钢筋预埋件连续驱动摩擦焊接头组织及性能_章中华.pdf

Electric Welding MachineVol.53 No.1Jan.2023第 53 卷 第 1 期2023 年1 月钢筋预埋件连续驱动摩擦焊接头组织及性能章中华，曾凡勇，肖志威，谢利平，薛雅旭，朱称生中国核工业第二二建设有限公司，湖北 武汉 430051摘要：针对核电典型钢筋预埋件手工焊接存在效率低、工作强度大等问题，提出采用连续驱动摩擦焊接方式进行焊接，并对接头的宏观形貌、微观组织和力学性能进行了分析。结果表明：预埋件摩擦焊T形接头因焊接过程散热不均，上部飞边与下部飞边呈不对称分布，钢筋侧金属在焊接过程中发生了明显的流变。通过高倍金相观察和扫描分析，证实了焊缝界面处的“黑线”特征为正常组织而非焊接缺陷；接头焊核区组织发生了动态再结晶，为细小的铁素体+贝氏体，热影响区组织中的碳化物受热作用开始析出。顶锻量可作为衡量接头拉伸质量的参数，当钢筋顶锻量超过19 mm后，接头拉伸合格率可达100%；通过小尺寸拉伸和硬度测试发现，接头最薄弱的区域为母材，影响T形接头断裂位置的指标为焊合率，而焊合率与焊接参数（顶锻量）、焊前清理有关。关键词：钢筋预埋件；T形接头；连续驱动摩擦焊；飞边；显微组织中图分类号：TG453+.9 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2023）01-0091-09Microstructure and Mechanical Properties of T-joint of Embedded Parts by Continuous Drive Friction WeldingZHANG Zhonghua,ZENG Fanyong,XIAO Zhiwei,XIE Liping,XUE Yaxu,ZHU ChengshengChina Nuclear Industry 22nd Construction Co.,Ltd.,Wuhan 430051,ChinaAbstract:Continuous drive friction welding method was used for typical embedded steel bars in nuclear power plant,and the macroscopic morphology,microstructure and mechanical properties were analyzed.The results show that the upper and lower flying edges of the T-shaped friction welding joint are asymmetrically distributed due to the uneven heat dissipation during welding process,and the metal of the reinforcement side has obvious strain deformation during welding process.Through high magnification metallographic observation and scanning analysis,it is confirmed that the black line at the weld interface is normal metal organization rather than welding defect.Dynamic recrystallization occurrs in the weld nugget zone,which is fine ferrite and bainite,and carbides in the microstructure of the heat affected zone begin to precipitate after heating.The upset forging quantity can be used to measure the tensile quality of the joint.When the upset forging quantity of reinforcement exceeds a certain value,the tensile qualification rate of the joint can reach 100%.Through small-size tensile and hardness tests,it is found that the weakest area of friction weld joint is steel base metal,and the index affecting the fracture position of T-joint is seaming ratio,which is related to welding parameters(upset forging quantity)and pre-welding cleaning.Keywords:embedded steel bars;T-joint;continuous drive friction welding;flying edges;microstructure引用格式：章中华，曾凡勇，肖志威，等.钢筋预埋件连续驱动摩擦焊接头组织及性能 J.电焊机，2023，53（1）：91-99.Citation:ZHANG Zhonghua,ZENG Fanyong,XIAO Zhiwei,et al.Microstructure and Mechanical Properties of T-joint of Embedded Parts by Continuous Drive Friction WeldingJ.Electric Welding Machine,2023,53(1):91-99.*收稿日期：2022-03-22修回日期：2022-11-10作者简介：章中华（1976），男，本科，高级工程师，主要从事核电工程先进工艺技术研发及推广应用。通信作者：曾凡勇（1992），男，硕士，助理研究员，主要从事核电钢结构先进焊接技术研发。DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2023.01.142023 年0前言钢筋预埋件在核电建造、民用建筑、水利等工程中应用广泛，其一般为T形焊接结构，根据预埋板厚度及钢筋直径可采用不同方式（穿孔塞焊、压力埋弧焊、角焊等）进行焊接1。目前核电钢筋预埋件的生产仍以手工焊接为主，存在焊接效率低、劳动环境较差、工作强度较高等问题。鉴于此，国内一些单位采用机器人代替人工实现穿孔塞焊自动焊接2-3。虽然自动焊提升了焊接效率，但对焊前组对工序要求高，且机器人焊接一般采用大电流脉冲电源，焊接时会产生强烈的脉冲弧光和烟尘，易造成电弧灼伤和环境污染，且设备能耗较大。摩擦焊焊接过程中质量控制良好，可避免裂纹、气孔、未熔透等缺陷，已广泛应用于航空、石油、电力、汽车等领域4-5。该技术具备高效、绿色、环保的特点，且容易实现自动化焊接，非常适合用于钢筋预埋件的焊接。20世纪80年代有学者开始研究采用摩擦螺柱焊（Friction Stud Welding，FSW）方法焊接螺柱和钢板，主要用于海底石油管道牺牲阳极的焊接，适用螺柱直径范围在 25 mm及以下。狄冰6等针对X65钢开展 14 mm螺柱的摩擦焊T形接头的微观组织及耐腐性能研究。徐亚国7等研究了旋转速度对摩擦螺柱焊接头抗拉强度的影响。Kimura M8等针对AA5083铝合金摩擦螺柱焊接头断裂发生在界面处而非母材的问题开展了研究，分析了飞边形貌和接头拉伸的关系，通过参数优化和接头设计获得了良好的接头。目前有关预埋件T形接头摩擦焊接的研究主要集中在小直径螺柱或轻质材料的焊接，针对大直径（25 mm以上）钢筋的摩擦焊接还鲜有报道。因此，本文针对核电典型规格和材质的钢筋预埋件进行连续驱动摩擦焊，研究分析接头的组织特征和力学性能，以期为钢筋预埋件摩擦焊接技术的推广应用提供参考。1试验材料和方法试验用钢筋材质为HRB400E，尺寸为 25 mm300 mm，钢板材质为Q235B，尺寸30 mm600 mm600 mm。两者材质均属碳钢，摩擦焊接性能良好，化学成分及力学性能如表1、表2所示。钢筋和钢板母材微观组织如图1所示，均为铁素体+珠光体组织，钢筋母材微观组织呈明显轧制形态。试验采用自行研制的多工位预埋件连续驱动摩擦焊机（见图2），最大顶锻力200 kN，最高转速2 000 r/min。其中钢板固定侧增加了x轴和y轴伺服驱动，可实现一块钢板上焊接多根钢筋。焊前对钢筋端面和钢板待焊处附近进行打磨以去除铁锈。典型的钢筋-板T接摩擦焊接头见图3。焊后采用锯切的方式通过钢筋轴线截取接头截面并制作金相试样，采用徕卡DMI5000M型光学表1Q235B化学成分及力学性能Table 1Chemical composition and mechanical properties of Q235B化学成分（质量分数，%）C0.20Si0.35Mn1.4S0.045P0.045力学性能ReH/MPa235Rm/MPa370500A/%26表2HRB400E化学成分及力学性能Table 2Chemical composition and mechanical properties of HRB400E化学成分（质量分数，%）C0.25Si0.80Mn1.60S0.045P0.045力学性能ReH/MPa400Rm/MPa540A/%16（a）钢筋（b）钢板图1母材微观组织Fig.1Microstructure of base metal92第 1 期章中华，等：钢筋预埋件连续驱动摩擦焊接头组织及性能显微镜进行微观组织的观察分析，采用蔡司EVO 10扫描电镜对接头截面进行高倍扫描和化学分析。拉伸性能检测时，采用火焰切割方式将接头切成单根钢筋试样，其中钢筋长度大于250 mm，钢板尺寸为100 mm100 mm，拉伸试验按照JGJ/T272014钢筋焊接接头拉伸试验方法，拉伸试验设备为WE-300B液压式拉伸压缩试验机。另外，为了确定焊缝的实际力学性能，参照GB/T 639786截取小尺寸拉伸试样，如图4所示，试样厚度为2 mm，平行段中间部位为摩擦焊缝界面，拉伸试验设备为WDW-50D万能试验机。采用莱金HVS-30维氏硬度计进行硬度试验，压力10 kg，保压时间10 s。2试验结果及分析2.1宏观形貌预埋件摩擦焊T形接头宏观形貌如图5所示。焊后飞边形貌异常明显，其中钢筋上部飞边呈圆弧状包络于钢筋四周，下部飞边则体积相对很小，仅部分被挤出于上部飞边与钢板之间。对于传统棒-棒结构的摩擦焊接头而言，形成的飞边一般呈对称分布，但对于预埋件这种摩擦焊T形接头，钢板侧与钢筋侧散热的不对称性造成了飞边的不对称性。飞边的具体形成过程为：摩擦焊接刚开始时，钢筋和钢板在顶锻力和热作用下排出初始金属（部分钢筋+部分钢板）形成下部飞边，此时下部飞边厚度较薄，且与钢板形成了有效连接，不再随着钢筋旋转；随着摩擦焊接的进行，由于钢筋侧热传导较慢，钢板侧热传导较快，钢筋受热发生塑化，并作为主要耗材被不断挤出焊接界面，在顶锻力和旋转力的作用下形成了体积较大的包络状飞边。上部飞边流线如图6所示，界面附近的钢筋金属有明显的应变（a）取样位置（b）取样尺寸（c）小尺寸拉伸试样图4小尺寸拉伸试样Fig.4Small size tensile specimen图2多工位预埋件摩擦焊机Fig.2Multi-station embedded parts friction welding equipment图3预埋件摩擦焊接头Fig.3Friction welded joint of embedded parts932023 年流线，说明了其在焊接