HRB400鋼筋電阻對焊接頭焊接參數(shù)對其性能的影響及優(yōu)化

陳士忠，蘇 偉，劉子金,，侯愛山

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

“十三五”國家課題中明確提出“建筑工業(yè)化和綠色建筑的可持續(xù)發(fā)展”[1]，封閉箍筋焊接成型系統(tǒng)是混凝土預(yù)制構(gòu)件制造過程中的一個重要組成部分。相對于傳統(tǒng)箍筋，焊接封閉箍筋具有節(jié)約成本、安裝方便、施工效率高和澆筑質(zhì)量可靠等明顯優(yōu)勢[2-5]。在這一背景下，中國建筑科學(xué)研究院建筑機(jī)械化研究分院和廊坊凱博建設(shè)機(jī)械科技有限公司共同研發(fā)了一種封閉箍筋自動焊接生產(chǎn)線，集放線、矯直、切斷、彎曲、定位加持、焊接為一體，全部實(shí)現(xiàn)自動化[6-10]。但是，在封閉箍筋焊接過程中，常常會因?yàn)楹附庸に噮?shù)設(shè)置的不合理而導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)未焊透、裂紋、脆性斷裂等缺陷。因此，分析研究封閉箍筋焊接接頭焊接參數(shù)對其力學(xué)性能和金相組織的影響顯得尤為重要。

基于此，筆者利用封閉箍筋自動焊接生產(chǎn)線進(jìn)行封閉箍筋的制作，并對不同焊接參數(shù)條件下的焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到焊接參數(shù)的優(yōu)化范圍；再對各參數(shù)下焊接接頭的熔合區(qū)及過熱區(qū)的金相組織進(jìn)行對比分析，得出焊接相對電流、頂鍛壓力和焊接時間對電阻對焊接頭組織性能的影響，并選出接頭組織性能較好的焊接工藝參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)過程提供參考與幫助。

1 焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)采用國內(nèi)某廠生產(chǎn)的直徑10mm的HRB400鋼筋，采用封閉箍筋自動焊接生產(chǎn)線進(jìn)行箍筋的焊接，其采用的是電阻對焊方式，焊接工藝參數(shù)主要包括焊接電流、焊接時間、頂鍛壓力等，其中焊接電流是以額定電流百分比的形式呈現(xiàn)，即焊接相對電流。箍筋焊接完成后截取焊接接頭，并在液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)上對焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)前期進(jìn)行了大量的封閉箍筋焊接調(diào)試試驗(yàn)，并且根據(jù)焊接經(jīng)驗(yàn)對焊接接頭的宏觀形貌及焊接質(zhì)量進(jìn)行初步檢查，粗略得出直徑10 mm的HRB400鋼筋的焊接工藝參數(shù)范圍：焊接時間T=0.8～0.9 s，頂鍛壓力P=0.2～0.3 MPa，焊接相對電流I=60%～74%。為了合理地制定封閉箍筋的焊接參數(shù)及實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，提高封閉箍筋焊接接頭的質(zhì)量，需要對上述焊接參數(shù)范圍進(jìn)行優(yōu)化。

(1)固定頂鍛壓力0.2 MPa和焊接時間0.8 s，以試驗(yàn)前期粗略所得的焊接相對電流有效范圍的中值為基礎(chǔ)，逐步調(diào)整焊接相對電流進(jìn)行封閉箍筋焊接，每組焊接5件，箍筋尺寸為500 mm×300 mm，成品箍筋如圖1(a)所示，再按照圖1(b)的形式截取400 mm的焊接接頭，待焊點(diǎn)冷卻后，按照《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T228.1—2010)對每組接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。記錄好拉伸結(jié)果，并將斷母材率達(dá)到100%且呈延性斷裂的焊接接頭判定為合格。焊接工藝參數(shù)匹配及拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。當(dāng)頂鍛氣壓P=0.2 MPa，焊接時間T=0.8 s時，焊接相對電流I在66%～70%內(nèi)的焊接接頭都能實(shí)現(xiàn)斷母材率100%，且呈延性斷裂。

圖1 成品箍筋及接頭截取Fig.1 Closed stirrups and the joint cut

表1 P=0.2MPa、0.8s條件下拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Tensile test results with P=0.2 MPa and T=0.8 s

(2)固定頂鍛壓力0.2 MPa和焊接時間0.9 s，對焊接相對電流I的有效范圍進(jìn)行優(yōu)化。得到的焊接工藝參數(shù)匹配及拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。當(dāng)頂鍛壓力P=0.2 MPa，焊接時間T=0.9 s時，焊接相對電流I在65%～68%內(nèi)的焊接接頭都能實(shí)現(xiàn)斷母材率100%，且呈延性斷裂。其中，當(dāng)焊接相對電流I=69%時，焊接過程存在大量飛濺，焊接接頭未焊透，所以無需進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

表2 P=0.2 MPa、T=0.9 s條件下拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Tensile test results with P=0.2 MPa and T=0.9 s

(3)固定頂鍛壓力0.3 MPa和焊接時間0.8 s，對焊接相對電流I的有效范圍進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)方法及過程均與上述內(nèi)容相同，得到的焊接工藝參數(shù)匹配及拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。當(dāng)頂鍛壓力P=0.3 MPa，焊接時間T=0.8 s時，焊接相對電流I在65%～74%內(nèi)的焊接接頭都能實(shí)現(xiàn)斷母材率100%，且呈延性斷裂。其中，當(dāng)焊接相對電流I=63%時，焊接接頭未焊透，無需進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

表3 P=0.3 MPa、T=0.8s條件下拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Tensile test results with P=0.3 MPa and T=0.8 s

(4)固定頂鍛壓力0.3 MPa和焊接時間0.9 s，對焊接相對電流I的有效范圍進(jìn)行優(yōu)化。得到的焊接工藝參數(shù)匹配及拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。當(dāng)頂鍛壓力P=0.3 MPa，焊接時間T=0.9 s時，焊接相對電流I在63%～70%內(nèi)的焊接接頭都能實(shí)現(xiàn)斷母材率100%，且呈延性斷裂。

表4 P=0.3 MPa、T=0.9 s條件下拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Tensile test results with P=0.3 MPa and T=0.9 s

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

綜合上述4組試驗(yàn)結(jié)果可推斷，直徑10 mm的HRB400鋼筋進(jìn)行封閉箍筋自動焊接時，焊接工藝參數(shù)在頂鍛壓力P=0.2～0.3 MPa、焊接時間T=0.8～0.9 s、焊接相對電流I=65%～68%內(nèi)任意匹配，均能得到拉伸試驗(yàn)合格的焊接接頭。

故選取0.8 s、0.85 s和0.9s三種焊接時間，0.2 MPa、0.25 MPa和0.3 MPa三種頂鍛壓力，65%、66%、67%和68%四種焊接相對電流，逐一匹配，形成36組參數(shù)匹配方案，每組焊接5件封閉箍筋并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，36組驗(yàn)證試驗(yàn)的斷母材率均為100%，且呈延性斷裂，故上述推斷結(jié)論正確。

2 焊接參數(shù)對接頭組織性能的影響

2.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)上述試驗(yàn)所得的焊接工藝參數(shù)優(yōu)化范圍形成如表5所示的10組焊接工藝參數(shù)匹配方案。

表5 焊接工藝參數(shù)匹配方案Table 5 Matching parameters scheme of welding process

根據(jù)表5中焊接參數(shù)匹配方案，利用封閉箍筋自動焊接生產(chǎn)線進(jìn)行箍筋的焊接并按要求將接頭制成金相試件，使用4%的硝酸酒精溶液對試件進(jìn)行腐蝕處理，最后利用OLYMPUS GX71型倒置式金相顯微鏡分別對試件各區(qū)域的金相組織進(jìn)行觀察。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 焊接相對電流的影響

圖2為不同焊接相對電流條件下熔合區(qū)及過熱區(qū)的顯微組織。

圖2 不同焊接相對電流條件下焊接接頭顯微組織Fig.2 Microstructures of welded joints with different welding relative current conditions

隨著焊接相對電流的增加，晶粒尺寸逐漸增大，魏氏組織逐漸增多，鐵素體逐漸增多，基體珠光體逐漸減少。主要是因?yàn)殡娏髟酱?，熱輸入越大，熱循環(huán)溫度越高，結(jié)晶后奧氏體晶粒長大，最終導(dǎo)致晶粒粗化[11-16]。從顯微組織特點(diǎn)角度分析可知，出現(xiàn)魏氏組織越多的區(qū)域，塑韌性就越低，接頭組織越脆，越容易出現(xiàn)裂紋[17-19]。所以，在滿足焊接接頭力學(xué)性能的前提下，推薦使用的焊接相對電流為65%和66%。

2.2.2 頂鍛壓力的影響

圖3為不同頂鍛壓力條件下焊接接頭熔合區(qū)及過熱區(qū)的顯微組織。由圖3可知，隨著頂鍛壓力的增加，焊接接頭顯微組織類別基本沒有發(fā)生變化，熔合區(qū)為魏氏組織、塊狀鐵素體和針狀鐵素體，其中魏氏組織和鐵素體含量有所減少，組織逐漸細(xì)化；過熱區(qū)晶界明顯，先共析鐵素體沿晶界析出，組織也稍有細(xì)化的趨勢。通過上述分析可確定，實(shí)驗(yàn)中頂鍛壓力為0.3 MPa時的焊接接頭性能優(yōu)于0.2 MPa和0.25 MPa時的焊接接頭性能。所以，在滿足焊接接頭力學(xué)性能的前提下，推薦使用的頂鍛壓力為0.3 MPa。

圖3 不同頂鍛壓力條件下焊接接頭顯微組織Fig.3 Microstructures of welded joints with different top forging conditions

2.2.3 焊接時間的影響

圖4為不同焊接時間條件下焊接接頭熔合區(qū)及過熱區(qū)的顯微組織。

圖4 不同焊接時間條件下焊接接頭顯微組織Fig.4 Microstructures of welded joints with different welding time

由圖4可知，隨著焊接時間的增大，晶粒尺寸有所增大，魏氏組織含量逐漸增多，塊狀鐵素體與珠光體含量略有增加。隨著焊接熱循環(huán)峰值溫度升高，且高溫停留時間變長，促使鐵素體析出，使得最后得到的鐵素體含量有所增加。所以，在滿足焊接接頭力學(xué)性能的前提下，推薦使用的焊接時間為0.8s。

3 結(jié) 論

(1)直徑10 mm的HRB400鋼筋進(jìn)行封閉箍筋自動焊接，焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化范圍：頂鍛壓力P=0.2～0.3 MPa，焊接時間T=0.8 s～0.9 s，焊接相對電流I=65%～68%。

(2)焊接相對電流對接頭顯微組織的影響較大，隨著焊接相對電流的增加，晶粒尺寸逐漸增大，鐵素體逐漸增多，魏氏組織含量呈上升趨勢，基體珠光體逐漸減少。在滿足焊接接頭力學(xué)性能的前提下，焊接相對電流不宜過大，推薦使用的焊接相對電流為65%和66%。

(3)頂鍛壓力對接頭顯微組織的影響較小，頂鍛壓力的變化對焊接接頭顯微組織類別基本沒有影響，但熔合區(qū)內(nèi)魏氏組織和鐵素體含量有所減少，組織逐漸細(xì)化，過熱區(qū)組織也稍有細(xì)化的趨勢。在滿足焊接接頭力學(xué)性能的前提下，頂鍛壓力不宜過小，封閉箍筋自動焊接生產(chǎn)線在實(shí)際生產(chǎn)過程中推薦使用的頂鍛壓力為0.3 MPa。

(4)焊接時間對接頭顯微組織的影響與焊接相對電流類似。在滿足焊接接頭力學(xué)性能的前提下，焊接時間不宜過長，封閉箍筋自動焊接生產(chǎn)線在實(shí)際生產(chǎn)過程中推薦使用的焊接時間為0.8 s。

(5)研究結(jié)果為封閉箍筋自動焊接工藝參數(shù)的選取提供了理論基礎(chǔ)，不僅節(jié)約成本而且提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量；同時為進(jìn)一步提高焊接接頭組織性能及機(jī)械性能穩(wěn)定性提供了參考與幫助。