车体钢结构螺柱焊质量控制
郭 猛
（长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130062）
摘 要：介绍了在轨道车辆车体钢结构上应用螺柱焊技术的特点及在车体钢结构上的应用以及替代原有的螺柱TIG焊接工艺的可行性，分析了螺柱焊的工艺性、螺柱焊常见的焊接缺陷、螺柱焊焊后质量检验内容及相应方法、影响螺柱焊焊接质量的各种工艺参数，并针对性的提出对螺柱焊焊接缺陷的校正方法及从原材料、设备选择、焊前预处理、工艺参数调整、辅助装置应用等方面提高焊接质量等，指出了螺柱焊工艺技术在车体钢结构生产过程中应用推广的可行性。
关键词：机械制造工艺与设备；螺柱焊；钢结构；工艺参数；焊接缺陷
1 前言
螺柱焊接技术[1]由于具有快速、可靠、操作简单和成本低等优点，可替代铆接、钻孔、手工电弧焊和钎焊等连接工艺，可焊接碳钢、不锈钢、铝以及铜及其合金等金属，现在已广泛应用在汽车[2]、船舶制造等领域，在轨道车辆上也开始应用。
将金属螺柱或类似的其他金属紧固件（栓、钉等）焊到工作（一般为板件）上去的方法叫做螺柱焊，通常用英文简称SW（STUD WELDING）表示。螺柱焊可以代替铆接或钻孔螺丝紧固等。由于螺柱焊时电弧燃烧的能量集中在螺柱和母材之间，没有多余的能量散失，其焊接过程简单、可靠，特别是陶瓷环保护的拉弧螺柱焊，其设备及配件已为广大用户广泛接受。
螺柱焊按其引弧方式的不同，可以分为两类：电容放电式、提升引弧式。
2 螺柱焊技术在钢结构生产中应用的工艺性分析
在城铁客车中车下吊装、侧墙外挂门轨道、车顶与侧墙接合处裙板安装等需要使用螺栓，所使用的螺柱的直径一般不大于12mm。螺柱焊可以按预先确定制成不同的结构，这是根据螺柱焊的高经济性、好的再现性、高强度、仅有一面焊接、多种多样的螺柱形式和轻微的焊透决定的[3]。目前在不锈钢城铁客车的生产制造中，主要采用短周期拉弧螺柱焊以完成对螺柱的焊接。
螺柱焊焊接极性：一般的，焊接黑色金属时，应采用“直流正接”，即螺柱（焊枪）接焊接电源的负极，工件接正极，这样可以增加熔深。若焊接铜、铝及其合金时，则应“直流反接”，即螺柱接正极，工件接负极。这样可以利用正离子的轰击雾化作用，清除工件表面的氧化层，提高焊接质量。
电弧螺柱焊的焊接工艺参数：有焊接电流、焊接电压、焊接时间、提升高度、伸出长度、插入速度等。
作者简介：郭猛，男，工程师，主要从事轨道客车车体制造方面的研究。
3 螺柱焊的质量控制
3.1 螺柱焊的焊接缺陷
螺柱焊常见的质量问题主要有4种，如图1所示，a显示焊后螺柱根部发生缩颈；b为焊后螺柱焊角过宽并有许多飞边；c熔合不良，螺柱芯部存在不熔合现象；d为偏焊，螺柱熔合部分偏向一侧，另一侧存在部分不熔合现象。
图1 螺柱焊常见质量问题
3.2 焊接缺陷主要影响因素
焊接材料的选择：焊接材料的选择是获得良好焊接质量的关键一步，而对螺柱焊的选材而言，关键是如何选择焊接螺柱及陶瓷套。
结构设计影响：螺柱焊时，结构设计主要是考虑如何防止磁偏吹。焊接过程中，电弧作为一种柔性导体，有沿电流轴向保持挺度的能力，但当电流的磁场在电弧周围分布不均时，电弧侧会发生侧偏现象，这一现象称为磁偏吹。结构设计的不对称性是引起电流磁场分布不均的常见现象，螺柱焊时设计结构的不对称性也会引起磁偏吹，进而导致螺柱偏焊。
3.3 螺柱焊的焊接质量检验
按照ISO1455标准，在螺柱焊接完成后要对其进行相应的焊接检验，用于验证螺柱的焊接质量，对于短周期拉弧螺柱焊（d≤12mm）一般进行目测检测、60°弯曲实验、宏观金相实验、扭矩实验等一系列实验，用以验证螺柱焊接后的质量。
通过螺柱焊后的扭矩实验见图2，螺柱本身根部发生断裂，螺柱断裂后所得到的力矩应大于设计力矩值，视为合格。
60°弯曲实验见图3，采用锤击或冲击的方法对螺柱施加外力，使螺柱与工件成30°锐角，并不发生断裂或母材撕裂。视为合格。
图2 扭矩实验
图3 60°弯曲实验
宏观金相实验见图4，螺柱与工件融合线圆滑过渡，无气孔、未焊透、未熔合等缺陷。
图4 宏观金相
3.4 螺柱焊焊接缺陷的控制
3.4.1 常见螺柱焊缺陷及校正方法
在螺柱焊焊接的过程中，瓷环烘干温度、瓷环材质、螺柱材质、母材含碳量、焊接位置、工件表面除锈以及镀层等都会很大程度影响焊接质量，而焊接规范设置不合理也容易而引起焊接缺陷，如焊缝尺寸不足等。常见螺柱焊的缺陷及校正方法具体见表1。
表1 常见螺柱焊的缺陷及校正方法
3.4.2 磁偏吹现象
彻底消除螺柱焊时的“磁偏吹”现象几乎是不可能的，只能从以下几种方法中选择一两种方法来降低其影响：1）在电弧偏吹背向端接入地线。2）尽量采用对称结构，无法避免时考虑加入“引铁”。3）焊接工装尽量采用非磁性材料。4）控制焊枪电缆，避免影响电弧。5）避免焊接部位两面分布异种金属材料。
3.5 螺柱焊质量的控制
3.5.1 焊缝加强高
螺柱焊结构焊缝加强高尺寸要予以考虑。从陶瓷环内腔，焊接时的能量和浸入母材的深度可以求出。要注意的是螺柱焊的焊缝加强高永远小于陶瓷环内径的数值，因为要去除陶瓷环在电弧作用下生成的珐琅。
3.5.2 焊接时的定位
根据冲中心孔打标记定位或采用精确定位型板。
3.5.3 螺柱的长度
螺柱从焊枪伸出在工件上的长度是螺柱熔化和浸入工件后的长度。螺柱通常是根据“螺柱焊接长度”订货，与制造厂签署附加验收条件。
3.5.4 内应力
具有高电流强度的电弧和短的焊接时间熔化螺柱和工件；在熔化区迅速冷却而在此时螺柱和工件围绕制冷的钢板共同牵引。工件阻止径向收缩，这样在直线上就产生高的牵引应力处于极限状态。
3.5.5 偏转力
在钢板上焊接螺柱时，经过施加标准应力（拉、压、弯曲）产生偏转力。在螺柱上和钢板平面上形成偏转力线，这个偏转力线的出现，不经过空腔切口而是以螺柱焊缝加强高横截面发生突然变化。
偏转力对焊缝的形状系数是不利的，会发生缺口效应。在螺柱和钢钣连接处引起独特的应力。而焊接区的高硬度也会很快地阻止变形。所以在完好的焊接情况下，对螺柱施加拉力时；会在焊接位置以外发生裂痕。而且在做弯曲检验时，在螺柱焊接区卸载和容许钢板平面弯曲。
3.5.6 膨胀度
焊接带螺纹螺柱构件时，由于应当有很强的夹紧力，会使螺柱处于拉应力应变之中。这样螺柱在现有的焊接位置和螺母之间有微小的膨胀度。在构件上的螺柱和螺母的螺纹孔表配在一起时，要用钣牙修整螺柱的螺纹。
3.5.7 拉弧焊不同操作位置的极限直径
拉弧焊最好用陶瓷环保护进行焊接，以保证焊接熔池有良好的形状。拉弧焊不同焊接位置的极限直径见表2。
表2 焊接位置与极限直径对照
3.5.8 表面涂层
螺柱焊时的工件表面应露出金属光泽，然而在实际生产中的经常在要焊接的工件表面带有涂层。带有镀锌层的母材会使电弧不稳定，所以对镀锌的钢板要特殊对待。对于热镀锌钢板厚度范围一般在15～25μm，为了保证超过m 或更大直径螺柱的焊接质量，在焊接前用切削的方法（用钻头或端铣刀）或用砂轮短时间去掉焊接处镀锌层。
4 结论
针对螺柱焊存在的各种质量问题，我们可以采取选择适宜的焊机及螺柱、优化设计结构、采用合理的工艺参数、做好焊前的母材的预处理、制作辅助定位装置等方法来提高焊接质量。通过在不锈钢城铁车体钢结构及碳钢底架上使用证明，螺柱焊技术成熟，焊接质量稳定，可以在轨道车辆车体钢结构生产时推广使用螺柱焊。
参考文献
[1]龚胜峰.螺柱焊接技术及工艺[J].电焊机，2006（1）：11-14.
[2]耿雪霏.汽车车体部件的螺柱焊工艺[J].焊接，2004（11）：42-43.
[3]尚建新.螺柱焊施工工艺分析[J].太原科技，2007（11）：78-79.