中国核工业二四建设有限公司
摘要：为了提高核电中钢筋预埋件焊接效率，研发了一种适用于核电预埋件焊接的专用埋弧螺柱焊机及配套装置；介绍了埋弧螺柱焊预埋件成型控制的4个参数，及这些参数对焊接成型的影响；提出根据焊缝外观成形判断其内部缺陷的方法；针对核电上的钢筋预埋件焊接需求，试验出几组最优焊接参数，为该工艺的推广应用和改进具有参考价值。
关键词：埋弧螺柱焊 埋弧螺柱焊机 成型控制 预埋件焊接
1. 概述
螺柱焊是一种高效的全截面焊接方法，是指在金属或类似金属件的端面与另一金属工件表面之间产生电弧，待接合面熔化时迅速施加压力，完成焊接的一种方法。这种焊接方法在焊缝成形方面最大的优势就是全截面焊透，具有生产效率高，焊接稳定性好等优点，目前已在钢结构栓钉焊接领域获得广泛的应用。
核电上应用的钢筋预埋件的焊接目前成熟的焊接方法有2种，分别是手工焊条绕圈堆焊和钻孔塞焊。这2种焊接方法虽然成熟，但是都有焊接效率低，工人劳动强度高等缺点，因此在核电钢筋预埋件焊接上迫切需要推广一种新型高效的焊接方法。
把钢筋预埋件焊接采用螺柱焊的焊接方式，采用埋弧焊剂保护焊接电弧，这种焊接方法被称为埋弧螺柱焊。截止到目前，该方法在2007年的国家体育场（北京鸟巢）建设施工工程钢筋预埋件焊接和2009年上海世博园中国馆、演艺馆工程钢筋预埋件焊接中获得一定的应用。应用结果表明该焊接方式适用于钢筋预埋件焊接。随后在一些民用建筑的钢筋预埋件焊接中也有应用，但是一直没有大规模推广。
中核二四建设有限公司率先在核电领域应用埋弧螺柱焊技术进行钢筋预埋件的焊接，从焊接设备改进，通过试验及生产验证，该焊接设备和工艺在提高焊接效率和改善操作人员焊接环境方面具有显著效益，具有实用和推广价值。
2.最新研究成果-适用于核电钢筋预埋件焊接的埋弧螺柱焊机
前面概述中提到，埋弧螺柱焊是一种高效的钢筋全截面焊接方法，那么为什么没有在钢筋预埋件焊接中获得广泛的应用呢？其主要原因就在于设备只是在普通螺柱焊的基础上进行的改装，钢筋的装夹、参数调节和焊接操作等全部手工完成，调节步骤繁琐且参数调节一致性差，严重的影响了埋弧螺柱焊的推广。据统计，采用成都某知名螺柱焊机生产厂生产的埋弧螺柱焊设备图1所示，进行埋弧螺柱焊接，其焊接速度仅能达到20根/小时的水平，且每根钢筋焊接质量都不一致，焊接质量时好时坏，严重依赖于焊工的操作水平。因此，急需研发一套适用于钢筋预埋件焊接的埋弧螺柱焊设备。
中核二四建设有限公司有大量钢筋预埋件焊接需求，目前主要采用手工电弧焊的方式进行焊接，工人的劳动强度很高且效率低。为了提高生产效率，降低对工人劳动力的依赖，中核二四建设有限公司与西南交通大学焊接研究所合作，共同研发了一套埋弧螺柱焊专用设备，该设备利用螺柱焊原理和埋弧焊保护原理，并设计通用钢筋焊接夹持装置，焊接过程采用集成控制系统进行控制，焊枪动作采用气动元件进行操作。设计了2套焊接装置，轮流施焊，提高了工效；钢筋的伸出长度和提升高度2个参数在工作台上一次调节完毕并锁定，对所有该规格的钢筋都适用，避免了重复调节的麻烦，大大提高效率。同时，还设计了焊剂回收装置，改善了操作人员的焊接环境；通过上述设计和改进，该设备（电压：380V，最大电流：3150A）见图2所示，能满足如下主要技术参数：
（1）可焊钢筋范围φ16mm-φ32mm，焊接质量合格率80%以上；
（2）钢筋焊接参数调节一致性好；
（3）焊接钢筋定位准确，误差在3mm范围内；
（4）焊接速度，每台焊机不小于60根/小时（2人操作）；
（5）焊接环境污染大大降低，无弧光污染，无烟尘污染。
该埋弧螺柱焊设备由焊接主机，控制柜，焊接操作台3大部分组成。焊接主机提供焊接所需能量；控制柜对焊接的全过程进行控制；焊接操作台是具体进行焊接操作的工作台，该工作台装备了2套焊接操作装置，可以轮流进行焊接，效率提高2倍。该套设备能够对弯头钢筋进行焊接，焊接范围广，对同一规格钢筋，不要求钢筋长度一致，参数设定速度快，效率高，焊接一致性好。同规格钢筋在不同焊接方法下，焊接完成后，埋弧螺柱焊与钻孔塞焊和手工围焊的对比。由对比可以看出，埋弧螺柱焊的效益最高。
该设备的研制成功，将有力的推动埋弧螺柱焊在核电钢筋预埋件焊接中的应用，市场前景广阔。
3.大直径（φ25mm）钢筋平焊的应用实例
目前，福清核电项目3#核岛和核岛辅助厂房I型预埋件的制作首次采用了钢筋埋弧螺柱焊，共制作了500余件I型预埋件，共2000余个焊接接头，施工过程中，根据钢筋焊接的验收标准《钢筋焊接及验收规程》JGJ18-2003的要求，对接头进行了抽检50多件，全部合格。没有发现因预埋件焊接质量而引起安装变形的质量问题。
（1）采用的焊接参数
焊接电流1400A，焊接时间6.5s，伸出长度9mm，提升高度10mm。
（2）接头外观质量检查，符合《钢筋焊接及验收规程》JGJ18-2003要求。
（3）接头力学性能检验
拉伸试验结果，塑断，抗拉强度为570～620MPa，合格。
（4）焊接效率
传统穿孔塞焊完成一个焊接接头1根/15分钟，采用埋弧螺柱焊1根/1分钟。
（5）经济效益
采用埋弧螺柱焊较传统穿孔塞焊节约成本可达50%。
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图18 穿孔塞焊接点图 图19 埋弧螺柱焊I型预埋件
4.总结
介绍了在核电钢筋预埋件焊接中一种高效的焊接方法——埋弧螺柱焊。通过对焊接设备的研制，对焊接参数的深入了解，找出了避免和减少焊接缺陷的方法，制定了一套最优的焊接工艺参数。采用埋弧螺柱焊最优焊接工艺参数焊接的接头，其力学性能均超过母材，显示出了新工艺的优越性，具有推广价值。目前，该焊接方法已在核电某预埋件焊接工程中获得一定的应用，使用效果良好。科学研究和实践表明，预埋件钢筋埋弧螺柱焊具有对熔池和焊缝的有效保护，具有冶金反应充分，熔深大，焊缝强度高，焊接质量可靠，生产效率高，缩短工期，降低成本等优点。随着埋弧螺柱焊设备的进一步优化设计，埋弧螺柱焊将在核电预埋件焊接中获得广泛的应用。
参考文献
1.张瑞昌，黄贤聪.螺柱焊机及其焊接工艺的研究（下）.机械工人，2004，（11）
2.张瑞昌，黄贤聪.螺柱焊机及其焊接工艺.“钢结构住宅技术应用与配套设备研讨会”会刊，2004
论文作者:邓克剑
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/7
标签：预埋件论文; 钢筋论文; 核电论文; 方法论文; 参数论文; 设备论文; 操作论文; 《建筑学研究前沿》2018年第24期论文;