埋弧螺柱焊

——国家体育场(鸟巢)预埋件的焊接新工艺

【摘要】介绍了埋弧螺柱焊的特点、命名和升级换代产品——RSN(M)5—2500/3150埋弧螺柱焊机。采用埋弧螺柱焊方法焊接的国家体育场(鸟巢)所需预埋件——Φ20mm钢筋“T形焊”，其焊缝外观、焊接接头的力学性能符合有关标准的规定；宏观金相和金相组织，经检验均能达到预埋件对焊接的要求。埋弧螺柱焊进行的钢筋“T形焊”，现已达到Φ32mm，而且还能进行板条“T形焊”，是一项值得推广的焊接新工艺。

大型钢-混结构、体育场馆、展览馆以及桥梁建筑中所用的预埋件，除了板一板焊接外，还有大量的钢筋-焊接，即通常所说的钢筋“T形焊”。国家体育场(鸟巢)委托焊接的一种预埋件，就属于钢筋“T形焊”。钢筋“T形焊”传统的焊接方法，有焊条电弧焊、穿孔塞焊和埋弧压力焊。为了提高焊接质量和生产效率，我所采用了焊接新工艺——埋弧螺柱焊。现就这方面的焊接情况作以简介。

一、埋弧螺柱焊的特点

埋弧螺柱焊是电弧螺柱焊中的一员，就是将焊剂埋弧与螺柱焊的自动焊接程序有机地结合在一起。该焊接方法秉承螺柱焊的自动焊接程序：按动开关→引弧→提升→引燃主弧→焊接时间到→钢筋插入熔池→断弧→结束，并利用焊剂把明弧变为埋弧，使之具有埋弧焊的优点。

(1)对熔池和焊缝进行有效的保护，防止氧化、氮化和合金元素的蒸发和烧损，大大提高了焊缝的质量。

(2)金属熔液与焊渣之间发生一系列的物化反应，不仅能去除焊缝中的有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷和去氢等，而且还可以使焊缝金属合金化，改善焊缝性能。

(3)焊接电流大(直流1000～3500A)，电弧的穿透能力强，焊接时间短(几秒钟)，因此熔深大，热影响区小，焊接接头的力学性能提高。

(4)焊接结束时，将钢筋插入熔池，以获得高强度的焊接接头。

总之，采用埋弧螺柱焊焊接的接头，其外观显著的特点是高高隆起的光亮的焊缝，高度一般超过6mm。埋弧螺柱焊是钢筋“T形焊”的一种焊接新工艺，具有埋弧、操作舒适和效率高的特点，其焊缝的力学性能高于母材，完全能替代焊条电弧焊和穿孔塞焊。与焊接电流仅400～650A(交流)的埋弧压力焊相比，焊接电流大、焊接时间短、焊接过程全自动、焊接质量稳定及焊接强度高是其突出优点。

二、焊接新工艺的命名

将钢筋“T形焊”的焊接新工艺命名为“埋弧螺柱焊”，是基于以下原因：

(1)“GB/T 10249电焊机的型号编制方法”对螺柱焊的产品型号做了明确的规定。其中，产品型号中第三位“附注特征”是这样叙述的：M-埋弧，N-明弧，R-电容。也就是说，电弧螺柱焊机、埋弧螺柱焊机和电容放电螺柱焊机是螺柱焊机中的3个系列产品，因此将埋弧螺柱焊归入螺柱焊大类是符合国家标准规定的。

(2)“ISO 14555焊接—金属材料的电弧螺柱焊”国际标准，对焊接过程中螺柱插入熔池的程序是这样描述的：“用一个有限的力(＜100N)将螺柱插入(plunged)熔池”，而且插入的速度还有严格的限制。事实上，将螺柱插入熔池的力除了螺柱和焊枪中运动部件的自重外，就是压缩弹簧恢复到原状态的推力(＜10N)。在埋弧螺柱焊中，此程序对钢筋施加的力同样如此，只是钢筋的自重大些。这说明，使钢筋进入熔池的推力仍然很小。实际上对钢筋施加的力还不能太大，否则将产生焊接缺陷。

(3)从焊接机理分析，埋弧焊和螺柱焊均属于熔化极类电弧焊，其焊缝成形不用施加压力，即使用力也很小，如本焊接工艺，与建筑工程中常用的电阻点焊、闪光对焊等焊接过程中施加的力有几个数量级的差别，焊接机理也完全不同。对于“埋弧压力焊”的叫法，在焊接工艺上未反映出“压力”的含义，名不符实。

三、主要特点

埋弧螺柱焊机RSN(M)5—2500/3150是RSM3—2500/3150焊机的更新换代产品，是集埋弧螺柱焊、栓钉焊和焊条电弧焊于一体的多功能焊机。只要更换不同的施焊器具(手持式焊枪、焊枪和电焊钳)，再将主机面板上的转换开关拨至相应的位置，就是一台性能优良的埋弧螺柱焊机、栓钉焊机或焊条电弧焊机。焊机由主机(包括焊接电源和控制器)、焊接电缆、接地钳和施焊器具等部分组成，如图1所示，其主要的技术指标见表1。

埋弧螺柱焊机是我所开发的一种焊机新品种，属于国内外首创，现已申请了国家专利。

1.采用全控桥整流，以减小焊机体积和重量

我所原来生产的栓钉焊机，其体积重量均大于国外同类产品，究其原因主要是焊接电源的主电路采用“带平衡电抗器的双反星形”电路结构。在20世纪60～70年代，晶闸管属于新产品，额定电流较小，在研发“弧焊整流器”时就采用了这种电路，一直沿用至今。根据目前晶闸管的技术水平，完全有条件将这种主电路改为全控桥整流，不但省去了平衡电抗器，减轻重量约40～60kg，而且变压器的利用系数也由80％提高到95％，同时还采用高性能硅钢片；变压器的安装方式也由立式改为卧式，使焊机的体积和重量大幅度降低，重量由500多kg分别降到330kg和350kg，而体积也缩小到了980mm×540mm×600mm，优于德目Koco同类栓钉焊机。该种体积小、重量轻的新型焊机，特别适合于频繁移动的钢结构建筑的使用现场。

2.采用单片机提高控制水平

采用单片机控制已成为评定栓钉(埋弧螺柱焊)焊机技术水平的重要指标。RSN(M)5—2500/3150焊机，采用高性能的8位单片机(PIC16F877A)控制焊接电源和焊接程序，并选用大屏幕液晶显示器，简化了线路，提高了运行的可靠性和焊接质量的稳定性。

由于焊机采用了单片机控制技术，就可以用硬件与软件相结合的双负反馈方式进行焊接电流的调节，使之能更有效地稳定和补偿因电网电压的波动对焊按电流的影响。对焊机启动时造成电网电压火幅度降低时的补偿尤其重要，从而保证焊接质量的稳定性。

单片机控制和液晶显示、储存焊接参数以及焊接栓钉(钢筋)计数、防止同一栓钉(钢筋)的重复焊接以及焊机故障自检等功能，方便了焊工操作，有利于焊接质量的控制，并使栓钉(钢筋)的焊接质量具有可追溯性，符合ISO9000系列标准的要求。

这些新功能的增加，其优点不言而喻，使焊机的技术水平由低档产品一跃成为高端产品，可与进口产品媲美。更值得一提的是：防止同一栓钉(钢筋)重复焊接的功能，可确保焊工的人身安全。因为拴钉(钢筋)焊接后，在拔起焊枪的过程中，若偶然触及焊接开关，就相当于第二次焊接，焊机的次级处于短路状态，短路电流(可达：3000～4000A)产生的强烈电弧将烧毁夹头和焊枪，严重时可烧伤焊工，甚至引发连带的其他工伤，危及生命。焊机有了这一功能，就可以避免这些事故的发生。焊机的另一功能是焊接栓钉(钢筋)的自动计数和显示，而且只记录在工件上进行的栓钉(钢筋)焊接。对于栓钉(钢筋)正式焊接前，检验控制程序的焊接过程则排除在外。因此，不仅记录准确，而且极大地提高效率，节约人力，这对加强管理、推行工时定额制度具有重要意义。

3.具有降温装置和油阻尼装置的焊枪

焊枪虽然只是夹持栓钉(钢筋)，并把栓钉(钢筋)送入熔池的手持工具，但其技术性能的好坏在很大程度上决定着栓钉(钢筋)的焊接质量和焊工操作的舒适性。因此，我们通过不懈的努力，研制出了性能优良的8型焊枪(见图2)。该焊枪具有两大特点：

(1)降温装置  焊枪由于密封防尘、散热条件差，所以一般连续使用1h后，其内部温度可高达80～110℃，极易引起线圈骨架变形，严重时可烧毁电磁铁的线圈，大大降低焊枪的可靠性，并可能引起烫伤，危及焊工安全。我所的发明专利——“焊枪降温装置”，可使焊枪在连续工作4h后，其手持部位的温升值低于30K，从根本上解决上述难题。

(2)油阻尼装置  栓钉插入熔池是采用挤压的方式，所以不可避免地会发生飞溅。栓钉直径越粗，其熔池越大，飞溅也就越历害，极易发生烫伤和火灾。因此焊枪必须有阻尼装置，以降低栓钉的插入速度。当栓钉直径大干14mm时，其插入速度应限制在100mm/s。我所研制的具有油阻尼装置的焊枪，有效地降低了焊接时的飞溅，效果很好。

由于8型焊枪具有以上特点，其焊接质量和操作舒适度已达到进口焊枪的水平。

四、采用埋弧螺柱焊焊接新工艺进行钢筋“T形焊”

1. 预埋件的结构形式和技术要求

（1）预埋件的结构形式  国家体育场（鸟巢）某部工程需要焊接1.5万件“柱脚极和支撑搭架”预埋件，其结构形式分两类，如图3a和图3b所示。其中，锚筋和锚板的尺寸和材质如下。

图3 钢筋T形焊的预埋件结构形式
锚筋：φ20mm，HRB400。
内锚板：20mm×80mm×80mm，Q345B。
外锚板：30mm×500mm×500mm，30mm×540mm×860mm，Q345B。

（2）对预埋件“T形焊”的技术要求  ①对于图3a所示结构，先把锚筋焊接在内锚板上，然后再将锚筋的另一端按规定的间隔分别焊接在30mm×500mm×500mm和30mm×540mm×860mm的外锚板上。
对于图3b所示结构，将锚筋按规定的间隔直接焊接在30mm×500mm×500mm的外锚板上。②预埋件的所有“T形焊”均应在熔剂层下进行。③焊缝的力学性能应不小于母材。④焊后锚筋的倾斜度应小于1°。⑤焊前应进行质量评定，并有权威机构出具的检验报告。焊后应对焊点逐个进行验收。

2. 钢筋“T形焊”应解决的几个问题

（1）特制一把提升力大的焊枪   对于图3a所示结构的预埋件，在焊好内锚板后，其钢筋组件的重量约为2.6kg，再加上焊枪中运动部件的重量将超过3kg，这对于一般用途的焊枪而言，很难持续的正常工作。为此，特制一把提升力为5kg，并适用于夹持、焊接这种工件的焊枪，为完成焊接任务创造条件。

（2） 寻求一组最佳的焊接参数   采用埋弧螺柱焊焊接的接头，其力学性能只有超过母材，才能显示焊接新工艺的优越性，才有推广价值。为此，必须保证焊缝360°连续，并无气孔、夹渣和裂缝。对预埋件焊接工艺的研究、试验都是围绕这一核心问题进行的。当然，性能优越的焊接设备及其合适的静外特性是实现此目标的前提条件。焊接试验时，可调节的焊接参数主要有：焊接电流、焊接时间、伸出长度、提升高度以及钢筋插入熔池的推力和速度等。只有掌握这些参数的内在联系，并找出最佳组合，才能得到优良的焊接接头。

（3）预防和纠正两类焊接缺陷   在试焊中，首先遇到的问题是焊缝金属与钢筋表面没有完全熔合，部分地方有缝隙，甚至沟槽，而且这些部位还很容易出现夹渣。通过分析，认为是由以下诊-因引起的：①焊接电流小或焊接时间短，输入的能量不足，熔池较小，焊缝附近的钢筋表面温度低，不能与金属熔液有效地熔合在一起，因而出现缝隙。②焊接结束时，钢筋插入熔池的推力过大，造成钢筋插入熔池过深，以至于挤出的金属熔液与温度较低的钢筋表面不能熔合，极易产生沟槽。

解决的办法：增加焊接电流、焊接时间，或减小钢筋插入熔池的推力，必要时使用阻尼装置，限制钢筋的插入深度。

试焊中綷-常出现的另一个问题是偏弧，造成焊缝四周分布不均匀，焊缝与钢筋之间出现缝隙或者沟槽，严重时还造成焊缝的不连续，出现咬肉。解决的办法是变更接地点的位置，使用双接地，或在焊接工件周围将焊接电缆绕1圈，以均衡焊接位置附近的磁场。

3. 钢筋“T形焊”的模拟工艺试验

2005年4月，成都斯达特焊接工程部承接了图2所示预埋件的焊接任务后，按照工件的结构和材质，使用新研制的埋弧螺柱焊机进行了模拟工艺试验，在总结綷-验的基础上确定了焊接参数，试验结果如表2所示。试验条件如下：

使用焊机：RSM3—2500
锚筋：φ20mm，HRB400
钢板：12mm， Q345B
焊剂：HJ431

从表2的试验数据可以归纳几点看法：

（1）就φ20mm钢筋而言，按上述工艺参数进行焊接，其试件的焊缝360°范围内均连续，焊缝高度平均7.5mm，焊缝宽度平均3.7mm，这是其他焊接方法难以达到的。当然，要想获得更高、更宽的焊缝，还需增加钢筋的熔化长度。
（2）在焊接电流和焊接时间确定的情况下，伸出长度和提升高度的调节或测量隅有误差，对焊缝的成形并无太大影响。这说明了埋弧螺柱焊焊接的稳定性，并具有很大的实际意义。因为钢筋的装卡是手工操作的，发生一些偏差在所难免。

4. 埋弧螺柱焊的质量检验

按表2的工艺参数焊接了4个试件送西南交大，按美国ANSI/AWSD1.1—1998标准进行检验。检验项目有焊缝外观检查和力学性能检验。其中1、2试件做繺-伸试验，3、4试件做30°弯曲试验。试验结果全部合格，见表3。焊接试件和试件綷-繺-伸试验后的照片见图4。

（a）φ20mm钢筋焊接试件         （b）φ20mm钢筋焊接试件繺-断部位
图4 钢筋“T形焊”试件照片

从4个试件的检验结果可以看出 :

（1）采用埋弧螺柱焊的方法对钢筋进行的“T形焊”，其焊缝外观和力学性能均达到了有关标准的规定，完全能够满足预埋件对钢筋焊接的要求。
（2）新研制的RSM3—2500埋弧螺柱焊机的性能稳定，可以应用到钢筋预埋件的焊接。

5. 焊缝的宏观金相和金相组织的检查

埋弧螺柱焊是一种新型的焊接方法，其焊接质量如何？能否满足钢结构建筑对预埋件的要求？对于不少人来说，很难肯定的答复，因而限制了其推广应用。尽管上述焊接质量检验结果给出了满意的答案，但为了慎重起见，又做了宏观金相和金相组织的检查。

（1）宏观金相检查  焊缝内未发现气孔、夹渣及裂纹等缺陷。
（2）金相组织的观察  对焊缝区、钢筋侧热影响区和钢板侧热影响区的金相组织进行了观察。金相组织比较好，能够满足预埋件对焊接的要求。

6. 用埋弧螺柱焊进行钢筋“T形焊”

由于对埋弧螺柱焊的焊接工艺有了比较深入的了解，并对焊接中可能出现的问题有了较好的解决办法，焊接试件又綷-西南交大对焊缝外观、力学性能以及宏观金相和金相组织检查合格后，我们对完成国家体育场（鸟巢）预埋件的焊接任务充满了信心，于是奔赴施工现场，开始对预埋件进行实际焊接。首先对φ20mm钢筋“T形焊”的焊接工艺进行评定，使用RSM3—2500焊机，对表2列出的焊接参数稍作修改，按图2所示预埋件的要求进行试焊，并将焊接试件送“冶金工业质量监督总站检测中心”进行宏观金相和金相组织观察。綷-专家分析、评定后认为：用埋弧螺柱焊方法进行的钢筋“T形焊”，其焊缝和热影响区的金相组织比较好，能够满足预埋件对焊接的要求。该结论与西南交大所作的结论基本相同。綷-委托方和现场监理人员同意后，按已修改的工艺进行正式焊接。现场监理对每个焊点逐个进行检查和测量，其检验标准为：

（1）焊缝360°应连续，焊缝高度应>4mm，焊缝宽度应>2mm。
（2）焊缝无气孔和夹渣缺陷。
（3）焊缝咬肉深度<1mm。
（4）钢筋倾斜度<1°。

只有检验合格的焊接接头才能验收。由于焊接操作人员严格执行了钢筋“T形焊”的焊接工艺，遵守焊接操作规程，使焊接工作进行的非常顺利，按期将1.5万件合格的预埋件交付委托方，为国家体育场（鸟巢）的建设尽了微薄之力。

另外，埋弧螺柱焊不仅能进行钢筋“T形焊”，而且还能进行“板条T形焊”。图5是某高速铁路防碰撞防护栏采用埋弧螺柱焊进行的板条（80mm×50mm×10mm）T形焊的模拟焊接试件。试件的焊缝外观和力学性能均可达到设计要求。

（a）板条（80mm×50mm×10mm）“T形焊”
（b）φ32mm钢筋“T形焊”
图5 用埋弧螺柱焊完成的“T形焊”

五、结语

埋弧螺柱焊是一种新型的焊接方法，适于大直径（≥φ25mm）栓钉（焊钉、螺柱）的焊接，特别适于各种直径的钢筋“T形焊”和板条“T形焊”。使用RSM3—3150焊机焊接的钢筋直径已达到32mm，更大直径的钢筋焊接尚未试验；RSM3—2500焊机已成功应用于对焊接质量要求极其严格的国家体育场（鸟巢）φ20mm钢筋预埋件的焊接。焊缝綷-过外观检查、力学性能检验及宏观金相检查，均达到了有关标准的规定，并能满足预埋件对焊缝金相组织的要求。埋弧螺柱焊的焊缝质量之所以高，除了全截面焊接的特点外，还由于采用了埋弧的办法，用焊剂对熔池和焊缝进行保护，再加上焊接过程按已设定的程序自动进行焊接，因而电弧稳定，焊接质量的重现性好，生产效率高。

相信，埋弧螺柱焊机RSM3—2500/3150和升级换代产品RSN（M）5—2500/3150的研制成功以及在预埋件焊接中的实际应用，为钢结构建筑行业的钢筋T形焊和板条T形焊，以及大直径的栓钉焊接开辟了新的道路。