摘要  文章介绍“埋弧螺柱焊机”的性能、特点及其应用范围。使用RSM-3150-2埋弧螺柱焊机焊接的钢筋直径已达到Φ32mm。成都斯达特焊接研究所研制的RSM-2500-2已成功应用到国家体育场（北京鸟巢）预埋件Φ20mm钢筋埋弧焊接，其焊缝外观、力学性能均达到了有关标准的规定，并进行了宏观金相和金相组织的检查。
关键词  埋弧螺柱焊机  螺柱焊   预埋件焊接
 
在大型钢——混凝土结构建筑、体育场馆、展览馆及桥梁建设中都有大量的预埋件焊接。预埋件的焊接类型除了板——板焊接、钢筋对焊外，还有大量的板——钢筋焊接。因此，研制钢筋焊接专用焊机——埋弧螺柱焊机，并探讨其焊接特性，对满足预埋件的焊接需要及提高其焊接质量具有重要意义。
1 埋弧螺柱焊机的结构及其特点
1．1埋弧螺柱焊机的构成及应用范围
 
埋弧螺柱焊机是由焊接电源、控制器、焊接电缆、接地钳和施焊器具---焊枪等部份组成。焊机的主要性能指标见表1。焊接电源是由晶闸管控制的直流电源，焊接电流连续可调。
 
表1    埋弧螺柱焊机的主要性能指标

产品型号	额定焊接电流 A	负载电压 V	负载持续率 %	焊接时间 S	焊接钢筋直径 mm
RSM-2500-2	2500	≥600A时 ≡44	≤15	0～8	10～22
RSM-3150-2	3150			0～8	16～32

 
当电源电压波动+10%～-15%时，其输出电流变化±4%。焊接电源通常与控制器合并为一体，称为主机。焊枪有手持式和落地式两种。手持式焊枪只能用于≤Φ20mm的钢筋焊接；落地式焊枪则用于>Φ20mm的钢筋焊接。因为大直径的钢筋很重，如Φ32×700mm的钢筋，其自重为4.34kg，再加上“内锚板”的重量，可达到6kg以上。因此，需要设计特殊的提升装置，才能满足焊接的需要。
埋弧螺柱焊机按已设定的程序自动进行焊接。当调好提升高度，夹紧钢筋，并装好焊剂后，按启动开关→引弧→提升→引燃主弧→焊接时间到→钢筋插入熔池→断弧，焊接结束。
分别使用RSM-2500-2、RSM-3150-2焊机焊接Φ20mm、Φ32mm钢筋试件见图1。
埋弧螺柱焊实际上是埋弧焊与电弧螺柱焊两种焊接方法的有机结合，是电弧螺柱焊机的一个派生系列，其焊机的结构、焊接程序和钢筋（栓钉）的夹持方法都与电弧螺柱焊机极其相似。 
a)Φ20mm钢筋                           b) Φ32mm钢筋
图1    钢筋“埋弧螺柱焊”试件
（钢筋：HRB400    钢板：12mm  Q345B）
埋弧螺柱焊机主要应用于大直径（≥Φ20mm）螺纹钢的焊接。因为钢筋的表面凹凸不平，使用瓷环保护，其效果不佳。通过对瓷环保护的钢筋焊接试件的金相检查，发现焊缝内有大量的气孔，这无疑降低了焊接接头的力学性能，而用埋弧螺柱焊焊接的接头，其焊缝内很少找到气孔、夹渣、裂纹等缺陷，这说明埋弧螺柱焊是钢筋焊接的理想方法。
1. 2埋弧螺柱焊的特点
   埋弧螺柱焊具有以下特点：
   a)  对熔池和焊缝的有效保护
预埋件焊接，多数是大直径的钢筋，如Φ32mm的钢筋。如何保护这样大的焊接熔池，是能否得到高质量焊缝的关键。采用焊剂埋弧的办法，可使焊接时形成的熔渣薄膜覆盖在熔滴和熔池的表面，把液态金属与空气隔开，防止氧化、氮化和合金元素的蒸发和烧损，使焊接过程稳定。比重较轻的熔渣凝固后形成的渣壳覆盖在焊缝上，防止处于高温状态的焊缝金属免受空气的侵害，从而提高了焊缝的质量。
另外，采用埋弧的焊接方法，还可以稳定电弧，避免飞溅和弧光辐射，改善了劳动条件，增加了操作的舒适性。
   b)  冶金反应充分
    焊接时，金属熔液与焊渣之间能够发生一系列的物化反应，不仅能除去焊缝中的有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷、去氢等，避免焊缝出现气孔，而且还可以使焊缝金属合金化，改善焊缝的性能。
   c)  熔深大，焊缝强度高
埋弧螺柱焊的焊接电流大（1000～3150A），电弧的穿透能力强，而焊接时间又短（仅几秒钟），热量损失少，因此能得到大的熔深和小的热影响区，从而提高了焊接接头的力学性能。
   d)  将钢筋插入熔池
当焊接结束时，对钢筋施加压力，使之插入熔池，以获得高强度的焊接接头。
  e)  高高隆起的焊缝
用埋弧螺柱焊焊接的试件，其外观的一个显著特点是高高隆起的光亮的焊缝，其高度一般都超过6mm，见表2。对于Φ32mm钢筋的焊缝高度均超过8mm，这无疑又增加了焊接接头的力学强度。
总之，埋弧螺柱焊是一种新方法，具有“埋弧”、“压力”和高强度及快速的特点，其焊缝的力学性能达到或超过母材，在预埋件的钢筋焊接时完全能代替手工电弧焊和穿孔塞焊。与交流压力埋弧焊相比，焊接速度快、焊缝强度高是其突出的特点。
2 钢筋埋弧焊接的工艺试验
2．1预埋件对焊接的要求
国家体育场（北京鸟巢）需要焊接一批“柱脚极和支撑搭架”预埋件。预埋件的焊接结构分两类，如图2中的a)和b),其中对锚筋和锚板的要求如下：
  锚筋：Φ20mm，HRB400       内锚板：20×80×80mm，Q345B
  外锚板：30×500×500mm，30×540×860mm，Q345B
 
图2   钢筋埋弧焊接的预埋件结构
对于图2a)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30×500×500mm和30×540×860mm的外锚板上。对于图2b)所示结构，将锚筋按规定的间隔直接焊接在30×500×500mm的外锚板上。预埋件的所有埋弧焊接均应在熔剂层下进行。焊缝的力学性能应不小于母材。焊后锚筋的倾斜度应小于1°。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. 2钢筋埋弧焊接的工艺试验
成都斯达特焊接研究所使用埋弧螺柱焊机进行了工艺试验，试验结果如表2，试验条件如下：
  使用焊机：RSM-2500-2       钢筋：Φ20mm,HRB400
  钢板：12mm, Q345B          焊剂：HJ431
表2    钢筋埋弧焊接工艺试验情况

焊接电流 格	焊接时间 格	提升高度 mm	钢  筋  长  度 mm			焊  缝  成  型
			焊前	焊后	熔化量	高度mm	直径mm	包络情况
3.5	5	3	321	316	5	7.5	27	360°连续
3.5	5	4	337	331	6	10.5	29	360°连续
3.5	5	4	331	324	7	7	27	360°连续
3.5	5	3	310	303	7	6	28	360°连续
3.5	5	4	235	228	7	7	27	360°连续
3.5	5	4	278	271	7	6	27	360°连续
3.5	5	4	326	319	7	9	27	360°连续
3.5	5	4	246	238	8	8	27	360°连续

从表2的试验数据可以归纳几点看法：
a)  就Φ20mm钢筋而言，按上述工艺参数进行焊接，其试件的焊缝均360°连续，焊缝高度平均7.5mm，焊缝宽度平均3.7mm，这是其它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。
b)  在焊接电流和焊接时间确定的情况下，提升高度的调节或测量偶有误差，但对焊缝成型并无太大影响。这一方面说明了埋弧螺柱焊焊接的稳定性，另一方面则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。
2. 3埋弧螺柱焊的质量检验
按表2的工艺参数焊接了5个试件，送西南交大，按美国ANSI/AWSD1.1-98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^#试件钢板的两侧钢筋均用埋弧螺柱焊，而5^#试件钢板的一侧用埋弧螺柱焊，另一侧则用电弧螺柱焊，这3个试件做拉伸试验；3^#、4^#试件做弯曲试验。检验结果，1^#、2^#、3^#、4^#试件全部合格，见表3。5^#试件做拉伸试验时，用电弧螺柱焊焊接的钢筋，在焊接部位断裂，焊接区域内还有不少气孔，见图3。
表3   埋弧螺柱焊焊接质量的检验情况

NO	公称直径mm	焊 缝 外 观 检 查			弯曲30°试验		拉  伸  试  验
		焊脚包 络情况	有无气 孔裂纹	有无其它缺陷	焊脚有无断裂	焊脚有无裂纹	实测直径mm	截面积 mm²	断裂  载荷  kN	抗拉强度MPa	断裂 部位
1	20	360°均有	无	无			19.7	304.8	160	525	钢筋
2		360°均有	无	无			19.8	307.9	170	552	钢筋
3		360°均有	无	无	无	无
4		360°均有	无	无	无	无
5		360°均有	有气孔	无			19.9	311.0	125	402	焊缝

注：5^#试件，用电弧螺柱焊焊接的焊缝表面有气孔；拉伸时，焊缝断裂。
  
                       a)钢筋断裂       b)焊缝断裂（用电弧螺柱焊）
图3 试件拉伸试验的断裂部位
从5个试件的检验结果可以看出 :
a)  用埋弧螺柱焊的焊接方法，其焊缝外观和力学性能均达到了有关标准的规定，能满足预埋件对钢筋焊接的要求。
b) RSM-2500-2埋弧螺柱焊机的性能稳定，可以应用到预埋件钢筋的焊接。
c)  对于Φ20mm钢筋的焊接，采用电弧螺柱焊的焊接方法，其焊缝的力学性能达不到母材的强度。主要问题是熔池的保护不好。
2. 4焊缝的宏观金相和金相组织的检验
对埋弧螺柱焊做了宏观金相和金相组织的检验。
a) 宏观金相检查
   焊缝内未发现气孔、夹渣、裂纹等缺陷。
b) 金相组织检验
对焊缝组织、钢筋和钢板母材组织（带状铁素体+珠光体）及焊后粗晶区组织进行了观察，其金相组织与附录所示照片基本相同。
3 埋弧螺柱焊在预埋件焊接中的应用
Φ20mm钢筋埋弧螺柱焊的焊接工艺评定后，就使用RSM-2500-2焊机,按表2编制的焊接工艺对图2所示预埋件进行试焊。试焊中遇到的主要问题是焊接挤出的金属没有与钢筋的表面完全粘合在一起，部分地方有沟槽，而且这些部位还很容易出现夹渣缺陷。通过分析，认为可能由以下原因引起：
a) 焊接电流小或焊接时间短，使焊接的能量不足，造成熔池小，冷却快。
b) 焊接结束时，压力过大，使钢筋插入熔池过深，以致于挤出的金属熔液与钢筋温度较低的部分不能有机地结合，而出现沟槽。
解决的办法是增加焊接电流或加大焊接时间，或减小钢筋插入熔池的压力。
试焊中遇到的另一个问题是偏弧，造成四周焊缝不均匀。解决的办法是变更接地点的位置，或采取其他的办法^（1）以均衡钢筋焊接点附近的磁场。
采取上述措施后，焊缝的外观有了明显的改善：四周比较均匀，焊缝金属与钢筋侧面之间的熔合情况较好。焊接试件送“冶金工业工程质量监督总站检测中心”进行宏观金相和金相组织检查，见附录，其情况如下：
a) 宏观金相
焊缝与钢板之间无气孔、夹渣 、裂纹等缺陷，见附录照片1。但钢筋表面与焊缝金属上部之间分别有3mm和1.5mm两处未熔合；1.5mm未熔合处附近有一个Φ0.3mm夹渣。
b) 金相组织
对焊缝区及钢筋侧和钢板侧的热影响区（粗粒区、细晶区、不完全重结晶区）的金相组织分别进行了放大观察，见附录照片2、3、4、5、6。照片经专家分析、评定后认为：用埋弧螺柱焊方法进行的钢筋“T型焊”，其焊缝和热影响区的金相组织比较好，能满足预埋件对焊接的要求。
4 结束语
埋弧螺柱焊是一种科学实用的焊接方法，其使用范围是大直径（≥Φ20mm）的螺纹钢焊接，特别适合于不同直径的钢筋“T型焊”。使用RSM-3150-2焊机焊接的钢筋直径已达到Φ32mm；RSM-2500-2焊机成功应用到国家体育场（北京鸟巢）Φ20mm钢筋预埋件的焊接，经过焊缝的外观检查、力学性能的检验及宏观金相的检查，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，为钢结构建筑行业钢筋T型焊和大直径的栓钉焊接开辟了新的道路。
 
附录  钢筋“埋弧螺柱焊”试件检验项目及结果
 
一、宏观金相
   1.取样、制样：
样品为委托方焊接取样：采用与焊接方向垂直的截面做为试验面，将该试验面冷加工磨削后，再手工精磨抛光，用硝酸水溶液腐蚀。
   2.宏观观察：
在腐蚀后的样品上观察，钢筋与焊缝金属的两侧边分别有3mm和1.5mm两处未熔合，在1.5mm未熔合之下还有一个小夹渣，大约为Φ0.3mm；焊缝与钢板之间无缺陷，见照片1。
二、金相组织
   1.取样、制样：在委托方送检的宏观样品上截取1块金相样品，上面保存有焊缝区和钢板侧、钢筋侧的热影响区部位。对截取的金相样品的试验面精磨、抛光后，用硝酸酒精溶液腐蚀。
   2.金相观察：
    1）  焊缝区：组织为先共析铁素体沿原奥氏体柱晶晶界析出，沿铁素体边缘有一些珠光体析出，柱晶晶内大多为粒状贝氏体和针状铁素体交叉混合分布，还有部分方向性分布的粒状贝氏体和少量侧板条贝氏体，所有的粒状贝氏体中的岛状相和侧板条贝氏体多数已分解。见照片2。
照片3为焊缝与钢筋侧焊接的熔合区，照片中左下为焊缝区，右上为钢筋侧热影响区粗晶区。
照片5为焊缝与钢板侧焊接的熔合区，照片中左下为焊缝区，右上为钢板侧热影响区粗晶区。
    2）  钢筋侧热影响区：
粗晶区：可看到原奥氏体粗大晶粒边界有铁素体分布，沿铁素体边缘有一些珠光体组织；晶内多数为粒状贝氏体和针状铁素体交叉混合分布，还有一些自晶界向晶内生长分布的粒状贝氏体和侧板条贝氏体。粒状贝氏体中的岛状相和侧板条贝氏体大多都已分解。见照片4。
细晶区：组织没有根本变化，只是晶粒明显小于粗晶区。本区域组织与以往其它建筑用钢材相比，再热后晶粒细化程度较差。
不完全重结晶区：铁素体、珠光体及少量保留有方向性粒状贝氏体的形貌组织，粒贝和侧板条贝氏体形貌的组织基本全部分解。
    3）  钢板侧热影响区：
粗晶区：有少量先共析铁素体沿原奥氏体晶界析出，晶内多数为方向性分布的粒状贝氏体和侧板条贝氏体，还有一些粒状贝氏体、针状铁素体交叉混合分布的组织；粒贝中的岛状相部分已分解。见照片6。
细晶区：晶粒明显细化，组织为铁素体、珠光体和仍保持方向分布的粒状贝氏体，粒贝中岛状相已全部分解。
不完全重结晶区：多数为铁素体和珠光体组织 呈带状分布，还残留有方向性粒状贝氏体形貌的组织，其中的岛状相全部分解。