核電鋼筋預(yù)埋件摩擦焊接工藝研究

曾凡勇，肖志威，郭城湘，高 宇，李 哲，程 鑫

1.中國(guó)核工業(yè)第二二建設(shè)有限公司，湖北 武漢 430051

2.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840

0 前言

核電建造結(jié)構(gòu)中涉及到大量的鋼筋-鋼板預(yù)埋件，通常需要在車間進(jìn)行焊接制作。目前常用的焊接方法主要為焊條電弧焊和半自動(dòng)氣保焊，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境惡劣、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性差等問(wèn)題，尤其是針對(duì)穿孔塞焊接頭，制作時(shí)需多層多道填充焊接，焊接質(zhì)量完全依賴焊工技能水平，且傳統(tǒng)手工焊接焊前需將鋼筋與鋼板進(jìn)行點(diǎn)焊固定，焊接效率較低［1-3］。這與大量預(yù)埋件需求之間的矛盾日益凸顯，因此有必要尋求一種自動(dòng)、高效、高質(zhì)的鋼筋預(yù)埋件焊接工藝。

摩擦焊是一種高效、綠色、環(huán)保的焊接方法，非常容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，其中連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊和慣性摩擦焊適合圓形截面工件之間或圓形截面工件與其他工件之間的焊接［4-5］。我國(guó)自1957年開(kāi)始研究摩擦焊技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空、石油、電力、汽車等行業(yè)［6-7］。20世紀(jì)80年代國(guó)外有學(xué)者開(kāi)始研究摩擦螺柱焊（Friction Stud Welding）方法用于水下?tīng)奚?yáng)極的焊接（T型接頭），具有接頭性能優(yōu)異、焊接高效和工藝適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是目前國(guó)外在水下連接領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟的技術(shù)之一，但一般螺柱直徑均小于 φ25 mm［8-10］。國(guó)內(nèi)吳澤生［11］在港珠澳大橋的拉鉤筋與錨固板的焊接中采用了摩擦焊接工藝，相比于熔化焊接，采用摩擦焊效率和效益得到顯著提升，但并未對(duì)鋼筋預(yù)埋件摩擦焊接工藝進(jìn)行深入的研究。

核電鋼筋預(yù)埋件屬于一板多筋的結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的摩擦焊設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)焊接，同時(shí)批量化生產(chǎn)對(duì)焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性提出了更高的要求。本文針對(duì)核電典型的預(yù)埋件規(guī)格，在公司研制的專用多工位預(yù)埋件摩擦焊接設(shè)備上開(kāi)展了系列摩擦焊接工藝研究，探索工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響規(guī)律，最終獲得了質(zhì)量穩(wěn)定且適合不同規(guī)格鋼筋的工藝參數(shù)，為摩擦焊接工藝在核電鋼筋預(yù)埋件中的應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鋼筋材質(zhì)為HRB400E，直徑為φ16～φ32 mm；鋼板材質(zhì)為Q235B，尺寸為δ16～δ30 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用摩擦焊接設(shè)備為自行研制的多工位預(yù)埋件摩擦焊機(jī)，如圖1所示，最大頂鍛力200 kN，最高轉(zhuǎn)速2 000 r/min。該摩擦焊機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)端夾持固定鋼筋，進(jìn)給端固定鋼板，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)頂鍛作用，y軸和z軸的移動(dòng)也采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，最終實(shí)現(xiàn)了在一塊鋼板上焊接多根鋼筋的功能，可適應(yīng)的最小鋼筋間距為100 mm。摩擦焊接時(shí)，焊接參數(shù)的設(shè)置以及鋼筋焊接坐標(biāo)的設(shè)置均采用PLC編程方式實(shí)現(xiàn)，焊前僅需調(diào)用或新建焊接參數(shù)程序，同時(shí)在控制面板中輸入鋼筋坐標(biāo)；焊接過(guò)程中，通過(guò)壓力傳感器反饋和控制頂鍛壓力，并對(duì)主要焊接參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和生成監(jiān)控曲線，最終實(shí)現(xiàn)鋼筋預(yù)埋件的自動(dòng)焊接。

圖1 多工位預(yù)埋件摩擦焊機(jī)Fig.1 Multi-station embedded parts friction welding equipment

該摩擦焊設(shè)備可實(shí)現(xiàn)時(shí)間控制模式和壓縮量控制模式。對(duì)于鋼筋預(yù)埋件焊接而言，由于鋼筋為螺紋鋼，鋼筋截面不規(guī)則，若采用壓縮量控制會(huì)導(dǎo)致每根鋼筋焊接時(shí)間不同，輸入熱量也會(huì)隨之變化。而采用時(shí)間控制模式可基本保證每根鋼筋輸入熱量一致，接頭性能更加穩(wěn)定，故本文中均采用時(shí)間控制模式。

鋼筋下料時(shí)盡量保證鋼筋長(zhǎng)度統(tǒng)一，同時(shí)在鋼筋?yuàn)A持端尾部使用同樣長(zhǎng)度的頂桿，保證鋼筋伸出量盡量一致，一般為50～55 mm。焊前需對(duì)鋼筋和鋼板待焊部位及其周邊區(qū)域進(jìn)行打磨。圖2為典型的鋼筋-板T接摩擦焊接頭。

圖2 典型摩擦焊接接頭Fig.2 Typical friction welding joint

焊后依次對(duì)接頭進(jìn)行尺寸檢測(cè)（鋼筋頂鍛量、鋼筋與鋼板角度）和力學(xué)性能檢測(cè)（拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)）。力學(xué)性能檢測(cè)時(shí)，采用火焰切割將接頭切成單根鋼筋試樣，其中鋼筋長(zhǎng)度大于250 mm，鋼板尺寸為100 mm×100 mm。按照J(rèn)GJ18—2012《鋼筋焊接及驗(yàn)收規(guī)程》的規(guī)定進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用如圖3所示的專用夾具進(jìn)行拉伸。彎曲試驗(yàn)參照AWS D1.4《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》進(jìn)行。

圖3 拉伸試驗(yàn)夾具Fig.3 Tensile test jig

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 正交工藝試驗(yàn)

接頭力學(xué)性能是預(yù)埋件穿孔塞焊接頭最重要的性能之一，因此若采用摩擦焊工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的穿孔塞焊工藝，需重點(diǎn)研究摩擦焊接頭的力學(xué)性能，而摩擦焊接工藝參數(shù)是影響接頭力學(xué)性能的主要因素。

試驗(yàn)采用的摩擦焊工藝為連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊，主要的焊接參數(shù)包括摩擦?xí)r間（包括一級(jí)摩擦、二級(jí)摩擦）、摩擦壓力（包括一級(jí)摩擦、二級(jí)摩擦）、頂鍛時(shí)間、頂鍛壓力。一級(jí)摩擦壓力和一級(jí)摩擦?xí)r間主要是為了預(yù)熱，一般不會(huì)發(fā)生太大的變化。針對(duì)φ25 mm鋼筋，基本參數(shù)設(shè)置為：一級(jí)摩擦壓力15 kN，一級(jí)摩擦?xí)r間22 s。

為了研究焊接工藝對(duì)接頭性能的影響，針對(duì)φ25 mm鋼筋設(shè)計(jì)了四因素三水平（L9（34））的正交試驗(yàn)，見(jiàn)表1、表2，以研究不同參數(shù)下接頭的成形及力學(xué)性能，以及不同焊接參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，進(jìn)而對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和固化，得出一般規(guī)律，評(píng)價(jià)指標(biāo)為頂鍛量。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Orthogonal factor level table

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 2 Orthogonal test designs table

試驗(yàn)件布置和焊后成形如圖4所示，焊后測(cè)量接頭的實(shí)際頂鍛量（鋼筋焊接前后的縮短量），并開(kāi)展拉伸試驗(yàn)。

圖4 正交工藝試驗(yàn)焊接接頭Fig.4 Welded joint of orthogonal process test

焊后統(tǒng)計(jì)鋼筋頂鍛量并進(jìn)行極差分析，如表3所示，不同參數(shù)下摩擦焊接頭的頂鍛量差別較大。極差可以反映不同因素對(duì)頂鍛量的影響程度，可以看出，4種因素中對(duì)頂鍛量影響程度由大到小依次為二級(jí)摩擦壓力、頂鍛壓力、二級(jí)摩擦?xí)r間、轉(zhuǎn)速。影響趨勢(shì)如圖5所示，可以看出頂鍛量隨各因素不同水平的變化趨勢(shì)。

圖5 不同因素對(duì)頂鍛量的影響Fig.5 Influence of different factors on the upset dimension

表3 正交試驗(yàn)及結(jié)果Table 3 Orthogonal test and results

值得說(shuō)明的是，以頂鍛量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)是因?yàn)轫斿懥吭谝欢ǔ潭壬蠜Q定了摩擦焊接頭的強(qiáng)度。頂鍛量較小時(shí)，接頭組織不密實(shí)，容易產(chǎn)生缺陷，焊合率較低，接頭抗拉強(qiáng)度較低且容易斷裂在焊縫位置。

為了證明頂鍛量與強(qiáng)度的關(guān)系，對(duì)不同正交參數(shù)下的接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)時(shí)以摩擦焊接頭處（焊縫）或鋼筋母材出現(xiàn)頸縮為拉伸力停止。每個(gè)參數(shù)拉伸數(shù)量為5件，合格率為斷裂在鋼筋母材的試件占比，拉伸結(jié)果如表4和圖6所示?？梢钥闯觯?dāng)頂鍛量小于19 mm時(shí)，拉伸合格率波動(dòng)較大，均低于60%；當(dāng)頂鍛量大于19 mm時(shí)，拉伸合格率達(dá)到100%。

表4 摩擦焊接頭拉伸結(jié)果Table 4 Tensile test results of friction welded joint

圖6 拉伸合格率與頂鍛量的關(guān)系Fig.6 Relationship between tensile pass rate and upset dimension

綜上，對(duì)于φ25 mm鋼筋，最佳參數(shù)組合為A1B3C3D3（即轉(zhuǎn)速900 r/min，二級(jí)摩擦壓力60 kN，二級(jí)摩擦?xí)r間15 s，頂鍛力80 kN）。考慮到轉(zhuǎn)速太低和二級(jí)摩擦壓力太高會(huì)容易造成悶車，因此重新優(yōu)化參數(shù)為：轉(zhuǎn)速1 000 r/min，二級(jí)摩擦壓力50 kN，二級(jí)摩擦?xí)r間15 s，頂鍛力80 kN。

2.2 摩擦焊接工藝評(píng)定

針對(duì)典型的預(yù)埋件規(guī)格開(kāi)展了摩擦焊接工藝評(píng)定。鋼筋尺寸包括φ32 mm、φ25 mm、φ22 mm、φ20 mm、φ16 mm五類，每個(gè)規(guī)格焊接5個(gè)接頭。摩擦焊接頭截圖如圖7所示。評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)參考JGJ18—2012、ASME第Ⅸ卷等相關(guān)內(nèi)容，焊后對(duì)接頭進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、宏微觀檢測(cè)、硬度測(cè)試等，具體檢驗(yàn)項(xiàng)目和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。具體檢驗(yàn)結(jié)果如表6所示，經(jīng)焊后檢驗(yàn)全部合格，經(jīng)評(píng)定合格的工藝參數(shù)如表7所示。

圖7 焊接接頭成形Fig.7 Appearance of welded joint

表5 摩擦焊接工藝評(píng)定檢測(cè)項(xiàng)目Table 5 Test items of friction welding procedure qualification

表6 摩擦焊接工藝評(píng)定檢驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of friction welding procedure qualification

表7 摩擦焊接工藝參數(shù)Table 7 Friction welding parameters

2.3 批量試驗(yàn)與模擬試驗(yàn)

為了驗(yàn)證摩擦焊設(shè)備的適用性和摩擦焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，針對(duì)典型規(guī)格的預(yù)埋件開(kāi)展了模擬試驗(yàn)和批量試驗(yàn)。模擬焊接時(shí)鋼筋規(guī)格為φ20 mm、φ25 mm、φ32 mm，每種規(guī)格鋼筋連續(xù)焊接110件，焊后100件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，另外10件分別進(jìn)行90°彎曲試驗(yàn)和反復(fù)彎曲試驗(yàn)。模擬件如圖8所示。

圖8 批量焊接模擬件Fig.8 Batch welding specimens

焊接過(guò)程對(duì)鋼筋頂鍛量和鋼筋鋼板間夾角進(jìn)行自檢，全部滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。焊后對(duì)全部鋼筋摩擦焊接頭進(jìn)行拉伸測(cè)試，抗拉強(qiáng)度均大于540 MPa，且斷裂位置位于鋼筋母材；10件90°彎曲試件彎曲后未發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，10件反復(fù)彎曲試件斷裂在鋼筋母材。

模擬焊接時(shí)按照實(shí)際工程產(chǎn)品的大小進(jìn)行，其中涉及鋼筋長(zhǎng)度為300～800 mm，厚度為16～30 mm，寬度為300～800 mm。焊接時(shí)鋼筋中心距為100 mm、125 mm、200 mm。具體模擬件尺寸見(jiàn)表8，焊后的模擬件如圖9所示，焊接完成后鋼板幾乎未發(fā)生變形。

圖9 摩擦焊模擬試件Fig.9 Simulation test of friction welding specimens

表8 摩擦焊模擬件尺寸Table 8 Dimensions of Mock up test specimens

綜上，通過(guò)批量焊接試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)證明了摩擦焊接設(shè)備和焊接工藝的適用性和可靠性。

3 應(yīng)用前景

核電預(yù)埋件中大多為穿孔塞焊接頭，據(jù)初步估算，相比于穿孔塞焊，采用摩擦焊工藝單根鋼筋的焊接效率可提升2～4倍，綜合效率可提升6～8倍，節(jié)約人工成本約80%，具有較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益。相比于穿孔塞焊技術(shù)，預(yù)埋件采用摩擦焊工藝具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）焊接接頭質(zhì)量高，不易出現(xiàn)氣孔、未熔合等缺陷。

（2）更易實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、一致性好。

（3）熱變形小，有較高的尺寸精度。

（4）焊接效率高，相比于自動(dòng)穿孔塞焊，摩擦焊接過(guò)程減少了部分加工檢驗(yàn)工序（鉆孔、打磨、滲透檢驗(yàn)等），無(wú)需附加耗材（焊材和氣體、打磨片等）。

（5）焊接過(guò)程無(wú)煙無(wú)塵、綠色環(huán)保，提高了操作者的勞動(dòng)環(huán)境舒適度。

（6）設(shè)備操作簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的培訓(xùn)，對(duì)操作者沒(méi)有技能上的要求。

預(yù)埋件鋼筋摩擦焊接在核工業(yè)領(lǐng)域?qū)儆谙冗M(jìn)技術(shù)，該技術(shù)的研發(fā)和推廣應(yīng)用有利于加快預(yù)埋件焊接自動(dòng)化發(fā)展的步伐，同時(shí)一定程度上促進(jìn)了我國(guó)焊接產(chǎn)業(yè)快速向“高效化、自動(dòng)化、智能化”的趨勢(shì)發(fā)展，具有較好的社會(huì)效益。綜上，摩擦焊技術(shù)在核電鋼筋預(yù)埋件焊接方面具有較大的推廣價(jià)值，除此外，預(yù)埋件摩擦焊接技術(shù)還可應(yīng)用于其他建筑領(lǐng)域（如建筑、橋梁、水利水電等）的預(yù)埋件焊接，具有較為廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論與展望

根據(jù)摩擦焊技術(shù)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，結(jié)合核電鋼筋預(yù)埋件的大量需求，本文創(chuàng)新地提出采用摩擦焊技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電弧焊，以實(shí)現(xiàn)核電鋼筋預(yù)埋件自動(dòng)化、高效高質(zhì)焊接，并開(kāi)展了系列試驗(yàn)，得出結(jié)論：

（1）通過(guò)正交試驗(yàn)，確定了影響鋼筋頂鍛量的主要因素，按影響程度從大到小依次為二級(jí)摩擦壓力、頂鍛壓力、二級(jí)摩擦?xí)r間、轉(zhuǎn)速。且頂鍛量直接影響接頭的抗拉強(qiáng)度。

（2）對(duì)五種規(guī)格典型的鋼筋進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，焊后對(duì)接頭分別進(jìn)行了無(wú)損和理化檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果全部合格。

（3）通過(guò)開(kāi)展批量焊接和模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了鋼筋預(yù)埋件采用摩擦焊接工藝的質(zhì)量穩(wěn)定性和工藝適用性，為摩擦焊接工藝的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

摩擦焊在核電鋼筋預(yù)埋件中的應(yīng)用尚未有先例，且鋼筋焊接現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中尚未納入摩擦焊接工藝。因此下一步的工作建議逐步試用推廣并考慮建立相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系，為實(shí)現(xiàn)預(yù)埋件的摩擦焊接提供參考和依據(jù)。