開口網(wǎng)柔性焊接工藝參數(shù)對焊點組織性能的影響

（中國建筑科學研究院有限公司 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000）

國家“十三五”重點研發(fā)計劃項目中明確提出“建筑工業(yè)化和綠色建筑的可持續(xù)發(fā)展”，預制裝配建筑技術是綠色建筑及建筑工業(yè)化的潮流，是現(xiàn)代建筑產業(yè)項目的重點發(fā)展方向[1]。混凝土預制（PC）構件制造的工廠化、自動化、高度集成化是預制裝配建筑技術的核心內容，鋼筋成型系統(tǒng)是PC構件制造過程中的一個重要組成部分，其制造工藝技術水平及成型質量將直接影響PC構件生產的質量和效率。帶門窗孔洞焊接網(wǎng)（以下簡稱開口網(wǎng)）作為鋼筋成型系統(tǒng)中的基本單元，其生產技術與設備嚴重制約了我國裝配式建筑發(fā)展。

國內外眾多企業(yè)公司對開口網(wǎng)焊接技術進行了大量研究，國外代表企業(yè)如奧地利EVG 公司、意大利A.W.M 公司、Progress 公司等起步較早，生產工藝已經相對成熟，自動化程度相對較高，已形成鋼筋網(wǎng)柔性焊接生產線，但是其加工范圍和生產效率難以滿足國內市場需求[2]。國內代表企業(yè)如廊坊凱博建設機械科技有限公司、建科機械（天津）股份有限公司等起步相對較晚，對于開口網(wǎng)每排焊接點數(shù)量、位置、鋼筋規(guī)格會出現(xiàn)變化的柔性焊接控制與參數(shù)量化等方面研究，正處于快速發(fā)展階段。

目前，開口網(wǎng)的加工通常采用先生產標準網(wǎng)再人工剪網(wǎng)的加工方式，存在生產效率低、尺寸精度差等問題。為了保證鋼筋焊網(wǎng)交叉焊點的焊接質量，國內外專家學者對焊接控制技術、焊接工藝參數(shù)、焊點回路等進行了大量的試驗研究，但未發(fā)現(xiàn)關于開口網(wǎng)柔性焊接工藝參數(shù)對交叉焊點組織性能影響的研究。可查詢到的電阻點焊接頭組織性能的研究大多數(shù)都是針對汽車行業(yè)、新型材料等方面的板材焊接分析，所以有必要進行柔性焊接工藝參數(shù)對開口網(wǎng)交叉焊點組織性能影響的相關研究。

本文采用HRB400 級鋼筋，在不同焊接工藝參數(shù)下進行開口網(wǎng)的焊接成型，對比分析不同焊接參數(shù)條件下交叉焊點的壓入深度及焊點各區(qū)域微觀組織，并通過抗剪試驗進行對比，分析開口網(wǎng)柔性焊接工藝參數(shù)對交叉焊點組織性能的影響規(guī)律，為開口網(wǎng)柔性焊接生產線的焊接數(shù)字化控制提供技術支撐。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用國內某廠生產的直徑8mm 的HRB400 級鋼筋，其化學成分及力學性能符合GB/T 1499.2-2018《鋼筋混凝土用鋼 第2 部分：熱軋帶肋鋼筋》的要求，如表1、表2 所示。

表1 HRB400級鋼筋的化學成分 （含量,%）

表2 HRB400級鋼筋的力學性能參數(shù)

HRB400 級鋼筋為熱軋狀態(tài)的低碳合金鋼，是建筑行業(yè)應用最為廣泛的鋼筋之一，其母材金相組織主要為均勻的鐵素體和珠光體組織，使得鋼筋具有較高強度和較好韌性。

1.2 試驗前期探索

采用廊坊凱博公司研發(fā)的柔性焊接設備進行開口網(wǎng)的焊接，該設備采用的是電阻點焊方式，焊接工藝參數(shù)主要包括焊接電流、焊接時間和焊接壓力等，通過固定焊接壓力等對焊點組織變化影響較小的因素，改變焊接電流、焊接時間等主要影響參數(shù)的方式，得到不同開口網(wǎng)的交叉焊點試件并進行抗拉抗剪試驗，依照JGJ 18-2012《鋼筋焊接及驗收規(guī)程》標準規(guī)定，得出焊接工藝參數(shù)的有效范圍如表3 所示。

表3 焊接參數(shù)有效范圍

1.3 試驗方法

因為焊接電流和焊接時間對焊接熱輸入的影響基本一致，所以為了簡化試驗過程和分析過程，將焊接壓力及焊接時間固定，單獨研究焊接電流對開口網(wǎng)交叉焊點組織性能的影響。在前期開口網(wǎng)焊接試驗所得的焊接電流有效范圍內，選取最具代表性焊接參數(shù)進行金相組織與力學性能等方面效果對比，所以選取如表4 所示的焊接工藝參數(shù)進行開口網(wǎng)的焊接，并從開口網(wǎng)片中截取交叉焊點試件以備試驗，如圖1 所示。

表4 焊接工藝參數(shù)

圖1 交叉焊點試件

從開口網(wǎng)上截取的部分交叉焊點上，每組隨機選取10 處，利用游標卡尺測量出焊接接頭的壓入深度，最后取平均值；如圖2a 所示截取單個交叉焊點，再利用線切割機沿垂直于焊點方向切開，如圖2b 所示，并進行金相試件的制作，為了打磨過程方便，對試件進行鑲嵌處理；待鑲嵌樹脂冷卻凝固后使用400#、600#、1000#、2000#、3000#的砂紙逐級打磨，并在拋光機上進行拋光；最后使用4%的硝酸酒精溶液對試件進行腐蝕處理，直至能清晰地觀察到焊接接頭各區(qū)的金相組織。

圖2 截取焊接接頭

經一系列處理后的金相試件如圖3 所示。試件制備完成后，利用OLYMPUS GX71 型倒置式金相顯微鏡分別對交叉焊點的金相組織進行觀察。

圖3 金相試件

2 試驗結果及分析

2.1 工藝參數(shù)對壓入深度的影響

壓入深度dλ指的是鋼筋網(wǎng)片焊接時，兩根鋼筋相互熔入的深度。其值由下列公式求得

其中：D為較粗鋼筋直徑；d為較細鋼筋直徑；d測為兩鋼筋焊后尺寸。

鋼筋網(wǎng)片接頭焊接前后如圖4 所示，本試驗中D=d=8mm，不同焊接電流條件下的壓入深度dλ如表5 所示，一般來說，熱軋鋼筋在電阻點焊時，壓入深度應當為較小鋼筋直徑的25%～35%，從表中可以看出，兩種工藝條件下交叉焊點的壓入深度均滿足要求。

圖4 焊接前后示意圖

從表5 中可以看出，焊接電流大的交叉焊點壓入深度普遍大于焊接電流小的壓入深度，由焦耳定律Q=I2Rt可知，在其他條件一致的情況下，通過電阻的電流越大，產生的電阻熱越多，焊接過程中的熱輸入越多，焊接熱循環(huán)達到的峰值溫度越高，熔化金屬越多。由于焊接電流和焊接時間對焊接熱輸入的影響基本一致，所以焊接工藝參數(shù)在一定圍內，其他條件不變情況下，焊接電流越大或焊接時間越長，壓入深度越大，互熔金屬越多。但是在焊接工藝參數(shù)超出一定范圍，鋼筋受熱區(qū)域過多，熔化金屬太多時，飛濺現(xiàn)象加劇，使得交叉焊點強度降低。

2.2 工藝參數(shù)對交叉焊點組織性能的影響

2.2.1 交叉焊點宏觀結構

圖5 所示為鋼筋網(wǎng)片交叉焊點橫截面的典型宏觀結構示意圖，在焊接過程中，焊接接頭各部位受到不同程度的熱循環(huán)，相當于金屬進行了一系列的熱處理，因此焊接接頭各區(qū)域的晶粒尺寸和組織形貌存在著一定的差異性和不均勻性[3]。根據(jù)組織形貌及性能的不同，網(wǎng)片交叉焊點可分為3 個典型區(qū)域。

表5 不同工藝參數(shù)下的壓入深度

圖5 典型宏觀結構示意圖

其中，焊核區(qū)a 位于焊接接頭的中心部位，在焊接過程中達到的熱循環(huán)溫度峰值最高，焊核區(qū)金屬達到液相線溫度并完全熔化，經過后續(xù)加壓斷電冷卻階段迅速冷卻凝固，得到的晶粒尺寸粗大且不均勻[4]；熱影響區(qū)b 位于焊核區(qū)的周邊部位，在焊接過程中達到的熱循環(huán)溫度峰值低于焊核區(qū)，該區(qū)域金屬達到固相線溫度但低于液相線溫度，金屬處于熱塑性狀態(tài)，發(fā)生部分熔化，經過后續(xù)加壓斷電冷卻階段，該區(qū)金屬發(fā)生局部變形，使得熱影響區(qū)邊緣呈弧形分布[5]；母材區(qū)c 距離焊核區(qū)較遠，在焊接過程中未受到焊接熱循環(huán)及加壓變形的影響，組織形貌及性能與焊接前保持一致。

2.2.2 交叉焊點微觀組織

圖6 為兩組試驗交叉焊點的3 個典型區(qū)域的微觀組織。從圖6a、6b 可以看出，兩組試驗的焊核區(qū)均為板條馬氏體組織，但試驗2 的板條馬氏體組織粗大且均勻。這是因為該區(qū)域在通電升溫后，熔核受到周圍母材和空氣的冷卻作用，冷卻速度較快，滿足了板條馬氏體的形成條件，所以兩組試驗的焊核區(qū)均為板條馬氏體[6]；另外，由于試驗2 比試驗1 焊接電流大，導致試驗2 的焊接熱輸入較多，促使焊核區(qū)奧氏體長大，所以最終試驗2 的焊核區(qū)組織較試驗1 焊核區(qū)的組織粗大，雖然兩組試驗均受到周圍母材及空氣的冷卻作用，但是試驗2 熱輸入多，保溫時間長，冷卻速度比試驗1 稍慢，最終組織比較均勻。由板條馬氏體的性質可知，在擁有較高強度和硬度的同時，還具有較高的韌性和塑性[7]，通過力學性能試驗同樣驗證了試驗2 焊核區(qū)的綜合力學性能優(yōu)于試驗1 焊核區(qū)，即在滿足開口網(wǎng)交叉焊點質量的前提下，焊接電流越大，焊核區(qū)的綜合力學性能越好。

從圖6c、6d 可以看出，兩組試驗的熱影響區(qū)包含鐵素體、珠光體、魏氏組織及少量板條馬氏體，而且實驗2 熱影響區(qū)魏氏組織較試驗1 熱影響區(qū)粗大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是實驗2 熱輸入較大，焊接熱循環(huán)溫度較高，奧氏體長大嚴重，經過快速的空冷作用，使得該區(qū)域內晶粒組織粗化，由魏氏組織性質可知，組織越粗大，該區(qū)域的強度越低，越易發(fā)生脆性斷裂[8]，所以試驗1 熱影響區(qū)的力學性能優(yōu)于試驗2 熱影響區(qū)。即在滿足電阻點焊接頭質量的前提下，焊接電流越大，熱影響區(qū)的力學性能越差。但是，通過焊核區(qū)在焊點主區(qū)域占比和板條馬氏體的性質分析，焊核區(qū)的質量是影響交叉焊點綜合力學性能的主要因素，熱影響區(qū)的質量為次要因素，所以綜合分析焊接電流對焊核區(qū)及熱影響區(qū)的影響，在滿足開口網(wǎng)交叉焊點質量的前提下，焊接電流越大，交叉焊點的綜合力學性能越好。

母材區(qū)在焊接過程中未受到焊接熱循環(huán)及加壓變形的影響，組織形貌及性能與焊接前大體保持一致。

圖6 交叉焊點微觀組織

2.3 工藝參數(shù)對交叉焊點抗剪力的影響

根據(jù)JGJ18-2012《鋼筋焊接及驗收規(guī)程》中5.2.1 第5 條的規(guī)定“熱軋鋼筋焊網(wǎng)的焊點應做剪切試驗”，所以需要對上述兩組試驗得到的開口網(wǎng)交叉焊點進行剪切試驗，每組取5 個焊點，剪切試驗結果如表6 所示。

表6 不同工藝參數(shù)下的抗剪力 (單位：MPa)

再由GB/T1499.3-2010《鋼筋混凝土用鋼第3 部分：鋼筋焊接網(wǎng)》6.5.2 中要求“鋼筋焊接網(wǎng)的焊點抗剪力應不小于試樣受拉鋼筋規(guī)定屈服力值的0.3 倍”，試驗中所用鋼筋的屈服極限為400MPa，所以試驗中開口網(wǎng)焊點抗剪力需要滿足F剪≥400×0.3=120MPa。從表6 中可以看出，兩組試驗焊點的抗剪力均滿足剪切試驗要求，而且試驗2 的焊點抗剪力普遍大于試驗1 的焊點抗剪力。這說明在滿足開口網(wǎng)交叉焊點質量的前提下，隨著焊接電流增大，焊點的抗剪力越大。

3 結論

在開口網(wǎng)焊接工藝參數(shù)一定范圍內，焊接電流越大或焊接時間越長，熱輸入越多，壓入深度越大，互熔金屬越多，交叉焊點的力學性能越好。

開口網(wǎng)交叉焊點焊核區(qū)為板條馬氏體組織；熱影響區(qū)為鐵素體、珠光體、魏氏組織及少量板條馬氏體。在開口網(wǎng)焊接工藝參數(shù)一定范圍內，焊接電流越大或焊接時間越長，板條馬氏體的量越多、組織越均勻，達到原子鍵合的數(shù)量越多，交叉焊點的力學性能越好。

開口網(wǎng)在滿足鋼筋抗拉力學性能要求前提下，焊接電流越大或焊接時間越長，焊點的抗剪力越大。

本文通過分析研究開口網(wǎng)柔性焊接工藝參數(shù)對焊點微觀組織及力學性能的影響，得出了焊接電流及焊接時間等工藝參數(shù)對交叉焊點組織性能的影響規(guī)律。為開口網(wǎng)柔性焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了參考依據(jù)，為開口網(wǎng)柔性焊接生產線的自動化控制與信息化管理奠定了基礎。