螺柱焊接是在金属或类似金属零件的端面与另一金属工件表面之间产生电弧，当接头表面熔化时迅速施加压力完成焊接的焊接方法。
螺柱焊接方法起源于1918年，由于这种新的焊接技术具有快速可靠、简化工序、降低成本等一系列优点，受到了世界各国的普遍重视，经过不断的改进和完善，得到了迅速的发展，特别是第二次世界大战后，螺柱焊接技术得到了广泛的应用，现已广泛应用于桥梁、公路、房屋建筑、造船、汽车、电站、电控柜等行业。它可以焊接低碳钢、不锈钢、低合金钢、铜、铝及其合金等材质的螺柱、焊钉、销钉、螺栓等。据报道1)，日本园头焊钉(螺栓)年焊接量为6000万支，异形棒焊钉年焊接量为300万支，可见螺柱焊接在日本钢结构建筑中的应用规模。近年来，我国经济建设发展迅速，螺柱焊接应用的领域也越来越广泛。 因此对螺柱焊接技术和焊接工艺进行深入的研究，对提高焊接质量和推广这种焊接技术十分必要。现今，螺柱焊接技术在西方发达国家已成为一种基本的热加工方法，大约80%的螺柱（焊钉）的焊接都是由螺柱焊机完成的，1986年我国在成都试制成功第一台螺柱焊机。至于螺柱焊技术的应用，直到20世纪90年代才逐渐开展起来，至今也不过二十年的历史。所以说螺柱焊接在我国还是一个新兴的行业，无论是焊接设备还是焊接技术，与国外都存在很大的差距。分析这种差距，逐步缩小直至赶上世界水平，是我国螺柱焊接行业的神圣使命。
1、螺柱焊机的分类
螺柱焊机分为电弧螺柱焊机和电容放电螺柱焊机两大类，前者采用弧焊整流器作为电源进行焊接，后者利用电容储存的能量瞬间放电进行焊接，两种焊接方式的特点及用途见表d mm 焊接电流 25 300～ 1/4d 但不小于 16 300～ 1/8d 但不小于 12 ≤1500 无保护或气体保护 0.6mm
电弧电容放电螺柱焊<10≤3000（峰值）无保护0.5mm
注：最小板厚是指避免烧穿的厚度。
1.1 电弧螺柱焊机
电弧螺柱焊机由焊接电源、控制器、焊枪、地线夹、焊接电缆等部分组成。但大多数焊接设备的焊接电源是与控制器集成在一起的，称之为主机。较先进的控制方式是采用微处理器，在焊接过程中对焊接电流、焊接时间等参数进行精确设定和及时控制。焊接电源一般采用晶闸管控制或逆变弧焊整流器。逆变弧焊整流器体积小、重量轻、动态特性好，无疑是焊机的首选，但受到大功率器件的限制，因此，目前的大容量焊机仍以晶闸管控制弧焊整流器为主。但无论焊接电源结构如何钢结构螺柱栓钉焊机，其安全要求应满足50A)和较高的空载电压(100V)。才能保证100V。这样才能满足提升高度的需要。
c.应有较高的负载电压。根据弧焊电源降压特性定义，当焊接电流为44V时，施工现场使用的焊机焊接电缆较长，有的已达ISO14555所规定的焊接电缆截面积，这种情况会比较严重，甚至无法焊接。这也是不同厂家制造的同一电流等级的焊机，其焊接螺柱最大直径相差较大的主要原因之一。
d.焊接电流要有陡峭的上升锋面。螺柱焊的最大特点是瞬间大电流，因此要求焊接电源“溅射γ=H级耐热，而GB11021规定：B级耐热的最高温度比B级允许的温度高出约0.006Ω，37.5kw，再加上主变压器一次侧增加的功耗，是相当可观的。焊接电源主回路功耗的增加，必然会降低输出焊接功率，降低焊接能力，这就是体积和重量减小所付出的代价。也就是说，焊接同样直径的螺柱，B级绝缘的焊机要达到同样的效果，需要更大的功率，效率明显降低。国产B级绝缘，能焊接H级绝缘的电弧螺柱焊机是无法达到的。
f.电源柜（箱）应有足够的容量。电弧螺柱焊机的负载持续率很低，一般在300kw以下，这就要求电源柜（箱）要有足够的容量才能满足螺柱焊接的要求。如果电源的容量较小，在焊接过程中，电源电压会降至其额定值的860倍。3~1.引弧尖端电容放电螺柱焊的特点是在被焊螺柱端面上有一个引弧尖端，分为接触式和间隙式。接触式螺柱焊的焊接时间为1ms。采用间隙电容放电螺柱焊，即使焊接铝及其合金时也不需要气体保护。电容放电螺柱焊的焊接时间不可调。
电容放电螺柱焊的焊接能量取决于电容器的电容量和充电电压，可按下式计算：
W=CU2（J；
C——电容器组总电容，F；
U—充电电压，
电容放电螺柱焊机应配备有限流保护装置或恒流充电装置和自动放电装置，以保护人员和设备的安全。
电容放电螺柱焊焊接电流峰值在10000A左右，取决于电容的电容量、充电电压及焊接回路的电感、电阻。从安全角度考虑，充电电压一般不超过“直流正接”直流反接300~d，焊接电流可由下列公式估算I (=80×d (d≤16mm (=90×d (d＞3)
对于合金钢，焊接电流比计算值约小600~20~tw（=0.02×d（d≤12mm（=0.04×d（d＞5））
对于水平焊（工件焊接平面垂直于地平面）应减少焊接时间，短周期焊接时间小于1.5~1~d≤14mm时，约为d＞100mm/s。焊枪一般配有可调阻尼装置，即可满足上述要求。焊接螺柱时，熔化的金属量与螺柱的伸出长度和直径成正比。因此，在焊接大直径螺柱时，由于熔化的金属量很大，应降低螺柱的插入速度，以减少这种飞溅。
焊接电流、焊接时间、提升高度和伸出长度是电弧螺柱焊的四个主要焊接工艺参数，应根据螺柱直径、工件材质等进行设定。对于同一螺柱直径的焊接，采用不同厂家生产的焊接设备，其焊接工艺参数是不同的。因此，应进行多次试焊，对焊缝的外观形状、焊后螺柱的高度、力学性能（拉伸、锤击、弯曲、扭转等）进行评估，选择一组最优工艺参数进行焊接。
3、电弧磁偏吹由于钢结构不对称、地夹固定点不合理等诸多因素，造成螺柱焊接附近磁场分布不均匀，使电弧周围电磁力不平衡，从而引起电弧磁偏吹，造成螺柱周围焊缝不对称。这种情况在焊接大直径螺柱或焊透焊缝时，由于起升高度较大，更容易发生。如果焊缝周围焊缝不均匀，或一侧无焊肉，或焊缝一侧有大量气孔，应怀疑是磁偏吹引起的。解决方法为：1a1。b.设法改变地夹位置，如图1c1所示。图--“钢”建筑在混凝土组合楼板结构中的应用越来越广泛。 所谓螺柱穿透焊，就是将螺柱（焊钉）通过“贯穿”焊接到工件（钢梁）上，并熔入镀锌板中。螺柱是如何穿过镀锌板的呢？有两种方法： ①先在镀锌板焊接部位打（冲）孔，再将螺柱焊接到工件上。此方法的优点是焊接质量容易保证，缺点是费工费时。国外较多采用此方法。
②用电弧烧穿镀锌板，再将螺柱焊接到工件上。此方法的优点是镀锌板打孔、螺柱焊接一次性完成，简单省时，但有一系列技术问题亟待解决，否则焊接质量难以保证。这些技术问题是：1mm，但这个要求在施工时很难保证。大的间隙当然可以用机械夹紧来减小，但不容易实施。成都明星焊接工程部根据多年的施工经验和上述原理制定了焊接工艺，有效地解决了这一问题。 它已成功应用于近φ19×150(mm螺柱（图4000℃）的熔透焊接，这使镀锌板上面的锌迅速气化、氧化，导致焊缝中产生大量气孔；焊缝中锌产生的低熔点共晶会形成热裂纹。这些缺陷严重影响焊接质量。虽然这些有害物质在焊接结束时会借助螺柱的挤压作用排出，但要完全排出绝非易事。建议在螺柱熔透焊接时，适当提高螺柱的插入速度，甚至不用焊枪的阻尼装置（视具体情况而定），这样对消除这些有害物质，提高焊缝质量非常有效。
D.针对上述情况，当螺柱被穿透时，应增加壁厚和设置排气孔，以防止因热冲击而导致断裂和排气不畅。
e.螺柱熔透焊接的质量不仅与焊接工艺参数的合理设置和正确的操作有关，还与组合楼板的施工质量有很大的关系，如前文提到的镀锌板与钢梁之间的间隙，两者之间是否有夹渣，钢梁上的涂层等。钢梁上的涂层是防腐所必需的，但对于熔透焊接，尽量使用碳氮化铅防腐涂层，避免使用红丹防腐涂层和红丹锌黄涂层，焊接部位的涂层不宜过厚。如果忽视螺柱焊接的这些特殊要求，强行让焊工到现场解决这些问题，保证焊接质量是极不现实的。唯一的解决办法是将螺柱焊接的这些特殊要求纳入组合楼板的设计和施工中。螺柱熔透焊接是一个系统工程，只有设计、施工、焊接等各方面的共同努力，才能获得符合要求的高质量焊接接头。
5、我国螺柱焊机技术现状分析据不完全统计，我国螺柱焊机生产厂家不多，但能生产系列产品的只有一家。电容放电式螺柱焊机有1250、2500、φ3~RSN1-630、1600、3150，可焊接30mm螺柱（焊钉）。这些焊接设备基本能满足手工螺柱焊的市场需求。我国生产的电容放电式螺柱焊机的技术性能、可靠性可与进口产品相媲美，有些指标甚至优于进口产品，如电容充电时间已达4s。因此，部分用户已由购买进口产品转而使用国产焊机。但总体来看，我国螺柱焊技术与国外相比还存在很大的差距。
5.1国产电弧螺柱焊机额定最大焊接电流达到φ30mm螺柱，居世界第一。与进口产品相比，该类型焊机焊接电源采用晶闸管控制，焊接电流可连续调节。从调节和稳流性能、可靠性看，差别不大。国内另有两家公司采用电阻降压方式，分阶段调节焊接电流，属于落后产品。在控制方面，进口产品全部采用微机控制，而国产产品处于研发阶段，尚未正式上市。至于焊枪，进口产品的寿命较长，并配有减震装置。另外，进口产品全部采用3倍。
5.2自动螺柱焊设备主要应用于汽车工业。汽车上螺柱焊接有以下要求：b.必须能在1mm厚的镀锌（25μm）钢板上可靠焊接；d.主机应具有多个输出接口，以便能配上送料机和焊枪，实现不同直径螺柱在不同工位的焊接。短周期电弧螺柱焊和拉弧电容放电螺柱焊均能满足上述要求，因此在汽车工业中得到广泛的应用。前者的螺柱焊强度高于后者。在国内，目前大多数自动螺柱焊设备处于开发阶段，成功应用于汽车焊接生产线的设备并不多，因此国内自动螺柱焊设备市场基本被进口产品垄断。
5.3我国螺柱焊接技术与国外的差距还体现在焊接工艺的研究上。目前最急需开展的是“工艺研究”。这些焊接工艺不仅关系到螺柱焊接合格率，还涉及螺柱焊接能否在更大范围内推广应用。成都明星焊接研究所对螺柱熔深焊接做了一些研究，正在开展螺柱横焊的研究。一般认为，能进行横焊和仰焊的螺柱直径应为φ≥19mm。因此，大直径螺柱横焊工艺研究具有重要的现实意义。
5.4为在我国推广螺柱焊接技术，除焊接设备和焊接工艺外，还应制定相应的标准和配套螺柱、焊钉、陶瓷环的生产。目前最迫切的是将ISO14555转化为中国标准，尽快制定“标准”，统一螺柱焊接工艺、质量检验、工程验收。
6 螺柱焊技术的发展趋势 螺柱焊技术未来的发展趋势主要是扩大应用范围、提高螺柱焊的自动化水平和更新焊接设备。其中硬件的发展是关键，即把可控硅控制的焊接电源升级为逆变焊接电源。目前逆变所用的开关元件为快速可控硅、kHZ，但输出功率大；后者频率较高，十几个IGBT应是发展方向。目前使用的逆变螺柱焊电源输出电流约为φ12mm螺柱，主要用于汽车工业。
至于焊枪的发展方向则是电子控制。目前国内外大多数焊枪都是通过弹簧的伸缩来控制螺柱的升降，其可控性相当有限。如果采用步进电机或伺服电机控制，则可以按照工艺要求精确控制螺柱的运动，更好地保证焊接质量。特别是桥梁维修所需的大直径、超长异形杆状焊钉的平焊、横焊、仰焊，必须使用这种先进的焊枪。事实上，一些国家已经成功研制出这种焊枪，并已应用于焊接工程。
采用微机控制的逆变螺柱焊机，不仅能精确设定、记录、储存焊接参数，而且在焊接过程中还能及时检测、显示并自动调整焊接参数，以极好的重现性保证焊接质量。相信几年后，这台2500A焊接设备的重量会从现在的几百公斤大大减轻钢结构螺柱栓钉焊机，焊机的移动也会更加方便。
