鋼筋預埋件焊接技術綜述

張曉冬，張國范，劉金平，李竹淵，潘國偉，王毅

1.中國核工業二三建設有限公司 北京 101300

2.核工業工程研究設計有限公司 北京 101300

3.中核高效智能化焊接重點實驗室 北京 101300

1 序言

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

目前，行業內對鋼筋預埋件焊接技術的研究及應用比較廣泛，研究方向及內容縱橫不同，因此有必要對其發展現狀進行綜合性的調研，為進一步研究探索鋼筋預埋件焊接技術提供借鑒，促進預埋件施工技術難點研究、施工工藝優化革新，逐步形成我國具有自主知識產權的關鍵技術，促進鋼筋預埋件焊接技術的高質量發展，最終達到更高施工質量及效率的應用目的。

2 鋼筋預埋件焊接方法介紹

鋼筋預埋件的焊接方法主要是焊條電弧焊、熔化極氣體保護焊等。另外，針對焊接特點及形式，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

在現場鋼筋預埋件焊接中，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，電流不宜過大，以防咬邊和燒傷的產生。在采用穿孔塞焊時，可在內側加焊一圈角焊縫，提高接頭強度，使預埋件和鋼筋板實現有效連接[1]。

2.2 埋弧螺柱焊

采用焊槍夾頭將鋼筋夾緊，垂直頂壓在鋼板上，當擋圈內注滿焊劑后，在鋼筋與鋼板接觸點的瞬間提拉鋼筋，通過輸出強電流引弧，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間，將鋼筋端部插入熔池，啟動延時斷電，停息數秒，去掉渣殼后則焊接完成，工藝過程如圖1所示[2]。

圖1 鋼筋預埋件埋弧螺柱焊工藝過程

埋弧螺柱焊技術運用熔劑埋弧的方法對熔池和焊縫進行有效保護，焊接過程中熔池表面會形成熔渣膜，使液態金屬與空氣完全分隔開，防止合金元素的氧化、蒸發燒損，穩定焊接整體過程，提高焊接質量。

2.3 埋弧壓力焊

相對于埋弧螺柱焊，埋弧壓力焊實現了低密度交流焊接，同時還不需要對鋼筋端面進行加工，簡化了施工流程，提升了焊接效率，且焊縫成形好、經濟成本低，在大批量生產時經濟效益尤為顯著。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，機頭夾緊，在焊劑層中產生高頻電弧加熱，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

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

2.5 電渣壓力焊

電渣壓力焊是將兩根鋼筋豎向對接，利用電流通過兩根鋼筋間隙時在焊劑層下形成的電弧和電渣過程，產生電弧熱和電阻熱，熔化鋼筋，加壓完成焊接。它包括引弧過程、電弧過程、電渣過程和頂壓過程[5]。在埋弧壓力焊鋼筋向上提拉較少時，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。在焊接過程中如果操作或焊接參數選擇不當，則電渣壓力焊容易產生各種缺陷，如接頭偏心或傾斜、咬邊、末熔合、氣孔、表面燒傷及夾渣等[6]。電渣壓力焊操作簡單、耗材低，具有良好的技術經濟效果。

3 鋼筋預埋件焊接研究現狀概述

施工作業中需要安裝大量的預埋件，普遍使用焊條電弧焊進行預埋件的焊接生產，傳統焊接方法生產效率低，焊工的勞動強度大，焊接質量參差不齊。近年來，對于預埋件焊接的研究，工藝方面主要致力于高質量化、高效率化，而裝備方面則朝著自動化、智能化的方向發展。

崔杰等[7]在“華龍一號”核電站預埋件施工過程中，通過滲透檢測結果總結發現并驗證了組對間隙與穿孔塞焊裂紋缺陷產生率存在關系，并結合實際焊接需求設計了與其對應的組對定位工裝，如圖2所示。此工裝通過對應預埋件尺寸的底板，在相應規格穿孔塞焊位置預先固定好高度為2mm的墊塊，工裝底板邊緣安裝限位板來快速對齊鋼板，再通過輔助桿垂直固定鋼筋后實施定位焊，實現鋼筋快速且準確地定位。對采用定位工裝后加工的兩個批次預埋件進行了100%滲透檢測，結果均合格，解決了裂紋產生的問題。

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行摩擦塞焊工藝試驗研究，在參數選定時，棒/板配合角度55°/50°、二級焊接速度130mm/min、二級焊接時間1s、摩擦/頂鍛壓力39/40kN為較佳的焊接參數。采用較佳的焊接參數，對厚度為3mm 和4mm的LD10板材進行摩擦塞焊，可以獲得高質量的摩擦塞焊焊縫，接頭強度可達到母材強度的80%，能滿足產品Ⅰ級焊縫強度的要求。

摩擦塞焊設備如圖3所示。

圖3 摩擦塞焊設備

趙旭東等[9]研發了一種適用于預埋件的埋弧螺柱智能化焊接設備，如圖4所示。該設備設計為單焊機配備雙焊槍兩個工作單元單獨運動結構，配一套總控系統控制兩個工作單元；可讀取多種CAD圖樣，做到焊點的精準定位、焊機的瞬間放電，以及焊劑的定量自動注入和回收。

圖4 埋弧螺柱智能化焊接設備示意

山東核電設備制造有限公司[10]對鋼筋穿孔塞焊在一定傾斜角度下的GMAW自動化焊接工藝進行了研究，通過試驗研究了焊接路徑、焊接姿態、焊接氣體成分等GMAW工藝因素對穿孔塞焊接頭在傾斜位置下焊縫成形的影響。結果表明，采用360°順逆交替和細化層道可以有效控制熔池下淌，保證表面余高在2mm 以內；當焊槍工作角調整為15°且焊接方向角為6°～10°時，電弧力可有效抵消重力切向分量的影響，有效避免側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]通過閥值分割和骨架細化處理后的激光圖像獲得特征數據，并結合離散數據模擬關系曲線建立了一套針對穿孔塞焊復雜工況下特征量的識別算法，通過對比采樣數據對該算法的提取精度進行了誤差分析。結果表明，圓心坐標在x、y方向的誤差都在±0.2 mm 的范圍之內，角度偏差在Rx、Ry方向的誤差都在±0.2°的范圍之內，實現了穿孔塞焊接頭特征提取的高精度和可靠性。

4 鋼筋預埋件焊接的生產應用

陳俊星[12]研究了機器人拉筋塞焊板孔視覺識別，并設計了基于十字結構光條的拉筋孔機器人視覺識別系統，如圖5所示。

圖5 機器人視覺系統構成

該系統結合實際應用，將十字光光條的提取應用到了拉筋孔的二維定位中，將激光三角法應用到了對拉筋孔工件的測距中，完成了對拉筋孔的焊接自動化，其機器人視覺定位系統的定位精度可達到0.4081mm，基本符合拉筋孔工業生產精度要求。

螺柱焊在水輪機組件中鋼筋預埋件焊接的應用也較為廣泛，浙江富春江水電設備股份有限公司[13]使用帶陶瓷套的電弧螺柱焊，單個螺柱的焊接過程時間為0.85～3s，速度為8～10個/min，熱變形小。焊縫受瓷套保護，焊后質量穩定性好，焊接效率高，多個焊縫焊腳高度相當，產品較美觀。在水輪發電機組預埋件中，如尾水錐管、尾水管里襯、內外殼體等部件的螺柱焊接應用效果良好。

中鐵十六局集團第四工程有限公司[14]在橋梁復合曲面摩擦擺式減隔振支座設計中，采用上下預埋鋼板錨固后再與支座焊接的連接方式，為防止焊接過程中鋼板受熱變形，采用鉆孔塞焊的方式進行焊接，坡口形式為雙面設坡口的“雙耳形”焊縫（見圖6a）。焊接時采用雙人雙機按工藝規劃焊接方向及順序（見圖6b），分6組對稱焊接，使得錨筋與預埋鋼板能平緩過渡，降低了應力集中的程度，使焊縫受力更加合理，達到較好的變形控制效果，實際施工檢測表明，上述施工工藝保證了施工質量。

圖6 焊縫坡口形式及分段形式焊接方向

中國核工業二二建設有限公司[15]采用焊接機器人搭配熔化極氣體保護焊電源，在核電站建筑結構預埋件焊接工程中實現了預埋件穿孔塞焊自動焊接，該焊接設備設計有柔性焊接工裝（見圖7），不僅可滿足焊前預埋件的定位精度，還可適用于不同規格預埋件的定位夾緊。該自動化焊接通過工裝和預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，質量可靠，能夠滿足標準規范的設計要求。

圖7 焊接設備+焊接工裝

5 質量檢測

隨著現代工業技術的發展，工業中對產品質量的要求持續提高，質量檢測及其控制的目的在于定量掌握缺陷與強度的關系，評價構件的允許負荷、壽命或剩余壽命、構件在制造和使用過程中產生的缺陷情況，并反推制造工藝的進步。

梁新亞等[16]通過分析總結現有的施工管理經驗，提出了預埋件施工相應的質量控制措施，為工程技術人員提供了參考和借鑒。

杜晞盟[17]針對核電燃料元件端塞的檢測提出了一種基于機器視覺的解決辦法。傳統端塞檢測方式是人工檢測，一方面檢測效率低，另一方面檢測準確率不穩定。針對這些問題設計采用機器視覺技術進行端塞缺陷的檢測，用于檢測端塞元件側表面缺陷和中心缺陷，同時開發了對應的測試平臺與測試軟件。測試平臺采用可旋轉平臺、前向打光、線陣相機，以及背向打光、面陣相機這兩種方案分別對兩種缺陷進行檢測。試驗結果顯示，對于側表面缺陷可達到86%的準確率，對于中心孔缺陷的檢測可達到90%的準確率，基本滿足檢測要求。

楊世輝[18]開發了一種基于機器視覺的端塞焊坡口在線檢測系統（見圖8），用于某核電燃料元件生產企業鋯管元件端塞焊自動化檢測改造項目。該系統完成了對成像系統的搭建，且成像效果穩定，搭建自動對焦硬件平臺，分別實現軟件平臺上位機和數據庫系統的編寫，軟件具備登錄模塊、主界面模塊、視覺調試模塊、元件包信息錄入模塊和缺陷檢測模塊。該檢測系統已投產運行，單根鋯管元件檢測時間9.8s，檢測率100%，準確率＞99.99%。

圖8 在線檢測系統

6 展望

本文對鋼筋預埋件相關的焊接技術進行了調研分析，總結了比較常見的用于預埋件塞孔焊接的焊接方法及其原理，并概述了鋼筋預埋件焊接技術的研究及應用現狀，包括不同材質及焊接方法的工藝研究和先進設備制造，特別對目前機器人焊接關鍵技術研究情況進行了重點論述。

未來機器人焊接代替傳統人工焊接成為大勢所趨，焊接機器人的創新和應用大力推動了各領域焊接工業的發展，有效提高了焊接效率。相信在不久的將來，焊接機器人將朝著多元化、智能化方向發展，這對未來焊接工業的發展將起到重要推動作用，同時也將對其他領域智能機器人的發展產生深遠的影響。