一、引言

焊接螺柱（Welding Stud），又称种焊螺柱、栓钉或剪力钉，是一种专为焊接工艺设计的特殊紧固件。它将螺柱的一端通过焊接方式直接固定在金属基材（如钢板、型钢）表面，另一端则保留标准螺纹或特定形状，用于连接其他部件或实现结构锚固。焊接螺柱作为现代制造业中不可或缺的连接元件，凭借其安装便捷、连接可靠、无需钻孔等显著优势，在建筑钢结构、汽车制造、船舶修造、电力设备及机械制造等领域得到了广泛应用。

根据焊接工艺的不同，焊接螺柱可分为电弧螺柱焊（拉弧式）用螺柱和储能式螺柱焊用螺柱两大类，每类产品在结构设计、材质要求、焊接参数及应用场景上均有显著差异。本文将从分类体系、技术特点、工艺参数及实际应用等维度，对焊接螺柱进行系统性阐述。

二、焊接螺柱的分类体系

2.1 按焊接工艺分类

2.1.1 拉弧式螺柱焊用螺柱

拉弧式螺柱焊（又称电弧螺柱焊）是目前应用最广泛的螺柱焊接方法。其工作原理是：螺柱端面与工件表面接触后通电，焊枪提升机构将螺柱提起产生电弧，电弧热使螺柱端部和工件表面熔化形成熔池，随后弹簧加压将螺柱压入熔池，冷却后形成牢固接头。拉弧式螺柱焊用螺柱具有以下分类：

（1）按螺纹形式分类

• 全螺纹螺柱（FD型）：螺柱全长均加工有螺纹，适用于需要在整个长度上进行螺纹连接的场景。
• 部分螺纹螺柱（PD型）：仅在螺柱上部加工螺纹，下部为光杆，用于焊接端与螺纹端的过渡。
• 近全螺纹螺柱（MD型）：螺纹延伸至接近焊接端，保留较短的无螺纹段。
• 带缩杆的螺纹螺柱（RD型）：螺纹段直径小于焊接端，适用于空间受限的安装场合。
• 无螺纹螺柱（UD型）：整个螺柱无螺纹，通常用于抗剪连接或锚固。
• 内螺纹螺柱（ID型）：螺柱内部加工有内螺纹，用于与外部螺栓配合。

（2）按焊钉头部形状分类
根据《GB/T 10433-2002》标准，圆柱头焊钉（俗称栓钉、剪力钉）是电弧螺柱焊中用量最大的品种，其头部为标准圆柱形，直径范围为6-16mm，头部高度约为直径的1.5-2倍，这种设计可保障焊接热量传递均匀，适用于钢结构工程中的抗剪连接和锚固。

2.1.2 储能式螺柱焊用螺柱

储能式螺柱焊（又称电容放电螺柱焊）采用大容量电容储存能量，通过可控硅控制瞬间放电（1-3ms）产生电弧，将螺柱尖端迅速熔化后完成焊接。该类螺柱具有以下特征：

• 螺纹螺柱（PT型）：用于储能焊的带螺纹螺柱，焊接端需设计有引弧尖梢或小凸台。
• 无螺纹螺柱（UT型）：焊接端带引弧结构的光杆螺柱。
• 内螺纹螺柱（IT型）：内部加工螺纹的储能焊专用螺柱。

储能式螺柱焊用螺柱的突出特点是焊接时间极短、热输入量小、熔池浅（通常小于0.2mm），因此特别适合薄板焊接，且焊接后板材背面无印痕。

2.2 按材质分类

2.2.1 碳钢焊接螺柱

碳钢焊接螺柱是最常用的类型，其材质应满足含碳量限制要求：螺柱含碳量w(C)≤0.18%，母材含碳量w(C)≤0.20%。力学性能通常按4.8级、8.8级、10.9级划分，其中4.8级抗拉强度约400MPa，8.8级约800MPa，10.9级可达1000MPa以上。M20规格的8.8级焊接螺柱抗拉极限为251200N，屈服强度为200960N。

2.2.2 不锈钢焊接螺柱

不锈钢焊接螺柱主要采用奥氏体不锈钢（如A2-50、A2-70、A4-70等），具有优异的耐腐蚀性能，适用于潮湿、酸碱等恶劣环境。焊接时通常需要配合惰性气体保护，可采用82%Ar+18%CO₂混合气体。

2.2.3 铝合金焊接螺柱

铝合金焊接螺柱材质包括纯铝和防锈铝（5xxx系、6xxx系），焊接时需采用直流反接极性。铝螺柱焊接的难点在于其高导热性和易氧化特性，通常需要预留间隙式电容放电或气体保护拉弧焊方法。

2.3 按应用功能分类

2.3.1 抗剪螺柱（SD型）

抗剪螺柱又称圆柱头焊钉或栓钉，主要用于钢-混凝土组合结构中的抗剪连接。其头部直径较大，焊接端通常带有铝引弧结，执行标准为GB/T 10433。这类螺柱在焊接后可承受规定的拉力和弯曲载荷，确保结构整体性。

2.3.2 普通紧固螺柱

用于固定管路线束、内饰件、隔热垫等附件的焊接螺柱，通常直径较小（M4-M12），对焊接强度要求适中，但需保证位置精度和垂直度。

三、焊接螺柱的关键技术参数

3.1 焊接电流与时间

焊接电流与焊接时间是决定焊接质量的核心参数。对于拉弧式螺柱焊，经验公式如下：

• 焊接电流：当螺柱直径d≤16mm时，I=80×d（A）；当d>16mm时，I=90×d（A）。对于合金钢，电流取值减少10%。
• 焊接时间：当d≤12mm时，t_w=0.02×d（s）；当d>12mm时，t_w=0.04×d（s）。

例如，M10（直径10mm）螺柱的典型焊接电流为800A，焊接时间约200ms。实际生产中，短周期拉弧焊的焊接时间通常小于100ms，其电流公式为I=100×d（A）。

3.2 提升高度与伸出长度

• 提升高度：与螺柱直径成正比，一般为1.5-7mm。提升高度过大会导致电弧不稳定和磁偏吹，过小则容易短路断弧。
• 伸出长度：一般为1-8mm，与螺柱直径成正比。伸出长度决定了螺柱熔化量，过大时金属飞溅增多，过小时焊缝成形不良。

3.3 焊接极性

焊接黑色金属时应采用直流正接（螺柱接负极，工件接正极）；焊接铜、铝及其合金时应采用直流反接（螺柱接正极，工件接负极），以利用正离子轰击作用清除氧化膜。

四、焊接螺柱的典型应用领域

4.1 钢结构工程

焊接螺柱在建筑钢结构中的应用最为广泛，主要用于：

• 组合楼板抗剪连接：在钢梁上焊接圆柱头焊钉，与混凝土楼板形成组合结构，承受水平剪切力，防止垂直剥离。
• 柱脚锚固：将焊钉焊接于钢柱底板，增强与基础的连接。
• 预埋件固定：在钢结构表面焊接螺柱，用于后续设备的安装固定。

高层钢结构建筑、工业厂房、公路铁路桥梁、大型场馆等均大量应用焊接螺柱技术。

4.2 汽车制造

在汽车白车身制造中，螺柱焊逐步取代传统的自攻丝、铆接及凸焊等连接方式。汽车用焊接螺柱主要用于：

• 管线固定：固定制动油管、燃油管、线束等。
• 内饰件安装：固定地毯、隔热垫、内饰板等。
• 电气元件固定：焊接接地螺柱等。

汽车车身冲压件厚度通常为0.6-3mm，以M5、M6、M8规格为主，短周期拉弧式螺柱焊因其易于实现自动化、可焊镀锌板等特点成为应用最广的工艺。

4.3 船舶制造

船舶电气支件的焊接采用专用电弧螺柱焊后，焊接效率较传统焊条电弧焊提升近10倍。螺柱焊接头的热影响区仅为焊条电弧焊的1/5，且能有效控制焊接质量、降低成本和减少对预涂装的破坏。

4.4 电力设备

在开关柜、配电箱、控制柜等电力设备制造中，焊接螺柱用于固定母线、绝缘子、接地线等。储能式螺柱焊因其焊接背面无痕、变形小等特点在薄板柜体中得到广泛应用。

4.5 其他应用

焊接螺柱还广泛应用于电梯制造（导轨固定）、家用电器（壳体紧固）、通讯工程（机柜组装）、机械设备（部件连接）等领域。

焊接螺柱作为一种高效、可靠、经济的连接件，已发展成为现代制造业不可或缺的基础元件。根据焊接工艺的不同，焊接螺柱可分为拉弧式和储能式两大类，每类又有多种细分型号以适应不同的工况需求。在选型时，需综合考虑螺柱材质、规格、强度等级、焊接工艺参数及母材条件等因素。随着自动化焊接技术和智能制造的发展，焊接螺柱的应用范围还将持续拓展，其质量要求和标准化程度也将进一步提升。相关技术人员应深入理解焊接螺柱的分类体系和技术特点，严格按照国家标准和焊接工艺规范操作，以保障工程结构的安全可靠。