埋弧螺柱焊--鳥巢預埋件的焊接新工藝
- 2017-02-06 09:37:00
- sawchina 原創
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一、埋弧螺柱焊的特點
埋弧螺柱焊是電弧螺柱焊中的一員，就是將焊劑埋弧與螺柱焊的自動焊接程序有機地結合在一起。該焊接方法秉承螺柱焊的自動焊接程序：按動開關→引弧→提升→引燃主弧→焊接時間到→鋼筋插入熔池→斷弧→結束，并利用焊劑把明弧變為埋弧，使之具有埋弧焊的優點。
(1)對熔池和焊縫進行有效的保護，防止氧化、氮化和合金元素的蒸發和燒損，大大提高了焊縫的質量。
(2)金屬熔液與焊渣之間發生一系列的物化反應，不僅能去除焊縫中的有害雜質，如脫氧、脫硫、脫磷和去氫等，而且還可以使焊縫金屬合金化，改善焊縫性能。
(3)焊接電流大(直流1000～3500A)，電弧的穿透能力強，焊接時間短(幾秒鐘)，因此熔深大，熱影響區小，焊接接頭的力學性能提高。
(4)焊接結束時，將鋼筋插入熔池，以獲得高強度的焊接接頭。
總之，采用埋弧螺柱焊焊接的接頭，其外觀顯著的特點是高高隆起的光亮的焊縫，高度一般超過6mm。埋弧螺柱焊是鋼筋“T形焊”的一種焊接新工藝，具有埋弧、操作舒適和效率高的特點，其焊縫的力學性能高于母材，完全能替代焊條電弧焊和穿孔塞焊。與焊接電流僅400～650A(交流)的埋弧壓力焊相比，焊接電流大、焊接時間短、焊接過程全自動、焊接質量穩定及焊接強度高是其突出優點。
二、焊接新工藝的命名
將鋼筋“T形焊”的焊接新工藝命名為“埋弧螺柱焊”，是基于以下原因：
(1)“GB/T 10249電焊機的型號編制方法”對螺柱焊的產品型號做了明確的規定。其中，產品型號中第三位“附注特征”是這樣敘述的：M-埋弧，N-明弧，R-電容。也就是說，電弧螺柱焊機、埋弧螺柱焊機和電容放電螺柱焊機是螺柱焊機中的3個系列產品，因此將埋弧螺柱焊歸入螺柱焊大類是符合國家標準規定的。
(2)“ISO 14555焊接—金屬材料的電弧螺柱焊”國際標準，對焊接過程中螺柱插入熔池的程序是這樣描述的：“用一個有限的力(＜100N)將螺柱插入(plunged)熔池”，而且插入的速度還有嚴格的限制。事實上，將螺柱插入熔池的力除了螺柱和焊槍中運動部件的自重外，就是壓縮彈簧恢復到原狀態的推力(＜10N)。在埋弧螺柱焊中，此程序對鋼筋施加的力同樣如此，只是鋼筋的自重大些。這說明，使鋼筋進入熔池的推力仍然很小。實際上對鋼筋施加的力還不能太大，否則將產生焊接缺陷。
(3)從焊接機理分析，埋弧焊和螺柱焊均屬于熔化極類電弧焊，其焊縫成形不用施加壓力，即使用力也很小，如本焊接工藝，與建筑工程中常用的電阻點焊、閃光對焊等焊接過程中施加的力有幾個數量級的差別，焊接機理也完全不同。對于“埋弧壓力焊”的叫法，在焊接工藝上未反映出“壓力”的含義，名不符實。
三、主要特點
埋弧螺柱焊機RSN(M)5—2500/3150是RSM3—2500/3150焊機的更新換代產品，是集埋弧螺柱焊、栓釘焊和焊條電弧焊于一體的多功能焊機。只要更換不同的施焊器具(手持式焊槍、焊槍和電焊鉗)，再將主機面板上的轉換開關撥至相應的位置，就是一臺性能優良的埋弧螺柱焊機、栓釘焊機或焊條電弧焊機。焊機由主機(包括焊接電源和控制器)、焊接電纜、接地鉗和施焊器具等部分組成，其主要的技術指標見表1。
1.采用全控橋整流，以減小焊機體積和重量
我所原來生產的栓釘焊機，其體積重量均大于國外同類產品，究其原因主要是焊接電源的主電路采用“帶平衡電抗器的雙反星形”電路結構。在20世紀60～70年代，晶閘管屬于新產品，額定電流較小，在研發“弧焊整流器”時就采用了這種電路，一直沿用至今。根據目前晶閘管的技術水平，完全有條件將這種主電路改為全控橋整流，不但省去了平衡電抗器，減輕重量約40～60kg，而且變壓器的利用系數也由80％提高到95％，同時還采用高性能硅鋼片；變壓器的安裝方式也由立式改為臥式，使焊機的體積和重量大幅度降低，重量由500多kg分別降到330kg和350kg，而體積也縮小到了980mm×540mm×600mm，優于德目Koco同類栓釘焊機。該種體積小、重量輕的新型焊機，特別適合于頻繁移動的鋼結構建筑的使用現場。
2.采用單片機提高控制水平
采用單片機控制已成為評定栓釘(埋弧螺柱焊)焊機技術水平的重要指標。RSN(M)5—2500/3150焊機，采用高性能的8位單片機(PIC16F877A)控制焊接電源和焊接程序，并選用大屏幕液晶顯示器，簡化了線路，提高了運行的可靠性和焊接質量的穩定性。
由于焊機采用了單片機控制技術，就可以用硬件與軟件相結合的雙負反饋方式進行焊接電流的調節，使之能更有效地穩定和補償因電網電壓的波動對焊按電流的影響。對焊機啟動時造成電網電壓火幅度降低時的補償尤其重要，從而保證焊接質量的穩定性。
單片機控制和液晶顯示、儲存焊接參數以及焊接栓釘(鋼筋)計數、防止同一栓釘(鋼筋)的重復焊接以及焊機故障自檢等功能，方便了焊工操作，有利于焊接質量的控制，并使栓釘(鋼筋)的焊接質量具有可追溯性，符合ISO9000系列標準的要求。
這些新功能的增加，其優點不言而喻，使焊機的技術水平由低檔產品一躍成為高端產品，可與進口產品媲美。更值得一提的是：防止同一栓釘(鋼筋)重復焊接的功能，可確保焊工的人身安全。因為拴釘(鋼筋)焊接后，在拔起焊槍的過程中，若偶然觸及焊接開關，就相當于第二次焊接，焊機的次級處于短路狀態，短路電流(可達：3000～4000A)產生的強烈電弧將燒毀夾頭和焊槍，嚴重時可燒傷焊工，甚至引發連帶的其他工傷，危及生命。焊機有了這一功能，就可以避免這些事故的發生。焊機的另一功能是焊接栓釘(鋼筋)的自動計數和顯示，而且只記錄在工件上進行的栓釘(鋼筋)焊接。對于栓釘(鋼筋)正式焊接前，檢驗控制程序的焊接過程則排除在外。因此，不僅記錄準確，而且極大地提高效率，節約人力，這對加強管理、推行工時定額制度具有重要意義。
3.具有降溫裝置和油阻尼裝置的焊槍
焊槍雖然只是夾持栓釘(鋼筋)，并把栓釘(鋼筋)送入熔池的手持工具，但其技術性能的好壞在很大程度上決定著栓釘(鋼筋)的焊接質量和焊工操作的舒適性。因此，我們通過不懈的努力，研制出了性能優良的8型焊槍(見圖2)。該焊槍具有兩大特點：
(2)油阻尼裝置 栓釘插入熔池是采用擠壓的方式，所以不可避免地會發生飛濺。栓釘直徑越粗，其熔池越大，飛濺也就越歷害，極易發生燙傷和火災。因此焊槍必須有阻尼裝置，以降低栓釘的插入速度。當栓釘直徑大干14mm時，其插入速度應限制在100mm/s。我所研制的具有油阻尼裝置的焊槍，有效地降低了焊接時的飛濺，效果很好。
由于8型焊槍具有以上特點，其焊接質量和操作舒適度已達到進口焊槍的水平。
四、采用埋弧螺柱焊焊接新工藝進行鋼筋“T形焊”
1. 預埋件的結構形式和技術要求
（1）預埋件的結構形式 國家體育場（鳥巢）某部工程需要焊接1.5萬件“柱腳極和支撐搭架”預埋件，其結構形式分兩類，如圖3a和圖3b所示。其中，錨筋和錨板的尺寸和材質如下。
圖3 鋼筋T形焊的預埋件結構形式
錨筋：φ20mm，HRB400。
內錨板：20mm×80mm×80mm，Q345B。
外錨板：30mm×500mm×500mm，30mm×540mm×860mm，Q345B
對于圖3b所示結構，將錨筋按規定的間隔直接焊接在30mm×500mm×500mm的外錨板上。②預埋件的所有“T形焊”均應在熔劑層下進行。③焊縫的力學性能應不小于母材。④焊后錨筋的傾斜度應小于1°。⑤焊前應進行質量評定，并有權威機構出具的檢驗報告。焊后應對焊點逐個進行驗收。
2. 鋼筋“T形焊”應解決的幾個問題
（1）特制一把提升力大的焊槍 對于圖3a所示結構的預埋件，在焊好內錨板后，其鋼筋組件的重量約為2.6kg，再加上焊槍中運動部件的重量將超過3kg，這對于一般用途的焊槍而言，很難持續的正常工作。為此，特制一把提升力為5kg，并適用于夾持、焊接這種工件的焊槍，為完成焊接任務創造條件。
（2） 尋求一組最佳的焊接參數 采用埋弧螺柱焊焊接的接頭，其力學性能只有超過母材，才能顯示焊接新工藝的優越性，才有推廣價值。為此，必須保證焊縫360°連續，并無氣孔、夾渣和裂縫。對預埋件焊接工藝的研究、試驗都是圍繞這一核心問題進行的。當然，性能優越的焊接設備及其合適的靜外特性是實現此目標的前提條件。焊接試驗時，可調節的焊接參數主要有：焊接電流、焊接時間、伸出長度、提升高度以及鋼筋插入熔池的推力和速度等。只有掌握這些參數的內在聯系，并找出最佳組合，才能得到優良的焊接接頭。
（3）預防和糾正兩類焊接缺陷 在試焊中，首先遇到的問題是焊縫金屬與鋼筋表面沒有完全熔合，部分地方有縫隙，甚至溝槽，而且這些部位還很容易出現夾渣。通過分析，認為是由以下診-因引起的：①焊接電流小或焊接時間短，輸入的能量不足，熔池較小，焊縫附近的鋼筋表面溫度低，不能與金屬熔液有效地熔合在一起，因而出現縫隙。②焊接結束時，鋼筋插入熔池的推力過大，造成鋼筋插入熔池過深，以至于擠出的金屬熔液與溫度較低的鋼筋表面不能熔合，極易產生溝槽。
解決的辦法：增加焊接電流、焊接時間，或減小鋼筋插入熔池的推力，必要時使用阻尼裝置，限制鋼筋的插入深度。
試焊中綷-常出現的另一個問題是偏弧，造成焊縫四周分布不均勻，焊縫與鋼筋之間出現縫隙或者溝槽，嚴重時還造成焊縫的不連續，出現咬肉。解決的辦法是變更接地點的位置，使用雙接地，或在焊接工件周圍將焊接電纜繞1圈，以均衡焊接位置附近的磁場。
3. 鋼筋“T形焊”的模擬工藝試驗
2005年4月，成都斯達特焊接工程部承接了圖2所示預埋件的焊接任務后，按照工件的結構和材質，使用新研制的埋弧螺柱焊機進行了模擬工藝試驗，在總結綷-驗的基礎上確定了焊接參數，試驗結果如表2所示。試驗條件如下：
使用焊機：RSM3—2500
錨筋：φ20mm，HRB400
鋼板：12mm， Q345B
焊劑：HJ431
從表2的試驗數據可以歸納幾點看法：
（1）就φ20mm鋼筋而言，按上述工藝參數進行焊接，其試件的焊縫360°范圍內均連續，焊縫高度平均7.5mm，焊縫寬度平均3.7mm，這是其他焊接方法難以達到的。當然，要想獲得更高、更寬的焊縫，還需增加鋼筋的熔化長度。
（2）在焊接電流和焊接時間確定的情況下，伸出長度和提升高度的調節或測量隅有誤差，對焊縫的成形并無太大影響。這說明了埋弧螺柱焊焊接的穩定性，并具有很大的實際意義。因為鋼筋的裝卡是手工操作的，發生一些偏差在所難免。
4. 埋弧螺柱焊的質量檢驗
（a）φ20mm鋼筋焊接試件 （b）φ20mm鋼筋焊接試件繺-斷部位
圖4 鋼筋“T形焊”試件照片
（1）采用埋弧螺柱焊的方法對鋼筋進行的“T形焊”，其焊縫外觀和力學性能均達到了有關標準的規定，完全能夠滿足預埋件對鋼筋焊接的要求。
（2）新研制的RSM3—2500埋弧螺柱焊機的性能穩定，可以應用到鋼筋預埋件的焊接。
5. 焊縫的宏觀金相和金相組織的檢查
埋弧螺柱焊是一種新型的焊接方法，其焊接質量如何？能否滿足鋼結構建筑對預埋件的要求？對于不少人來說，很難肯定的答復，因而限制了其推廣應用。盡管上述焊接質量檢驗結果給出了滿意的答案，但為了慎重起見，又做了宏觀金相和金相組織的檢查。
（1）宏觀金相檢查 焊縫內未發現氣孔、夾渣及裂紋等缺陷。
（2）金相組織的觀察 對焊縫區、鋼筋側熱影響區和鋼板側熱影響區的金相組織進行了觀察。金相組織比較好，能夠滿足預埋件對焊接的要求。
6. 用埋弧螺柱焊進行鋼筋“T形焊”
由于對埋弧螺柱焊的焊接工藝有了比較深入的了解，并對焊接中可能出現的問題有了較好的解決辦法，焊接試件又綷-西南交大對焊縫外觀、力學性能以及宏觀金相和金相組織檢查合格后，我們對完成國家體育場（鳥巢）預埋件的焊接任務充滿了信心，于是奔赴施工現場，開始對預埋件進行實際焊接。首先對φ20mm鋼筋“T形焊”的焊接工藝進行評定，使用RSM3—2500焊機，對表2列出的焊接參數稍作修改，按圖2所示預埋件的要求進行試焊，并將焊接試件送“冶金工業質量監督總站檢測中心”進行宏觀金相和金相組織觀察。綷-專家分析、評定后認為：用埋弧螺柱焊方法進行的鋼筋“T形焊”，其焊縫和熱影響區的金相組織比較好，能夠滿足預埋件對焊接的要求。該結論與西南交大所作的結論基本相同。綷-委托方和現場監理人員同意后，按已修改的工藝進行正式焊接?，F場監理對每個焊點逐個進行檢查和測量，其檢驗標準為：
（1）焊縫360°應連續，焊縫高度應>4mm，焊縫寬度應>2mm。
（2）焊縫無氣孔和夾渣缺陷。
（3）焊縫咬肉深度<1mm。
（4）鋼筋傾斜度<1°。
只有檢驗合格的焊接接頭才能驗收。由于焊接操作人員嚴格執行了鋼筋“T形焊”的焊接工藝，遵守焊接操作規程，使焊接工作進行的非常順利，按期將1.5萬件合格的預埋件交付委托方，為國家體育場（鳥巢）的建設盡了微薄之力。
另外，埋弧螺柱焊不僅能進行鋼筋“T形焊”，而且還能進行“板條T形焊”。圖5是某高速鐵路防碰撞防護欄采用埋弧螺柱焊進行的板條（80mm×50mm×10mm）T形焊的模擬焊接試件。試件的焊縫外觀和力學性能均可達到設計要求。
（a）板條（80mm×50mm×10mm）“T形焊” （b）φ32mm鋼筋“T形焊”
圖5 用埋弧螺柱焊完成的“T形焊”
埋弧螺柱焊是一種新型的焊接方法，適于大直徑（≥φ25mm）栓釘（焊釘、螺柱）的焊接，特別適于各種直徑的鋼筋“T形焊”和板條“T形焊”。使用RSM3—3150焊機焊接的鋼筋直徑已達到32mm，更大直徑的鋼筋焊接尚未試驗；RSM3—2500焊機已成功應用于對焊接質量要求極其嚴格的國家體育場（鳥巢）φ20mm鋼筋預埋件的焊接。焊縫綷-過外觀檢查、力學性能檢驗及宏觀金相檢查，均達到了有關標準的規定，并能滿足預埋件對焊縫金相組織的要求。埋弧螺柱焊的焊縫質量之所以高，除了全截面焊接的特點外，還由于采用了埋弧的辦法，用焊劑對熔池和焊縫進行保護，再加上焊接過程按已設定的程序自動進行焊接，因而電弧穩定，焊接質量的重現性好，生產效率高。
相信，埋弧螺柱焊機RSM3—2500/3150和升級換代產品RSN（M）5—2500/3150的研制成功以及在預埋件焊接中的實際應用，為鋼結構建筑行業的鋼筋T形焊和板條T形焊，以及大直徑的栓釘焊接開辟了新的道路。(end)
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