高层建筑中钢筋的焊接性能探究

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４００ＭＰａ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，４００ＭＰａ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。

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。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２８７３万ｔ，至２０１４年，热轧带肋钢筋的年需求量已达到４１２３万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３３５ＭＰａ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４００ＭＰａ的Ⅲ级钢筋势必会得到更好的推广和应用。

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。

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：Ｓｉ０．３０、Ｃ０．２０、Ｍｎ０．６０、Ｐ０．０３、Ｓ０．０３，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，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。

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。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，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８～１２ｓ、调伸长度４０ｍｍ、闪光留量１２ｍｍ、顶锻留量７ｍｍ、次级电压７．１７Ｖ，预热留量６ｍｍ，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３．２ｍｍ，其焊接用电压为２７～２９Ｖ，选用１２０～１４０Ａ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。

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。

通过观察焊接接头纵截面的宏观形貌，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１９ｍｍ；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０．５ｍｍ。

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１７ｍｍ；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７ｍｍ），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２．５ｍｍ。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。

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，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。

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。

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。

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。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５７０～５８５ＭＰａ之间，焊接接头的屈服强度大约为４２０～４５５ＭＰａ。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。