螺柱焊技術在岸邊集裝箱起重機生產中的研究及應用

徐建中

上海振華重工（集團）股份有限公司長興分公司 上海 201913

0 引言

隨著焊接技術的不斷發展，螺柱焊技術以其高效、高質量、經濟、標準化作業等特性廣泛應用于汽車制造、船舶、建筑等不同領域。在岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）及卸船機等大型鋼結構項目生產過程中，螺柱焊可以代替鉆孔螺栓、鉚接、攻螺紋等螺栓連接方式，節省大量人力和時間成本。本文主要研究電氣法蘭框螺柱焊、漏沙孔封板螺柱焊、液壓及潤滑管卡底座螺柱焊以及電纜槽托架異形螺柱焊的應用。

1 螺柱焊

螺柱焊是將金屬螺柱或類似的其他金屬緊固件的一端利用通電引弧，焊接至另一工件（通常為板材或管材）表面的焊接方法。螺柱焊的基本原理是在待焊螺柱與工件表面之間引燃電弧，當螺柱與工件被加熱到適當溫度時，螺柱端部和相應工件表面處于熔融狀態，在一定壓力作用下，螺柱進入工件上的焊接熔池形成焊接接頭。按照在焊接中所使用的焊接電源和操作過程的不同，傳統電弧螺柱焊主要分為普通電弧螺柱焊和電容儲能電弧螺柱焊2 種基本方法，本文主要研究電弧式螺柱焊在岸橋上的應用。

2 岸橋螺柱焊焊接試驗研究

岸橋材質通常為A709-50T-2 或Q355B 等低合金高強鋼，根據岸橋零部件制作的結構特點、制作流程、制作特點等，結合目前現有螺栓形式、螺栓材質等相關信息進行分析?？紤]部分構件的防腐蝕性能，選擇與常規低合金鋼匹配的4.8 級（碳鋼）及不銹鋼螺柱，為了保證螺柱焊應用，分別從螺柱規格、螺柱形式、螺柱材質、母材材質、焊接位置、力學性能等方面進行螺柱焊工藝研究，確保達到技術指標要求。

2.1 螺柱焊試驗

2.1.1 同種材質螺柱焊試驗

為研究同種材質螺柱焊工藝參數，選取材質為4.8級的收縮頭螺柱（RD）M8 分別在母材材質為A709-50T-2、Q355B 的底板上進行平角焊（1F）的螺柱焊試驗，焊接參數如表1 所示。

表1 同種材質螺柱焊試驗

2.1.2 異種材質螺柱焊試驗

為研究異種材質螺柱焊工藝參數，選取材質為304的全螺紋螺柱（PD）M6、收縮頭螺柱（RD）M8、收縮頭螺柱（RD）M10 分別在母材材質為A709-50T-2、Q355B 的底板上進行平角焊（1F）、橫角焊（2F）、仰角焊（4F）的螺柱焊試驗，焊接參數如表2 所示。

表2 異種材質螺柱焊試驗

2.2 外觀檢驗

對上述試驗的螺柱焊試件進行外觀檢驗（見圖1），螺柱柱體底端360°范圍內均能呈現飛邊，焊縫連續美觀且不存在任何影響其應用功能的殘留物，焊縫只存在一些檢驗標準允許范圍內的未熔合及微小的收縮龜裂，經判定螺柱焊焊縫外觀質量符合要求。

圖1 螺柱焊外觀檢驗

2.3 力學試驗

2.3.1 彎曲試驗

螺柱焊試件彎曲試驗（見圖2）采用專用鋼質套管將螺柱從原軸線彎曲約90°，彎曲后對螺柱焊試件焊縫進行檢驗，焊縫未出現斷裂現象，彎曲試驗結果符合要求。

圖2 螺柱焊彎曲試驗

2.3.2 扭矩試驗

螺柱焊試件的扭矩試驗（見圖3）以各類螺柱的安全扭力值為參考，在焊接完成的螺柱上端擰緊配套螺母，利用10 ～60 N·m 的扭力扳手按扭力值從小到大增加測試其扭力值極限，試驗結果均大于安全扭力值，具體如表3、表4 所示。

表3 同種材質螺柱焊扭矩試驗對比表

表4 異種材質螺柱焊扭矩試驗對比表

2.3.3 拉伸試驗

螺柱焊拉伸試驗是在焊接完成的螺柱頂部及底板底部分別焊接一段高強圓棒后進行的（見圖4），拉伸試驗斷裂位置均在螺柱母材處，焊縫處未發生斷裂，試驗結果符合要求，具體如表5 所示。

圖4 螺柱焊拉伸試驗

表5 螺柱焊拉伸試驗

2.3.4 宏觀試驗

螺柱焊試件進行宏觀取樣檢驗（見圖5），結果表明焊縫成型良好，螺柱底部與試板熔合完全，焊縫宏觀截面無明顯焊接缺陷，焊腳滿足最小尺寸要求。

圖5 螺柱焊宏觀試驗

3 螺柱焊在岸橋上的應用研究

通過以上焊接參數研究、力學性能試驗，螺柱焊均能滿足AWS D1.1 標準要求和標書要求，且螺柱焊技術具有效率高、易標準化生產、焊接質量穩定等特點，在岸橋中用于固定電氣設備、附屬設備、電線管路的連接形式具有較好的替代性。電氣法蘭框、漏沙孔封板、液壓及潤滑管卡底座、電纜槽托架等固定方式均可采用螺柱焊，簡化施工工序，提升施工效率及焊接質量，降低生產成本。

岸橋中的構件形式極其復雜，受力情況不同，根據實際情況，對不同位置、不同連接形式有針對性地選擇螺柱材質和規格型號進行研究推廣。主要分為碳鋼材質螺柱與低合金高強鋼的連接應用（以下簡稱同種材質螺柱焊應用）、不銹鋼材質螺柱與低合金高強鋼的連接應用（以下簡稱異種材質螺柱焊應用）、碳鋼異形螺柱與低合金高強鋼連接應用（以下簡稱異形螺柱應用）。重點從設計優化、施工工藝、取得效果等方面進行闡述。

3.1 同種材質螺柱焊應用

岸橋前后大梁及海陸側立柱箱體沖砂時的漏沙孔封板需提前預制。封板按設計圖紙數控下料后，需在板上進行螺栓孔定位及加工，同時對所需螺栓去除底端突出的柱體，方便穿孔焊接。螺栓加工完成后在封板上進行定位焊，再進行正反面焊接，焊接完成后續進行正反面打磨，反面需打磨至與封板齊平。傳統漏沙孔封板預制流程較為繁雜，手工焊接量多且修補打磨量較大?，F研究在封板上直接進行螺柱定位焊接（見圖6），取消螺栓孔加工、焊后修補打磨等流程，節省焊接時間。

圖6 漏沙孔封板螺柱焊

3.1.1 同種材質螺柱焊選型

為滿足現場漏沙孔封板的焊接要求，以及保證螺柱焊焊角尺寸不干涉構件的安裝問題，選取了規格為RD M8×65(4.8 級)的收縮頭螺紋螺柱（RD）及配套的高型瓷環（RF）進行漏沙孔螺柱焊接。此種螺柱和瓷環配合可滿足各種位置的焊接要求，并可有效控制螺柱根部焊縫的寬度尺寸。經過螺柱焊接性能試驗及系列力學試驗驗證，確定使用與封板同種材質級別的規格為RD M8×65(4.8 級)的鍍銅螺柱進行漏沙孔螺柱焊接。

3.1.2 同種材質螺柱焊現場應用

漏砂孔采用螺柱焊工藝可減少優化施工流程，減少施工工序，如鉆孔、手工焊接、焊后打磨等工序，可有效節省焊接時間，提升焊接效率。并可提前進行預制，有效縮短制作周期。

該技術在項目具有漏砂孔的位置進行推廣應用后，效果良好。據實際應用統計，傳統漏沙孔封板在結構預制及現場預焊時，預制時間大約需67 min/個，現螺柱焊代替后制作時間降低至5 min/個，制作效率提升92%以上。目前，漏沙孔封板螺柱焊技術已在岸橋及卸船機等項目中全面推廣應用。

3.2 異種材質螺柱焊應用

岸橋主結構上的電纜槽固定連接形式主要采用電氣法蘭框與主結構表面焊接后，再通過鉆孔螺栓將電纜槽與電氣法蘭框連接固定。電氣法蘭框主要分布在前后大梁及海陸側上下橫梁箱體上，安裝階段為箱體四面成型，按圖紙進行定位焊接?，F研究取消了電氣法蘭框預制及焊接工序，利用螺柱焊技術直接將固定螺栓焊接于主結構表面（見圖7），可有效減少施工環節，提高施工效率，降低施工人員的勞動強度。

圖7 電氣法蘭框螺柱焊

傳統岸橋液壓及潤滑管卡固定連接形式采用將帶有螺栓孔的底座預焊至主結構表面，再利用沉頭螺栓將管卡與底座連接固定?，F研究將液壓及潤滑管卡底座焊接改為螺柱焊形式，其中液壓管卡在不改變其他構件形式的情況下，可直接取消底板進行現場應用（見圖8）；潤滑管卡則需要將預焊底板改為墊板形式后進行實際應用。

圖8 液壓管卡螺柱焊安裝

3.2.1 異種材質螺柱焊選型

根據現場電氣法蘭框、液壓及潤滑管卡底座連接螺柱的規格，對于螺柱的選型進行相關試驗，為滿足平焊、側焊及仰焊的焊接要求，選取了區別于常規碳鋼材質的異種304 不銹鋼縮頭螺柱進行焊接應用研究。

針對電氣法蘭框螺柱焊，前期采用M8×30 螺柱進行焊接試驗，研究螺柱在各個焊接位置的焊縫成型質量。焊接完成后根據AWS D1.1 的要求對螺柱焊試件進行外觀檢驗及力學試驗。在扭力試驗過程中，雖然M8 的扭力值滿足標準要求，但是總體的扭力安全值較低，安裝過程中受力不穩定或過大極易將柱體扭斷，后續研究選用M10×30 螺柱，扭力值將有較大的提高。試驗表明M10×30 的螺柱更符合現場強度及安裝要求。

針對液壓及潤滑管卡，根據實際管卡的焊接位置以及原有螺栓規格，選取對應型號的螺柱及瓷環。液壓管卡不銹鋼螺柱為M10，螺柱直徑較大，選用收縮頭螺紋螺柱及瓷環（RD+RF）（見圖9）；潤滑管卡不銹鋼螺柱為M6，螺柱直徑較小，為保證螺柱強度選用全螺紋螺柱及瓷環（PD+PF）。經過焊接性試驗及力學試驗研究，上述螺柱滿足生產強度要求。

圖9 收縮頭螺紋螺柱及瓷環

3.2.2 異種材質螺柱焊現場應用

電氣法蘭框、液壓機潤滑管卡底座應用螺柱焊技術，可減少優化施工流程，減少施工工序，如電氣法蘭框預制、手工焊接、焊后打磨等工序，可有效節省焊接時間，提升焊接效率。并可提前進行預制，有效縮短制作周期。

經試驗確認螺柱焊替代漏沙孔封板手工焊接螺栓的可行性后，在項目上進行推廣應用效果良好。傳統電氣法蘭框預制及定位焊接需107 min/個，現螺柱焊代替后制作時間降低至6 min/個，制作效率提升94%以上；傳統液壓及潤滑管卡底座預制及定位焊接需47 min/個，現螺柱焊代替后制作時間降低至6 min/個，制作效率提升87%以上，目前已經全面推廣應用。

3.3 異形螺柱焊應用研究

通過對螺柱技術的研究應用，為了擴展螺柱焊的應用范圍，對傳統螺柱焊焊槍進行改造升級，且針對岸橋結構的形式特點分析歸類，進行異形連接形式的焊接（螺柱改為扁平形式），適應更多結構和工況。

傳統岸橋整機電纜槽托架為箱梁完工后采用手工焊接固定，屬于箱梁內操作，且焊后還需修補打磨，施工環境較差，耗時較長。通過改變電纜槽托架的樣式，將其設計為可連接螺柱焊機焊槍進行焊接的異形螺柱形式并研究推廣應用。對異形電纜槽托架進行初步的焊接試驗，驗證其焊接性能及力學性能。設計完成制作異形螺柱樣件，改造完成異形螺柱焊焊槍形式，通過了樣件相關的焊接試驗及力學試驗（見圖10），異形螺柱焊焊接質量合格。針對現場進行試應用，調整焊接參數及改進焊槍形式，進一步提升焊縫成型質量，避免焊后修補打磨工作。整機電纜槽托架異形螺柱焊接較傳統整機電纜槽托架手工焊接，制作效率提升75%以上，已在岸橋等大型鋼結構項目中推廣應用。

圖10 異形螺柱焊焊接

3.4 螺柱焊應用難點及解決方案

由于岸橋螺柱焊后需與相關構件連接使用，且岸橋構件質量大、后道工序多，岸橋螺柱焊相對于其他行業中使用的螺柱焊，有著更高的位置精度、垂直度及強度的要求，且更易造成螺柱的損壞及死牙等問題。

3.4.1 螺柱焊定位模板

為保證螺柱的定位尺寸，需預先根據法蘭及管卡等原有形式制作定位模板，模板螺柱孔徑根據所用瓷環尺寸開設，保證螺柱焊接完成后與相關連接構件不出現錯位現象，且定位模板可重復利用，符合環保主旨。

3.4.2 螺柱焊焊槍改進

為保證螺柱焊接后的垂直度，在焊槍的膠木塊上自行設計安裝了3 個可調節長度的定位支撐以保證螺柱垂直度（見圖11）。避免了后續螺柱配套的垂直度問題，減少了現場與相關附屬件對接的安裝施工難度風險，同時可以降低安裝過程中螺柱螺紋損壞的概率。

圖11 螺柱焊槍膠木塊優化

3.4.3 螺柱焊焊后保護

為保護螺柱在箱梁后續整體轉運、沖砂、涂裝過程中不被損壞及污染，現場焊接結束后將在每個螺柱上套上PVC 塑料軟管進行保護，且軟管套在螺柱上需保證一定的緊密度，防止沖砂等作業過程中產生脫漏的現象。

3.4.4 螺柱焊焊后修復工裝

安裝過程中可能會出現少量的螺柱死牙等問題，已設計了螺柱專用修復工裝進行快速修復（見圖12），有效避免了螺柱修補更換等造成的各種打磨焊接工作，保證后續螺柱配套件的安裝可靠性。使用螺柱專用修復工裝，可根據修復螺柱對應的板牙規格進行預先制作，并可重復利用，修復時避免了已安裝構件的拆卸，可修復傳統板牙無法修復的狹小干涉位置，兼容性強、修復率高。避免了因螺柱絲牙損壞導致的螺柱更換作業，減少了人力物力的投入、材料及能源的消耗、螺柱補焊與打磨的粉塵排放，有效保證了產品的制作進度。

圖12 修復工裝

4 結論

本文通過螺柱焊試驗研究，從焊縫成型、力學性能（彎曲、扭矩、拉伸、宏觀）等方面進行驗證，螺柱焊滿足在現場岸橋相關構件上的使用。

同種材質、異種材質及異形螺柱焊的成功研究及應用，較傳統制作方式更靈活、高效、經濟，且質量穩定。采用螺柱焊后，每個構件可選用統一規格的螺柱及瓷環，避免多種形式的預制工序，可實現螺柱標準化備庫。

螺柱焊技術在岸橋上的成功應用提升了現場的標準化施工水平，極大程度降低焊接工作量，省去構件在制作及安裝過程中的其他施工工序，且焊后無需打磨修補，降低人工勞動強度，減少焊接煙塵及打磨粉塵的排放量，實現綠色化制造。

螺柱焊工藝兼具快速、可靠、操作簡單及無孔連接等焊接特性，不僅可在岸橋相關構件上應用，對于其他類似鋼結構等重型構件也具有研究應用價值和廣泛的推廣應用前景。