HRB400钢筋电阻对焊接头焊接参数对其性能的影响及优化

陈士忠，苏 伟，刘子金,，侯爱山

(1.沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.中国建筑科学研究院有限公司建筑机械化研究分院，河北 廊坊 065000)

“十三五”国家课题中明确提出“建筑工业化和绿色建筑的可持续发展”[1]，封闭箍筋焊接成型系统是混凝土预制构件制造过程中的一个重要组成部分。相对于传统箍筋，焊接封闭箍筋具有节约成本、安装方便、施工效率高和浇筑质量可靠等明显优势[2-5]。在这一背景下，中国建筑科学研究院建筑机械化研究分院和廊坊凯博建设机械科技有限公司共同研发了一种封闭箍筋自动焊接生产线，集放线、矫直、切断、弯曲、定位加持、焊接为一体，全部实现自动化[6-10]。但是，在封闭箍筋焊接过程中，常常会因为焊接工艺参数设置的不合理而导致焊接接头出现未焊透、裂纹、脆性断裂等缺陷。因此，分析研究封闭箍筋焊接接头焊接参数对其力学性能和金相组织的影响显得尤为重要。

基于此，笔者利用封闭箍筋自动焊接生产线进行封闭箍筋的制作，并对不同焊接参数条件下的焊接接头进行拉伸试验，得到焊接参数的优化范围；再对各参数下焊接接头的熔合区及过热区的金相组织进行对比分析，得出焊接相对电流、顶锻压力和焊接时间对电阻对焊接头组织性能的影响，并选出接头组织性能较好的焊接工艺参数，为实际生产过程提供参考与帮助。

1 焊接工艺参数的优化

1.1 试验材料及设备

试验采用国内某厂生产的直径10mm的HRB400钢筋，采用封闭箍筋自动焊接生产线进行箍筋的焊接，其采用的是电阻对焊方式，焊接工艺参数主要包括焊接电流、焊接时间、顶锻压力等，其中焊接电流是以额定电流百分比的形式呈现，即焊接相对电流。箍筋焊接完成后截取焊接接头，并在液压式万能试验机上对焊接接头进行拉伸试验。

1.2 试验内容

试验前期进行了大量的封闭箍筋焊接调试试验，并且根据焊接经验对焊接接头的宏观形貌及焊接质量进行初步检查，粗略得出直径10 mm的HRB400钢筋的焊接工艺参数范围：焊接时间T=0.8～0.9 s，顶锻压力P=0.2～0.3 MPa，焊接相对电流I=60%～74%。为了合理地制定封闭箍筋的焊接参数及实现数字化控制，提高封闭箍筋焊接接头的质量，需要对上述焊接参数范围进行优化。

(1)固定顶锻压力0.2 MPa和焊接时间0.8 s，以试验前期粗略所得的焊接相对电流有效范围的中值为基础，逐步调整焊接相对电流进行封闭箍筋焊接，每组焊接5件，箍筋尺寸为500 mm×300 mm，成品箍筋如图1(a)所示，再按照图1(b)的形式截取400 mm的焊接接头，待焊点冷却后，按照《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T228.1—2010)对每组接头进行拉伸试验。记录好拉伸结果，并将断母材率达到100%且呈延性断裂的焊接接头判定为合格。焊接工艺参数匹配及拉伸试验结果如表1所示。当顶锻气压P=0.2 MPa，焊接时间T=0.8 s时，焊接相对电流I在66%～70%内的焊接接头都能实现断母材率100%，且呈延性断裂。

图1 成品箍筋及接头截取Fig.1 Closed stirrups and the joint cut

表1 P=0.2MPa、0.8s条件下拉伸试验结果Table 1 Tensile test results with P=0.2 MPa and T=0.8 s

(2)固定顶锻压力0.2 MPa和焊接时间0.9 s，对焊接相对电流I的有效范围进行优化。得到的焊接工艺参数匹配及拉伸试验结果如表2所示。当顶锻压力P=0.2 MPa，焊接时间T=0.9 s时，焊接相对电流I在65%～68%内的焊接接头都能实现断母材率100%，且呈延性断裂。其中，当焊接相对电流I=69%时，焊接过程存在大量飞溅，焊接接头未焊透，所以无需进行拉伸试验。

表2 P=0.2 MPa、T=0.9 s条件下拉伸试验结果Table 2 Tensile test results with P=0.2 MPa and T=0.9 s

(3)固定顶锻压力0.3 MPa和焊接时间0.8 s，对焊接相对电流I的有效范围进行优化。试验方法及过程均与上述内容相同，得到的焊接工艺参数匹配及拉伸试验结果如表3所示。当顶锻压力P=0.3 MPa，焊接时间T=0.8 s时，焊接相对电流I在65%～74%内的焊接接头都能实现断母材率100%，且呈延性断裂。其中，当焊接相对电流I=63%时，焊接接头未焊透，无需进行拉伸试验。

表3 P=0.3 MPa、T=0.8s条件下拉伸试验结果Table 3 Tensile test results with P=0.3 MPa and T=0.8 s

(4)固定顶锻压力0.3 MPa和焊接时间0.9 s，对焊接相对电流I的有效范围进行优化。得到的焊接工艺参数匹配及拉伸试验结果如表4所示。当顶锻压力P=0.3 MPa，焊接时间T=0.9 s时，焊接相对电流I在63%～70%内的焊接接头都能实现断母材率100%，且呈延性断裂。

表4 P=0.3 MPa、T=0.9 s条件下拉伸试验结果Table 4 Tensile test results with P=0.3 MPa and T=0.9 s

1.3 试验验证及结果分析

综合上述4组试验结果可推断，直径10 mm的HRB400钢筋进行封闭箍筋自动焊接时，焊接工艺参数在顶锻压力P=0.2～0.3 MPa、焊接时间T=0.8～0.9 s、焊接相对电流I=65%～68%内任意匹配，均能得到拉伸试验合格的焊接接头。

故选取0.8 s、0.85 s和0.9s三种焊接时间，0.2 MPa、0.25 MPa和0.3 MPa三种顶锻压力，65%、66%、67%和68%四种焊接相对电流，逐一匹配，形成36组参数匹配方案，每组焊接5件封闭箍筋并进行拉伸试验，36组验证试验的断母材率均为100%，且呈延性断裂，故上述推断结论正确。

2 焊接参数对接头组织性能的影响

2.1 试验方法

根据上述试验所得的焊接工艺参数优化范围形成如表5所示的10组焊接工艺参数匹配方案。

表5 焊接工艺参数匹配方案Table 5 Matching parameters scheme of welding process

根据表5中焊接参数匹配方案，利用封闭箍筋自动焊接生产线进行箍筋的焊接并按要求将接头制成金相试件，使用4%的硝酸酒精溶液对试件进行腐蚀处理，最后利用OLYMPUS GX71型倒置式金相显微镜分别对试件各区域的金相组织进行观察。

2.2 试验结果与分析

2.2.1 焊接相对电流的影响

图2为不同焊接相对电流条件下熔合区及过热区的显微组织。

图2 不同焊接相对电流条件下焊接接头显微组织Fig.2 Microstructures of welded joints with different welding relative current conditions

随着焊接相对电流的增加，晶粒尺寸逐渐增大，魏氏组织逐渐增多，铁素体逐渐增多，基体珠光体逐渐减少。主要是因为电流越大，热输入越大，热循环温度越高，结晶后奥氏体晶粒长大，最终导致晶粒粗化[11-16]。从显微组织特点角度分析可知，出现魏氏组织越多的区域，塑韧性就越低，接头组织越脆，越容易出现裂纹[17-19]。所以，在满足焊接接头力学性能的前提下，推荐使用的焊接相对电流为65%和66%。

2.2.2 顶锻压力的影响

图3为不同顶锻压力条件下焊接接头熔合区及过热区的显微组织。由图3可知，随着顶锻压力的增加，焊接接头显微组织类别基本没有发生变化，熔合区为魏氏组织、块状铁素体和针状铁素体，其中魏氏组织和铁素体含量有所减少，组织逐渐细化；过热区晶界明显，先共析铁素体沿晶界析出，组织也稍有细化的趋势。通过上述分析可确定，实验中顶锻压力为0.3 MPa时的焊接接头性能优于0.2 MPa和0.25 MPa时的焊接接头性能。所以，在满足焊接接头力学性能的前提下，推荐使用的顶锻压力为0.3 MPa。

图3 不同顶锻压力条件下焊接接头显微组织Fig.3 Microstructures of welded joints with different top forging conditions

2.2.3 焊接时间的影响

图4为不同焊接时间条件下焊接接头熔合区及过热区的显微组织。

图4 不同焊接时间条件下焊接接头显微组织Fig.4 Microstructures of welded joints with different welding time

由图4可知，随着焊接时间的增大，晶粒尺寸有所增大，魏氏组织含量逐渐增多，块状铁素体与珠光体含量略有增加。随着焊接热循环峰值温度升高，且高温停留时间变长，促使铁素体析出，使得最后得到的铁素体含量有所增加。所以，在满足焊接接头力学性能的前提下，推荐使用的焊接时间为0.8s。

3 结 论

(1)直径10 mm的HRB400钢筋进行封闭箍筋自动焊接，焊接工艺参数的优化范围：顶锻压力P=0.2～0.3 MPa，焊接时间T=0.8 s～0.9 s，焊接相对电流I=65%～68%。

(2)焊接相对电流对接头显微组织的影响较大，随着焊接相对电流的增加，晶粒尺寸逐渐增大，铁素体逐渐增多，魏氏组织含量呈上升趋势，基体珠光体逐渐减少。在满足焊接接头力学性能的前提下，焊接相对电流不宜过大，推荐使用的焊接相对电流为65%和66%。

(3)顶锻压力对接头显微组织的影响较小，顶锻压力的变化对焊接接头显微组织类别基本没有影响，但熔合区内魏氏组织和铁素体含量有所减少，组织逐渐细化，过热区组织也稍有细化的趋势。在满足焊接接头力学性能的前提下，顶锻压力不宜过小，封闭箍筋自动焊接生产线在实际生产过程中推荐使用的顶锻压力为0.3 MPa。

(4)焊接时间对接头显微组织的影响与焊接相对电流类似。在满足焊接接头力学性能的前提下，焊接时间不宜过长，封闭箍筋自动焊接生产线在实际生产过程中推荐使用的焊接时间为0.8 s。

(5)研究结果为封闭箍筋自动焊接工艺参数的选取提供了理论基础，不仅节约成本而且提高了生产效率和质量；同时为进一步提高焊接接头组织性能及机械性能稳定性提供了参考与帮助。