高层建筑中钢筋的焊接性能研究



高层建筑中钢筋的焊接性能研究

主要研究建筑工程管理。

戴庆峰

(淮阴师范学院，江苏 淮安 223300)

摘要：在现代高层建筑中广泛使用高强度钢筋，预热处理、微合金化以及细晶化是公认的比较成熟的高强度钢筋生产工艺。细晶粒化主要是通过运用超细晶技术在原有的强度较低的钢材的基础上获取400MPa的Ⅲ级钢筋的生产技术，该工艺有效地降低了合金消耗，从而大大节约了资源，降低了成本。评价高层建筑钢筋性能的指标不仅有耐火功能、强度、抗震性等，同时，高层建筑用钢筋的焊接性能也是评价其质量优劣的重要指标。鉴于此，通过试验研究了国产400 MPa的Ⅲ级钢筋的焊接性能，试验结果表明：不同焊接工艺下钢筋在焊接前后抗拉强度、屈服强度变化不大，400 MPa的Ⅲ级钢筋的焊接性能良好，可以满足高层建筑用钢筋的相关要求。

关键词：400MPaⅢ级钢筋；焊接接头；组织形貌；焊接性能

0引言

随着我国建筑行业的蓬勃发展，建筑行业尤其是高层建筑中使用的钢量占我国总用钢量的比重很大，建筑行业中又以混凝土结构用热轧带肋钢筋作为其主要用钢类型[1]。近年来，我国经济社会发展迅猛，热轧带肋钢筋的需求量不断攀升，2001年热轧带肋钢筋的需求量大约为2 873万t，至2014年，热轧带肋钢筋的年需求量已达到4 123万t，由于生产工艺及钢材造价的限制，高层建筑用钢筋仍以屈服强度为335 MPa的20MnSi级钢筋为主，但放眼今后发展，为了更好地满足建筑物的大型化、高层化的发展趋势，屈服强度为400 MPa的Ⅲ级钢筋势必会得到更好的推广和应用[2]。虽然微合金化Ⅲ级钢筋的综合性能极为优良，但由于在钢材中添加了价格昂贵的微合金化元素，其成本要大大高于传统的Ⅱ级钢筋。在此背景下，通过细化晶粒工艺来提高钢筋的强度是一种行之有效的方法，该工艺主要利用价格低廉的Q235钢来生产超细晶粒钢筋，这种钢筋的强度指标满足相关规范中规定的HRB400Ⅲ级钢筋的性能要求，但焊接性能亦是影响其推广应用的主要指标，在焊接热作用下其热影响区晶粒便会粗化，该区域晶粒粗化后其是否能够保持原有的高强度是必须研究论证的一个重要方面[3]。

1试验用钢筋材料

试验用的钢筋材料主要通过细晶粒化工艺加工工业化生产的普通碳素钢Q235的连铸坯获得，Q235的连铸坯的主要化学成分为：Si 0.30、C 0.20、Mn 0.60、P 0.03、S 0.03，通过Q235的连铸坯轧制+穿水冷却这一加工工艺获得的超细晶粒热轧带肋钢筋的抗拉强度为575MPa，其屈服强度为450MPa、钢筋的伸长率为25%，试验过程中选用公称直径为25mm的钢筋。

超细晶粒钢筋与利用传统工艺获得的钢筋在组织分布方面具有明显的差异，通过观察其微观组织发现，超细粒化钢筋的纵截面(如图1(a)所示)明显包含两个区域。微观结构显示其中部区域为珠光体+铁素体组织(如图1(b)所示)，该区域范围内的平均晶粒粒径大约为7.5μm；钢筋的边部区域主要以贝氏体组织为主(如图1(c)所示)，利用传统工艺加工而成的Q235钢筋的纵截面没有上述分区现象。超细晶粒钢筋从钢筋横截面中心至钢筋边缘的维氏硬度分布如图2所示，从试验结构可以看出：超细晶粒钢筋在其中心位置处的维氏硬度最低，中心处的平均硬度大约为HV150，在接近钢筋表面位置处其硬度增加较大，平均硬度为HV199，钢筋横肋处的硬度最高，可以达到HV247。

(a)纵截面

(b)中部组织

(c)边部组织

图1超细晶粒钢筋的组织分布特征

图2　横截面上的硬度分布

2焊接工艺

试验方案中选用的焊接工艺紧密结合实际高层建筑中钢筋焊接所选用的焊接工艺，在高层建筑中，倾斜度在4：1范围内以及竖向受力钢筋多选用电渣压力焊焊接，对于水平钢筋主要采用闪光对焊进行焊接，实际工程中较少使用其他焊接方法[4]。由于25MnSiⅢ级钢筋具有的碳当量通常在0.5%以上，因此其焊接性能通常较差，原则上讲对于Ⅲ级钢筋而言电渣压力焊是不能采用的，但通过大量的论证和实践[5]，对于优质Ⅲ级钢筋使用电渣压力焊是可行的。超细晶粒钢筋的碳当量大约仅为为0.3%，这类钢筋具有良好的可焊性，本文主要采用电渣压力焊、闪光对焊以及电弧焊对超细晶粒钢筋的焊接性能进行试验研究。

电渣压力焊选用的焊接工艺参数见表1所示，闪光对焊的主要工艺参数为：闪光时间8～12 s、调伸长度40 mm、闪光留量12 mm、顶锻留量7 mm、次级电压7.17 V，预热留量6 mm，焊接设备选用UN1-150进行焊接。电弧焊选用E5003(J502)焊条，焊条直径为3.2 mm，其焊接用电压为27～29 V，选用120～140 A焊接电流，试验中主要采用的接头形式有4种，分别为双面搭接焊、双面帮条焊、熔槽帮条焊以及坡口焊。

表1　电渣压力焊的主要工艺参数

3试验结果分析

根据规范中的相关规定，试验中每种接头形式制作3个拉伸试样，其中，电渣压力焊和闪光对焊分别制作3个弯曲试样，试验获得的焊接接头的力学性能见表2。试验结果显示，利用不同焊接方法对超细晶粒钢筋进行焊接所得到的焊接接头的力学性能均较为优良。与普通的Q235钢筋相比，焊接后超细晶粒钢筋及其接头的强度为σb≥570MPa，σs≥400MPa，这一指标明显达到了规范中规定的Ⅲ级钢筋的强度水平；试验中通过拉伸试验得到的拉伸试样，其断裂位置都处于母材位置处，试验均具有较大的颈缩和均匀延伸量，试样断口形式均为杯锥状，其剪切唇区较为明显，试样具有良好的冷弯性能。

表2　不同焊接工艺下焊接接头的力学性能

通过观察焊接接头纵截面的宏观形貌(如图3所示)可以发现，采用电渣压力焊焊接的接头，焊接过程中由于顶压作用将熔融的液态金属以及熔渣从焊接接头位置处挤出形成明显的焊包，这使焊接过程中形成的焊缝较窄，这类焊接工艺的热影响区的宽度最大约为19 mm；对于闪光对焊接头，焊接过程中的顶锻过程会将熔化的金属全部挤出，其焊缝主要由半熔化区形成，焊缝宽度不大于0.5 mm。处于焊缝两侧的金属由于焊接过程中的高温作用会产生明显的塑性变形，在一定范围内形成截面扩展区，这种焊接工艺的热影响区宽度大约为17 mm；熔槽帮条焊和坡口焊采用的焊接形式均为摆动多层焊，因此，钢筋断面位置处会受到多次热循环作用，对于熔槽帮条焊而言，其焊接接头采用的是连续焊接方式，因此，其具有较宽的热影响区(约为7 mm)，而坡口焊对多个接头进行轮流施焊，这种焊接方法的热影响区较窄，大约仅为2.5 mm。通过分析4种焊接接头的热影响区的宽度可以发现，就热输入量而言，电渣压力焊最大，坡口焊最小。

(a)电渣压力焊　　　　　　　　(b)闪光对焊

(c)熔槽帮条焊　　　　　　　　 (d)坡口焊

图4为采用电渣压力焊获得的焊接接头纵剖面的微观组织形貌。该焊接接头的焊缝为柱状晶组织，晶内组织为针状铁素体，晶界较为明显，晶界组织为少量的珠光体和先共析铁素体。由于焊接过程中采用时间较长的电渣过程，因此，焊接完成后焊包会被熔化的焊剂所形成渣壳紧密地包裹住，渣壳起到很好的缓冷作用[6]，冷却速度缓慢，焊接过程中电渣压力焊对钢筋具有很大的焊接热输入量。在粗晶区及熔合线附近范围内，奥氏体晶界被先共析铁素体划分得十分明显，奥氏体晶粒具有较大的粒径，其晶内以珠光体为主，同时包含较少的粗大针状铁素体。随着不断远离熔合线位置，奥氏体的晶粒逐渐变小，珠光体含量逐渐减少，块状铁素体含量逐渐增多。再向外便会形成条带状分布的珠光体+铁素体组织，该组织具有冥想的轧制特征，随着不断远离熔合线，其晶粒尺寸及条带宽度都会不断减小。同时，通过观察还可以发现，热影响区范围内细带状区与母材中部的晶粒尺寸相当，有些甚至更为细小，并且该区域中珠光体的含量较母材中珠光体的含量有所增加增加，因而使得其具有更为明显的带状形貌。

(a)焊缝　　　　　　　　　　 (b)HAZ

(c)HAZ粗晶区　　　　　　(d)HAZ粗带状区

(e)钢筋中部HAZ细带状区 　(f)钢筋边部HAZ细带状区

图5是采用闪光对焊获得的接头焊缝以及熔合线范围外粗晶区的组织形貌。通过观察可以发现：可见该焊接工艺的焊缝为一窄带，焊缝具有轻微的脱碳现象，其组织以粗大的块状铁素体和针状铁素体为主，珠光体的含量较少；位于熔合线附近范围的粗晶区，及时奥氏体也具有很大的晶粒尺寸，但较电渣压力焊此范围内的奥氏体晶粒相比明显偏小，晶内含有的粗大针状铁素体的数量较多。虽然宏观显示闪光对焊与电渣压力焊的热影响区的宽度没有明显差别，但是通过比较两种情况下熔合线外奥氏体晶粒的尺寸可以明显地看出采用闪光对焊热影响区的高温停留时间比电渣压力焊的时间短。距熔合线距离不断增大，其组织变化规律与采用电渣压力焊时没有明显差异。

(a)焊缝　　　　　 (b)熔合线外热影响区

图6是电弧焊接头的微观组织形貌。该试验采用摆动多层焊的方法进行电弧焊焊接，通过观察发现，柱状晶体只存在于上焊口的表层焊道中，下层所有焊道在焊接过程中会受到上层焊道热循环作用的影响，其晶体组织转变为更为细小的珠光体+块状铁素体。热影响区范围内也仅在表层焊道外形成晶内珠光体、晶界铁素体以及不规则的铁素体组织，该种焊接工艺获得的焊接结构的奥氏体晶粒比其他两种焊接工艺获得的要小很多。位于表层焊道以下的热影响区中仅有条带状组织出现，其粗晶区与钢筋中部的组织结构相当，细晶区的晶粒则表现得更加细小。

(a)表层焊道焊缝　　　　　　 (b)下层焊道焊缝

(c)表层焊道热影响区的粗晶区　　(d)下层焊道热影响区的粗晶区

通过测试焊接接头距钢筋表面2mm位置处以及钢筋轴线处的维氏硬度可以发现：采用电渣压力焊获得的焊缝具有较高的硬度，采用闪光对焊获得的焊缝由于有轻微脱碳现象，其硬度偏低；在热影响区范围内，在熔合线附近的粗晶区的硬度最高，随着不断远离熔合线，其硬度会逐渐降低。对于不同焊接工艺而言，其获得的焊接接头的硬度也表现出一定的差异。在距钢筋表面2mm的位置处，焊缝以及热影响区的硬度较母材边部的硬度相比有所偏低，但硬度不会低于母材中部的硬度；在钢筋轴线上，焊缝以及热影响区的测试硬度均比母材轴线上的硬度要高。电弧焊热影响区的硬度的分布规律同于闪光焊。因此，从总体上看，采用各种焊接工艺获得的超细晶粒碳素钢钢筋的焊接接头均不会出现软化问题。

4结语

1)超细晶粒碳素钢钢筋通过加工廉价的原材料获得，其具有较高的强度，与经济型结构材料的要求相符[7]。这种钢筋具有较低的碳当量，因此，其焊接性能优良，可采用电渣压力焊、闪光对焊以及电弧焊等焊接方法进行焊接作业。各种焊接接头的抗拉强度在570～585 MPa之间，焊接接头的屈服强度大约为420～455 MPa。断口具有明显的延性特征，断裂位置均出现在母材上，总体上达到了Ⅲ级钢筋的焊接性能要求。

2)超细晶粒钢筋在钢筋边部和钢筋中部具有不同的硬度，经过焊接过程中的焊接热循环作用，钢筋边部的热影响区出现不同程度的软化，但其硬度仍不会低于母材中部的硬度，焊接后钢筋轴线处不会出现软化现象。从总体上看，超细晶粒碳素钢钢筋焊接完成后其焊接接头不会出现影响其质量的软化问题。

3)通过观察焊接接头及热影响区的微观组织可以发现，经过焊接过程中的焊接热循环作用，超细晶粒钢筋热影响区范围内的粗晶区奥氏体的晶粒尺寸会明显增大，晶粒长大程度与焊接过程中焊缝的冷却速度和焊接热输入量具有一定关系。钢筋的焊接热输入量在采用电渣压力焊时最大，其热影响区的晶粒粗化程度也最为明显。

参考文献

[1] 徐寅.我国400MPa热轧带肋钢筋应用现状和发展建议[J].轧钢,2002,19(4):3-6.

[2] 谢仕柜.应加速推进我国高强钢筋的发展[J].轧钢,2000,17(3):9-11.

[3] 徐有邻.建筑用钢筋优化刍议[J].钢铁钒钛,2001,22(1):7-15.

[4] 张永权,杨才福,柳书平.经济型建筑用Ⅲ级钢筋的研究[J].钢铁,2000,35(1):43-46.

[5] 梁龙飞.铌微合金化HRB400热轧带肋钢筋的研制[J].钢铁研究,2002,30(3):42-46.

[6] 鄢如恢,张开坚,龚德平.热轧带肋钢筋22MnSiV的研制[J].钢铁钒钛,2002,23(2):38-45.

[7] 冶金部建筑研究总院.GB1499-1998钢筋混凝土用热轧带肋钢筋[S].北京：中国标准出版社，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

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2015)04-0011-04

中图分类号：TU512

作者简介：戴庆峰(1976-)，男(汉)，江苏淮安，工程师

收稿日期：2015-09-29

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.04.003