HRB500高强钢筋闪光对焊焊接适用性研究
盛兴旺 郑纬奇 雷佶洲 盛晟. HRB500高强钢筋闪光对焊焊接适用性研究[J]. 建筑结构,2018,48(2):23-26.
Sheng Xingwang Zheng Weiqi Lei Jizhou Sheng Sheng. Study on applicability of flash butt welding of HRB500 high strength steel bars[J]. Building Structure,2018,48(2):23-26.
0 引言
西方发达国家早在20世纪90年代就开始了HRB500钢筋的开发应用, 1986年, 德国规范[1]中出现500MPa级高强钢筋;1987年, 日本规范[2]中出现490MPa级高强钢筋;截止到2003年, 欧美国家高强钢筋 (400~600MPa级钢筋) 的用量就达到了95%以上[3]。我国自2013年5月开始采用HRB400及以上级别的高强钢筋。闪光对焊作为钢筋连接的主要方式之一, 国内开展了一系列不同材质、不同强度级别钢筋的闪光对焊工艺与对焊接头性能的研究[4,5,6,7,8]。原铁道部工法对Ⅳ级钢筋自动闪光对焊工法进行了研究, 将闪光焊接钢筋的强度等级拓展到了850~900MPa, 其研究对象为直径25mm的钢筋;为适应新钢种的应用, 董现春等[4]、杨雄等[5]、陈伟等[6]分别对HRB400S, HRB500和HRB500E钢筋闪光对焊接头焊接性进行研究。虽然HRB335~HRB500钢筋闪光对焊适用的直径范围为8~40 mm[9], 但有关钢筋闪光对焊的文献中的研究对象主要为直径25mm及以下直径的钢筋, 董现春等[4]探索了直径32mm的HRB400S钢筋的焊接性能, 更大直径钢筋的闪光对焊适用性及性能研究则更是鲜见。
针对以上情况并结合铁路建设的需要, 中国铁路总公司立项进行高强钢筋闪光对焊试验研究, 基于直径16, 20, 25, 32mm四种规格的HRB500高强钢筋闪光对焊试件的力学性能试验, 对HRB500高强钢筋闪光对焊的适应性进行研究。试验中采用的闪光对焊机型号为UN1-150, 现场持证上岗人员进行焊接作业, 为真实地模拟现场工程的闪光对焊接头, 钢筋焊接后试件不进行任何加工处理, 如接头打磨等。
1 钢筋闪光对焊工艺
钢筋闪光对焊是在闪光对焊机上将两根待焊钢筋安放成对接形式, 利用焊接电流通过两根待焊钢筋接触点时产生的电阻热, 使金属熔化, 产生强烈飞溅、闪光, 并迅速施加顶锻力完成焊接的一种焊接方法。
试验中所用的对焊机最大对焊钢截面面积为1 000mm2, 调节级数共8级, 高强钢筋直径16, 20, 25, 32mm四种规格分别采用5, 6, 7, 8级变压。闪光对焊控制参数主要有:闪光时间、顶锻压力、电流等, 以上各参数均通过测试仪器得以控制, 采用预热闪光对焊法焊接:1) 对焊一次平均闪光时间约为5s;2) 对焊最大顶锻压力为24.9k N;3) 直径16, 20, 25, 32mm高强钢筋对焊实测的电流最大值分别约为220, 280, 350, 430A。
2 HRB500高强钢筋闪光对焊焊接静力性能试验与结果
在实际工程应用中, 抗拉性能是钢筋焊接接头的主要力学指标之一, 为研究HRB500高强钢筋闪光对焊的适用性, 分别对HRB500高强钢筋闪光对焊接头的抗拉、抗弯、疲劳等力学性能进行研究。
2.1 试件的准备
将HRB500高强钢筋棒材切成长约250mm的均匀试样, 用砂轮机去除试样端面的氧化层后将同一牌号和规格的试件对焊连接, 静置保存15d后, 剔除有明显焊接外观缺陷的试样, 即得到HRB500高强钢筋焊接试件, 同时选取同一批次的HRB500高强钢筋制备相同数量和规格的母材试件, 本试验中所选直径16, 20, 25, 32mm四种规格高强钢筋母材试件和闪光对焊试件规格及数量均为6个, 分为两组, 其中一组用于拉伸试验, 另一组用于冷弯试验。
2.2 HRB500高强钢筋母材试件静力性能试验
为对比闪光对焊对HRB500高强钢筋抗拉性能的影响, 先在万能试验机上进行母材试件强度试验、在弯曲试验机上进行抗弯性能试验, 测得直径16, 20, 25, 32mm四种规格的HRB500高强钢筋母材试件的静力性能试验结果见表1。
由表1可得, 直径16, 20, 25, 32mm四种规格的HRB500高强钢筋母材试件的屈服强度平均值分别为592, 581, 576, 580MPa, 其均高于HRB500高强钢筋抗拉强度标准值500MPa;抗拉强度平均值分别为733, 721, 716, 714MPa, 其均高于HRB500高强钢筋抗拉极限强度极限值630MPa, 其延伸率分别为27.02%, 24.10%, 23.62%, 23.58%, 试件冷弯90°后均未出现裂纹, 钢筋母材质量满足要求[10]。
2.3 HRB500高强钢筋闪光对焊试件强度试验
将HRB500高强钢筋焊接试件加工成标准试样后[11], 进行静力性能试验和抗弯性能试验, 试验结果见表2。
由表2可得, 直径16, 20, 25, 32mm四种规格的HRB500高强钢筋闪光对焊试件的抗拉强度平均值分别为598, 572, 533, 518MPa, 均高于HRB500高强钢筋抗拉强度标准值500MPa, 同时试件冷弯90°后均未出现裂纹, 符合《钢筋焊接及验收规程》 (JGJ18—2012) [9]的相应的验收规定。
3 HRB500高强钢筋闪光对焊疲劳性能试验
疲劳性能试验在高频试验机上完成, 采用的应力比R为0.2, 条件疲劳极限为1 000万次。疲劳试验采用单点试验法, 疲劳试验的应力水平依次降低, 直至达到试验条件疲劳极限。试验结果见表3, 基于统计回归分析得出的疲劳应力试验值与考虑可靠度97.7%、置信度95%后的修正值见表4 (有关数据处理方法与过程见文献[12]) 。结果表明, 随钢筋直径增大, 疲劳应力幅和疲劳强度明显下降。
4 高强钢筋闪光对焊适用性分析
4.1 HRB500高强钢筋闪光对焊接头的静力强度特性分析
图1, 2给出了母材试件与闪光对焊试件的抗拉屈服强度和抗拉极限强度与直径的关系, 可见:1) 闪光对焊对直径16mm试件的抗拉屈服强度和抗拉极限强度影响很小, 对直径20mm以上试件则影响明显;2) 母材和闪光对焊试件均随着试件直径的增大而有所减小, 但母材试件的下降幅度不大, 而焊接试件的下降幅度明显加大;3) 表1, 2的数据表明, 各规格钢筋焊接试件的抗拉屈服强度和抗拉极限强度均能满足要求。
4.2 HRB500高强钢筋闪光对焊接头的延性分析
通过焊接钢筋拉伸和冷弯试验, 对其延性进行分析, 得到以下结果:1) 全部试件冷弯90°均未出现裂纹, 焊接能满足抗弯性能要求;2) 就断裂位置及断口性质分析, 直径25mm及以下闪光对焊连接HRB500高强钢筋的断裂属于延性断裂, 断裂端口有明显的颈缩现象, 见图3;3) 直径32mm的HRB500焊接试件组中出现在热影响区的脆性断裂的断口处未出现明显的颈缩现象, 见图4。由于随着焊接试件直径的增大, 熔锻面积变大, 对焊电流增大, 闪光更加剧烈, 闪光对焊接头区域温度升高明显, 接头热影响区的晶相组织破坏加剧, 并且焊接试件直径越大, 闪光对焊焊接有效面积越大, 焊接接头约束越强, 导致焊接残余应力明显增大, 这对焊接接头的受力非常不利。同时, 在一般现场条件下, 不可能对焊后钢筋做特殊保温处理, 因此焊后焊接接头区域温度下降很快, 在焊接热影响区域内产生大量的过热组织和魏氏组织, 导致焊接接头延性下降。
由以上分析可得, 在一般现场条件下, 直径16, 20, 25mm三种规格的HRB500高强钢筋可以得到力学性能良好的闪光对焊接头。
4.3 HRB500高强钢筋闪光对焊接头的疲劳强度特性分析
图5和表3、表4的结果表明:焊接试件随着直径的增大, 其疲劳强度或疲劳应力幅有下降的趋势, 其中直径32mm的焊接钢筋试件疲劳应力幅试验值下降最明显, 与直径16mm的焊接钢筋试件相比, 200万次和1 000万次疲劳循环荷载对应的应力幅试验值分别下降了27%和45%。随着钢筋直径的增大, 焊接接头易出现潜在疲劳裂纹源, 不可靠因素增加, 疲劳强度或疲劳应力幅有下降的趋势。
5 结论及建议
(1) HRB500高强钢筋闪光对焊接头抗拉屈服强度和抗拉极限强度随钢筋直径增大而有所下降, 但其抗拉屈服强度和抗拉极限强度仍大于HRB500高强钢筋抗拉强度标准值。
(2) 对于直径32mm及以上的HRB500高强钢筋, 闪光对焊会降低其延性, 拉伸时易发生脆性断裂。
(3) 对于HRB500高强钢筋, 随着钢筋直径的增大, 闪光对焊接头不可靠因素增加, 容易出现潜在疲劳裂纹源, 其疲劳强度随直径的增加而下降。与直径16mm的钢筋相比, 直径32mm的钢筋200万次和1 000万次疲劳应力幅试验值分别下降了27%和45%。
(4) 在常规施工条件下, 直径25mm及以下的HRB500高强钢筋采用闪光对焊连接方式, 其力学性能是容易得到保证的, 但直径32mm及以上的HRB500高强钢筋, 虽然其强度指标不难满足, 但延性和疲劳强度下降非常明显, 易出现脆性断裂现象, 由此, 采用闪光对焊连接方式的直径32mm及以上的HRB50高强钢筋不可用于直接承受疲劳荷载的构件中, 经质量验收后可用于不直接承受疲劳荷载的构件中。
(5) 直径32mm及以上的HRB500高强钢筋需要采用闪光对焊连接时, 应有针对性地开展焊接设备、工艺与参数的研究, 制定明确的工艺标准, 以确保其接头质量, 在未获得确切的技术保障措施前, 对直径32mm及以上的HRB500高强钢筋, 建议改用其他连接方式替代闪光对焊连接, 特别是针对应用在对疲劳强度有较高要求的结构或构件中的HRB500高强钢筋。
[2] 鉄筋コンクリート用棒鋼:JIS G 3112—1987[S].東京:日本工業規格, 1987.
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[9]钢筋焊接及验收规程:JGJ 18—2012[S].北京:中国建筑工业出版社, 2012.
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