司 上海市 201805摘 要： 电弧螺柱焊是广泛应用于汽车白车身中的一种连接技术，但实际生产中也遇到焊接强度不足等技术难点，本文就某德系车型，针对螺柱焊接设备、参数、母材，对如何螺柱焊强度提升进行研究。
关键词：螺柱焊 螺柱焊接设备 设焊接参数 焊接母材1 引言随着汽车工业的发展，螺柱类紧固件的使用率越来越高，其中最具代表性的是螺柱焊。
螺柱焊是将螺柱一端与钣金件接触，通过引弧，待接触面熔化后，给螺柱一定压力，完成焊接的方法。
具有焊接时间短、材料适应性强、热影响小、操作简单和成本低等优点。
可替代铆接、钻孔、手工电弧焊、电阻焊和钎焊等连接工艺。
随着汽车工业和螺柱焊技术的不断发展，已在紧固件连接上逐步替代了电弧焊、电阻焊、钻孔等传统连接工艺，发展为制造业中一种基本的热加工方法。
螺柱焊80%以上是通过焊机完成的。
螺柱焊机按原理分为电弧螺柱焊接和电容放电螺柱焊接两大类，目前汽车白车身应用较多的是电弧螺柱焊。
本文主要研究的也是电弧螺柱焊（以下简称螺柱焊）。
2 常见螺柱焊设备、缺陷及原因2.1 设备及原理常见的螺柱焊设备有自动和手动，设备部件及工作原理图见图1。
2.2 缺陷类型常见的螺柱焊缺陷类型有飞溅、焊瘤、气孔、开裂、焊穿、假焊、未熔合和螺柱不垂直等，图2是部分螺柱缺陷的微观金相组织图。
开裂气孔未熔合图2 缺陷金相照片2.3 影响原因影响螺柱焊强度的主要因素可分为设备、焊接参数和焊接母材三类：1）参数设定不合理：焊接电流过大或过小；焊接时间过长或过短；下落速度过快或过慢；提升高度过高或过低等。
2）设备维护不到位：夹持器，电弧罩不清洁；夹持器松动，夹持力不够；焊枪垂直度不够；手动焊接导向磨损；设备分流；接地不良和失效等。
3）焊接母材：参数未随母板或螺柱端面直径变化而变化；母板油污，未清理干净；焊接面不平整等。
螺柱焊焊接质量规范(110320)
长城汽车股份有限公司企业标准Q/CC GY041—2010螺柱焊接质量规范○b2010-09-20发布2010-09-27实施创作时间：二零二一年六月三十日前言在白车身焊接工艺中,螺柱焊接质量直接影响着整车的装配,为了提高螺柱焊接质量,○b 规范其焊接控制方法,保证和提高整车的装配性,从而编制本标准.本标准由长城汽车股份有限公司工程院焊装技术部提出；本标准由长城汽车股份有限公司工程院综合技术部归口；本标准主要起草单元：工程院焊装技术部；本标准主要起草人：武万斌、齐庆祝、张彭、王晓阳、朱士超、刘英明.1范围本标准规定了白车身螺柱焊接的判断基准、焊接过程注意事项、螺柱焊接的检验方法、检验频次等要求.○b本标准适用于长城汽车股份公司各制造事业部及子公司所有涉及到螺柱焊作业的部份.2 术语和界说下列术语和界说适用于本标准.储能式螺柱焊储能式螺柱焊：储能式螺柱焊机采纳年夜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,在外加压力的作用下使螺柱和工作面间隙快速合并,将螺柱牢固的焊接在工作面上,整个过程继续约1ms～3ms,储能式螺柱焊焊接过程见图1.图1储能式螺柱焊焊接过程拉弧式螺柱焊螺柱焊焊接质量规范○b拉弧式螺柱焊：螺柱接触工件,通电后利用螺柱夹持机构提升螺柱,此时螺柱与工件之间呈现稳定燃烧电弧,电弧热熔化螺柱顶部和工件概况,随后螺柱夹持机构压迫螺柱下沉到工件熔池,断电后形成焊接接头,拉弧式螺柱焊焊接过程见图2.图2拉弧式螺柱焊焊接过程3 螺柱焊接质量判定标准○b螺柱焊接质量判定标准见表1.○b表1螺柱焊接质量判定标准○b序号项目标准图片备注1 虚焊螺柱应完全拔出溶池,螺柱周围焊接均匀外观2 熔池过年夜熔池满足实际焊接效果,概况均匀美观外观3 螺柱倾斜变形焊接时螺柱应垂直焊接概况倾斜角度为90°±5°外观4 母材反面变形焊件反面无严重变形,不影响后续装配及功能要求外观5 焊穿焊件反面无烧穿孔外观6 螺纹损坏焊接过程中要保证螺纹不被损坏,用相应的螺母能够顺利拧入视为合格外观7倾斜检验捶击检验时,当螺柱倾斜角度不小于30°时,螺柱无裂纹或假焊等缺陷.强度8扭力扳手检验最小抗扭力值满足相关标准要求（见表4）强度螺柱焊的焊接母材有普通碳钢、高强度钢、不锈钢和铝合金.螺柱焊通经常使用螺柱资料与所焊母材组合,见表2.表2螺柱资料与母材资料组合螺柱资料 焊接母材低碳钢、不锈钢 低碳钢、高强度钢、镀锌钢板低碳钢、不锈钢不锈钢 铝合金 铝合金 铜合金铜合金母材焊接的最小板厚与螺柱端径有关.为了充沛利用紧固件强度,防止焊穿和减小变形,母材厚度≥螺柱端径的1/3,当强度不作为主要要求时,最薄也应≥螺柱端径的1/5.4.3 焊接参数的设定和选取焊接参数主要包括焊接电流、焊接时间、焊接电压等.焊接参数的设定,电流主要是根据所焊接螺柱横断面尺寸来选择,实际生产中可根据焊后焊接螺柱的焊接质量进行调整.具体参数设定见表3.表3 电弧螺柱焊参数设定应有的作用,电流过年夜则招致焊接熔池的提前呈现,晦气于工作概况污物的清理,影响焊接质量.焊接电压、焊接电流和焊接时间是拉弧式螺柱焊的焊接电弧参数,其主要作用是发生焊接电弧,加热并熔化螺柱与工件接合面.焊接接头区域输入能量的年夜小是决定焊接接头质量的重要因素,能量缺乏的时候,螺柱和工件接合处熔化金属量太少,招致接合面积小于螺柱面积；能量输入太高,则熔化金属量增多,接头处金属飞溅现象严重.螺柱焊参数选取规范序号 螺柱型号 电弧螺柱焊参数设定焊接电流（A ） 焊接时间(ms)焊接电压（V ）1 Φ3× 300～400 55～60 3802 Φ3× 220～280 15～20 3803 M5× 500～550 20～27 3804 M5×20 500～550 25～30 3805 M6× 400～500 20～30 3806 M6×16 450～550 35～45 3807 M6×20 750～850 45～55 380 8M8×22750～85050～60380获得优质电弧螺柱焊的基本条件是输入适当的能量,而这个能量年夜小取决于螺柱的横截面积,而输入焊接区的总能量与焊接电流、电弧电压及燃弧时间有关.电弧电压决定于电弧长度或螺柱焊枪调定的提升高度,当提升高度确定后,电弧能量就由焊接电流与焊接时间决定.一般螺栓焊接面直径与焊接电流的关系为I=φ×100A,与焊接时间的关系为T=φ×4ms,各种直径低碳钢螺柱焊的电流与时间的关系如图3所示.图3各种直径低碳钢螺柱焊的电流与时间的关系5 焊接过程注意事项检查所有的电气和气动管路是否有损伤现象；将工件焊接处的油污、漆层、杂质等擦拭干净,防止影响焊接质量；为了保证螺柱焊的焊接精度,工件的定位方式一般采纳专用定位夹具进行定位,而且螺柱的焊接部位都应有限位装置；焊接部位概况与焊枪的中心线应尽量保证垂直,焊接完毕后拔枪时的方向应与螺柱的中心线一致；螺柱伸出长度不应太长或太短,一般坚持在1.0 mm～1.5 mm；螺柱提升高度是决定焊接质量的一个重要参数,～1.5 mm；为保证焊接质量,螺柱提升高度需根据分歧的设备设定具体数值.6 螺柱焊检验控制方法6.1 产物破坏检验法式检验取决于螺柱的类别以及制品车辆上螺柱要求的性能.最惯例方法是利用反复弯曲把螺柱从工件上卸下来,若母材被拉穿,则暗示焊接合格,否则分歧格.工艺调试过程中应在每一个焊接部位开展焊接破坏性检验,从而确保焊接质量,并查明潜在的可疑区域,对这些可疑区域要进一步做破坏性检验,直到所有焊接质量均能够满足工艺质量要求,到达“合格产物”的标准；在试生产阶段,为了确保正常生产条件下的焊接质量,在正常生产条件下对每个螺柱焊接的位置都应进行焊接破坏性检验；在生产阶段,任何区域都应再次进行破坏性检验,以确保其质量.其后,必需在特定现场对所有焊口按周期要求进行破坏性试验,对这些测试结果必需进行继续性分析.对潜在的可疑区域,要在分总成阶段做更高频率的检测,确保焊接质量获得有效控制,直到采用纠正办法,焊接质量能够完全满足工艺质量要求；如果发现焊接质量分歧格,必需立即隔离问题制件,防止流出,对生产的问题制件及车辆进行追溯,并采用纠正办法.6.2.1 外观检验外观检验主要针对表1中的虚焊、熔池过年夜、螺柱倾斜变形、母材反面变形、焊穿项目进行检验,检验方法为目视；针对螺纹损坏的项目,可以使用相应型号的螺母进行检验；6.2.1.3 其他外观检验依照4.1表1中的相关条款和要求执行.○a6.2.2.1 倾斜检验○a○a锤击检查应在试片冷却后进行,用橡皮锤锤击螺柱的顶端,直到螺柱倾斜到30°以上,检查是否有裂纹或开焊等缺陷,详见图4.6.2.2.1.2 弯扭检验○a图4 锤击检查弯扭检验应在试片冷却后进行,用套管或其他专用工具将螺柱弯扭,使螺柱倾斜到30°以上,检查是否有裂纹或开焊等缺陷,详见图5.图5 弯扭检验6.2.2.1.3 倾斜检验结果判定○a在焊接处无断裂裂纹或开裂,则判定为合格,否则判定为分歧格.扭力扳手扭矩检验○a在检查螺柱前（只适合有螺纹的螺柱）,将相应的螺母焊接在焊接试片的螺柱上；○a按分歧的螺母规格选择合适的套筒；○a检测时摆入手柄直至螺母或螺柱焊接处开裂,扭转方法见图6；○a记录数据,与表4进行比较,若所得数据年夜于即是表4中的数据,则判定为合格；若所得数据小于表4中的数据,则判定为分歧格.○a1 试片2 螺柱3 螺母4 扭力扳手图6扭力扳手扭矩检验○a橡胶锤型号：W0165A；橡胶锤重量：240g-260g.○a6.2.3.2 敲击螺柱顶端螺柱焊接处不发生倾斜,或倾斜≤10度时工件变形,焊接处不开焊为合格.○a分歧类型和分歧直径螺柱焊的扭矩分歧类型和分歧直径螺柱焊的扭矩标准,见表4.表4分歧类型和分歧直径螺柱焊的扭矩扭矩M3 M4 M5 M6 M8 铝合金（）断裂时最小扭矩/N·m容许最年夜启动扭矩/N·m铝镁合金（AlMg3）断裂时最小扭矩/N·m容许最年夜启动扭矩/N·m普通低碳钢板（S235）断裂时最小扭矩/N·m容许最年夜启动扭矩/N·m不锈钢（X5CrNi18-10）断裂时最小扭矩/N·m容许最年夜启动扭矩/N·m注：相同类型、相同直径的高强板和镀锌板断裂时,最小扭矩与容许最年夜启动扭矩依照表4中普通低碳钢板的扭矩执行.6.3.1 外观检验根据表1中螺柱焊焊接质量判定标准检查,检查频次为100%.○a根据倾斜检验标准,对试片上焊接螺柱的焊接质量检查频次为每把焊枪1次/班.○a根据生产过程中检测标准,对工件上焊接螺柱的焊接质量进行100%全检.○a6.3.3 扭力扳手扭力检验根据扭力扳手扭力检验标准,检验频次为月产量n≤2000辆时1次/2周,月产量n ﹥2000时1次/周.创作时间：二零二一年六月三十日。
浅谈中国制造的自动螺柱焊接系统
浅谈中国制造的自动螺柱焊接系统
佚名
【期刊名称】《电焊机》
【年(卷),期】2006(36)10
【摘要】20世纪30年代，德国和美国就出现了螺柱焊机，当时只用于造船和军用船舶，后来随着汽车、航空和机车行业的兴起，西方研制出自动螺柱焊接系统，并和机器人连接，从而进一步推动西方资本的发展。
到目前为止，业内人士仍然认为该类技术被西方垄断。
【总页数】1页(P30-30)
【关键词】螺柱焊机;焊接系统;中国制造;20世纪30年代;军用船舶;机器人
【正文语种】中文
【中图分类】TG453.3
【相关文献】
1.泰勒螺柱焊接系统（上海）有限公司CNC全自动螺柱焊接系统 [J],
2.英国泰勒螺柱焊接系统（上海）有限公司：泰勒CNC全自动螺柱焊接系统 [J],
3.泰勒螺柱焊接系统（上海）有限公司：电脑智能型弧式螺柱焊机 [J],
4.自动螺柱焊接系统在白车身焊接的应用研究 [J], 曹德严;张思帆;武晓亮
5.自动螺柱焊接系统在白车身焊接的应用研究 [J], 曹德严;张思帆;武晓亮
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Weld head with dismounted clamping flange
缸套Bellows socket
气缸Air cylinder
射针 Load pin 直到3个螺丝和拆卸夹紧法兰
射针Load pin complete
为了拆卸锁板，拧开左 旋和右上六角螺丝 M4x8 无锁板 六角螺丝锁紧板
Disassembly of the TH 510
拆卸坦克链
要用一个小螺丝刀拆卸连接器X8，抬起标签 (如图所见)，然后拔下插头 用一个小螺丝刀拆卸LM执行器线，按下 橙色的标签，拉出黑色和红色的线
拆除紧固扎带
Disassembly of the TH 510
(I) in A
t
600
5ms 引弧稳定时 间 焊接时间
fix 30
引弧时间30ms 开始焊接
t
焊接过程时序图
自动下落Auto Plunge
(S) in mm
LM线性马达 关闭点 LM线性马达开启点 计算时间
下落时间 td
(I) in A
t
引弧稳定时间
焊接时间
引弧时间 开始焊接
t
Optimisation
Disassembly of the TH 510
拆卸后壳 拆除完送钉检测开关后拆卸后壳
拆卸M4x8 螺栓
拆除检测开关接头拆卸螺栓取下后壳 拆卸 M4x8螺栓
Disassembly of the TH 510
Dismounting the cover behind item 4
用尖嘴钳拆卸插头
拆卸电线夹
线缆Cable harness PS – flange socket item 502
螺丝Screws M3x4 线夹Cable clamps
接头Flange socket
后壳Cover plate item 4
Plug X13
Disassembly of the TH 510
拆卸光电编码尺
M3x10 item 152
拆卸坦克链
在拔了X14和X16之后，用针尖钳松开，
在右侧松掉坦克链
拆除光电编码尺插头，以及安装在 坦克链的M4x8 1 安装螺丝，你就可 以把整个坦克链拆下。
螺柱不垂直
弧偏吹
电场
接地对弧偏吹的影响
Front car 车身前端 Rear car 车身后端
在电地球连接旁边的电极，由于靠近连 接器的强电场的结果而被吹向了方向。
在远离地球连接的地方，这个弧是 不会被吹走的，结果是围绕着螺柱 对称的电场。
弧偏吹
单边接地
措施：对称接地
焊点附近一侧有金 属块
措施：去除相对接地或金属块 手动焊枪侧向焊接 措施：枪柄旋转 90°
LM线性马达“提升”信号起始点 LM线性马达的恒定速度为300mm/s， 因此以上3种提升恒定的情况下，螺柱下落时间理论值（测试模式）均为5ms， 但是实际焊接将产生一定熔深，因此下落时间实测值大约为8~10ms。
5 1.5 mm 0.3 mm ms
= 5 ms
熏黑区域（环形） 熔池（环形）
螺柱
焊接OK
螺柱垂直角度
最大可准许倾斜角度 90°± 3° 7°
大部分螺柱都有一个7 °倾斜角。
为了达到 100% 焊接质量， 偏差必须90°± 0°!
如果焊接时螺柱倾斜角度过大，那 么焊接完成后可能只有一半被焊接 在工件上，因此很容易造成虚焊。
4°
如果倾斜角度控制在 ± 3° 以内，那么螺柱焊接面至少 有3/4会焊上。
送钉传感器 接收器 夹头 Feed pipe 送料管
支撑杆
机器人适配器板
Createt by: Peter Weber
Date of issue: 02/2012
19
支撑杆调节
设定螺柱伸出长度
or
顶杆Loading pin
夹头Collet
凹的一边
支撑杆Sustainer
支撑杆调节要领：
In front 之前 1. 支撑杆端面务必在夹头之前。 Behind
Erstelldatum: 17.05.2011
28
Disassembly of the TH 510
拆卸枪壳
拆卸右侧，左侧 M4x8 螺栓 移除枪壳.
右侧螺栓M4x8
Disassembly of the TH 510
拆卸外壳
拆卸M4x8 螺栓 拆下 M4x8螺栓
拆下外壳然后可以拆卸后壳
拆下外壳然后可以拆卸后壳
R – item
F – item
用尖嘴把插头拔掉
Kit slider TH510
检测开关 "V" 检测开关 "R" Speed Slider "V"（调速 阀）
调速阀 "R"
PCB 控制板
SV 射针
Speed "V“ loading pin（调节阀）
SV 气缸阀
Disassembly of the TH 510
引弧电压
16V – 22V = 镀锌钢板 Steel plate dry zinc coated 20V – 24V = 普通钢板 normal steel plate
24V – 30V = 普通钢板表面有轻微油污 Steel plate light oily
30V – 34V = 普通钢板表面有大量油污Steel plate heavy oily >35V = 板件需要清洁 ! 以上内容仅供参考（有一根地线测量线）
A
例如 ：
旧焊接电流 x 旧焊接时间
新焊接电流
= 新焊接时间
焊接电流 X 0.04
ms
720 A x 29 ms = 20.88 = 21 ms 1000 A
当焊接有镀层的螺柱或工件时，焊接电流和焊接时间需要相应增加20%。
焊接过程时序图
正常
(S) in mm 1,2 Schweißzeitabgleich LM线性马达 关闭点 LM线性马达开启点 计算时间 下落时间 td
在使用机器人自动焊接情 况下，螺柱的90°垂直是 由机器人工程师负责的。
焊 接 过 程 拉弧过程
Fig. 1
当有一个外部开始焊接命令发出，焊枪向前移动。
螺柱接触到工件
焊接回路（焊接线和地线）都已经被正确的连接，这时设 备会接收到一个SOW信号。 SOW ：Stud on workpiece 含义：整个焊接回路已经接通。
这个卡规是经过ISO认证的!
螺柱伸长
之后
2. 支撑杆端面在螺柱之后，并确保螺柱伸 长大于熔深设定值（伸长2~3mm为宜）。
Movement TH510
12 mm
马达提升 Linear motor lift = 12 mm
50 mm
滑块（气缸）提升 Slider lift = 50 mm
Connect feed tube TH 510
检测开关的调整 NO NC = 常开Normally open 常闭Normally closed Sens = Sensitiv Time = Time
拆卸检测开关
在拆卸前先把枪盖拆开！ 拆下 M4x8 螺栓 再松下 M4x8 检测开关螺栓 开关Switch „F“ 开关Switch „R“ 把M4x10两个螺丝拧松后，就可以左右移动调节 .
> 1.5 mm
拔枪 End of welding
下落时间td
在使用LM线性马达系统情况下，下落时间 取决于提升和熔深
螺柱下落时间的计算公式：
提升高度 / 马达速度
因此提升高度为1.5 mm，那么 下落时间理论值就是：
1,5mm
1,5mm
1,5mm 1,5mm
马达速度 = 300 mm/s = 0.3 mm/ms
在拆卸M3x10和M4x8 Allen螺丝后，可以拆 卸整个光电编码尺
打开光电编码尺， 将一个小螺丝刀 插入标签，撬开
2x M4x8 item 151 M3x6
外壳1
item 153
标尺线4
PCB E629A 光电编码尺
外壳 2
端子板5
Disassembly of the TH 510
拆卸坦克链
拆下锁板
接触 Stud on workpiece Fig. 2
支撑杆接触到工件
在支撑杆接触到工件之后，小电流(30A)引弧将被 内部开始焊接命令启动。 注意： 必须要求螺柱90°垂直于工件！
90°
垂直 Start welding
焊 接 过 程 拉弧过程
Fig. 3 在引弧稳定时间 (5ms)之后，LM线性马达提升螺柱至预设高度 ，此时产生引弧。 在引弧过程中 1.螺柱和工件焊接面上的油污将被引弧电流在一定程度上清除 。
拆卸螺钉接收器
黑色保护盖 夹头 螺钉 皮套Bellows
锁紧螺母
锁紧环Clamping ring
钩形扳手 Hook key
Sustainer
接收器Stud receiver
拆卸保护罩
用钩扳手旋紧夹紧环
Disassembly of the TH 510
Dismounting of the clamping flange
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偏弧
在焊接铁磁材料和对电弧磁材料的影响
磁场吸引力
工件产生的磁场
Fe
F
熔深Penetration
熔深的定义： 拉弧导致螺柱和工件产生一定的熔损（螺柱为主），随之螺柱下落，
经过提升起点继续下行，直至和工件接触的这段距离。
下落Dropping the stud