螺柱穿透焊新工艺的开发与应用.doc

螺柱穿透焊新工艺的开发与应用 标签： 焊接 压型板 螺柱焊 工艺 钢结构 分类： 螺柱焊 2006-10-14 18:25摘要：本文针对苏州国际博览中心工程，对螺柱穿透焊新工艺进行分析研究，找出该工艺的实现方法。关键词：螺柱焊；螺柱穿透焊；工艺；开放苏州国际博览中心工程是一项中合性的市政工程，工程浩大，工期紧迫。该工程由上海宝冶建设有限公司承建，其中，在钢结构分项工程中，有约40万个,19mm,L=150mm的螺柱需穿透压型板焊接在钢梁上由于螺柱底部同钢梁之间有一层压型板，形成了不可知的影响质量的因素，同普通螺柱相比有很大区别，因此，焊接工程有相当大的难度。为了确保焊接质量，确保工程进度，我们同兄弟单位一道，集众家多年经验之大成，研究开发了“螺柱穿透焊”新工艺，成功地运用到苏州国际博览中心钢结构工程上，经严格质量检验，一次合格率达到了90%95%；大幅度提高了国内螺柱穿透焊一次合格率60%70%的指标，达到了工艺标准化的初始阶段，取得了阶段性的成功；该工艺的形成和发展，对钢结构质量起到了保证作用，具有较大的推广应用价值。1螺柱焊及螺柱穿透焊工艺的由来和现状电弧螺柱焊（以下简称螺柱焊）是焊接学科的一个分支，也是目前各国工业领域广泛应用的连接和装配方式，这种工艺具有三大优越性：（1）同焊条电弧焊对比，可实现全截面的焊接，焊条电弧焊只能实现角焊缝，所以螺柱焊的螺栓抗剪能力得到大幅度的提高。（2）焊接速度快，可实现标准化作业（国内目前已出现电容式贮电螺柱充电时间2s的焊机。即：1个/2s,达到国际先进水平）。（3）具有高质量的再现性，重复性强。螺柱焊起于上世纪30年代，首先在造船工业装修中应用，到5060年代发达国家在钢结构工程中开始应用，70年代应用范围和行业逐渐增加，锅炉、压力容器、汽车、造船、金属结构中的大量应用。我国80年代在成都第一台国产螺柱焊机问世，并通过机电部鉴定。90年代初国产RSR电容贮能螺柱焊机已成系列，解决了M2M8螺柱的焊接问题，90年代中期研制成功RSR系列螺柱焊机，满足230mm的螺柱焊接问题。随着钢结构防火耐热要求的提高，螺柱焊技术得到了长足的进步，对异种钢的焊接取得了成功，目前国内有关单位正在攻克螺柱焊的另外二大难关，即横立焊和仰焊。不断地向国内外行业领先的地位进军。螺柱穿透焊是伴随着钢混凝土结构的发展而推广起来的，作为钢混凝土联结件的栓钉对结构发挥两种作用，一是承受钢混凝土结构的水平剪切力，二是防止钢混结构垂直剥离的抗翘作用。抗剪钉主要用于钢筋混凝土柱，梁及楼板的抗剪，特别是大跨度铁路桥梁，市政公路高架桥、高承载力钢结构建筑等。在多层钢结构组合楼板施工中，经常是安装钢结构柱梁，在铺设压型钢板后进行螺柱焊施工。在压型钢板铺设时，为提高其支承刚度，通常采用多跨连接布置方式。因此，大量的螺柱需在压型钢板上引弧并穿透压型钢板焊接于梁上，这种方法就叫“螺柱穿透焊”工艺。穿透焊和非穿透焊的区别在于支撑梁与螺柱端部之间增加了压型钢板的隔离层，使螺柱端部无法与钢梁表面直接接触，由于压型板隔离层的存在，形成了许多焊接工艺上无法控制的因素，致使焊接质量得不到保证。螺柱端部和钢梁之间不可知因素主要有以下几点：(1)压型板镀锌层的厚度；(2)钢梁表面的油漆绝缘性能及厚度是不可知的；(3)压型板同钢梁之间的间隙时变化的；(4)压型板同钢梁之间有其它杂质是不可知的。由于有以上四大因素的影响，如果用非穿透焊时的焊接参数（即直接焊在钢梁上的方式），往往无法满足质量要求。因此，在研究穿透焊工艺时，人们首先想到的是：穿透焊的焊接参数比非穿透焊的参数要大。在保障焊机空载电压的前提下，加大焊接电流，增加螺柱的伸出长度确保有足够的焊接能量以补偿熔化及穿透压型板、烧掉杂质及飞溅的损失，延长焊接时间等。做到这一些仅仅是穿透焊的初始阶段，在这一阶段，一次合格率仅在60%左右。针对螺柱穿透焊目前的实际状况，设计者为了满足螺柱承受剪力的要求，普遍采用了增加螺柱数量的做法，施工单位为了提高一次合格率也采用手工电弧焊补焊的方式来弥补一次合格率不足。这一状况是目前螺柱穿透焊在全国范围内的实际情况。国外是怎么解决这样的问题的呢？欧洲地区，德国、英国目前的做法是在工厂里压型板先冲好孔，在工地上根据冲孔来进行螺柱焊，也就是我国目前普通螺柱的方式。这种方式焊接的螺柱质量可得到保证，但生产率受到一定的制约，加上加工成本高，所以不是理想的工艺方法。2螺柱“穿透焊”新工艺的几条研究途径从工艺简单和质量可靠的角度上考虑，在工地直接放线焊接最省事，可以加快施工进度，降低工程成本，要走这一条道路，关键是大幅度地提高螺柱穿透焊的一次合格率。为达到这一目的，我们同兄弟单位一起进行了大量的实验研究工作。21跟踪螺柱穿透焊，测试电弧电压，焊接时间，焊接电流，分析其中规律，找出相互关系。北京建研总院焊接研究所作了大量的工作，在现场用示波仪测试（10000个）各种规格的螺柱穿透焊接头的工作，取得了大量的第一手资料，为成功解决螺柱穿透焊工艺可靠性做出了理论上的重大贡献。在大量的测试实践中，经研究分析认为：对螺柱穿透焊大致可以分为两个阶段;第一阶段为起弧燃烧阶段，在这一阶段中主要是利用电弧高温（8000）和吹力把压型板熔透并吹除螺柱端部面积。重点是把压型板上的镀层吹离焊缝，以保证焊缝金属的强度，由于螺柱端部与钢梁之间有影响质量的四大不确定因素存在，这一阶段焊接时间是离散的，电弧电压是波动的，电流也随之波动，无规律性可言。第二阶段是当电弧电压达到20V时，（螺柱端部同钢梁之间的间隙为最佳间隙）焊接时间2s即可获得良好的焊接质量。两阶段的曲线如图（1）所示：图1螺柱穿透焊电弧电压，焊接电流、焊接时间关系示意曲线图TN+TZ=C-常量：C一旦固定就不会改变。从图1可知：TN时间为不确定时间，在这一时间内，电弧电压，焊接电流的波动相当大。这主要是由以下几个因素影响:a.空载电压，焊机的空载电压（RSN2500为100V）是焊接一次电源稳定的标志，一次电源电压波动510%即影响焊机的空载电压，进而影响电弧电压的稳定性。b.压型板的板厚，镀锌层的厚度。c.钢梁翼沿板表面防锈漆的厚度及绝缘性。d.压型板同钢梁之间的间隙。e.压型板同钢梁间隙中的杂质。f.螺柱的伸出长度和提升高度。g.陶瓷环的排气能力，即陶瓷环同螺柱之间应有较大的间隙。h.焊接电流的大小。以上8个因素中，不可知因素太多，因而TN无法确定。当TN结束后，电弧电压20V时，时间控制在2s之内，这时电弧电压是相当稳定的，焊接电流也随之稳定，达到了焊接的理想阶段，在这一阶段最重要的是穿透焊的几个工艺要素。焊接时间2s必须调整精确，即：TN=C-TN=2(s)在电弧电压20V的前提下，焊接电流应保焊接截面的分部熔透。钢梁表面形成理想熔池。图1曲线的实际意义在于：在焊接过程中TN时间的确定完全可以由电弧电压为20V时的这一点电压值进行负反馈，使时间延伸（缩短）在2s之内；应用经典控制理论中的负反馈系统即能实现。即：TZ=f(C)-f(TN)从以上分析可知，螺柱穿透焊新工艺的实现，除焊接工艺进行研究之外，还应同设备厂家一起，对设备性能进行改造才能实现。同时也要设计部门的大力支持。最终才能形成理想的具有推广应用价值的新工艺。22苏州国际博览中心螺柱穿透焊工艺的研究工作苏州国际博览中心螺柱穿透焊工艺的研究工作主要是以下内容：(1)测出压型钢板的厚度，了解镀锌的厚度，解决锌蒸汽引起的气孔。(2)了解钢梁油漆厚度及型号，了解绝缘情况，测出电流穿透油漆厚度。(3)测试压型板同钢梁之间的间隙(4)调整焊接参数，其规范参数如下：a)焊接电流：12001500Ab)焊接电压：（空载：100V）c)螺柱的提升高度：7mmd)螺柱的伸出长度：78mme)陶瓷环：粗齿f)焊接时间当量：4格试验结果见附表，四组典型的试验规范根据测试结果，我们对设备RSNII2500机型提出了新的要求：（1）焊机应进行改造，最好制成智能型的焊枪，同时加快信号反馈的响应时间，提高响应效率。（2）焊机应具有焊接的程序控制能力（3）焊接时间应加长同时根据测试结果，我们对设计也提出了要求：即钢梁表面的防锈漆，不应影响焊接，推荐玛瑞焊口防锈漆，为钢梁焊接表面防锈漆。苏州国际博览中心螺柱穿透焊工程中，我们最终形成了以下规范。（1）钢梁上部最好无油漆，采用本工艺，可以在厚30m的防护漆表面焊接。（2）压型板的钢板厚度不超过2mm，镀锌层厚度不超过30m。（3）焊接电流：13001500A（4）焊接时间当量：5格（5）螺柱伸出长度：6.5mm（6）螺柱提升高度：7mm（7）焊机：RSN2500（中国螺柱焊成都斯达特焊接研究所）（8）钢梁表面最好使用玛瑞焊口防锈漆23调节压型板同钢梁的间隙，使间隙不可知变为可知压型板同钢梁之间的间隙是一个波动很大的数值；安装质量的高低直接影响间隙的大小，在苏博工程中，间隙的范围为03mm内，容易保证焊接质量，间隙过大，TN就会延长，正式焊接的时间不足2s，那么可能带来质量问题，因为TZ=C-TN2。因此调节压型板同钢梁之间的间隙有很大的实际意义。压型板同钢梁之间的间隙的调整用“人工压迫法”，即用一个杠杆，利用第一棵螺柱（已焊好）作为力点，压迫点作为重点，用人力向间隙压到03mm时焊接，这样就可以保证质量。人工压迫法在压型板的波谷中只有一个螺柱的情况下很好应用，但压型板波谷中有两个或两个以上螺柱时，应用起来就有一定难度。可以考虑用其它的方法调节间隙，如磁力座等。作为螺柱穿透焊工艺的一个部分，人工调节压型板同钢梁之间间隙的方法在工程中发挥了重要作用。因此在螺柱穿透焊工艺中，人工调节压型板同钢梁之间的间隙的工艺方法是不可缺少的。3结束语一项新的工艺的出现，要经历人们由判断认识到接收的过程，在工艺推广应用的前提是同国产RSN2500(中国螺柱焊成都斯达特焊接研究所)的焊机配套使用。（国外进口焊机需要进行试验）为了使这项工艺迅速地得到人们的认可，特把有关技术问题重申如下：（1）主弧电流的选择及稳定螺柱焊接是否牢固？第一因素是螺柱与钢梁电弧燃烧熔化程度是否合格。电弧稳定是其中最关键的因素。为了保证电弧的稳定，电网电压波动不超过5%（电流波动也是5%）以内。有条件的工程，螺柱焊应该单独提供电源。（2）主弧电压的选择与稳定主弧电压是由电弧高度决定，不同的螺柱均有一个最佳高度，而最佳高度的实现就是通过设定:“提升量”即提升高度来实现的。（3）焊接时间的选择与稳定焊接时间过长，弧压增加，气孔增多，飞溅大，焊接时间过短熔化不足，焊接不牢。因此本规范认为，焊接时间允许在12%的范围内变化。否则不能保证质量。（4）螺柱伸出量的选择螺柱的伸出量是决定焊缝包络质量的好坏，也是穿透焊补偿穿透压板型板，吹开镀锌层能量的一种方式，普通螺柱焊的伸出量不能用在穿透焊工程中。（5）焊工培训从操作而