焊枪一般都带有可调节的阻尼装置,以满足上述要求。螺柱焊接时,金属的熔化量正比于伸出长度和螺柱的直径,因此大直径螺柱焊接时,因金属熔化量多,应该调低螺柱的插入速度,以减小这种喷溅。
焊接电流、焊接时间、提升高度和伸出长度是电弧螺柱焊的四个主要焊接工艺参数,应根据螺柱的直径,工件的材质进行设定。对于同一螺柱直径的焊接,使用不同厂家制造的焊接设备,其焊接工艺参数也不尽相同,因此应进行多次试焊,并对焊缝的外观和成型、螺柱焊后高度和力学性能(拉伸、锤击、弯曲、扭力等)评定后,才能选定一组*佳的工艺参数进行焊接。
3.电弧的磁偏吹
由于钢结构的不对称性和接地钳固定点不合理等诸多因素,造成螺柱焊接处附近的磁场分布不均匀,使电弧四周受到的电磁力不平衡,因而产生电弧的磁偏吹现象,致使螺柱四周的焊缝不对称,这在大直径螺柱焊或穿透焊时,由于提升高度较大,因而更容易出现。焊后检查如发现焊缝四周不均匀,或某边根本没有焊肉,或某边焊缝有大量气孔,则应怀疑是磁偏吹造成的,解决的��法有:
a、 设置双接地钳,使焊点尽量在两接地钳的中央,如图1a1。
b、 试着改变接地钳的位置,如图1b1。
c、 设置临时的导磁板,以减少冗余物的影响,或去掉另一边接地钳,如图1C1、图1C2。
d、 将焊接电源的输出电缆线饶焊接点一周。
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4.栓钉穿透焊
栓钉穿透焊是“钢—混凝土组合楼盖板结构”施工中的一项新技术,而且在大型“钢—混凝土结构”建筑中的应用是越来越广泛。所谓栓钉穿透焊是指栓钉(焊钉)通过“镀锌板”焊接在工件(钢梁)上,并与镀锌板熔为一体。栓钉如何通过镀锌板?有两种方法:
①先在镀锌板的焊接部位打(冲)孔,然后再将栓钉焊接在工件上。这种方法的优点是焊接质量容易得到保证,缺点是比较费工费时。国外使用这种方法的较多。
②用电弧将镀锌板烧穿,而后将栓钉焊接在工件上。这种方法的优点是镀锌板穿孔和栓钉焊接一气呵成,简单省时,但有一系列技术问题急待解决,否则其焊接质量很难保证。这些技术问题有:
A、与非穿透焊相比,要烧穿镀锌板就必须附加能量,因此应适当增加焊接电流和焊接时间,否则就会出现未完全熔化的现象。但是如果焊接电流过大也会产生咬边、夹渣等缺陷。
B、穿透镀锌板靠的是稳定的电弧,因此要加大伸出长度和提升高度,特别是镀锌板与工件之间的间隙较大时更应如此。镀锌板与工件之间的间隙按焊接工艺要求应小于1mm,但施工中这一要求很难保证。大的间隙固然可以用机械夹紧的办法予以减小,但实施起来并不容易。成都斯达特焊接工程部根据多年的施工经验,按照上述原则而制订的焊接工艺,有效地解决了这一难题,成功地应用到“苏州国际博览中心”近30万颗φ19×150(120)mm栓钉的穿透焊接(图2)。
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图2 苏州国际博览中心栓钉穿透焊施工现场照片
C、锌的熔点约为420℃,汽化温度为908℃。在栓钉穿透焊时,高温电弧约为3000~4000℃,使镀锌板上的锌迅速汽化和氧化,在焊缝中产生大量的气孔;锌在焊缝中产生的低熔点共晶体可形成热裂纹,这些缺陷都严重影响焊接质量。虽然焊接结束时,通过栓钉的挤压将这些有害物质排出,但要做到完全排净也决非易事。建议在栓钉穿透焊时适当增加栓钉的插入速度,甚至不用焊枪的阻尼装置(视具体情况而定),对排除这些有害物质,提高焊缝的质量是非常有效的。
D、鉴于上述情况,栓钉穿透焊时应选用壁厚和排气孔均已加大的“栓钉穿透焊专用瓷环”,以防因热冲击而破碎和排气不畅。
E、栓钉穿透焊的焊接质量的好坏,除了焊接工艺参数的合理设定和正确的操作外,还与组合楼盖板的施工质量有很大的关系,如上述已提到的镀锌板与钢梁之间的间隙以及两者之间是否有夹渣和钢梁上的涂层等。钢梁上的涂层是防腐的需要,但对于穿透焊而言,尽量使用碳氮化铅类防腐涂料,避免使用红丹防腐涂料和红丹锌黄涂料,而且焊接部位的涂层不应太厚。如果忽视螺柱焊接的这些特殊要求,“生米做成熟饭”,硬要焊工在现场解决这些难题,保证焊接质量,是极不现实的。解决的**办法是把螺柱焊接的这些特殊要求纳入组合楼盖板的设计和施工中去。栓钉穿透焊是个系统工程,只有设计、施工、焊接等诸方面的共同努力,才能获得符合要求的高质量的焊接接头。
5、我国螺柱焊接技术的现状分析
据不完全统计,我国目前螺柱焊机生产厂家只有几家,但能生产系列产品的仅有一家。电容放电螺柱焊机有RSR1-630、1250、1600、2500、3150,可焊φ3~12mm螺柱;电弧螺柱焊机有RSN1-630、1000、1600、RSN2-2500、3150,可焊φ3~30mm螺柱(焊钉)。这些焊接设备基本上能满足手工螺柱焊的市场需求。我国生产的电容放电螺柱焊机的技术性能和可靠性已与进口产品不相上下,有些指标甚至优于进口产品,例如电容充电时间已达到2s,而进口产品大多为4s。所以有些用户已由购置进口产品转而使用国产焊机。但从总体上看,我国螺柱焊接技术与国外相比,仍有不少差距。
5.1国产电弧螺柱焊机的额定*大焊接电流达3150A,可焊φ30mm栓钉,居世界前列。这类焊机与进口产品相比,其焊接电源都是用晶闸管控制,并可连续调节焊接电流。从调节和稳流性能以及可靠性方面考核,差别不大。国内还有两家是用电阻降压的方法分档调节焊接电流,属于落后产品。在控制方面,进口产品都是用微机控制的,而国内则处于研发阶段,还未正式上市。至于焊枪,进口产品寿命较长,设有阻尼装置。另外,进口产品都采用H级绝缘,因而相对体积小、重量轻,但效率较低。总之,进口焊机在控制、焊枪、体积重量、外观质量等方面优于国产焊机,但价格也不菲,近似是国产焊机的3倍。
5.2自动螺柱焊接设备主要应用在汽车行业。汽车上的螺柱焊接有以下要求:
a、螺柱是具有特殊结构的标准螺柱(M3~M8);
b、要可靠焊接在厚0.7~1mm的镀锌(15~25μm)钢板上;
c、要高节奏的自动焊接,并具有焊接质量的重现性;
d、主机应有多路输出接口,以便配备送料机和焊枪,以实现在不同工位焊接不同直径的螺柱。短周期电弧螺柱焊和拉弧式电容放电螺柱焊能满足上述要求,因而在汽车行业得到了广泛应用。前者螺柱焊接的强度要高于后者。在国内,目前自动螺柱焊接设备多处于开发阶段,已成功应用到汽车焊接生产线上的并不多,所以自动螺柱焊接设备的国内市场,基本上由进口产品垄断。
5.3我国螺柱焊接技术与国外的差距还表现在焊接工艺的研究方面,当前*急需开展“栓钉穿透焊、栓钉横焊和仰焊”的工艺研究。这几项焊接工艺,不仅关系到栓钉的焊接合格率,而且还涉及到螺柱焊接能否在更大范围内推广应用。成都斯达特焊接研究所对栓钉穿透焊做了些研究工作,并正进行栓钉的横焊研究。一般认为,能够横焊和仰焊的栓钉直径应≤16mm,但桥梁和高架桥的桥墩、高层建筑和大型体育场馆的立柱、大型码头地脚锚固件等需要大量φ≥19mm的栓钉横焊。因此大直径栓钉的横焊工艺研究具有重要的现实意义。
5.4要在国内推广普及螺柱焊接技术,除了焊接设备和焊接工艺外,还应制订相应的标准和生产配套的螺柱、焊钉和瓷环。当前*急需将ISO13918、ISO14555转化为我国标准,并尽快制订“螺柱焊接工艺”标准,以便统一螺柱焊接工艺、质量检验和工程验收。
6 螺柱焊接技术的发展趋势
螺柱焊接技术的今后发展趋势主要是扩大应用范围、提高螺柱焊接自动化水平和焊接设备的更新换代。其中硬件的发展是关键,即将晶闸管控制的焊接电源升级为逆变式焊接电源。目前逆变使用的开关元件有快速晶闸管和IGBT两种。前者的逆变频率较低,几kHZ,但输出功率较大;后者频率较高,十几kHZ,但输出功率较低。从电源的动特性、体积重量等方面考虑,IGBT应该是发展方向。目前已投入使用的逆变式螺柱焊接电源的输出电流约1000A,可焊φ12mm的螺柱,主要应用在汽车行业。
至于焊枪的发展方向,则是电子控制。目前国内外焊枪大多是通过弹簧的伸缩来控制螺柱的升降,其可控性是相当有限的。如果采用步进电机或伺服电机控制,就可按工艺要求**地控制螺柱的运动,焊接质量更能得到保证。特别是桥梁维修所需的大直径超长的异型棒状焊钉的平焊、横焊和仰焊,则非使用这种先进的焊枪不可。事实上,有些国家已研制成功这种焊枪,并已应用到焊接工程上。
用微机控制的逆变式螺柱焊接设备,不仅能**设置和记录、贮存焊接参数,而且还能在焊接过程中适时检测、显示,并自动调整焊接参数,以保证焊接质量,重现性极好。相信再过若干年,2500A的这种焊接设备的重量将由现在的几百公斤大幅度下降,焊机的搬动将更加方便。