HRB500E高强度抗震钢筋焊接性能
陈伟1, 3，严锡九2，赵宇3，施哲1，张卫强3
(1. 昆明理工大学 冶金与能源工程学院，云南 昆明，650093；
2. 武钢集团 昆明钢铁股份有限公司，云南 昆明，650302；
3. 武钢集团 昆明钢铁股份有限公司技术中心，云南 昆明，650302)
摘要：国内某厂通过铌微合金化和控冷工艺开发试制HRB500E高强度抗震钢筋，采用金相显微镜、维氏硬度计、闪光焊接、疲劳试验机及力学性能测试，对HRB500E钢筋焊接样力学性能、HV5硬度、金相显微组织、焊接接头强度及疲劳强度进行了试验研究。结果表明：焊接前后焊件和母材强度变化小于5 MPa，强度变化不大，焊件拉伸断口远离焊缝，为延性断口，焊接性能良好；在焊接热循环作用下，焊接接头焊缝、热影响粗晶区、热影响细晶区的表层和芯部经历奥氏体化后再结晶，其组织和硬度变化不大；混晶区至母材表层和芯部则经历不完全奥氏体化后的再结晶，母材芯部组织为F+P+B、表层组织为S，表层硬度HV5高于芯部硬度30 HV5，其组织和硬度变化较大；焊接接头的抗拉断负荷从焊缝到混晶区逐渐减小，焊缝和热影响粗晶区的抗拉断负荷比母材的高；采用国际焊接学会推荐的FAT75疲劳设计曲线对钢筋焊接接头疲劳强度设计是安全的。
关键词：HRB500E抗震钢筋；焊接性能；焊接接头；疲劳强度
中图分类号：TF762 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)07-2566-08
Welding properties for HRB500E high-strength and seismic steel bars
Chen Wei1, 3, YAN Xi-jiu2, Zhao Yu3, Shi Zhe1, ZHANG Wei-qiang3
(1. Faculty of Metallurgy and Energy Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;
2. WuKun Steel Co. Ltd., Kunming 650302, China;
3. Technology Center of WuKun Steel Co. Ltd., Kunming 650302, China)
Abstract: HRB500E high-strength and seismic steel bars with Nb-microalloyed and controlled cooling process were produced in domestic steel plant. The mechanical properties, HV5 hardness, microstructure for weldment, strength and fatigue strength of welding joint were researched by using metallographic microscopy, vickers hardness tester, flash-butt welding, fatigue testing machine and mechanical properties testing. The results show that strength changes between weldment and base metal are less than 5 MPa before and after welding, strength change of steel bars is little; fracture of weldment is away from welded joints with ductile fracture, welding properties is better; in the welding thermal cycles, core and outer layer of welding gap of joint, heat affected zone with coarse grain, heat-affected zone with fine grain are experienced austenite recrystallization, changes of microstructure and hardness are little; core and outer layer of mixed grain zone, base metal are experienced incomplete austenite recrystallization, core and outer microstructure of base metal is F+P+B and S, hardness of outer layer is 30 HV5 higher than that of core, changes of microstructure and hardness are little; tensile breaking load of welded joints decreases from weld seam to mixed grain zone, tensile breaking load of welding seam and heat affected zone with coarse grain is higher than that of base metal; fatigue strength design of welded joint for rebars which adopts FAT75 fatigue design curve recommended by the International Institute of welding is safe.
Key words: HRB500E seismic steel bars; welding properties; welded joints; fatigue strength
随着现代建筑工业的发展，土木工程对钢筋焊接质量提出了越来越高的要求，无论是高层建筑、大跨度混凝土桥梁还是水利工程，钢筋的焊接直接影响工程结构的质量和生产效率。HRB500E钢筋具有强度高、安全储备量大、抗震性能好、节省钢材用量、施工方便等优越性，适用于高层、大跨度和抗震建筑结构，是一种节约、高效的新型建筑材料[1-2]，近年来国家及地方相关部门相继出台了一系列文件促进HRB500E高强度抗震钢筋的研制和推广应用[3]。为充分发挥HRB500E钢筋高强度的优势，目前对其采用高强度连接方法，如机械连接或焊接。相关研究表 明[4-7]，材料碳当量CEnw在0.40%~0.60%，材料的淬硬倾向明显，需要适当预热并按相应的焊接规范进行焊接；对碳当量较高的钢筋采用预热闪光焊，可使焊口两侧的加热范围扩大，改善温度分布梯度，降低冷却速度，减少产生未焊透、脆断缺陷的可能性。根据国际焊接学会推荐的碳当量CEnw公式计算HRB500E高强度钢筋碳当量大于0.40%，同时考虑预热闪光对焊技术还具有效率高、成本低、质量好的特点，HRB500E高强度钢筋连接时采用闪光对焊技术较为适宜。为了降低HRB500E高强度钢筋生产成本，更好地促进其生产及推广应用，2009年国内某厂采用微合金化控冷工艺试制了HRB500E高强度钢筋。为了更好地检验控冷工艺生产HRB500E高强度钢筋焊接性能，本文作者以该厂微合金化控冷工艺生产的HRB500E高强度钢筋作为母材，采用闪光对焊工艺进行焊接，对其焊接样进行了力学性能、HV5硬度、金相显微组织、焊接接头强度及疲劳强度试验研究。
1 实验
1.1 试验材料
试验采用的材料为国内某厂采用微合金化控冷工艺试制的HRB500E高强度钢筋，直径为20和25 mm，其化学成分和力学性能见表1。试验材料钢筋横截面由3层组织组成，外表层为淬硬层，其显微组织为索氏体；淬硬层以内的芯部组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体；淬硬层与芯部之间为过渡区，其组织为铁素体+珠光体+贝氏体。
1.2 焊接接头制作
焊接接头使用UN-100型对焊机，采用闪光－预热闪光焊方式，焊接经一次闪光，闪平端面后，预热充分，二次闪光闪去过热金属以及最后顶锻完成；与热轧钢筋相比，焊接过程中减小调伸长度，提高焊接变压器级数，缩短加热时间，快速顶锻，形成快热快冷条件，使热影响区长度控制在钢筋直径的0.6倍范围之内。焊机容量为180 kV·A，调伸长度(钳口距离)为30~40 mm, 焊接变压器级数为Ⅶ级，焊剂为普通的HJ431焊剂，焊接工艺参数见表2。
1.3 试验方法
根据国家标准GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》，采用WE-2000型拉力试验机，从直径20和25 mm HRB500E钢筋上各取长度400 mm的10个试样进行拉伸试验；相同的钢筋试样再各取10组试样，进行闪光对焊，焊接试样经外观检查合格后，进行拉伸试验。上述直径20和25mm HRB500E钢筋焊接接头经湿锯加工成长度80 mm 的试样，经刨、铣、湿磨、砂纸打磨及用4%硝酸酒精腐蚀后制成金相及硬度试样，采用Leica5000型金相显微镜、IAS.6.0图像分析仪观测显微组织；采用HVA-10A型维氏硬度计测量维氏硬度HV5，试验载荷为50 N，硬度测量轴向测试点平行于试样轴线，位于淬硬层和距试样轴线1/4钢筋半径处，径向测试点距焊缝一定距离，平行于焊缝分布，焊接接头HV5测试试样外形见图1所示。焊接接头疲劳强度试验所取试件如图2所示，在试件两端用闪光对焊焊接上细牙螺纹接头，并对连接接头采用磨平等提高疲劳强度的措施，以确保其疲劳强度不低于受试接头；试件连接接头的间距为650 mm，受试部位未经过任何加工处理。疲劳试验在60 t程序控制万能疲劳试验机上按《钢筋焊接接头试验方法标准》(JGJ/T 27—2001)在常温下进行。试件两端夹持部分的连接细牙罗纹与试验机夹头螺纹配合。疲劳频率约110 Hz，试验应力比R=0.2；在试验应力循环数N＞2×106次时，试验过程自动停止。
表1 试验材料化学成分与力学性能
Table 1 Chemical composition (mass fraction) and mechanical properties of test materials
表2 HRB500E抗震钢筋闪光对焊工艺参数
Table 2 Main parameters of flash butt welding for HRB500E seismic steel bars
图1 试验钢焊接接头HV5测试样宏观形貌
Fig.1 Appearance of HV5 test sample for welded joints of steel bars
图2 焊接接头疲劳强度试验试件示意图
Fig.2 Schematic geometry of specimen for fatigue testing of welded joints
2 结果与分析
2.1 力学性能
对直径20和25 mm HRB500E钢筋母材及焊接件进行拉伸试验，结果表明：焊接以后，再进行拉伸试验，焊件和母材强度基本不变(见表3)，其力学性能满足GB/T 1499.2—2007的要求，焊件拉伸断口均在远离焊接接头熔合区及热影响区的母材上(见图3)，且具有较大的均匀延伸和缩颈，断口形貌为杯锥状，有明显的剪切唇区，表现为延性断口，微合金铌铁的加入有利于焊接性能的改善[8]；焊接件按JGJ 18—2003《钢筋焊接及验收规程》5.1.7之规定，全部为合格焊接接头。钢筋母材的基体组织为铁素体＋珠光体＋少量贝氏体，闪光对焊后其接头处的组织有8%~10%的粒状贝氏体强化相产生，使接头部位的抗拉强度高于母材，同时接头部位的韧性并没有明显降低，试件拉伸和弯曲试验合格。
图3 HRB500E (d=25 mm)高强度钢筋焊件拉伸断口宏观形貌
Fig.3 Fractographys of weldment tensile fracture for HRB500E high-strength steel bars (d=25 mm)
2.2 金相显微组织及HV5硬度分析
控冷工艺生产的HRB500E高强度钢筋焊接接头组织由焊缝、热影响粗晶区、热影响细晶区、混晶区及母材组成，其剖面示意如图4所示。表4所示为试验钢焊接接头组织各组成区间的长度。从表4可以看出：热影响区长度随钢筋直径增大而增大，主要原因是热影响粗晶区长度增大所致。
焊接接头各组成区芯部和淬硬层显微组织如图5所示。从图5可以看出：焊缝、热影响粗晶区芯部组织为B+F，过渡到热影响细晶区、混晶区芯部组织为F+P，远离焊缝的母材芯部组织为F+P+B；焊缝、热影响粗晶区表层组织为B+F，热影响细晶区表层组织为F+P，过渡到热影响混晶区表层组织为S+F+P+B，远离焊缝的母材表层组织为S；焊接接头各区间硬度HV5分布曲线(见图6)表明，焊件母材的表层HV5高于芯部(约相差30HV5)，但焊缝、热影响粗晶区、热影响细晶区的表层HV5与芯部较为接近，从混晶区开始到母材HV5硬度相差逐渐变大。
在焊接热循环作用下，焊接接头焊缝、热影响粗晶区、热影响细晶区的表层和芯部经历了奥氏体化后再结晶，转变为相似的组织，其HV5接近；混晶区的表层和芯部经历了不完全奥氏体化后的再结晶，表层组织从热影响细晶区的(铁素体+珠光体)组织逐渐过渡到母材淬硬层的索氏体组织，芯部组织从热影响细晶区的(铁素体+珠光体)组织逐渐过渡到母材芯部的(铁素体+珠光体)组织。因此，从混晶区到母材，外表层与芯部的HV5差值逐渐变大。
表3 HRB500E钢筋焊件及母材力学性能
Table 3 Mechanical properties of weldment and base material for HRB500E steel bars
图4 HRB500E高强度钢筋焊件剖面示意图
Fig.4 Schematic diagram of cross-section of weldment for HRB500E steel bars
表4 试验钢焊接接头各组成区间长度分布
Table 4 Length distribution in different structure regions for welded joints of test steel
图5 HRB500E高强度钢筋焊接接头各组成区显微组织
Fig.5 Microstructures of different structure regions for welded joints of HRB500E high-strength steel bars
图6 HRB500E高强度钢筋焊接接头HV5分布曲线
Fig.6 Distribution curve of hardness HV5 for welded joints of HRB500E high-strength steel bars
在焊接热作用下，焊接接头的温度焊缝最高，从焊缝到母材逐渐降低[9-10]。较高的奥氏体化温度使焊缝中产生条块状的先共析铁素体，沿原始奥氏体晶界呈网状断续分布，其组织(贝氏体+铁素体)的HV5低于焊缝热影响粗晶区组织(贝氏体+铁素体)的HV5，甚至低于母材芯部的HV5。距离焊缝越远，先共析铁素体网逐渐断开，过渡到热影响粗晶区，组织中珠光体+铁素体量逐渐增多，粒状贝氏体量逐渐减少，然后逐渐过渡为热影响细晶区的铁素体+珠光体组织，HV5逐渐降低。焊缝硬度较低的主要原因为焊缝组织有大量的先共析铁素体沿原奥氏体柱状晶晶界析出[11-12]，晶内为针状铁素体和粒状贝氏体交叉混合分布；熔合区硬度相对较高，在热影响区中，靠近熔合线的粗晶区硬度最高，高于焊缝区和母材，因为热影响粗晶区组织多为侧板条状贝氏体，并伴有少量块状铁素体、针状铁素体及呈方向性分布的粒状贝氏体(岛状相略有分解)；随着距熔合线距离的增大，硬度有所降低，但高于母材，不存在软化现象。
2.3 焊接接头强度分析
按GB/T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》中σm与HV换算表，求得σm与HV和HV2的线性关系为：σm=53.2+2.96×HV+0.000 37×HV2，相关系数R=0.98。
焊接接头有效横截面积示意见图7所示。图中：b为距焊缝一定距离L试样HV测试面上弦长的一半，rz为焊接接头母材有效半径，则弦高
。
h不随测试点距焊缝距离L改变，HV测试点处半弦b对应的有效半径r为：
。
图7 焊接接头有效截面积计算示意图
Fig.7 Schematic diagram of calculation of effective cross-sectional area for welded joints
1号和4号焊件焊接接头抗拉断负荷F(kN)、距焊逢距离L(mm)变化曲线见图8所示。从图8可以看出，不同规格和强度的焊接接头，抗拉断负荷F(kN)随距焊逢距离L(mm)的变化相似，其抗拉断负荷F(kN)从焊缝到混晶区逐渐减小，在混晶区最小，焊缝和热影响粗晶区的抗拉断负荷F(kN)明显高于母材。有效横截面相同时，混晶区抗拉断负荷低于母材不超过8%，焊接接头断裂位置在混晶区和母材的几率较高。
图8 HRB500E钢筋焊接接头抗拉断负荷与距焊逢距离变化曲线
Fig.8 Change curve between tensile breaking load and distance which is away from welding seam for welded joints
of HRB500E high-strength steel bars
上述分析表明，闪光对焊的顶锻镦粗作用从焊缝到热影响细晶区逐渐减小。镦粗作用使焊接接头有效截面积增加，减小其断于焊缝和热影响区的几率。图6~8表明：焊缝的HV5硬度低于母材，只有通过顶锻镦粗使有效截面积大于母材，才能使焊接接头不断于焊缝。
2.4 焊接接头疲劳强度
闪光对焊焊接接头的疲劳试验结果如表5所示。从表5可以看出：闪光对焊接头疲劳寿命达27 156次时，最大应力载荷509 MPa；疲劳寿命达2×106次时，最大应力载荷下降到215 MPa。
表5 HRB500E抗震钢筋焊接接头的疲劳试验结果
Table 5 Fatigue test results of welded joints for HRB500E steel bars
为研究HRB500E抗震钢筋闪光对焊接接头的疲劳强度是否能按国际焊接学会(IIW)推荐的方法[[13-14]进行设计，对试验结果进行了计算处理。
疲劳曲线表达式为：
(1)
式中：N为应力循环数；Δσ为应力幅；C为常数，取决于疲劳曲线的位置；m为斜率。
对式(1)两边取对数，则有：
(2)
如果已知m，可由式(2)根据试验数据求得
，则
可由下式求得：
(3)
式中：Ck为通过试验数据处理求得的C值；k为与试验数据总组数n有关的系数，查表得到k=3.7。
(4)
(5)
对试验数据进行处理，得到焊接接头的疲劳曲线(见图9)，曲线采用国际焊接学会推荐规范，m=3。国际焊接学会将2×106 次应力循环数下特定的疲劳强度定为疲劳级别FAT，因此，图9中曲线是国际焊接学会推荐的FAT75的疲劳设计曲线[13,15]。
图9 闪光对焊焊接接头疲劳试验数据和S-N曲线(R=0.2)
Fig.9 Fatigue test data and S-N curve for flash butt welds (R=0.2)
按表5和图9结果得到闪光对焊接接头疲劳强度计算式：
(6)
从图9可以看出：采用国际焊接学会推荐的疲劳设计曲线具有广泛性和方便性，设计闪光对焊接接头的疲劳强度时采用FAT75。采用上述的疲劳设计曲线，对HRB500E钢筋闪光对焊，其焊接接头的疲劳强度设计是安全的。
3 结论
(1) 国内某厂采用铌微合金化和控冷工艺生产的HRB500E钢筋具有良好的焊接性能，焊接前后其强度变化不大，焊件拉伸断口远离焊缝，为延性断口。
(2) 在焊接热循环作用下，焊接接头焊缝、热影响粗晶区、热影响细晶区的表层和芯部经历了奥氏体化后再结晶，其组织和强度变化不大；混晶区至母材其表层和芯部则经历了不完全奥氏体化后的再结晶，母材表层硬度高于芯部硬度30 HV5，母材芯部组织为F+P+B、表层组织为S，其组织和强度变化较大。
(3) 焊接接头的抗拉断负荷从焊缝到混晶区逐渐减小，与母材相比，焊缝和热影响粗晶区的抗拉断负荷较高；焊缝HV硬度较低，通过顶锻镦粗作用，使有效截面积大于母材的截面积，才能使焊接接头不断于焊缝。
(4) 采用国际焊接学会推荐的FAT75疲劳设计曲线对钢筋闪光对焊，其焊接接头疲劳强度设计是安全的。
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(编辑 陈爱华)
收稿日期：2011-09-21；修回日期：2011-11-30
基金项目：云南省科技计划项目(2009BA008)
通信作者：施哲(1957-)，男，福建晋江人，博士，教授，从事钢铁冶金新技术及冶金反应工程学研究；电话：0871-5198154；E-mail: zheshi5@hotmail.com
