鋼筋預埋件連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接頭組織及性能

章中華，曾凡勇，肖志威，謝利平，薛雅旭，朱稱生

中國核工業(yè)第二二建設有限公司，湖北 武漢 430051

0 前言

鋼筋預埋件在核電建造、民用建筑、水利等工程中應用廣泛，其一般為T形焊接結(jié)構(gòu)，根據(jù)預埋板厚度及鋼筋直徑可采用不同方式（穿孔塞焊、壓力埋弧焊、角焊等）進行焊接［1］。目前核電鋼筋預埋件的生產(chǎn)仍以手工焊接為主，存在焊接效率低、勞動環(huán)境較差、工作強度較高等問題。鑒于此，國內(nèi)一些單位采用機器人代替人工實現(xiàn)穿孔塞焊自動焊接［2-3］。雖然自動焊提升了焊接效率，但對焊前組對工序要求高，且機器人焊接一般采用大電流脈沖電源，焊接時會產(chǎn)生強烈的脈沖弧光和煙塵，易造成電弧灼傷和環(huán)境污染，且設備能耗較大。

摩擦焊焊接過程中質(zhì)量控制良好，可避免裂紋、氣孔、未熔透等缺陷，已廣泛應用于航空、石油、電力、汽車等領域［4-5］。該技術具備高效、綠色、環(huán)保的特點，且容易實現(xiàn)自動化焊接，非常適合用于鋼筋預埋件的焊接。20世紀80年代有學者開始研究采用摩擦螺柱焊（Friction Stud Welding，F(xiàn)SW）方法焊接螺柱和鋼板，主要用于海底石油管道犧牲陽極的焊接，適用螺柱直徑范圍在25 mm及以下。狄冰［6］等針對X65鋼開展14 mm螺柱的摩擦焊T形接頭的微觀組織及耐腐性能研究。徐亞國［7］等研究了旋轉(zhuǎn)速度對摩擦螺柱焊接頭抗拉強度的影響。Kimura M［8］等針對AA5083鋁合金摩擦螺柱焊接頭斷裂發(fā)生在界面處而非母材的問題開展了研究，分析了飛邊形貌和接頭拉伸的關系，通過參數(shù)優(yōu)化和接頭設計獲得了良好的接頭。

目前有關預埋件T形接頭摩擦焊接的研究主要集中在小直徑螺柱或輕質(zhì)材料的焊接，針對大直徑（25 mm以上）鋼筋的摩擦焊接還鮮有報道。因此，本文針對核電典型規(guī)格和材質(zhì)的鋼筋預埋件進行連續(xù)驅(qū)動摩擦焊，研究分析接頭的組織特征和力學性能，以期為鋼筋預埋件摩擦焊接技術的推廣應用提供參考。

1 試驗材料和方法

表1 Q235B化學成分及力學性能Table 1 Chemical composition and mechanical properties of Q235B

表2 HRB400E化學成分及力學性能Table 2 Chemical composition and mechanical properties of HRB400E

圖1 母材微觀組織Fig.1 Microstructure of base metal

試驗采用自行研制的多工位預埋件連續(xù)驅(qū)動摩擦焊機（見圖2），最大頂鍛力200 kN，最高轉(zhuǎn)速2 000 r/min。其中鋼板固定側(cè)增加了x軸和y軸伺服驅(qū)動，可實現(xiàn)一塊鋼板上焊接多根鋼筋。焊前對鋼筋端面和鋼板待焊處附近進行打磨以去除鐵銹。典型的鋼筋-板T接摩擦焊接頭見圖3。

圖2 多工位預埋件摩擦焊機Fig.2 Multi-station embedded parts friction welding equipment

圖3 預埋件摩擦焊接頭Fig.3 Friction welded joint of embedded parts

焊后采用鋸切的方式通過鋼筋軸線截取接頭截面并制作金相試樣，采用徠卡DMI5000M型光學顯微鏡進行微觀組織的觀察分析，采用蔡司EVO 10掃描電鏡對接頭截面進行高倍掃描和化學分析。拉伸性能檢測時，采用火焰切割方式將接頭切成單根鋼筋試樣，其中鋼筋長度大于250 mm，鋼板尺寸為100 mm×100 mm，拉伸試驗按照JGJ/T27—2014《鋼筋焊接接頭拉伸試驗方法》，拉伸試驗設備為WE-300B液壓式拉伸壓縮試驗機。另外，為了確定焊縫的實際力學性能，參照GB/T 6397—86截取小尺寸拉伸試樣，如圖4所示，試樣厚度為2 mm，平行段中間部位為摩擦焊縫界面，拉伸試驗設備為WDW-50D萬能試驗機。采用萊金HVS-30維氏硬度計進行硬度試驗，壓力10 kg，保壓時間10 s。

圖4 小尺寸拉伸試樣Fig.4 Small size tensile specimen

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 宏觀形貌

預埋件摩擦焊T形接頭宏觀形貌如圖5所示。焊后飛邊形貌異常明顯，其中鋼筋上部飛邊呈圓弧狀包絡于鋼筋四周，下部飛邊則體積相對很小，僅部分被擠出于上部飛邊與鋼板之間。對于傳統(tǒng)棒-棒結(jié)構(gòu)的摩擦焊接頭而言，形成的飛邊一般呈對稱分布，但對于預埋件這種摩擦焊T形接頭，鋼板側(cè)與鋼筋側(cè)散熱的不對稱性造成了飛邊的不對稱性。飛邊的具體形成過程為：摩擦焊接剛開始時，鋼筋和鋼板在頂鍛力和熱作用下排出初始金屬（部分鋼筋+部分鋼板）形成下部飛邊，此時下部飛邊厚度較薄，且與鋼板形成了有效連接，不再隨著鋼筋旋轉(zhuǎn)；隨著摩擦焊接的進行，由于鋼筋側(cè)熱傳導較慢，鋼板側(cè)熱傳導較快，鋼筋受熱發(fā)生塑化，并作為主要耗材被不斷擠出焊接界面，在頂鍛力和旋轉(zhuǎn)力的作用下形成了體積較大的包絡狀飛邊。上部飛邊流線如圖6所示，界面附近的鋼筋金屬有明顯的應變流線，說明了其在焊接過程中的頂鍛作用下發(fā)生了劇烈的徑向流動。

圖5 T形接頭宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of T-joint

圖6 上部飛邊流線Fig.6 Upper flash streamline

摩擦焊界面經(jīng)10%硝酸酒精溶液腐蝕后，可以看出下部飛邊層較為明顯，呈帶狀組織，位于鋼筋側(cè)和鋼板側(cè)之間，成為了摩擦焊界面的一部分。目視觀察發(fā)現(xiàn)，部分接頭鋼筋中心處界面呈現(xiàn)“黑線”特征，這在后文會進一步分析。另外，摩擦焊縫界面兩側(cè)的焊核區(qū)（塑性區(qū)）較為明顯，且鋼筋側(cè)的塑性區(qū)較寬。

經(jīng)分析，下部飛邊一方面受到摩擦熱作用，一方面在鋼板的熱傳導作用下快速冷卻，綜合作用下，下部飛邊層在二級摩擦焊接過程中最終保留著紅熱狀態(tài)和相對穩(wěn)定的形態(tài)。在鋼筋的不斷旋轉(zhuǎn)摩擦作用下，鋼筋前端的界面層逐漸排出氧化物及雜質(zhì)，并漏出“新鮮”的表面。在此狀態(tài)下，鋼筋與鋼板處于瞬間“焊接-旋轉(zhuǎn)破壞”的反復狀態(tài)。直到摩擦階段結(jié)束，頂鍛開始，上下飛邊被進一步擠出和冷卻定形，鋼筋與鋼板形成了可靠的冶金結(jié)合，焊接過程結(jié)束。

2.2 微觀組織

摩擦焊縫界面處的微觀組織主要為鐵素體+珠光體+貝氏體，如圖7所示。鋼筋側(cè)焊核區(qū)組織（見圖8a）為細小的鐵素體和珠光體組織，該區(qū)域微觀組織因為摩擦焊接過程的高速旋轉(zhuǎn)和頂鍛作用，晶粒被不斷破碎，原始的軋制形態(tài)被完全消除，同時該區(qū)域組織發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。而遠離界面處的鋼筋熱影響區(qū)（見圖8b）僅受到了焊接過程的熱作用，部分碳化物開始析出，并充滿整個晶界。

圖7 焊縫界面處微觀組織Fig.7 Microstructure of weld interface

圖8 鋼筋側(cè)接頭微觀組織Fig.8 Microstructure of reinforcement side joint

鋼板側(cè)焊核區(qū)（見圖9a）的微觀組織為鐵素體+貝氏體，距離摩擦焊縫界面較近的區(qū)域在焊接開始階段同樣也受到了旋轉(zhuǎn)摩擦的作用，因此該區(qū)域的晶粒也發(fā)生了破碎，相對于母材的晶粒尺寸異常細??；該區(qū)域的旋轉(zhuǎn)破碎程度相比鋼筋側(cè)較輕，因此還可以看出部分碳化物的原始痕跡。同樣遠離界面處的熱影響區(qū)（見圖9b）組織僅受到了焊接熱作用，部分碳化物在晶界處析出。

圖9 鋼板側(cè)接頭微觀組織Fig.9 Microstructure of steel plate side joint

針對部分摩擦焊接頭焊縫界面經(jīng)腐蝕后存在的“黑線”特征（見圖10），考慮到摩擦焊接過程中，理論上鋼筋軸線處的線速度趨于零，因此該區(qū)域的熱輸入幾乎全部來源于附近區(qū)域的熱傳導，該區(qū)域可能存在因熱輸入不足導致產(chǎn)生缺陷的情況，如產(chǎn)生虛接或界面中的氧化膜或雜質(zhì)未及時排出等，需對其進行進一步分析。

圖10 T形摩擦焊接頭界面“黑線”Fig.10 "Black Line" at T-shaped friction welded joint interface

首先對宏觀接頭截面進行打磨和滲透檢驗，結(jié)果并無缺陷顯示，確認了“黑線”及周邊區(qū)域并非裂紋、凹坑之類的缺陷。對該區(qū)域進行放大觀察，如圖11所示，呈連續(xù)的金屬組織，厚度為0.1～0.2 mm，未見缺陷。對特征區(qū)域（圖11的A、B區(qū)域）進行掃描電鏡觀察，結(jié)果如圖12所示，深色區(qū)域（A區(qū)域）的組織為鐵素體、索氏體和屈氏體的混合組織，明顯可見晶粒內(nèi)部呈片狀分布的滲碳體；淺色區(qū)域（B區(qū)域）為鐵素體、珠光體和少量的魏氏體組織。A區(qū)域與B區(qū)域之間除了組織狀態(tài)不同外，未見其他異常。A區(qū)域的片狀組織結(jié)構(gòu)較B區(qū)優(yōu)先發(fā)生腐蝕，且厚度較薄，因此在目視和低倍顯微鏡下觀察呈現(xiàn)“黑線”特征。

圖11 “黑線”處放大Fig.11 Enlarged at "Black Line"

圖12 SEM掃描組織Fig.12 SEM scanning microstructure

采用能譜分析進行線掃描分析，掃描線跨越黑線層及兩側(cè)區(qū)域，如圖13所示。結(jié)果顯示，整條掃描線上主要元素分布均勻，各區(qū)域未見明顯的成分差異和突變，進一步證明了“黑線”成分的連續(xù)性。

圖13 能譜掃描結(jié)果Fig.13 Energy spectrum scanning results

2.3 拉伸性能

參考JGJ18—2012《鋼筋焊接及驗收規(guī)程》中關于預埋件T形接頭拉伸試驗的規(guī)定，對于預埋件摩擦焊接頭主要考究的是縱向拉伸性能。采用如圖14所示的夾具對單根鋼筋接頭進行拉伸。

圖14 摩擦焊接頭拉伸試驗Fig.14 Tensile test of friction welded joint

對于不同摩擦焊接參數(shù)接頭（焊接參數(shù)見表3），每次拉伸5個試樣，拉伸合格率為滿足拉伸要求的數(shù)量與拉伸總數(shù)量之比，參照JGJ18—2012，當T形接頭拉伸強度不小于540 MPa時即可認為拉伸合格。拉伸合格率與頂鍛量的關系如圖15所示［9］?？梢钥闯?，隨著鋼筋頂鍛量（鋼筋焊前、焊后的長度差）的增加，接頭拉伸合格率呈上升趨勢，當頂鍛量大于19 mm后，拉伸合格率可達到100%。選擇頂鍛量作為考察因素主要在于頂鍛量是其他工藝參數(shù)（摩擦時間、摩擦壓力、頂鍛壓力、頂鍛時間等）的宏觀綜合體現(xiàn)［9］，便于測量和分析。

表3 摩擦焊接參數(shù)Table 3 Friction welding parameters

圖15 拉伸合格率與頂鍛量的關系Fig.15 Relationship between tensile qualification rate and upset forging amount

為了進一步分析摩擦焊接頭焊縫區(qū)實際力學性能，采用小尺寸試樣進行了拉伸測試（見圖16），試驗結(jié)果如圖17、圖18所示。試驗結(jié)果表明：拉伸試樣全部斷裂在鋼板側(cè)，且全部偏向母材一側(cè)（遠離塑性區(qū)），接頭平均屈服強度為322.5 MPa，平均抗拉強度為425.8 MPa，接頭屈服強度和抗拉強度與鋼板母材的力學性能相近。經(jīng)分析，拉伸試樣平行段包括鋼筋、鋼板和摩擦焊界面，發(fā)生斷裂的位置理論上應為接頭最為脆弱的位置，遠離界面處的鋼板母材屈服強度最低，是承載力最低的部位，鋼筋、鋼板摩擦焊界面處的晶粒組織較細，經(jīng)歷了強烈的塑性變形，焊接界面形成了牢固的冶金結(jié)合。因此摩擦焊接頭界面的連接強度優(yōu)于母材。

圖16 小尺寸拉伸試驗Fig.16 Small size tensile test

圖17 小尺寸拉伸后試樣（左側(cè)為鋼板側(cè)）Fig.17 Specimen after small size tension （the left side is the steel plate side）

圖18 小尺寸拉伸試驗結(jié)果Fig.18 Small size tensile test results

對于鋼筋-鋼板摩擦焊接接頭，理論上鋼筋母材的抗拉強度大于鋼板母材的抗拉強度，力學性能差異較大。根據(jù)預埋件T形接頭的縱向承載分析，若接頭斷裂位置發(fā)生在屈服強度較高的鋼筋母材，則接頭處的承載面積定然大于鋼筋橫截面積，這從經(jīng)拉伸合格的預埋件T形摩擦焊接頭宏觀形貌即可證實。頂鍛量的增加，實際上就是增加了摩擦壓力或摩擦時間，使得焊接過程鋼筋與鋼板的接觸面積增加，使得焊接區(qū)域焊合率［9］增加。

對于拉伸斷裂發(fā)生在焊縫處的接頭，一般形式均為鋼筋母材直接從鋼板上拔出。從拉伸斷口（見圖19）可以看出，斷口區(qū)域分為三部分，連接區(qū)內(nèi)的金屬形成了有效的冶金結(jié)合（焊合），拉伸時因為承載力不足被強制拔出，斷口呈一定的延性特征；弱連接區(qū)域漏出表面為焊縫界面，斷口平整，為斷裂發(fā)生的起始區(qū)域，一般該區(qū)域面積較少，界面平滑，呈脆性斷裂特征，也稱之為“灰斑”；未連接區(qū)域為鋼筋外側(cè)區(qū)域，焊接時軸向壓力幾乎為零，因此與鋼板沒有形成任何機械連接或有效的冶金結(jié)合。

圖19 鋼筋側(cè)拉伸斷口Fig.19 Tensile fracture of reinforcement side

2.4 硬度分布

采用維氏硬度計對接頭各區(qū)的硬度進行了測試，測試結(jié)果如圖20所示?？梢钥闯觯琎235鋼板母材硬度值約為126 HV10，HRB400E鋼筋母材硬度值約為200 HV10。圖20a中硬度點位分別位于鋼筋側(cè)和鋼板側(cè)距離焊縫界面1 mm內(nèi)的區(qū)域，處于鋼板和鋼筋的焊核區(qū)或熱機影響區(qū)?？梢钥闯?，鋼筋焊核區(qū)的硬度最大值為280 HV10，鋼板焊核區(qū)硬度最大值為265 HV10，鋼筋側(cè)硬度明顯高于鋼板側(cè)，這與材質(zhì)本身相關。鋼筋側(cè)和鋼板側(cè)硬度分布都呈現(xiàn)中間高兩邊稍低的趨勢，這與摩擦焊接頭的形貌呈月牙狀有關，且焊核區(qū)的晶粒更加細小，因此硬度更高，兩側(cè)熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)的硬度值更低。由圖20b可以看出，鋼筋2/3半徑處和中心處的硬度值基本無差別，均顯示出焊核區(qū)硬度較高，往熱機影響區(qū)、熱影響區(qū)依次降低。也從側(cè)面證明了為何小尺寸拉伸試驗斷裂在鋼板側(cè)母材位置。

圖20 摩擦焊接頭硬度分布Fig.20 Hardness distribution of friction welded joint

3 結(jié)論

摩擦焊接參數(shù)對于預埋件摩擦焊接頭成形及性能具有重要影響，本研究有助于預埋件摩擦焊技術的推廣，得出以下結(jié)論：

（2）摩擦焊接頭焊核區(qū)組織為細小的鐵素體+貝氏體，熱影響區(qū)組織中的碳化物開始析出。通過高倍顯微鏡和掃描電鏡證實了摩擦焊縫界面處的“黑線”特征為正常組織而非缺陷。

（3）當頂鍛量超過一定數(shù)值（19 mm）后，拉伸合格率可達100%，通過小尺寸拉伸和硬度測試證明了摩擦焊接頭最薄弱的部位位于鋼板母材。通過分析，針對T形摩擦焊接頭，焊合率是決定接頭斷裂位置的重要指標。