陳士忠,白云飛,劉子金,汶 浩

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110168;2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司建筑機(jī)械化研究分院,河北 廊坊 065000)

隨著國(guó)家工業(yè)的不斷進(jìn)步,人們對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能降耗和環(huán)保要求不斷提高。在促進(jìn)建筑工程的不斷升級(jí),進(jìn)入新常態(tài)時(shí)期的同時(shí),國(guó)家在“十三五”期間明確提出了“建筑工業(yè)化和綠色建筑的持續(xù)發(fā)展”[1-2]的理念。鋼筋骨架作為重要的建筑材料,其質(zhì)量直接影響工程的進(jìn)程與效率。過(guò)去,鋼筋骨架成型主要采用綁扎或手動(dòng)點(diǎn)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(diǎn)質(zhì)量的統(tǒng)一性和穩(wěn)定性[3]。然而焊接技術(shù)作為一種最常用的連接方式,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)[4-7]。鋼筋骨架自動(dòng)成型焊接技術(shù)是一種新型的骨架成型技術(shù),通過(guò)采用鋼筋骨架自動(dòng)成型生產(chǎn)線進(jìn)行鋼筋骨架的焊接,具有優(yōu)化焊接質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率、改善工人工作條件等優(yōu)勢(shì)[7-8],從而有效避免了綁扎和手動(dòng)點(diǎn)焊等方式的缺陷。

CO2氣體保護(hù)焊是應(yīng)用CO2作為保護(hù)氣,為了防止熔化金屬被氧化,對(duì)空氣和熔融金屬機(jī)械進(jìn)行隔離的一種焊接方法,具有焊接質(zhì)量好、外形優(yōu)良、韌性高等優(yōu)點(diǎn)[9]。此外,CO2氣體保護(hù)焊操作簡(jiǎn)便,易于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)作,不但節(jié)約了成本,還滿足了現(xiàn)代建筑外觀協(xié)調(diào)美的需求。房元斌等[10]通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)T形接頭的焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,不僅優(yōu)化了焊縫的宏觀形貌本,還降低了焊接殘余應(yīng)力的峰值。閻紅[11]通過(guò)對(duì)藥芯焊絲中Al含量的控制,得出了當(dāng)焊絲中Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.48%時(shí),焊縫的力學(xué)性能良好的結(jié)論。筆者通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)CO2氣體保護(hù)焊焊接電流、電弧電壓、焊接時(shí)間、箍筋間距等焊接參數(shù)進(jìn)行控制與調(diào)節(jié),以尋求最佳的焊接效果。在鋼筋骨架自動(dòng)成型生產(chǎn)線的可調(diào)范圍內(nèi),主筋采用直徑為16 mm、箍筋采用直徑為8 mm的HRB400級(jí)鋼筋進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),研究不同焊接參素對(duì)鋼筋骨架主筋力學(xué)性能的影響情況,進(jìn)而優(yōu)化焊接參數(shù),提高鋼筋骨架自動(dòng)成型過(guò)程中的優(yōu)良率。

1 正交實(shí)驗(yàn)基本原理

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是在拉丁方理論和群論的基礎(chǔ)上研究復(fù)雜因素水平的一種高效、迅捷、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[12-13],并且可以通過(guò)部分代表性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn),衡量各個(gè)實(shí)驗(yàn)因素對(duì)參數(shù)指標(biāo)的影響情況,從而獲得最佳的參數(shù)組合[14-16]。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)正交性的特點(diǎn),從全面試驗(yàn)中挑選部分有代表性的實(shí)驗(yàn)參數(shù)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù),取得比較準(zhǔn)確可靠的實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化性能組合[17-18]。由此,使正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法作為力學(xué)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)逐步運(yùn)用于焊接工藝的優(yōu)化[19-22]。正式實(shí)驗(yàn)開始前,筆者進(jìn)行了數(shù)百組的鋼筋骨架自動(dòng)焊接技術(shù)的參數(shù)賦值與調(diào)試實(shí)驗(yàn),得到焊接試驗(yàn)參數(shù)調(diào)整有效范圍見表1。由于焊接為自動(dòng)進(jìn)行,為使焊點(diǎn)得到保護(hù)氣的充分保護(hù),避免被氧化,所以設(shè)置焊接時(shí)間時(shí)存在0.2 s的延遲。即實(shí)際焊接時(shí)間=焊接時(shí)間-0.2。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)有效范圍Table 1 Effective range of experimental parameters

由于鋼筋骨架生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)需要輸入?yún)?shù)的自動(dòng)焊接來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼筋骨架的自動(dòng)生產(chǎn),因此為了進(jìn)一步精確和優(yōu)化焊接質(zhì)量以及生產(chǎn)效率,通過(guò)式(1)確定正交實(shí)驗(yàn)次數(shù):

(1)

式中:n為實(shí)驗(yàn)次數(shù);m為因素?cái)?shù)量;S為水平數(shù)量。

由式(1)計(jì)算可得實(shí)驗(yàn)次數(shù)為9次,所以應(yīng)用代表復(fù)雜因素水平的正交表L9(34)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

本次實(shí)驗(yàn)的主要目的:①探索影響鋼筋骨架自動(dòng)成型焊接因素的效應(yīng)曲線規(guī)律;②確定焊接質(zhì)量最優(yōu)因素組合以及各因素的影響程度。

2 焊接實(shí)驗(yàn)

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)和試件選材

采用鋼筋數(shù)控彎箍機(jī)和閃光對(duì)焊機(jī)制作矩形封閉箍筋,封閉箍筋直徑為8 mm,封閉箍筋長(zhǎng)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(jù)生產(chǎn)流程并按照《鋼筋焊接及驗(yàn)收規(guī)程》(JGJ18—2012)的要求,確定本次焊接實(shí)驗(yàn)的因素為焊接時(shí)間(A)、電弧電壓(B)、焊接電流(C)、箍筋間距(D),實(shí)驗(yàn)?zāi)覆牟捎肏RB400級(jí)鋼筋,材料性能見表2。實(shí)驗(yàn)共9組,每組10根,共計(jì)90根,對(duì)每根主筋進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。焊接實(shí)驗(yàn)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(jí)鋼筋參數(shù)Table 2 HRB400 reinforcement parameters

2.2 試件焊接及檢驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用廊坊凱博建設(shè)凱博科技有限公司所研發(fā)的自動(dòng)鋼筋骨架成型生產(chǎn)線進(jìn)行鋼筋骨架的自動(dòng)焊接(見圖2)。實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為ER50-6、直徑為1.2 mm的焊絲。

圖2 鋼筋骨架自動(dòng)成型生產(chǎn)線Fig.2 Automatic forming production line of steel frame

調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)分組進(jìn)行焊接,待成型骨架(見圖3)冷卻結(jié)束后,在其上截取主筋長(zhǎng)度為800 mm,箍筋預(yù)留長(zhǎng)度距焊點(diǎn)100 mm(見圖4),以防止切割時(shí)對(duì)焊點(diǎn)造成損傷。應(yīng)用液壓拉伸實(shí)驗(yàn)儀器,依據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》(GB/T228.1—2010)對(duì)試件進(jìn)行拉伸,由計(jì)算機(jī)分析軟件得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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

圖4 拉伸實(shí)驗(yàn)試件圖Fig.4 Tensile test specimen diagram

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)

依據(jù)《鋼筋焊接機(jī)驗(yàn)收規(guī)程》(JGJ18—2012)[23]的準(zhǔn)則,將主筋拉伸斷裂時(shí)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率與母材的各項(xiàng)性能的對(duì)比結(jié)果作為評(píng)判準(zhǔn)則。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差進(jìn)行分析,確定焊接時(shí)間、電弧電壓、焊接電流、箍筋間距的各個(gè)因素水平對(duì)鋼筋骨架抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率的影響規(guī)律,找出主筋性能最接近母材、外觀最優(yōu)的結(jié)果。

3 焊接鋼筋骨架正交實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)

為了使鋼筋骨架自動(dòng)焊接的參數(shù)范圍更加精確,根據(jù)之前研究得到的有效范圍和鋼筋焊接驗(yàn)收規(guī)范要求,確定實(shí)驗(yàn)因素水平見表3。

表3 正交實(shí)驗(yàn)水平因素表Table 3 Orthogonal test level factor table

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)正交表的設(shè)置,為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加明確,對(duì)每一列進(jìn)行編號(hào),設(shè)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(fù)雜因素水平的標(biāo)準(zhǔn)正交表L9(34)進(jìn)行分析。將實(shí)驗(yàn)方案所需的相關(guān)因素和水平列于表4。按照實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn),記錄主筋各項(xiàng)性能結(jié)果見表5,并通過(guò)焊接優(yōu)良率來(lái)確定每組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)劣程度,進(jìn)而確定最佳的參數(shù)組合。其中,焊接優(yōu)良率是焊接鋼筋骨架的外形優(yōu)良(焊點(diǎn)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(diǎn)脫落或漏焊的試件數(shù)量不能超過(guò)總數(shù)的4%;焊點(diǎn)無(wú)裂痕、多孔性缺陷及明顯燒傷現(xiàn)象。)、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率浮動(dòng)(即增加或減少)不超過(guò)母材各項(xiàng)性能的5%的占比。試件編號(hào)和實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果件見表6。

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

表5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Orthogonal test results

表6 正交實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果Table 6 Orthogonal experimental results

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

采用極差分析法進(jìn)行分析。其中,Ki表示i行上水平號(hào)所對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)因素的結(jié)果總和。ki為Ki/v,其中v為任意列上各水平出現(xiàn)的次數(shù),所以ki表示該列上因素在水平i下得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的算數(shù)平均值,用以判斷該列因素的最佳水平,據(jù)此確定最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)組合。R為極差,R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}。由極差R可以看出當(dāng)該列因素水平發(fā)生變化時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化情況,隨著R的增大,表明該因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響越明顯。由此對(duì)縱筋焊接結(jié)果優(yōu)良率的極差進(jìn)行分析,結(jié)果見表7。

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

4 結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果初步分析

依據(jù)對(duì)鋼筋骨架優(yōu)良率的極差分析和因素水平效應(yīng)曲線分析,得出每個(gè)因素對(duì)焊接效果影響的強(qiáng)弱順序,確定主筋性能最接近母材的因素水平組合。對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表6行分析可以看出在2號(hào)實(shí)驗(yàn)(A1B2C2D2)的條件下,焊接的鋼筋骨架外形優(yōu)良、主筋的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率的綜合性能接近母材的性能。根據(jù)K值對(duì)因素水平效應(yīng)曲線和極差R進(jìn)行分析,明確鋼筋骨架焊接的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)參數(shù)和焊接因素對(duì)焊接結(jié)果影響的強(qiáng)弱順序。

4.2 實(shí)驗(yàn)因素水平交叉分析

鋼筋骨架自動(dòng)焊接的因素與水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響關(guān)系見圖5。通過(guò)以每個(gè)因素的水平作為橫坐標(biāo),對(duì)應(yīng)的水平條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)良率的均值作為縱坐標(biāo),得出各因素水平的效應(yīng)曲線。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)綜合可比的特性,分析各因素相應(yīng)水平下k的峰值,并依據(jù)效應(yīng)曲線得出如下結(jié)論:要使鋼筋骨架焊接的主筋外形優(yōu)良、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率最接近母材,焊接時(shí)間應(yīng)為1.3 s、電弧電壓應(yīng)為25 V、焊接電流應(yīng)為300 A、箍筋間距應(yīng)為100 mm。最后根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的實(shí)際全面性得出在所有組合(34=81)中最佳因素水平組合應(yīng)為(A2B2C2D1)。

圖5 因素水平效應(yīng)曲線圖Fig.5 Factor horizontal effect curves

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果主次因素分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)極差分析表中R值確定各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響主次,即R越大的因素對(duì)焊接結(jié)果的影響程度越大。由表6計(jì)算結(jié)果得出,焊接電流對(duì)焊接鋼筋骨架優(yōu)良率的影響最為明顯,其次為電弧電壓、焊接時(shí)間、箍筋間距。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)分析

通過(guò)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(dòng)焊接的參數(shù)最優(yōu)組合,通過(guò)對(duì)鋼筋骨架自動(dòng)成型生產(chǎn)線設(shè)置實(shí)驗(yàn)所得的最佳焊接參數(shù)組合進(jìn)行鋼筋骨架的制作。隨機(jī)抽取100件冷卻后的鋼筋骨架進(jìn)行檢驗(yàn),只有10支試件存在焊接缺陷,其余皆為合格產(chǎn)品。隨機(jī)取10支試件重復(fù)上述拉伸實(shí)驗(yàn)并對(duì)結(jié)果與之前拉伸結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)果見表8?？梢钥闯?調(diào)整后主筋的性能更加優(yōu)良。

表8 實(shí)驗(yàn)前后焊接結(jié)果力學(xué)性能對(duì)比Table 8 Comparison of mechanical properties of welding results before and after experiment

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果匹配分析得出最佳焊接參數(shù)組合為焊接時(shí)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(guò)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)焊接結(jié)果主次因素分析得出,焊接電流對(duì)焊接結(jié)果的影響最為明顯,其次是電弧電壓、焊接時(shí)間、箍筋間距。

(3)采用優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行鋼筋骨架的自動(dòng)成型焊接,使焊接優(yōu)良率提高了15%。

(4)由于箍筋間距對(duì)焊接結(jié)果的影響比較小,在實(shí)際生產(chǎn)中可以通過(guò)其他參數(shù)的調(diào)節(jié)來(lái)彌補(bǔ)鋼筋骨架箍筋間距對(duì)焊接質(zhì)量造成的損失。在實(shí)際生產(chǎn)中可以在允許的范圍內(nèi)自行調(diào)節(jié)箍筋間距。