鋼筋骨架焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化研究

任書(shū)文，陳士忠，劉子金，夏忠賢，侯?lèi)?ài)山，王永華

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000)

隨著建筑工業(yè)化技術(shù)的發(fā)展，預(yù)制構(gòu)件的使用逐漸成為建筑行業(yè)的主流形式。應(yīng)國(guó)家“十三五”課題綠色建筑與建筑工業(yè)化要求，對(duì)預(yù)制板墻中的鋼筋骨架焊接關(guān)鍵技術(shù)及工藝進(jìn)行優(yōu)化研究。鋼筋骨架主要由主筋與箍筋構(gòu)成，過(guò)去骨架成型主要采用綁扎和手動(dòng)點(diǎn)焊，這兩種骨架成型方式不僅具有尺寸偏差較大的缺陷，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力還很難保證焊點(diǎn)質(zhì)量的統(tǒng)一性和穩(wěn)定性。

焊接技術(shù)作為一種應(yīng)用廣泛的鋼筋連接方式，其焊接質(zhì)量的影響因素較多，因素參數(shù)的不同組合對(duì)焊接質(zhì)量的影響也大有差異[1-2]。Zhan X H 等人使用正交實(shí)驗(yàn)方法對(duì)激光焊接中主要影響因素激光功率、焊接速度、離焦距離進(jìn)行參數(shù)組合優(yōu)化并得出最優(yōu)組合參數(shù)[3]。余果等人通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)方法提出對(duì)0.2mm 厚GH4169 膜片微束TIG 焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[4]。房元斌等人將數(shù)值模擬與正交方法結(jié)合使用，優(yōu)化了T 型焊接中的焊接參數(shù)[5]。

本文的主要研究?jī)?nèi)容是鋼筋骨架上的箍筋與單個(gè)主筋之間進(jìn)行的十字搭接焊過(guò)程中各影響因素的最佳參數(shù)組合。鋼筋的十字搭接焊接情況不同于一般的板材焊接，其焊接有效焊接區(qū)域較小，且HRB400 鋼筋屬于熱軋帶肋鋼筋，由于其表面帶肋而使得焊接表面極度凸凹不平，從而導(dǎo)致焊接過(guò)程較為復(fù)雜，因此各焊接因素對(duì)其焊接質(zhì)量的影響也較之常規(guī)焊接差異較大。試驗(yàn)以在二氧化碳保護(hù)焊中的三項(xiàng)主要影響因素焊接電流、焊接電壓、焊接時(shí)間為自變量，根據(jù)《鋼筋焊接接頭試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中拉伸實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以焊接后主筋屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后延長(zhǎng)率為指標(biāo)，使用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方法，對(duì)三項(xiàng)影響因素做出最佳工藝參數(shù)確定。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

骨架成型焊接使用標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)HRB400 鋼筋。其中箍筋鋼筋規(guī)格為?6mm，尺寸為580mm×160mm。主筋鋼筋規(guī)格為?12mm，其力學(xué)性能如表1 所示。

表1 HRB400鋼筋性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 工藝流程

調(diào)整參數(shù)→焊接→截取→拉伸試驗(yàn)。

為了保證在截取過(guò)程中不對(duì)焊點(diǎn)造成破壞，所截取的試件可方便地安裝至拉伸試驗(yàn)機(jī)上（拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上的夾持部分至少要夾持試件長(zhǎng)度為100mm 才能保證夾持牢固），截取時(shí)保證主筋上截取點(diǎn)距離焊點(diǎn)175mm，箍筋上截取點(diǎn)距離焊點(diǎn)50mm，截取拉伸試件如圖1 所示。

圖1 截取后待拉伸試件

1.2.2 試驗(yàn)參數(shù)確定

經(jīng)過(guò)對(duì)長(zhǎng)期焊接經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行范圍性確認(rèn)，如表2 所示。

表2 前期探索的試驗(yàn)參數(shù)有效范圍表

1.2.3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)

根據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則該試驗(yàn)為三因素三水平試驗(yàn)類(lèi)型，因此試驗(yàn)選用L23(33)正交試驗(yàn)表記錄數(shù)據(jù)，試驗(yàn)總共進(jìn)行23 組，以焊接電流，焊接電壓，焊接時(shí)間為試驗(yàn)因素，焊接過(guò)后以主筋屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，斷后延長(zhǎng)率為指標(biāo)做二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，根據(jù)所選用的各項(xiàng)試驗(yàn)因素參數(shù)范圍，制定試驗(yàn)因素水平取值及編碼表，如表3 所示。

表3 試驗(yàn)因素水平取值及編碼表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3 組合試驗(yàn)次序，得到試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。表中X1，X2，X3為試驗(yàn)因素編碼值，Y1，Y2，Y3為試驗(yàn)結(jié)果編碼值，依次代表屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，斷后延長(zhǎng)率，其試驗(yàn)結(jié)果記錄表中值均為每組試驗(yàn)的平均值，為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每組試驗(yàn)均在相同條件下進(jìn)行100次，部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)結(jié)果記錄表

在表4 的試驗(yàn)結(jié)果記錄中，每組試驗(yàn)得出結(jié)果數(shù)據(jù)為3 個(gè)，不便于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，因此在這里引進(jìn)優(yōu)良率的概念，及對(duì)所測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步判定。根據(jù)JGJ/T 27-2014《鋼筋焊接接頭試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合各組試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)得出各組試驗(yàn)優(yōu)良率如表5 所示。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及回歸方程建立

根據(jù)上述試驗(yàn)過(guò)程及得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Design-Expert 7.0 中心組合設(shè)計(jì)功能，對(duì)試驗(yàn)所得到的二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)果進(jìn)行分析，得到如表6 所示的方差分析結(jié)果，并得到關(guān)于焊接電流X1，焊接電壓X2，保護(hù)氣體流量X3三個(gè)因素與優(yōu)良率Y之間的二次回歸方程：

表5 焊接試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)良率（%）

表6 方差分析結(jié)果

2.3 回歸方程模型顯著性檢驗(yàn)分析

按二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)顯著性檢驗(yàn)方法對(duì)所得到的回歸方程進(jìn)行檢驗(yàn)。方差分析結(jié)果表明，模型項(xiàng)P=0.0002＜0.05，表明所建立的模型回歸方程在0.05 水平上極顯著，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)匹配合理；失擬項(xiàng)P=0.01847＞0.05，失擬項(xiàng)不顯著，因此所建立回歸模型方程未出現(xiàn)顯著失擬現(xiàn)象，與實(shí)際擬合水平較好。F=模型平方和/誤差平方和=15.28＞F0.01=7.6049，達(dá)顯著狀態(tài)，表明回歸方程對(duì)于各項(xiàng)試驗(yàn)因素可靠性較高。

復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=模型平方和/總平方和=0.872，表明所得模型可解釋87.2%的響應(yīng)值變化，實(shí)際擬合性較好。

由方差分析表中P值可以得出，對(duì)于焊接優(yōu)良率性影響因素X1、X2、X3均具有顯著性水平，尤其是X2達(dá)到了極顯著水平，其數(shù)值大小呈現(xiàn)出X1＞X3＞X2的現(xiàn)象。根據(jù)P值越小顯著性越高的判斷原則，得出相關(guān)結(jié)論，即焊接電壓對(duì)焊接優(yōu)良率的影響最大，其次為焊接時(shí)間，最后為焊接電流。

2.4 鋼筋骨架優(yōu)良率最佳優(yōu)化方案及驗(yàn)證結(jié)果

利用Design-Expert 7.0 的Box-Benhnken的中心組合設(shè)計(jì)功能預(yù)測(cè)其模型回歸方程的最大值。得到當(dāng)焊接電流，焊接電壓，焊接時(shí)間分別為315A、30V、1.2s 時(shí)，焊接優(yōu)良率可以達(dá)到87.045%。針對(duì)此焊接參數(shù)匹配方案，進(jìn)行焊接試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，在此匹配參數(shù)下，焊接優(yōu)良率達(dá)到了91%，達(dá)到了提高焊接優(yōu)良率的效果。

2.5 討論與分析

在數(shù)據(jù)分析結(jié)果中可知，焊接電流隨因素水平呈拋物線狀，在焊接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著焊接電流的增大，焊接點(diǎn)處焊接熔池的深度增大，對(duì)于直徑為6mm 的箍筋傷害較大，當(dāng)焊接電流較小時(shí)，熔深較淺，焊接效果不佳。焊接電壓過(guò)大時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接點(diǎn)處出現(xiàn)凹坑，且在焊接時(shí)飛濺較大，甚至出現(xiàn)大量焊渣的現(xiàn)象。隨著焊接時(shí)間的增大，優(yōu)良率增大，但是根據(jù)實(shí)際情況分析，焊接時(shí)間增大到一定值后對(duì)鋼筋性能不再有有效性提升，反而增加電耗、延長(zhǎng)工時(shí)。通過(guò)對(duì)在試驗(yàn)過(guò)程中觀察現(xiàn)象與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可以分析得出，試驗(yàn)所采用的三因素對(duì)焊接效果影響均較為顯著。本文所提出優(yōu)化參數(shù)僅適用于使用HRB400 鋼筋主筋?12mm，箍筋為?6mm 進(jìn)行十字搭接焊的焊接成型鋼筋骨架，對(duì)于其它牌號(hào)或者其它尺寸的鋼筋進(jìn)行焊接則需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證。

3 結(jié)論

本次試驗(yàn)建立了合理的回歸方程，且擬合效果較好，能有效地反應(yīng)焊接真實(shí)情況。所選取的試驗(yàn)三因素對(duì)拉伸試驗(yàn)結(jié)果影響達(dá)到87.2%，為主要影響因素，選取因素得當(dāng)，且得到三因素對(duì)焊接優(yōu)良率的影響主次關(guān)系為焊接電流最大，其次為焊接時(shí)間，最后為焊接電壓。通過(guò)Design-Expert 7.0 對(duì)數(shù)據(jù)分析，得到本次試驗(yàn)的最佳預(yù)測(cè)值為焊接電流，焊接電壓，焊接時(shí)間分別為315A，30V，1.2s，并且經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，焊接優(yōu)良率具有顯著提高。