鋼筋預(yù)埋件焊接技術(shù)綜述

張曉冬，張國(guó)范，劉金平，李竹淵，潘國(guó)偉，王毅

1.中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

2.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司 北京 101300

3.中核高效智能化焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 101300

1 序言

鋼筋預(yù)埋件施工作為電站建設(shè)、核工程建設(shè)等施工中的重要環(huán)節(jié)，其焊接質(zhì)量及焊接效率提升是保障項(xiàng)目高效順利實(shí)施的重要基礎(chǔ)。建筑工程中的預(yù)埋件分為錨筋和錨板兩個(gè)部分，錨筋需埋入混凝土中，通常使用圓鋼制作，而錨板則是設(shè)置在混凝土表面，使用角鋼和其他類(lèi)型的鋼材制作。鋼筋預(yù)埋件焊接屬于隱蔽工程的工種，因此對(duì)預(yù)埋件的預(yù)制方式、規(guī)格尺寸及焊接工藝等都有著極高的要求。

目前，行業(yè)內(nèi)對(duì)鋼筋預(yù)埋件焊接技術(shù)的研究及應(yīng)用比較廣泛，研究方向及內(nèi)容縱橫不同，因此有必要對(duì)其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜合性的調(diào)研，為進(jìn)一步研究探索鋼筋預(yù)埋件焊接技術(shù)提供借鑒，促進(jìn)預(yù)埋件施工技術(shù)難點(diǎn)研究、施工工藝優(yōu)化革新，逐步形成我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)鋼筋預(yù)埋件焊接技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展，最終達(dá)到更高施工質(zhì)量及效率的應(yīng)用目的。

2 鋼筋預(yù)埋件焊接方法介紹

鋼筋預(yù)埋件的焊接方法主要是焊條電弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊等。另外，針對(duì)焊接特點(diǎn)及形式，還有埋弧螺柱焊、埋弧壓力焊、摩擦塞焊及電渣壓力焊等。

2.1 焊條電弧焊

在現(xiàn)場(chǎng)鋼筋預(yù)埋件焊接中，常用的焊接方法為焊條電弧焊。焊條電弧焊的工藝控制受人為因素影響較多，在焊接時(shí)需合理控制焊槍高度，確保在引弧、維弧、熄弧之間的緊密配合，并合理控制焊接電流的大小，電流不宜過(guò)大，以防咬邊和燒傷的產(chǎn)生。在采用穿孔塞焊時(shí)，可在內(nèi)側(cè)加焊一圈角焊縫，提高接頭強(qiáng)度，使預(yù)埋件和鋼筋板實(shí)現(xiàn)有效連接[1]。

2.2 埋弧螺柱焊

采用焊槍夾頭將鋼筋?yuàn)A緊，垂直頂壓在鋼板上，當(dāng)擋圈內(nèi)注滿焊劑后，在鋼筋與鋼板接觸點(diǎn)的瞬間提拉鋼筋，通過(guò)輸出強(qiáng)電流引弧，在短暫燃燒后，鋼筋底部和鋼板表面熔化形成熔池，控制合理的焊接電流和焊接時(shí)間，將鋼筋端部插入熔池，啟動(dòng)延時(shí)斷電，停息數(shù)秒，去掉渣殼后則焊接完成，工藝過(guò)程如圖1所示[2]。

圖1 鋼筋預(yù)埋件埋弧螺柱焊工藝過(guò)程

埋弧螺柱焊技術(shù)運(yùn)用熔劑埋弧的方法對(duì)熔池和焊縫進(jìn)行有效保護(hù)，焊接過(guò)程中熔池表面會(huì)形成熔渣膜，使液態(tài)金屬與空氣完全分隔開(kāi)，防止合金元素的氧化、蒸發(fā)燒損，穩(wěn)定焊接整體過(guò)程，提高焊接質(zhì)量。

2.3 埋弧壓力焊

相對(duì)于埋弧螺柱焊，埋弧壓力焊實(shí)現(xiàn)了低密度交流焊接，同時(shí)還不需要對(duì)鋼筋端面進(jìn)行加工，簡(jiǎn)化了施工流程，提升了焊接效率，且焊縫成形好、經(jīng)濟(jì)成本低，在大批量生產(chǎn)時(shí)經(jīng)濟(jì)效益尤為顯著。其原理為在鋼筋與鋼板端面間形成留有間隙的T形接頭，再把鋼板安放在銅電極上，機(jī)頭夾緊，在焊劑層中產(chǎn)生高頻電弧加熱，緩慢提拉鋼筋并緩慢下放，熔化鋼筋根部和鋼板，待整體加熱完成后，最后施加壓力完成焊接[3]。

2.4 摩擦塞焊

在待焊的工件上開(kāi)錐形孔，頭部為錐形的塞棒被夾持固定在卡盤(pán)上，卡盤(pán)帶動(dòng)塞棒旋轉(zhuǎn)，塞棒一邊工進(jìn)、一邊高速旋轉(zhuǎn)，使摩擦面緊密接觸產(chǎn)生充分的摩擦熱，塞棒和錐形面形成熔融金屬狀態(tài)后，控制高速旋轉(zhuǎn)的塞棒迅速制動(dòng)急停，待熱量逐漸散失，保持軸向壓力以獲得高質(zhì)量的接頭[4]。

2.5 電渣壓力焊

電渣壓力焊是將兩根鋼筋豎向?qū)?，利用電流通過(guò)兩根鋼筋間隙時(shí)在焊劑層下形成的電弧和電渣過(guò)程，產(chǎn)生電弧熱和電阻熱，熔化鋼筋，加壓完成焊接。它包括引弧過(guò)程、電弧過(guò)程、電渣過(guò)程和頂壓過(guò)程[5]。在埋弧壓力焊鋼筋向上提拉較少時(shí)，鋼筋底部斷面容易與底部熔池相連，電弧熄滅后很容易成為電渣焊。在焊接過(guò)程中如果操作或焊接參數(shù)選擇不當(dāng)，則電渣壓力焊容易產(chǎn)生各種缺陷，如接頭偏心或傾斜、咬邊、末熔合、氣孔、表面燒傷及夾渣等[6]。電渣壓力焊操作簡(jiǎn)單、耗材低，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

3 鋼筋預(yù)埋件焊接研究現(xiàn)狀概述

施工作業(yè)中需要安裝大量的預(yù)埋件，普遍使用焊條電弧焊進(jìn)行預(yù)埋件的焊接生產(chǎn)，傳統(tǒng)焊接方法生產(chǎn)效率低，焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接質(zhì)量參差不齊。近年來(lái)，對(duì)于預(yù)埋件焊接的研究，工藝方面主要致力于高質(zhì)量化、高效率化，而裝備方面則朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。

崔杰等[7]在“華龍一號(hào)”核電站預(yù)埋件施工過(guò)程中，通過(guò)滲透檢測(cè)結(jié)果總結(jié)發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了組對(duì)間隙與穿孔塞焊裂紋缺陷產(chǎn)生率存在關(guān)系，并結(jié)合實(shí)際焊接需求設(shè)計(jì)了與其對(duì)應(yīng)的組對(duì)定位工裝，如圖2所示。此工裝通過(guò)對(duì)應(yīng)預(yù)埋件尺寸的底板，在相應(yīng)規(guī)格穿孔塞焊位置預(yù)先固定好高度為2mm的墊塊，工裝底板邊緣安裝限位板來(lái)快速對(duì)齊鋼板，再通過(guò)輔助桿垂直固定鋼筋后實(shí)施定位焊，實(shí)現(xiàn)鋼筋快速且準(zhǔn)確地定位。對(duì)采用定位工裝后加工的兩個(gè)批次預(yù)埋件進(jìn)行了100%滲透檢測(cè)，結(jié)果均合格，解決了裂紋產(chǎn)生的問(wèn)題。

圖2 定位工裝

張加濤[8]采用LD10鋁合金平板和鋁合金塞棒進(jìn)行摩擦塞焊工藝試驗(yàn)研究，在參數(shù)選定時(shí)，棒/板配合角度55°/50°、二級(jí)焊接速度130mm/min、二級(jí)焊接時(shí)間1s、摩擦/頂鍛壓力39/40kN為較佳的焊接參數(shù)。采用較佳的焊接參數(shù)，對(duì)厚度為3mm 和4mm的LD10板材進(jìn)行摩擦塞焊，可以獲得高質(zhì)量的摩擦塞焊焊縫，接頭強(qiáng)度可達(dá)到母材強(qiáng)度的80%，能滿足產(chǎn)品Ⅰ級(jí)焊縫強(qiáng)度的要求。

摩擦塞焊設(shè)備如圖3所示。

圖3 摩擦塞焊設(shè)備

趙旭東等[9]研發(fā)了一種適用于預(yù)埋件的埋弧螺柱智能化焊接設(shè)備，如圖4所示。該設(shè)備設(shè)計(jì)為單焊機(jī)配備雙焊槍兩個(gè)工作單元單獨(dú)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，配一套總控系統(tǒng)控制兩個(gè)工作單元；可讀取多種CAD圖樣，做到焊點(diǎn)的精準(zhǔn)定位、焊機(jī)的瞬間放電，以及焊劑的定量自動(dòng)注入和回收。

圖4 埋弧螺柱智能化焊接設(shè)備示意

山東核電設(shè)備制造有限公司[10]對(duì)鋼筋穿孔塞焊在一定傾斜角度下的GMAW自動(dòng)化焊接工藝進(jìn)行了研究，通過(guò)試驗(yàn)研究了焊接路徑、焊接姿態(tài)、焊接氣體成分等GMAW工藝因素對(duì)穿孔塞焊接頭在傾斜位置下焊縫成形的影響。結(jié)果表明，采用360°順逆交替和細(xì)化層道可以有效控制熔池下淌，保證表面余高在2mm 以?xún)?nèi)；當(dāng)焊槍工作角調(diào)整為15°且焊接方向角為6°～10°時(shí)，電弧力可有效抵消重力切向分量的影響，有效避免側(cè)壁和層間未熔合缺陷。相比98%Ar＋2%O2混合氣體，80%Ar＋20%CO2能明顯提高熔池金屬的表面張力，有助于穿孔塞焊表面及根部焊道成形。

修延飛等[11]通過(guò)閥值分割和骨架細(xì)化處理后的激光圖像獲得特征數(shù)據(jù)，并結(jié)合離散數(shù)據(jù)模擬關(guān)系曲線建立了一套針對(duì)穿孔塞焊復(fù)雜工況下特征量的識(shí)別算法，通過(guò)對(duì)比采樣數(shù)據(jù)對(duì)該算法的提取精度進(jìn)行了誤差分析。結(jié)果表明，圓心坐標(biāo)在x、y方向的誤差都在±0.2 mm 的范圍之內(nèi)，角度偏差在Rx、Ry方向的誤差都在±0.2°的范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了穿孔塞焊接頭特征提取的高精度和可靠性。

4 鋼筋預(yù)埋件焊接的生產(chǎn)應(yīng)用

陳俊星[12]研究了機(jī)器人拉筋塞焊板孔視覺(jué)識(shí)別，并設(shè)計(jì)了基于十字結(jié)構(gòu)光條的拉筋孔機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，將十字光光條的提取應(yīng)用到了拉筋孔的二維定位中，將激光三角法應(yīng)用到了對(duì)拉筋孔工件的測(cè)距中，完成了對(duì)拉筋孔的焊接自動(dòng)化，其機(jī)器人視覺(jué)定位系統(tǒng)的定位精度可達(dá)到0.4081mm，基本符合拉筋孔工業(yè)生產(chǎn)精度要求。

螺柱焊在水輪機(jī)組件中鋼筋預(yù)埋件焊接的應(yīng)用也較為廣泛，浙江富春江水電設(shè)備股份有限公司[13]使用帶陶瓷套的電弧螺柱焊，單個(gè)螺柱的焊接過(guò)程時(shí)間為0.85～3s，速度為8～10個(gè)/min，熱變形小。焊縫受瓷套保護(hù)，焊后質(zhì)量穩(wěn)定性好，焊接效率高，多個(gè)焊縫焊腳高度相當(dāng)，產(chǎn)品較美觀。在水輪發(fā)電機(jī)組預(yù)埋件中，如尾水錐管、尾水管里襯、內(nèi)外殼體等部件的螺柱焊接應(yīng)用效果良好。

中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司[14]在橋梁復(fù)合曲面摩擦擺式減隔振支座設(shè)計(jì)中，采用上下預(yù)埋鋼板錨固后再與支座焊接的連接方式，為防止焊接過(guò)程中鋼板受熱變形，采用鉆孔塞焊的方式進(jìn)行焊接，坡口形式為雙面設(shè)坡口的“雙耳形”焊縫（見(jiàn)圖6a）。焊接時(shí)采用雙人雙機(jī)按工藝規(guī)劃焊接方向及順序（見(jiàn)圖6b），分6組對(duì)稱(chēng)焊接，使得錨筋與預(yù)埋鋼板能平緩過(guò)渡，降低了應(yīng)力集中的程度，使焊縫受力更加合理，達(dá)到較好的變形控制效果，實(shí)際施工檢測(cè)表明，上述施工工藝保證了施工質(zhì)量。

圖6 焊縫坡口形式及分段形式焊接方向

中國(guó)核工業(yè)二二建設(shè)有限公司[15]采用焊接機(jī)器人搭配熔化極氣體保護(hù)焊電源，在核電站建筑結(jié)構(gòu)預(yù)埋件焊接工程中實(shí)現(xiàn)了預(yù)埋件穿孔塞焊自動(dòng)焊接，該焊接設(shè)備設(shè)計(jì)有柔性焊接工裝（見(jiàn)圖7），不僅可滿足焊前預(yù)埋件的定位精度，還可適用于不同規(guī)格預(yù)埋件的定位夾緊。該自動(dòng)化焊接通過(guò)工裝和預(yù)埋件下料精度保證定位精度的方式，焊接效率相較人工提高1倍，質(zhì)量可靠，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。

圖7 焊接設(shè)備+焊接工裝

5 質(zhì)量檢測(cè)

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)中對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求持續(xù)提高，質(zhì)量檢測(cè)及其控制的目的在于定量掌握缺陷與強(qiáng)度的關(guān)系，評(píng)價(jià)構(gòu)件的允許負(fù)荷、壽命或剩余壽命、構(gòu)件在制造和使用過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷情況，并反推制造工藝的進(jìn)步。

梁新亞等[16]通過(guò)分析總結(jié)現(xiàn)有的施工管理經(jīng)驗(yàn)，提出了預(yù)埋件施工相應(yīng)的質(zhì)量控制措施，為工程技術(shù)人員提供了參考和借鑒。

杜晞盟[17]針對(duì)核電燃料元件端塞的檢測(cè)提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的解決辦法。傳統(tǒng)端塞檢測(cè)方式是人工檢測(cè)，一方面檢測(cè)效率低，另一方面檢測(cè)準(zhǔn)確率不穩(wěn)定。針對(duì)這些問(wèn)題設(shè)計(jì)采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行端塞缺陷的檢測(cè)，用于檢測(cè)端塞元件側(cè)表面缺陷和中心缺陷，同時(shí)開(kāi)發(fā)了對(duì)應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)與測(cè)試軟件。測(cè)試平臺(tái)采用可旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、前向打光、線陣相機(jī)，以及背向打光、面陣相機(jī)這兩種方案分別對(duì)兩種缺陷進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于側(cè)表面缺陷可達(dá)到86%的準(zhǔn)確率，對(duì)于中心孔缺陷的檢測(cè)可達(dá)到90%的準(zhǔn)確率，基本滿足檢測(cè)要求。

楊世輝[18]開(kāi)發(fā)了一種基于機(jī)器視覺(jué)的端塞焊坡口在線檢測(cè)系統(tǒng)（見(jiàn)圖8），用于某核電燃料元件生產(chǎn)企業(yè)鋯管元件端塞焊自動(dòng)化檢測(cè)改造項(xiàng)目。該系統(tǒng)完成了對(duì)成像系統(tǒng)的搭建，且成像效果穩(wěn)定，搭建自動(dòng)對(duì)焦硬件平臺(tái)，分別實(shí)現(xiàn)軟件平臺(tái)上位機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的編寫(xiě)，軟件具備登錄模塊、主界面模塊、視覺(jué)調(diào)試模塊、元件包信息錄入模塊和缺陷檢測(cè)模塊。該檢測(cè)系統(tǒng)已投產(chǎn)運(yùn)行，單根鋯管元件檢測(cè)時(shí)間9.8s，檢測(cè)率100%，準(zhǔn)確率＞99.99%。

圖8 在線檢測(cè)系統(tǒng)

6 展望

本文對(duì)鋼筋預(yù)埋件相關(guān)的焊接技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研分析，總結(jié)了比較常見(jiàn)的用于預(yù)埋件塞孔焊接的焊接方法及其原理，并概述了鋼筋預(yù)埋件焊接技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，包括不同材質(zhì)及焊接方法的工藝研究和先進(jìn)設(shè)備制造，特別對(duì)目前機(jī)器人焊接關(guān)鍵技術(shù)研究情況進(jìn)行了重點(diǎn)論述。

未來(lái)機(jī)器人焊接代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工焊接成為大勢(shì)所趨，焊接機(jī)器人的創(chuàng)新和應(yīng)用大力推動(dòng)了各領(lǐng)域焊接工業(yè)的發(fā)展，有效提高了焊接效率。相信在不久的將來(lái)，焊接機(jī)器人將朝著多元化、智能化方向發(fā)展，這對(duì)未來(lái)焊接工業(yè)的發(fā)展將起到重要推動(dòng)作用，同時(shí)也將對(duì)其他領(lǐng)域智能機(jī)器人的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。