焊接參數對鋼筋骨架主筋力學性能影響

陳士忠,白云飛,劉子金,汶 浩

(1.沈陽建筑大學機械工程學院,遼寧 沈陽 110168;2.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)

隨著國家工業的不斷進步,人們對工業生產的節能降耗和環保要求不斷提高。在促進建筑工程的不斷升級,進入新常態時期的同時,國家在“十三五”期間明確提出了“建筑工業化和綠色建筑的持續發展”[1-2]的理念。鋼筋骨架作為重要的建筑材料,其質量直接影響工程的進程與效率。過去,鋼筋骨架成型主要采用綁扎或手動點焊,這兩種骨架成型方式不僅具有尺寸偏差較大的缺陷,而且很難保證焊點質量的統一性和穩定性[3]。然而焊接技術作為一種最常用的連接方式,被廣泛應用于工業生產[4-7]。鋼筋骨架自動成型焊接技術是一種新型的骨架成型技術,通過采用鋼筋骨架自動成型生產線進行鋼筋骨架的焊接,具有優化焊接質量、提升生產效率、改善工人工作條件等優勢[7-8],從而有效避免了綁扎和手動點焊等方式的缺陷。

CO2氣體保護焊是應用CO2作為保護氣,為了防止熔化金屬被氧化,對空氣和熔融金屬機械進行隔離的一種焊接方法,具有焊接質量好、外形優良、韌性高等優點[9]。此外,CO2氣體保護焊操作簡便,易于實現設備的自動化運作,不但節約了成本,還滿足了現代建筑外觀協調美的需求。房元斌等[10]通過正交試驗對T形接頭的焊接參數進行調整,不僅優化了焊縫的宏觀形貌本,還降低了焊接殘余應力的峰值。閻紅[11]通過對藥芯焊絲中Al含量的控制,得出了當焊絲中Al質量分數為0.48%時,焊縫的力學性能良好的結論。筆者通過正交實驗對CO2氣體保護焊焊接電流、電弧電壓、焊接時間、箍筋間距等焊接參數進行控制與調節,以尋求最佳的焊接效果。在鋼筋骨架自動成型生產線的可調范圍內,主筋采用直徑為16 mm、箍筋采用直徑為8 mm的HRB400級鋼筋進行正交實驗,研究不同焊接參素對鋼筋骨架主筋力學性能的影響情況,進而優化焊接參數,提高鋼筋骨架自動成型過程中的優良率。

1 正交實驗基本原理

正交實驗設計是在拉丁方理論和群論的基礎上研究復雜因素水平的一種高效、迅捷、經濟的實驗設計方法[12-13],并且可以通過部分代表性較強的實驗,衡量各個實驗因素對參數指標的影響情況,從而獲得最佳的參數組合[14-16]。根據正交實驗正交性的特點,從全面試驗中挑選部分有代表性的實驗參數點進行實驗,實現較少的實驗次數,取得比較準確可靠的實驗參數優化性能組合[17-18]。由此,使正交實驗設計方法作為力學性能評價標準逐步運用于焊接工藝的優化[19-22]。正式實驗開始前,筆者進行了數百組的鋼筋骨架自動焊接技術的參數賦值與調試實驗,得到焊接試驗參數調整有效范圍見表1。由于焊接為自動進行,為使焊點得到保護氣的充分保護,避免被氧化,所以設置焊接時間時存在0.2 s的延遲。即實際焊接時間=焊接時間-0.2。

表1 實驗參數有效范圍Table 1 Effective range of experimental parameters

由于鋼筋骨架生產線進行生產時需要輸入參數的自動焊接來實現鋼筋骨架的自動生產,因此為了進一步精確和優化焊接質量以及生產效率,通過式(1)確定正交實驗次數:

(1)

式中:n為實驗次數;m為因素數量;S為水平數量。

由式(1)計算可得實驗次數為9次,所以應用代表復雜因素水平的正交表L9(34)進行實驗。

本次實驗的主要目的:①探索影響鋼筋骨架自動成型焊接因素的效應曲線規律;②確定焊接質量最優因素組合以及各因素的影響程度。

2 焊接實驗

2.1 設計參數和試件選材

采用鋼筋數控彎箍機和閃光對焊機制作矩形封閉箍筋,封閉箍筋直徑為8 mm,封閉箍筋長寬為360 mm×200 mm,主筋直徑為16 mm,待焊接封閉箍筋冷卻后方可使用。根據生產流程并按照《鋼筋焊接及驗收規程》(JGJ18—2012)的要求,確定本次焊接實驗的因素為焊接時間(A)、電弧電壓(B)、焊接電流(C)、箍筋間距(D),實驗母材采用HRB400級鋼筋,材料性能見表2。實驗共9組,每組10根,共計90根,對每根主筋進行拉伸實驗。焊接實驗主筋與箍筋的固定見圖1。

圖1 試件焊接夾持圖Fig.1 Welding clamping diagram of specimen

表2 HRB400級鋼筋參數Table 2 HRB400 reinforcement parameters

2.2 試件焊接及檢驗設備

實驗采用廊坊凱博建設凱博科技有限公司所研發的自動鋼筋骨架成型生產線進行鋼筋骨架的自動焊接(見圖2)。實驗采用型號為ER50-6、直徑為1.2 mm的焊絲。

圖2 鋼筋骨架自動成型生產線Fig.2 Automatic forming production line of steel frame

調整實驗參數分組進行焊接,待成型骨架(見圖3)冷卻結束后,在其上截取主筋長度為800 mm,箍筋預留長度距焊點100 mm(見圖4),以防止切割時對焊點造成損傷。應用液壓拉伸實驗儀器,依據《金屬材料拉伸試驗方法》(GB/T228.1—2010)對試件進行拉伸,由計算機分析軟件得出實驗數據。

圖3 鋼筋骨架Fig.3 Framework of steel reinforcement

圖4 拉伸實驗試件圖Fig.4 Tensile test specimen diagram

2.3 實驗結果評價指標

依據《鋼筋焊接機驗收規程》(JGJ18—2012)[23]的準則,將主筋拉伸斷裂時的抗拉強度、屈服強度、延伸率與母材的各項性能的對比結果作為評判準則。通過對實驗數據的極差進行分析,確定焊接時間、電弧電壓、焊接電流、箍筋間距的各個因素水平對鋼筋骨架抗拉強度、屈服強度、延伸率的影響規律,找出主筋性能最接近母材、外觀最優的結果。

3 焊接鋼筋骨架正交實驗過程

3.1 設計正交實驗

為了使鋼筋骨架自動焊接的參數范圍更加精確,根據之前研究得到的有效范圍和鋼筋焊接驗收規范要求,確定實驗因素水平見表3。

表3 正交實驗水平因素表Table 3 Orthogonal test level factor table

根據正交實驗標準正交表的設置,為了使實驗數據更加明確,對每一列進行編號,設第1列為A,第2列為B,第3列為C,第4列為D。選用描述復雜因素水平的標準正交表L9(34)進行分析。將實驗方案所需的相關因素和水平列于表4。按照實驗方案進行試驗,記錄主筋各項性能結果見表5,并通過焊接優良率來確定每組實驗結果的優劣程度,進而確定最佳的參數組合。其中,焊接優良率是焊接鋼筋骨架的外形優良(焊點處熔融金屬基本均勻;壓入深度:熱軋鋼筋的0.3～0.45 d;每一件制品的焊點脫落或漏焊的試件數量不能超過總數的4%;焊點無裂痕、多孔性缺陷及明顯燒傷現象。)、抗拉強度、屈服強度和延伸率浮動(即增加或減少)不超過母材各項性能的5%的占比。試件編號和實驗分析結果件見表6。

表4 L9(34)正交表Table 4 L9(34)Orthogonal table

表5 正交實驗結果Table 5 Orthogonal test results

表6 正交實驗分析結果Table 6 Orthogonal experimental results

3.2 實驗數據處理

采用極差分析法進行分析。其中,Ki表示i行上水平號所對應實驗因素的結果總和。ki為Ki/v,其中v為任意列上各水平出現的次數,所以ki表示該列上因素在水平i下得到的實驗結果的算數平均值,用以判斷該列因素的最佳水平,據此確定最優的實驗參數組合。R為極差,R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}。由極差R可以看出當該列因素水平發生變化時,實驗結果的變化情況,隨著R的增大,表明該因素對實驗結果的影響越明顯。由此對縱筋焊接結果優良率的極差進行分析,結果見表7。

表7 極差分析表Table 7 Range analysis table %

4 結果分析

4.1 實驗數據結果初步分析

依據對鋼筋骨架優良率的極差分析和因素水平效應曲線分析,得出每個因素對焊接效果影響的強弱順序,確定主筋性能最接近母材的因素水平組合。對正交實驗結果表6行分析可以看出在2號實驗(A1B2C2D2)的條件下,焊接的鋼筋骨架外形優良、主筋的抗拉強度、屈服強度、延伸率的綜合性能接近母材的性能。根據K值對因素水平效應曲線和極差R進行分析,明確鋼筋骨架焊接的最優實驗參數和焊接因素對焊接結果影響的強弱順序。

4.2 實驗因素水平交叉分析

鋼筋骨架自動焊接的因素與水平對試驗結果的影響關系見圖5。通過以每個因素的水平作為橫坐標,對應的水平條件下實驗結果的優良率的均值作為縱坐標,得出各因素水平的效應曲線。根據正交實驗綜合可比的特性,分析各因素相應水平下k的峰值,并依據效應曲線得出如下結論:要使鋼筋骨架焊接的主筋外形優良、抗拉強度、屈服強度、延伸率最接近母材,焊接時間應為1.3 s、電弧電壓應為25 V、焊接電流應為300 A、箍筋間距應為100 mm。最后根據正交實驗的實際全面性得出在所有組合(34=81)中最佳因素水平組合應為(A2B2C2D1)。

圖5 因素水平效應曲線圖Fig.5 Factor horizontal effect curves

4.3 實驗結果主次因素分析

根據實驗極差分析表中R值確定各因素對實驗結果影響主次,即R越大的因素對焊接結果的影響程度越大。由表6計算結果得出,焊接電流對焊接鋼筋骨架優良率的影響最為明顯,其次為電弧電壓、焊接時間、箍筋間距。

4.4 實驗結果檢驗分析

通過以上分析可知鋼筋骨架焊接的最佳因素組合,明確了鋼筋骨架自動焊接的參數最優組合,通過對鋼筋骨架自動成型生產線設置實驗所得的最佳焊接參數組合進行鋼筋骨架的制作。隨機抽取100件冷卻后的鋼筋骨架進行檢驗,只有10支試件存在焊接缺陷,其余皆為合格產品。隨機取10支試件重復上述拉伸實驗并對結果與之前拉伸結果進行對比驗證,結果見表8?？梢钥闯?調整后主筋的性能更加優良。

表8 實驗前后焊接結果力學性能對比Table 8 Comparison of mechanical properties of welding results before and after experiment

5 結 論

(1)根據正交實驗結果匹配分析得出最佳焊接參數組合為焊接時間1.3 s、電弧電壓25 V、焊接電流300 A、箍筋間距100 mm(A2B2C2D1)。

(2)通過正交實驗對焊接結果主次因素分析得出,焊接電流對焊接結果的影響最為明顯,其次是電弧電壓、焊接時間、箍筋間距。

(3)采用優化后的參數進行鋼筋骨架的自動成型焊接,使焊接優良率提高了15%。

(4)由于箍筋間距對焊接結果的影響比較小,在實際生產中可以通過其他參數的調節來彌補鋼筋骨架箍筋間距對焊接質量造成的損失。在實際生產中可以在允許的范圍內自行調節箍筋間距。