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高層建筑中鋼筋的焊接性能研究

主要研究建筑工程管理。

戴慶峰

(淮陰師范學院，江蘇 淮安 223300)

摘要：在現代高層建筑中廣泛使用高強度鋼筋，預熱處理、微合金化以及細晶化是公認的比較成熟的高強度鋼筋生產工藝。細晶?；饕峭ㄟ^運用超細晶技術在原有的強度較低的鋼材的基礎上獲取400MPa的Ⅲ級鋼筋的生產技術，該工藝有效地降低了合金消耗，從而大大節(jié)約了資源，降低了成本。評價高層建筑鋼筋性能的指標不僅有耐火功能、強度、抗震性等，同時，高層建筑用鋼筋的焊接性能也是評價其質量優(yōu)劣的重要指標。鑒于此，通過試驗研究了國產400 MPa的Ⅲ級鋼筋的焊接性能，試驗結果表明：不同焊接工藝下鋼筋在焊接前后抗拉強度、屈服強度變化不大，400 MPa的Ⅲ級鋼筋的焊接性能良好，可以滿足高層建筑用鋼筋的相關要求。

關鍵詞：400MPaⅢ級鋼筋；焊接接頭；組織形貌；焊接性能

0引言

隨著我國建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，建筑行業(yè)尤其是高層建筑中使用的鋼量占我國總用鋼量的比重很大，建筑行業(yè)中又以混凝土結構用熱軋帶肋鋼筋作為其主要用鋼類型[1]。近年來，我國經濟社會發(fā)展迅猛，熱軋帶肋鋼筋的需求量不斷攀升，2001年熱軋帶肋鋼筋的需求量大約為2 873萬t，至2014年，熱軋帶肋鋼筋的年需求量已達到4 123萬t，由于生產工藝及鋼材造價的限制，高層建筑用鋼筋仍以屈服強度為335 MPa的20MnSi級鋼筋為主，但放眼今后發(fā)展，為了更好地滿足建筑物的大型化、高層化的發(fā)展趨勢，屈服強度為400 MPa的Ⅲ級鋼筋勢必會得到更好的推廣和應用[2]。雖然微合金化Ⅲ級鋼筋的綜合性能極為優(yōu)良，但由于在鋼材中添加了價格昂貴的微合金化元素，其成本要大大高于傳統的Ⅱ級鋼筋。在此背景下，通過細化晶粒工藝來提高鋼筋的強度是一種行之有效的方法，該工藝主要利用價格低廉的Q235鋼來生產超細晶粒鋼筋，這種鋼筋的強度指標滿足相關規(guī)范中規(guī)定的HRB400Ⅲ級鋼筋的性能要求，但焊接性能亦是影響其推廣應用的主要指標，在焊接熱作用下其熱影響區(qū)晶粒便會粗化，該區(qū)域晶粒粗化后其是否能夠保持原有的高強度是必須研究論證的一個重要方面[3]。

1試驗用鋼筋材料

試驗用的鋼筋材料主要通過細晶?；に嚰庸すI(yè)化生產的普通碳素鋼Q235的連鑄坯獲得，Q235的連鑄坯的主要化學成分為：Si 0.30、C 0.20、Mn 0.60、P 0.03、S 0.03，通過Q235的連鑄坯軋制+穿水冷卻這一加工工藝獲得的超細晶粒熱軋帶肋鋼筋的抗拉強度為575MPa，其屈服強度為450MPa、鋼筋的伸長率為25%，試驗過程中選用公稱直徑為25mm的鋼筋。

超細晶粒鋼筋與利用傳統工藝獲得的鋼筋在組織分布方面具有明顯的差異，通過觀察其微觀組織發(fā)現，超細?；摻畹目v截面(如圖1(a)所示)明顯包含兩個區(qū)域。微觀結構顯示其中部區(qū)域為珠光體+鐵素體組織(如圖1(b)所示)，該區(qū)域范圍內的平均晶粒粒徑大約為7.5μm；鋼筋的邊部區(qū)域主要以貝氏體組織為主(如圖1(c)所示)，利用傳統工藝加工而成的Q235鋼筋的縱截面沒有上述分區(qū)現象。超細晶粒鋼筋從鋼筋橫截面中心至鋼筋邊緣的維氏硬度分布如圖2所示，從試驗結構可以看出：超細晶粒鋼筋在其中心位置處的維氏硬度最低，中心處的平均硬度大約為HV150，在接近鋼筋表面位置處其硬度增加較大，平均硬度為HV199，鋼筋橫肋處的硬度最高，可以達到HV247。

(a)縱截面

(b)中部組織

(c)邊部組織

圖1超細晶粒鋼筋的組織分布特征

圖2　橫截面上的硬度分布

2焊接工藝

試驗方案中選用的焊接工藝緊密結合實際高層建筑中鋼筋焊接所選用的焊接工藝，在高層建筑中，傾斜度在4：1范圍內以及豎向受力鋼筋多選用電渣壓力焊焊接，對于水平鋼筋主要采用閃光對焊進行焊接，實際工程中較少使用其他焊接方法[4]。由于25MnSiⅢ級鋼筋具有的碳當量通常在0.5%以上，因此其焊接性能通常較差，原則上講對于Ⅲ級鋼筋而言電渣壓力焊是不能采用的，但通過大量的論證和實踐[5]，對于優(yōu)質Ⅲ級鋼筋使用電渣壓力焊是可行的。超細晶粒鋼筋的碳當量大約僅為為0.3%，這類鋼筋具有良好的可焊性，本文主要采用電渣壓力焊、閃光對焊以及電弧焊對超細晶粒鋼筋的焊接性能進行試驗研究。

電渣壓力焊選用的焊接工藝參數見表1所示，閃光對焊的主要工藝參數為：閃光時間8～12 s、調伸長度40 mm、閃光留量12 mm、頂鍛留量7 mm、次級電壓7.17 V，預熱留量6 mm，焊接設備選用UN1-150進行焊接。電弧焊選用E5003(J502)焊條，焊條直徑為3.2 mm，其焊接用電壓為27～29 V，選用120～140 A焊接電流，試驗中主要采用的接頭形式有4種，分別為雙面搭接焊、雙面幫條焊、熔槽幫條焊以及坡口焊。

表1　電渣壓力焊的主要工藝參數

3試驗結果分析

根據規(guī)范中的相關規(guī)定，試驗中每種接頭形式制作3個拉伸試樣，其中，電渣壓力焊和閃光對焊分別制作3個彎曲試樣，試驗獲得的焊接接頭的力學性能見表2。試驗結果顯示，利用不同焊接方法對超細晶粒鋼筋進行焊接所得到的焊接接頭的力學性能均較為優(yōu)良。與普通的Q235鋼筋相比，焊接后超細晶粒鋼筋及其接頭的強度為σb≥570MPa，σs≥400MPa，這一指標明顯達到了規(guī)范中規(guī)定的Ⅲ級鋼筋的強度水平；試驗中通過拉伸試驗得到的拉伸試樣，其斷裂位置都處于母材位置處，試驗均具有較大的頸縮和均勻延伸量，試樣斷口形式均為杯錐狀，其剪切唇區(qū)較為明顯，試樣具有良好的冷彎性能。

表2　不同焊接工藝下焊接接頭的力學性能

通過觀察焊接接頭縱截面的宏觀形貌(如圖3所示)可以發(fā)現，采用電渣壓力焊焊接的接頭，焊接過程中由于頂壓作用將熔融的液態(tài)金屬以及熔渣從焊接接頭位置處擠出形成明顯的焊包，這使焊接過程中形成的焊縫較窄，這類焊接工藝的熱影響區(qū)的寬度最大約為19 mm；對于閃光對焊接頭，焊接過程中的頂鍛過程會將熔化的金屬全部擠出，其焊縫主要由半熔化區(qū)形成，焊縫寬度不大于0.5 mm。處于焊縫兩側的金屬由于焊接過程中的高溫作用會產生明顯的塑性變形，在一定范圍內形成截面擴展區(qū)，這種焊接工藝的熱影響區(qū)寬度大約為17 mm；熔槽幫條焊和坡口焊采用的焊接形式均為擺動多層焊，因此，鋼筋斷面位置處會受到多次熱循環(huán)作用，對于熔槽幫條焊而言，其焊接接頭采用的是連續(xù)焊接方式，因此，其具有較寬的熱影響區(qū)(約為7 mm)，而坡口焊對多個接頭進行輪流施焊，這種焊接方法的熱影響區(qū)較窄，大約僅為2.5 mm。通過分析4種焊接接頭的熱影響區(qū)的寬度可以發(fā)現，就熱輸入量而言，電渣壓力焊最大，坡口焊最小。

(a)電渣壓力焊　　　　　　　　(b)閃光對焊

(c)熔槽幫條焊　　　　　　　　 (d)坡口焊

圖4為采用電渣壓力焊獲得的焊接接頭縱剖面的微觀組織形貌。該焊接接頭的焊縫為柱狀晶組織，晶內組織為針狀鐵素體，晶界較為明顯，晶界組織為少量的珠光體和先共析鐵素體。由于焊接過程中采用時間較長的電渣過程，因此，焊接完成后焊包會被熔化的焊劑所形成渣殼緊密地包裹住，渣殼起到很好的緩冷作用[6]，冷卻速度緩慢，焊接過程中電渣壓力焊對鋼筋具有很大的焊接熱輸入量。在粗晶區(qū)及熔合線附近范圍內，奧氏體晶界被先共析鐵素體劃分得十分明顯，奧氏體晶粒具有較大的粒徑，其晶內以珠光體為主，同時包含較少的粗大針狀鐵素體。隨著不斷遠離熔合線位置，奧氏體的晶粒逐漸變小，珠光體含量逐漸減少，塊狀鐵素體含量逐漸增多。再向外便會形成條帶狀分布的珠光體+鐵素體組織，該組織具有冥想的軋制特征，隨著不斷遠離熔合線，其晶粒尺寸及條帶寬度都會不斷減小。同時，通過觀察還可以發(fā)現，熱影響區(qū)范圍內細帶狀區(qū)與母材中部的晶粒尺寸相當，有些甚至更為細小，并且該區(qū)域中珠光體的含量較母材中珠光體的含量有所增加增加，因而使得其具有更為明顯的帶狀形貌。

(a)焊縫　　　　　　　　　　 (b)HAZ

(c)HAZ粗晶區(qū)　　　　　　(d)HAZ粗帶狀區(qū)

(e)鋼筋中部HAZ細帶狀區(qū) 　(f)鋼筋邊部HAZ細帶狀區(qū)

圖5是采用閃光對焊獲得的接頭焊縫以及熔合線范圍外粗晶區(qū)的組織形貌。通過觀察可以發(fā)現：可見該焊接工藝的焊縫為一窄帶，焊縫具有輕微的脫碳現象，其組織以粗大的塊狀鐵素體和針狀鐵素體為主，珠光體的含量較少；位于熔合線附近范圍的粗晶區(qū)，及時奧氏體也具有很大的晶粒尺寸，但較電渣壓力焊此范圍內的奧氏體晶粒相比明顯偏小，晶內含有的粗大針狀鐵素體的數量較多。雖然宏觀顯示閃光對焊與電渣壓力焊的熱影響區(qū)的寬度沒有明顯差別，但是通過比較兩種情況下熔合線外奧氏體晶粒的尺寸可以明顯地看出采用閃光對焊熱影響區(qū)的高溫停留時間比電渣壓力焊的時間短。距熔合線距離不斷增大，其組織變化規(guī)律與采用電渣壓力焊時沒有明顯差異。

(a)焊縫　　　　　 (b)熔合線外熱影響區(qū)

圖6是電弧焊接頭的微觀組織形貌。該試驗采用擺動多層焊的方法進行電弧焊焊接，通過觀察發(fā)現，柱狀晶體只存在于上焊口的表層焊道中，下層所有焊道在焊接過程中會受到上層焊道熱循環(huán)作用的影響，其晶體組織轉變?yōu)楦鼮榧毿〉闹楣怏w+塊狀鐵素體。熱影響區(qū)范圍內也僅在表層焊道外形成晶內珠光體、晶界鐵素體以及不規(guī)則的鐵素體組織，該種焊接工藝獲得的焊接結構的奧氏體晶粒比其他兩種焊接工藝獲得的要小很多。位于表層焊道以下的熱影響區(qū)中僅有條帶狀組織出現，其粗晶區(qū)與鋼筋中部的組織結構相當，細晶區(qū)的晶粒則表現得更加細小。

(a)表層焊道焊縫　　　　　　 (b)下層焊道焊縫

(c)表層焊道熱影響區(qū)的粗晶區(qū)　　(d)下層焊道熱影響區(qū)的粗晶區(qū)

通過測試焊接接頭距鋼筋表面2mm位置處以及鋼筋軸線處的維氏硬度可以發(fā)現：采用電渣壓力焊獲得的焊縫具有較高的硬度，采用閃光對焊獲得的焊縫由于有輕微脫碳現象，其硬度偏低；在熱影響區(qū)范圍內，在熔合線附近的粗晶區(qū)的硬度最高，隨著不斷遠離熔合線，其硬度會逐漸降低。對于不同焊接工藝而言，其獲得的焊接接頭的硬度也表現出一定的差異。在距鋼筋表面2mm的位置處，焊縫以及熱影響區(qū)的硬度較母材邊部的硬度相比有所偏低，但硬度不會低于母材中部的硬度；在鋼筋軸線上，焊縫以及熱影響區(qū)的測試硬度均比母材軸線上的硬度要高。電弧焊熱影響區(qū)的硬度的分布規(guī)律同于閃光焊。因此，從總體上看，采用各種焊接工藝獲得的超細晶粒碳素鋼鋼筋的焊接接頭均不會出現軟化問題。

4結語

1)超細晶粒碳素鋼鋼筋通過加工廉價的原材料獲得，其具有較高的強度，與經濟型結構材料的要求相符[7]。這種鋼筋具有較低的碳當量，因此，其焊接性能優(yōu)良，可采用電渣壓力焊、閃光對焊以及電弧焊等焊接方法進行焊接作業(yè)。各種焊接接頭的抗拉強度在570～585 MPa之間，焊接接頭的屈服強度大約為420～455 MPa。斷口具有明顯的延性特征，斷裂位置均出現在母材上，總體上達到了Ⅲ級鋼筋的焊接性能要求。

2)超細晶粒鋼筋在鋼筋邊部和鋼筋中部具有不同的硬度，經過焊接過程中的焊接熱循環(huán)作用，鋼筋邊部的熱影響區(qū)出現不同程度的軟化，但其硬度仍不會低于母材中部的硬度，焊接后鋼筋軸線處不會出現軟化現象。從總體上看，超細晶粒碳素鋼鋼筋焊接完成后其焊接接頭不會出現影響其質量的軟化問題。

3)通過觀察焊接接頭及熱影響區(qū)的微觀組織可以發(fā)現，經過焊接過程中的焊接熱循環(huán)作用，超細晶粒鋼筋熱影響區(qū)范圍內的粗晶區(qū)奧氏體的晶粒尺寸會明顯增大，晶粒長大程度與焊接過程中焊縫的冷卻速度和焊接熱輸入量具有一定關系。鋼筋的焊接熱輸入量在采用電渣壓力焊時最大，其熱影響區(qū)的晶粒粗化程度也最為明顯。

參考文獻

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[7] 冶金部建筑研究總院.GB1499-1998鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋[S].北京：中國標準出版社，1999.

The study on welding performance of steel bar in high-rise building

DAI Qing-feng

(HuaiyinNormalUniversity,Huai’anJiangsu223300,China)

Abstract：High strength steel bar is widely used in modern high-rise building construction, and preheating treatment, micro alloying and fine crystallization are generally accepted as the relatively mature production process of high strength steel bar. Fine grain is a production technology that mainly through the use of ultra fine grained technology, on the base of original lower strength steel bar to obtain the production technology of 400 MPa Ⅲ grade reinforcing steel. This process can effectively reduce the consumption of the alloy, which can greatly save the resources and reduce the cost. The evaluation indexes of the performance of high-rise building not only include fire resistance, strength, earthquake resistance, etc. At the same time, the welding performance of steel bar in high-rise building is also an important index to evaluate its quality. In view of this, this paper is to study the welding performance of domestic 400 MPa Ⅲ grade reinforcing steel through the test. The test results show that under different welding processes, the steel bar’s tensile strength and yield strength have little change before and after welding; 400 MPa Ⅲ grade reinforcing steel has good welding performance, and can meet the requirements of steel bar for high-rise building.

Key words：400 MPa Ⅲ grade reinforcing steel; welded joint; structure and morphology; welding performance

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8984(2015)04-0011-04

中圖分類號：TU512

作者簡介：戴慶峰(1976-)，男(漢)，江蘇淮安，工程師

收稿日期：2015-09-29

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.04.003