任書文，陳士忠，劉子金，夏忠賢，侯愛山，王永華

(1.沈陽建筑大學(xué) 機械工程學(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)國家“十三五”課題綠色建筑與建筑工業(yè)化要求，對預(yù)制板墻中的鋼筋骨架焊接關(guān)鍵技術(shù)及工藝進行優(yōu)化研究。鋼筋骨架主要由主筋與箍筋構(gòu)成，過去骨架成型主要采用綁扎和手動點焊，這兩種骨架成型方式不僅具有尺寸偏差較大的缺陷，而且費時費力還很難保證焊點質(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 等人使用正交實驗方法對激光焊接中主要影響因素激光功率、焊接速度、離焦距離進行參數(shù)組合優(yōu)化并得出最優(yōu)組合參數(shù)[3]。余果等人通過正交實驗方法提出對0.2mm 厚GH4169 膜片微束TIG 焊接工藝參數(shù)進行優(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]。

本文的主要研究內(nèi)容是鋼筋骨架上的箍筋與單個主筋之間進行的十字搭接焊過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)致焊接過程較為復(fù)雜，因此各焊接因素對其焊接質(zhì)量的影響也較之常規(guī)焊接差異較大。試驗以在二氧化碳保護焊中的三項主要影響因素焊接電流、焊接電壓、焊接時間為自變量，根據(jù)《鋼筋焊接接頭試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中拉伸實驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以焊接后主筋屈服強度、抗拉強度、斷后延長率為指標(biāo)，使用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計方法，對三項影響因素做出最佳工藝參數(shù)確定。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

骨架成型焊接使用標(biāo)準(zhǔn)牌號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 試驗設(shè)計

1.2.1 工藝流程

調(diào)整參數(shù)→焊接→截取→拉伸試驗。

為了保證在截取過程中不對焊點造成破壞，所截取的試件可方便地安裝至拉伸試驗機上（拉伸實驗機上的夾持部分至少要夾持試件長度為100mm 才能保證夾持牢固），截取時保證主筋上截取點距離焊點175mm，箍筋上截取點距離焊點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 試驗參數(shù)確定

經(jīng)過對長期焊接經(jīng)驗總結(jié)，對焊接參數(shù)進行范圍性確認(rèn)，如表2 所示。

表2 前期探索的試驗參數(shù)有效范圍表

1.2.3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗

根據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗設(shè)計原則該試驗為三因素三水平試驗類型，因此試驗選用L23(33)正交試驗表記錄數(shù)據(jù)，試驗總共進行23 組，以焊接電流，焊接電壓，焊接時間為試驗因素，焊接過后以主筋屈服強度，抗拉強度，斷后延長率為指標(biāo)做二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗，根據(jù)所選用的各項試驗因素參數(shù)范圍，制定試驗因素水平取值及編碼表，如表3 所示。

表3 試驗因素水平取值及編碼表

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

根據(jù)表3 組合試驗次序，得到試驗結(jié)果如表4 所示。表中X1，X2，X3為試驗因素編碼值，Y1，Y2，Y3為試驗結(jié)果編碼值，依次代表屈服強度，抗拉強度，斷后延長率，其試驗結(jié)果記錄表中值均為每組試驗的平均值，為了保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，每組試驗均在相同條件下進行100次，部分實驗結(jié)果見表4。

表4 試驗結(jié)果記錄表

在表4 的試驗結(jié)果記錄中，每組試驗得出結(jié)果數(shù)據(jù)為3 個，不便于對試驗結(jié)果進行評估，因此在這里引進優(yōu)良率的概念，及對所測得的試驗數(shù)據(jù)進行初步判定。根據(jù)JGJ/T 27-2014《鋼筋焊接接頭試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合各組試驗記錄數(shù)據(jù)得出各組試驗優(yōu)良率如表5 所示。

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析及回歸方程建立

根據(jù)上述試驗過程及得到的試驗數(shù)據(jù)，利用Design-Expert 7.0 中心組合設(shè)計功能，對試驗所得到的二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗數(shù)據(jù)果進行分析，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，保護氣體流量X3三個因素與優(yōu)良率Y之間的二次回歸方程：

表5 焊接試驗結(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分析

按二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計顯著性檢驗方法對所得到的回歸方程進行檢驗。方差分析結(jié)果表明，模型項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，與試驗數(shù)據(jù)匹配合理；失擬項P=0.01847＞0.05，失擬項不顯著，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，達顯著狀態(tài)，表明回歸方程對于各項試驗因素可靠性較高。

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，實際擬合性較好。

由方差分析表中P值可以得出，對于焊接優(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，即焊接電壓對焊接優(yōu)良率的影響最大，其次為焊接時間，最后為焊接電流。

2.4 鋼筋骨架優(yōu)良率最佳優(yōu)化方案及驗證結(jié)果

利用Design-Expert 7.0 的Box-Benhnken的中心組合設(shè)計功能預(yù)測其模型回歸方程的最大值。得到當(dāng)焊接電流，焊接電壓，焊接時間分別為315A、30V、1.2s 時，焊接優(yōu)良率可以達到87.045%。針對此焊接參數(shù)匹配方案，進行焊接試驗驗證，試驗結(jié)果表明，在此匹配參數(shù)下，焊接優(yōu)良率達到了91%，達到了提高焊接優(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，在焊接過程中發(fā)現(xiàn)，隨著焊接電流的增大，焊接點處焊接熔池的深度增大，對于直徑為6mm 的箍筋傷害較大，當(dāng)焊接電流較小時，熔深較淺，焊接效果不佳。焊接電壓過大時發(fā)現(xiàn)焊接點處出現(xiàn)凹坑，且在焊接時飛濺較大，甚至出現(xiàn)大量焊渣的現(xiàn)象。隨著焊接時間的增大，優(yōu)良率增大，但是根據(jù)實際情況分析，焊接時間增大到一定值后對鋼筋性能不再有有效性提升，反而增加電耗、延長工時。通過對在試驗過程中觀察現(xiàn)象與試驗結(jié)果數(shù)據(jù)可以分析得出，試驗所采用的三因素對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 進行十字搭接焊的焊接成型鋼筋骨架，對于其它牌號或者其它尺寸的鋼筋進行焊接則需要進一步實驗分析與驗證。

3 結(jié)論

本次試驗建立了合理的回歸方程，且擬合效果較好，能有效地反應(yīng)焊接真實情況。所選取的試驗三因素對拉伸試驗結(jié)果影響達到87.2%，為主要影響因素，選取因素得當(dāng)，且得到三因素對焊接優(yōu)良率的影響主次關(guān)系為焊接電流最大，其次為焊接時間，最后為焊接電壓。通過Design-Expert 7.0 對數(shù)據(jù)分析，得到本次試驗的最佳預(yù)測值為焊接電流，焊接電壓，焊接時間分別為315A，30V，1.2s，并且經(jīng)過試驗驗證，焊接優(yōu)良率具有顯著提高。