陳偉 ，嚴(yán)錫九，趙宇，施哲，張衛(wèi)強(qiáng)

(1. 昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，云南 昆明，650093；2. 武鋼集團(tuán) 昆明鋼鐵股份有限公司，云南 昆明，650302；3. 武鋼集團(tuán) 昆明鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，云南 昆明，650302)

隨著現(xiàn)代建筑工業(yè)的發(fā)展，土木工程對(duì)鋼筋焊接質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求，無(wú)論是高層建筑、大跨度混凝土橋梁還是水利工程，鋼筋的焊接直接影響工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。HRB500E鋼筋具有強(qiáng)度高、安全儲(chǔ)備量大、抗震性能好、節(jié)省鋼材用量、施工方便等優(yōu)越性，適用于高層、大跨度和抗震建筑結(jié)構(gòu)，是一種節(jié)約、高效的新型建筑材料[1-2]，近年來(lái)國(guó)家及地方相關(guān)部門相繼出臺(tái)了一系列文件促進(jìn)HRB500E高強(qiáng)度抗震鋼筋的研制和推廣應(yīng)用[3]。為充分發(fā)揮 HRB500E鋼筋高強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，目前對(duì)其采用高強(qiáng)度連接方法，如機(jī)械連接或焊接。相關(guān)研究表明[4-7]，材料碳當(dāng)量CEnw在0.40%～0.60%，材料的淬硬傾向明顯，需要適當(dāng)預(yù)熱并按相應(yīng)的焊接規(guī)范進(jìn)行焊接；對(duì)碳當(dāng)量較高的鋼筋采用預(yù)熱閃光焊，可使焊口兩側(cè)的加熱范圍擴(kuò)大，改善溫度分布梯度，降低冷卻速度，減少產(chǎn)生未焊透、脆斷缺陷的可能性。根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量 CEnw公式計(jì)算HRB500E高強(qiáng)度鋼筋碳當(dāng)量大于0.40%，同時(shí)考慮預(yù)熱閃光對(duì)焊技術(shù)還具有效率高、成本低、質(zhì)量好的特點(diǎn)，HRB500E高強(qiáng)度鋼筋連接時(shí)采用閃光對(duì)焊技術(shù)較為適宜。為了降低 HRB500E高強(qiáng)度鋼筋生產(chǎn)成本，更好地促進(jìn)其生產(chǎn)及推廣應(yīng)用，2009年國(guó)內(nèi)某廠采用微合金化控冷工藝試制了 HRB500E高強(qiáng)度鋼筋。為了更好地檢驗(yàn)控冷工藝生產(chǎn) HRB500E高強(qiáng)度鋼筋焊接性能，本文作者以該廠微合金化控冷工藝生產(chǎn)的HRB500E高強(qiáng)度鋼筋作為母材，采用閃光對(duì)焊工藝進(jìn)行焊接，對(duì)其焊接樣進(jìn)行了力學(xué)性能、HV5硬度、金相顯微組織、焊接接頭強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的材料為國(guó)內(nèi)某廠采用微合金化控冷工藝試制的HRB500E高強(qiáng)度鋼筋，直徑為20和25 mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表 1。試驗(yàn)材料鋼筋橫截面由3層組織組成，外表層為淬硬層，其顯微組織為索氏體；淬硬層以內(nèi)的芯部組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體；淬硬層與芯部之間為過(guò)渡區(qū)，其組織為鐵素體+珠光體+貝氏體。

1.2 焊接接頭制作

焊接接頭使用UN-100型對(duì)焊機(jī)，采用閃光－預(yù)熱閃光焊方式，焊接經(jīng)一次閃光，閃平端面后，預(yù)熱充分，二次閃光閃去過(guò)熱金屬以及最后頂鍛完成；與熱軋鋼筋相比，焊接過(guò)程中減小調(diào)伸長(zhǎng)度，提高焊接變壓器級(jí)數(shù)，縮短加熱時(shí)間，快速頂鍛，形成快熱快冷條件，使熱影響區(qū)長(zhǎng)度控制在鋼筋直徑的 0.6倍范圍之內(nèi)。焊機(jī)容量為180 kV·A，調(diào)伸長(zhǎng)度(鉗口距離)為30～40 mm, 焊接變壓器級(jí)數(shù)為Ⅶ級(jí)，焊劑為普通的HJ431焊劑，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》，采用WE-2000型拉力試驗(yàn)機(jī)，從直徑20和25 mm HRB500E鋼筋上各取長(zhǎng)度400 mm的10個(gè)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；相同的鋼筋試樣再各取10組試樣，進(jìn)行閃光對(duì)焊，焊接試樣經(jīng)外觀檢查合格后，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。上述直徑20和25mm HRB500E鋼筋焊接接頭經(jīng)濕鋸加工成長(zhǎng)度80 mm 的試樣，經(jīng)刨、銑、濕磨、砂紙打磨及用 4%硝酸酒精腐蝕后制成金相及硬度試樣，采用Leica5000型金相顯微鏡、IAS.6.0圖像分析儀觀測(cè)顯微組織；采用HVA-10A型維氏硬度計(jì)測(cè)量維氏硬度HV5，試驗(yàn)載荷為50 N，硬度測(cè)量軸向測(cè)試點(diǎn)平行于試樣軸線，位于淬硬層和距試樣軸線1/4鋼筋半徑處，徑向測(cè)試點(diǎn)距焊縫一定距離，平行于焊縫分布，焊接接頭HV5測(cè)試試樣外形見(jiàn)圖1所示。焊接接頭疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)所取試件如圖2所示，在試件兩端用閃光對(duì)焊焊接上細(xì)牙螺紋接頭，并對(duì)連接接頭采用磨平等提高疲勞強(qiáng)度的措施，以確保其疲勞強(qiáng)度不低于受試接頭；試件連接接頭的間距為 650 mm，受試部位未經(jīng)過(guò)任何加工處理。疲勞試驗(yàn)在60 t程序控制萬(wàn)能疲勞試驗(yàn)機(jī)上按《鋼筋焊接接頭試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 27—2001)在常溫下進(jìn)行。試件兩端夾持部分的連接細(xì)牙羅紋與試驗(yàn)機(jī)夾頭螺紋配合。疲勞頻率約 110 Hz，試驗(yàn)應(yīng)力比 R=0.2；在試驗(yàn)應(yīng)力循環(huán)數(shù)N＞2×106次時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)停止。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分與力學(xué)性能Table 1 Chemical composition (mass fraction) and mechanical properties of test materials

表2 HRB500E抗震鋼筋閃光對(duì)焊工藝參數(shù)Table 2 Main parameters of flash butt welding for HRB500E seismic steel bars

圖1 試驗(yàn)鋼焊接接頭HV5測(cè)試樣宏觀形貌Fig.1 Appearance of HV5 test sample for welded joints of steel bars

圖2 焊接接頭疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)試件示意圖Fig.2 Schematic geometry of specimen for fatigue testing of welded joints

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

對(duì)直徑20和25 mm HRB500E鋼筋母材及焊接件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明：焊接以后，再進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，焊件和母材強(qiáng)度基本不變(見(jiàn)表3)，其力學(xué)性能滿足GB/T 1499.2—2007的要求，焊件拉伸斷口均在遠(yuǎn)離焊接接頭熔合區(qū)及熱影響區(qū)的母材上(見(jiàn)圖3)，且具有較大的均勻延伸和縮頸，斷口形貌為杯錐狀，有明顯的剪切唇區(qū)，表現(xiàn)為延性斷口，微合金鈮鐵的加入有利于焊接性能的改善[8]；焊接件按JGJ 18—2003《鋼筋焊接及驗(yàn)收規(guī)程》5.1.7之規(guī)定，全部為合格焊接接頭。鋼筋母材的基體組織為鐵素體＋珠光體＋少量貝氏體，閃光對(duì)焊后其接頭處的組織有8%～10%的粒狀貝氏體強(qiáng)化相產(chǎn)生，使接頭部位的抗拉強(qiáng)度高于母材，同時(shí)接頭部位的韌性并沒(méi)有明顯降低，試件拉伸和彎曲試驗(yàn)合格。

圖3 HRB500E (d=25 mm)高強(qiáng)度鋼筋焊件拉伸斷口宏觀形貌Fig.3 Fractographys of weldment tensile fracture for HRB500E high-strength steel bars (d=25 mm)

2.2 金相顯微組織及HV5硬度分析

控冷工藝生產(chǎn)的 HRB500E高強(qiáng)度鋼筋焊接接頭組織由焊縫、熱影響粗晶區(qū)、熱影響細(xì)晶區(qū)、混晶區(qū)及母材組成，其剖面示意如圖4所示。表4所示為試驗(yàn)鋼焊接接頭組織各組成區(qū)間的長(zhǎng)度。從表4可以看出：熱影響區(qū)長(zhǎng)度隨鋼筋直徑增大而增大，主要原因是熱影響粗晶區(qū)長(zhǎng)度增大所致。

焊接接頭各組成區(qū)芯部和淬硬層顯微組織如圖 5所示。從圖5可以看出：焊縫、熱影響粗晶區(qū)芯部組織為B+F，過(guò)渡到熱影響細(xì)晶區(qū)、混晶區(qū)芯部組織為F+P，遠(yuǎn)離焊縫的母材芯部組織為 F+P+B；焊縫、熱影響粗晶區(qū)表層組織為B+F，熱影響細(xì)晶區(qū)表層組織為F+P，過(guò)渡到熱影響混晶區(qū)表層組織為S+F+P+B，遠(yuǎn)離焊縫的母材表層組織為 S；焊接接頭各區(qū)間硬度HV5分布曲線(見(jiàn)圖6)表明，焊件母材的表層HV5高于芯部(約相差 30HV5)，但焊縫、熱影響粗晶區(qū)、熱影響細(xì)晶區(qū)的表層HV5與芯部較為接近，從混晶區(qū)開始到母材HV5硬度相差逐漸變大。

在焊接熱循環(huán)作用下，焊接接頭焊縫、熱影響粗晶區(qū)、熱影響細(xì)晶區(qū)的表層和芯部經(jīng)歷了奧氏體化后再結(jié)晶，轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗨频慕M織，其HV5接近；混晶區(qū)的表層和芯部經(jīng)歷了不完全奧氏體化后的再結(jié)晶，表層組織從熱影響細(xì)晶區(qū)的(鐵素體+珠光體)組織逐漸過(guò)渡到母材淬硬層的索氏體組織，芯部組織從熱影響細(xì)晶區(qū)的(鐵素體+珠光體)組織逐漸過(guò)渡到母材芯部的(鐵素體+珠光體)組織。因此，從混晶區(qū)到母材，外表層與芯部的HV5差值逐漸變大。

表3 HRB500E鋼筋焊件及母材力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of weldment and base material for HRB500E steel bars

圖4 HRB500E高強(qiáng)度鋼筋焊件剖面示意圖Fig.4 Schematic diagram of cross-section of weldment for HRB500E steel bars

表4 試驗(yàn)鋼焊接接頭各組成區(qū)間長(zhǎng)度分布Table 4 Length distribution in different structure regions for welded joints of test steel

圖5 HRB500E高強(qiáng)度鋼筋焊接接頭各組成區(qū)顯微組織Fig.5 Microstructures of different structure regions for welded joints of HRB500E high-strength steel bars

圖6 HRB500E高強(qiáng)度鋼筋焊接接頭HV5分布曲線Fig.6 Distribution curve of hardness HV5 for welded joints of HRB500E high-strength steel bars

在焊接熱作用下，焊接接頭的溫度焊縫最高，從焊縫到母材逐漸降低[9-10]。較高的奧氏體化溫度使焊縫中產(chǎn)生條塊狀的先共析鐵素體，沿原始奧氏體晶界呈網(wǎng)狀斷續(xù)分布，其組織(貝氏體+鐵素體)的HV5低于焊縫熱影響粗晶區(qū)組織(貝氏體+鐵素體)的HV5，甚至低于母材芯部的HV5。距離焊縫越遠(yuǎn)，先共析鐵素體網(wǎng)逐漸斷開，過(guò)渡到熱影響粗晶區(qū)，組織中珠光體+鐵素體量逐漸增多，粒狀貝氏體量逐漸減少，然后逐漸過(guò)渡為熱影響細(xì)晶區(qū)的鐵素體+珠光體組織，HV5逐漸降低。焊縫硬度較低的主要原因?yàn)楹缚p組織有大量的先共析鐵素體沿原奧氏體柱狀晶晶界析出[11-12]，晶內(nèi)為針狀鐵素體和粒狀貝氏體交叉混合分布；熔合區(qū)硬度相對(duì)較高，在熱影響區(qū)中，靠近熔合線的粗晶區(qū)硬度最高，高于焊縫區(qū)和母材，因?yàn)闊嵊绊懘志^(qū)組織多為側(cè)板條狀貝氏體，并伴有少量塊狀鐵素體、針狀鐵素體及呈方向性分布的粒狀貝氏體(島狀相略有分解)；隨著距熔合線距離的增大，硬度有所降低，但高于母材，不存在軟化現(xiàn)象。

2.3 焊接接頭強(qiáng)度分析

按GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》中σm與HV換算表，求得σm與HV和HV2的線性關(guān)系為：σm=53.2+2.96×HV+0.000 37×HV2，相關(guān)系數(shù)R=0.98。

焊接接頭有效橫截面積示意見(jiàn)圖7所示。圖中：b為距焊縫一定距離L試樣HV測(cè)試面上弦長(zhǎng)的一半，rz為焊接接頭母材有效半徑，則弦高

h不隨測(cè)試點(diǎn)距焊縫距離L改變，HV測(cè)試點(diǎn)處半弦b對(duì)應(yīng)的有效半徑r為

圖7 焊接接頭有效截面積計(jì)算示意圖Fig.7 Schematic diagram of calculation of effective cross-sectional area for welded joints

1號(hào)和4號(hào)焊件焊接接頭抗拉斷負(fù)荷F(kN)、距焊逢距離L(mm)變化曲線見(jiàn)圖8所示。從圖8可以看出，不同規(guī)格和強(qiáng)度的焊接接頭，抗拉斷負(fù)荷 F(kN)隨距焊逢距離 L(mm)的變化相似，其抗拉斷負(fù)荷F(kN)從焊縫到混晶區(qū)逐漸減小，在混晶區(qū)最小，焊縫和熱影響粗晶區(qū)的抗拉斷負(fù)荷 F(kN)明顯高于母材。有效橫截面相同時(shí)，混晶區(qū)抗拉斷負(fù)荷低于母材不超過(guò)8%，焊接接頭斷裂位置在混晶區(qū)和母材的幾率較高。

圖8 HRB500E鋼筋焊接接頭抗拉斷負(fù)荷與距焊逢距離變化曲線Fig.8 Change curve between tensile breaking load and distance which is away from welding seam for welded joints of HRB500E high-strength steel bars

上述分析表明，閃光對(duì)焊的頂鍛鐓粗作用從焊縫到熱影響細(xì)晶區(qū)逐漸減小。鐓粗作用使焊接接頭有效截面積增加，減小其斷于焊縫和熱影響區(qū)的幾率。圖6～8表明：焊縫的HV5硬度低于母材，只有通過(guò)頂鍛鐓粗使有效截面積大于母材，才能使焊接接頭不斷于焊縫。

2.4 焊接接頭疲勞強(qiáng)度

閃光對(duì)焊焊接接頭的疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。從表5可以看出：閃光對(duì)焊接頭疲勞壽命達(dá)27 156次時(shí)，最大應(yīng)力載荷509 MPa；疲勞壽命達(dá)2×106次時(shí)，最大應(yīng)力載荷下降到215 MPa。

表5 HRB500E抗震鋼筋焊接接頭的疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Fatigue test results of welded joints for HRB500E steel bars

為研究 HRB500E抗震鋼筋閃光對(duì)焊接接頭的疲勞強(qiáng)度是否能按國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)推薦的方法[[13-14]進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算處理。

疲勞曲線表達(dá)式為：

式中：N為應(yīng)力循環(huán)數(shù)；Δσ為應(yīng)力幅；C為常數(shù)，取決于疲勞曲線的位置；m為斜率。

對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)，則有：

式中：Ck為通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理求得的C值；k為與試驗(yàn)數(shù)據(jù)總組數(shù)n有關(guān)的系數(shù)，查表得到k=3.7。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到焊接接頭的疲勞曲線(見(jiàn)圖9)，曲線采用國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦規(guī)范，m=3。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)將 2×106次應(yīng)力循環(huán)數(shù)下特定的疲勞強(qiáng)度定為疲勞級(jí)別FAT，因此，圖9中曲線是國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的FAT75的疲勞設(shè)計(jì)曲線[13,15]。

圖9 閃光對(duì)焊焊接接頭疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)和S-N曲線(R=0.2)Fig.9 Fatigue test data and S-N curve for flash butt welds(R=0.2)

按表5和圖9結(jié)果得到閃光對(duì)焊接接頭疲勞強(qiáng)度計(jì)算式：

從圖9可以看出：采用國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的疲勞設(shè)計(jì)曲線具有廣泛性和方便性，設(shè)計(jì)閃光對(duì)焊接接頭的疲勞強(qiáng)度時(shí)采用FAT75。采用上述的疲勞設(shè)計(jì)曲線，對(duì) HRB500E鋼筋閃光對(duì)焊，其焊接接頭的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)是安全的。

3 結(jié)論

(1) 國(guó)內(nèi)某廠采用鈮微合金化和控冷工藝生產(chǎn)的HRB500E鋼筋具有良好的焊接性能，焊接前后其強(qiáng)度變化不大，焊件拉伸斷口遠(yuǎn)離焊縫，為延性斷口。

(2) 在焊接熱循環(huán)作用下，焊接接頭焊縫、熱影響粗晶區(qū)、熱影響細(xì)晶區(qū)的表層和芯部經(jīng)歷了奧氏體化后再結(jié)晶，其組織和強(qiáng)度變化不大；混晶區(qū)至母材其表層和芯部則經(jīng)歷了不完全奧氏體化后的再結(jié)晶，母材表層硬度高于芯部硬度30 HV5，母材芯部組織為F+P+B、表層組織為S，其組織和強(qiáng)度變化較大。

(3) 焊接接頭的抗拉斷負(fù)荷從焊縫到混晶區(qū)逐漸減小，與母材相比，焊縫和熱影響粗晶區(qū)的抗拉斷負(fù)荷較高；焊縫HV硬度較低，通過(guò)頂鍛鐓粗作用，使有效截面積大于母材的截面積，才能使焊接接頭不斷于焊縫。

(4) 采用國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的FAT75疲勞設(shè)計(jì)曲線對(duì)鋼筋閃光對(duì)焊，其焊接接頭疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)是安全的。

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