AP1000核电螺柱焊穿透盖板焊接工艺研究

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[摘要]：为满足ap1000核电现场“钢-混凝土楼盖板结构”施工质量，节省工时，降低成本，不影响施工进度，经试验探索了一种保证质量要求的栓钉穿透焊工艺，并对栓钉穿透焊在焊接过程中易出现的问题进行了分析。

[关键词]：螺柱焊穿透焊焊接工艺伸出长度提升高度

中图分类号：TG43文献标识码： A 文章编号：

1.工程概况

AP1000核电技术，中国第三代核电自主技术，中国引进消化吸收再创新和自主创新，在世界上率先掌握了第三代核电AP1000的五大核心关键技术，为推进中国核电产业技术水平的整体跨越，为实现中国第三代核电AP1000的自主化、批量化建设打下了坚实的基础。AP1000核电技术是目前唯一一项通过美国核管理委员会最终设计批准的第三代核电技术，这是目前全球核电市场中最安全、最先进的商业核电技术。

AP1000核电项目中核岛的几个厂房楼板施工采用的是“钢-混凝土组合楼盖板结构”，钢-混凝土结构是建筑行业中发展的一项新技术。这种建筑结构承载能力大，刚度高，抗震性好，施工简便、快捷，建筑周期短，因而得到了迅速的发展。螺柱穿透焊是伴随着钢-混凝土结构的发展而推广起来的，钢梁、压型钢板与钢筋混凝土的结合靠的就是具有剪切力的连接件-栓钉，栓钉对结构发挥两种作用，一是防止钢-混凝土水平位移的抗剪作用，二是防止钢-混凝土结构垂直剥离的抗掀起作用[1]。在多层钢结构组合楼板施工中，经常是安装钢结构梁，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，见图1。

图1 栓钉穿透焊示意图

由于这种焊接新技术具有快速、可靠、简化工序、降低成本等一系列优点，现被广泛推广应用到大跨度铁路桥梁、市政公路高架桥、房屋建筑、电站等行业。

2.穿透焊存在的问题及分析

2.1存在的问题

通过多次试验，栓钉穿透焊存在的问题有：

一次焊接合格率很低，主要是焊缝在360°范围内不连续，焊缝含有较多的气孔，做拉伸试验与弯曲试验时通过率低，断裂多发生在焊缝处，焊缝与母材的熔合区域存在夹渣的现象。

2.2 原因及分析

针对以上问题总结是由以下几点原因造成的：

1）为了防腐，钢-混凝土结构所采用的压型钢板一般是镀锌钢板，按照标准，压型钢板双面镀锌量≥275g/m2，锌的熔点（420℃）和沸点（908℃）都很低，栓钉穿透焊选用的是熔滴的自由过渡，电弧是连续燃烧的，温度一般为3000℃~4000℃，电弧的中心温度要超过5000℃，所以在栓钉穿透焊时，高温电弧使锌很快发生汽化和氧化，在磁环内有很大的压力，增加了飞溅，容易产生咬肉现象；如果锌蒸汽排不尽，就会在焊缝内产生气孔及夹渣（见图2）。

图2锌蒸汽未排尽产生夹渣

2）由于钢结构的不对称性和接地钳固定点不合理等因素，造成栓钉焊接处附近的磁场分布不均匀，容易产生电弧的偏吹现象，提升高度过大时更容易出现偏吹现象。

3）压型钢板与钢板之间的间隙超过1mm时会影响焊接质量。

3.焊接工艺

针对上述问题，我们研究穿透焊的焊接原理，力求找出解决问题的办法，编制合理的焊接工艺。

3.1栓钉穿透焊质量的影响因素

影响栓钉焊接质量的因素有以下几个方面：栓钉的直径，焊接时间，焊接电流，栓钉的突出长度，提升高度，压型钢板的厚度及镀锌量等。

3.2 措施

通过查阅资料并做了大量的试验，找到了避免或减少焊接缺陷的一些措施。

栓钉穿透焊大致可分成两个阶段：穿透压型钢板和把栓钉与钢梁、压型钢板三者焊为一体。其间还要汽化（烧损）、分解钢梁上的涂层、灰渣和氧化物，并从熔池内排除焊接过程中的有害物质。

要完成第一阶段的任务，首要任务就是要加大提升高度。熔滴过渡有两种过渡形式，短路过渡和自由过渡，螺柱焊接端与工件的距离小时就会实现短路过渡，短路过渡电弧是不连续的，若增加距离就会转变为自由过渡，而自由过渡时电弧连续燃烧，电弧的温度最高，能够迅速的穿透压型钢板，这就是为什么要提升高度了，但是提升高度不要过大，过大会容易产生磁偏吹。第二个阶段是将栓钉、压型钢板和钢梁焊在一起。要想获得连续的角焊缝，就要做要采取以下措施：

1）缩小压型钢板与钢梁之间的间隙，两者间隙要小于1mm，当间隙大于1mm时，用锤击、机械施压或点焊的方法，使两者间的间隙达到小于1mm的要求。间隙大于1mm时，随着栓钉的下落会将熔池中部位熔敷金属从压型钢板下方吹出，形成不完整的角焊缝。

2）加大栓钉的伸出长度、焊接电流和焊接时间，以增加金属的熔化量，填补间隙，获得连续的角焊缝。栓钉伸出长度过小，不宜将熔池中的有害物质排出，宜造成焊脚包络不饱满，从而导致焊缝成形不良；焊接电流小和焊接时间短会造成熔化不足，熔深不够，在做弯曲和拉伸试验时达不到标准要求。焊接输入量也不宜过大，过大会产生较大的金属飞溅，造成焊缝咬边、夹渣，或焊后栓钉长度过短等缺陷。

3）电弧的磁偏吹[2]

在焊接过后有时会发现焊缝四周不均匀或某一边没有焊肉或某边焊缝有大量气孔，这些原因可能是磁偏吹造成的，解决的办法有：

① 设置双接地钳；

② 改变接地钳的位置；

③ 设置临时的导磁板；

④ 将焊接电源的输出电缆线绕焊接点一周。

3.3工艺参数

通过总结焊接经验，经过大量的试验最后找出了一组合适的工艺参数，焊接设备、材料及参数如下：

斯达特RST-2500-2型螺柱焊焊机，压型钢板厚度为1.5mm ，镀锌量为275g/M2;钢板材质为Q345B，厚度为20mm ;栓钉材质为A108，规格为Φ19mm*203mm,栓钉穿透焊时的参数为：焊接电流为1480 A，焊接时间1.3 S,突出长度6mm,提升高度7mm。根据美国钢结构焊接规范AWS D1.1-2000中的要求，按照此工艺参数连续焊接了10个试件，并对10个试件进行了外观检查及弯曲试验，检验结果如下：

1）10个试件均有360°飞边，且无咬肉现象，焊缝成形美观，见图3；

2）90°弯曲试验，均未发生断裂且弯曲面无裂纹出现，见图4。

图3焊缝外观

图490°弯曲合格试件

从检验结果可以看出：试件焊缝外观和力学性能全部合格，也就说明这组工艺是合理的。

工艺参数可以作一定允许范围内的适当调整；例如，焊接电流大了，那么，焊接时间就应小些，反之亦然。在焊接过程中还需要注意瓷环受潮的问题，若焊接过程中使用受潮的瓷环会出现较大的飞溅、焊缝处形成气孔等缺陷。栓钉、瓷环应保管良好，不得受潮，在焊接前应将瓷环在120℃烘干两个小时再使用。

4.结论

1）设置双接地钳，使焊点尽量在两接地钳中央或将焊接电源的输出电缆线绕焊接点一周以减少磁偏吹现象；

2）焊接工件表面应清理干净，压型钢板与钢梁之间的间隙要小于1mm。从而得到良好的焊缝；

3）除上述外还要提高焊工操作技术，如焊前应使栓钉与钢梁表面垂直，焊接时双手应紧握焊枪不能抖动，焊后应及时检查纠正出现的磁偏吹现象。

参考文献

[1] 付继飞，张友权，马德志. 建筑工程中的螺柱焊技术(1) [J].钢结构，2002,17(1) : 56-60.

[2] 张瑞昌，黄贤聪. 螺柱焊机及其焊接工艺的研究 [J].机械工人，2004(11): 41-42.