曾凡勇?1肖志威?1郭城湘?2高宇?2李哲?2程鑫?1
（1.?中國核工業第二二建設有限公司,湖北 武漢 430051；?2.?中國核電工程有限公司,北京 100840?）
核電建造結構中涉及到大量的鋼筋-鋼板預埋件，通常需要在車間進行焊接制作。目前常用的焊接方法主要為焊條電弧焊和半自動氣保焊，存在勞動強度大、作業環境惡劣、焊接質量穩定性差等問題，尤其是針對穿孔塞焊接頭，制作時需多層多道填充焊接，焊接質量完全依賴焊工技能水平，且傳統手工焊接焊前需將鋼筋與鋼板進行點焊固定，焊接效率較低［1-3］。這與大量預埋件需求之間的矛盾日益凸顯，因此有必要尋求一種自動、高效、高質的鋼筋預埋件焊接工藝。摩擦焊是一種高效、綠色、環保的焊接方法，非常容易實現自動化焊接，其中連續驅動摩擦焊和慣性摩擦焊適合圓形截面工件之間或圓形截面工件與其他工件之間的焊接［4-5］。我國自1957年開始研究摩擦焊技術，現已廣泛應用于航空、石油、電力、汽車等行業［6-7］。20世紀80年代國外有學者開始研究摩擦螺柱焊（Friction Stud Welding）方法用于水下犧牲陽極的焊接（T型接頭），具有接頭性能優異、焊接高效和工藝適應性強等特點，是目前國外在水下連接領域應用較為成熟的技術之一，但一般螺柱直徑均小于25 mm［8-10］。國內吳澤生［11］在港珠澳大橋的拉鉤筋與錨固板的焊接中采用了摩擦焊接工藝，相比于熔化焊接，采用摩擦焊效率和效益得到顯著提升，但并未對鋼筋預埋件摩擦焊接工藝進行深入的研究。核電鋼筋預埋件屬于一板多筋的結構，采用傳統的摩擦焊設備無法實現焊接，同時批量化生產對焊接質量的穩定性提出了更高的要求。本文針對核電典型的預埋件規格，在公司研制的專用多工位預埋件摩擦焊接設備上開展了系列摩擦焊接工藝研究，探索工藝參數對焊接質量的影響規律，最終獲得了質量穩定且適合不同規格鋼筋的工藝參數，為摩擦焊接工藝在核電鋼筋預埋件中的應用奠定一定的基礎。
1.1?試驗材料試驗用鋼筋材質為HRB400E，直徑為16~32 mm；鋼板材質為Q235B，尺寸為δ16~δ30 mm。1.2?試驗方法試驗用摩擦焊接設備為自行研制的多工位預埋件摩擦焊機，如圖1所示，最大頂鍛力200 kN，最高轉速2 000 r/min。該摩擦焊機主軸旋轉端夾持固定鋼筋，進給端固定鋼板，通過伺服驅動方式實現頂鍛作用，y軸和z軸的移動也采用伺服電機驅動方式，最終實現了在一塊鋼板上焊接多根鋼筋的功能，可適應的最小鋼筋間距為100 mm。摩擦焊接時，焊接參數的設置以及鋼筋焊接坐標的設置均采用PLC編程方式實現，焊前僅需調用或新建焊接參數程序，同時在控制面板中輸入鋼筋坐標；焊接過程中，通過壓力傳感器反饋和控制頂鍛壓力，并對主要焊接參數進行監控和生成監控曲線，最終實現鋼筋預埋件的自動焊接。
圖1?? 多工位預埋件摩擦焊機Fig.1?? Multi-station embedded parts friction welding equipment該摩擦焊設備可實現時間控制模式和壓縮量控制模式。對于鋼筋預埋件焊接而言，由于鋼筋為螺紋鋼，鋼筋截面不規則，若采用壓縮量控制會導致每根鋼筋焊接時間不同，輸入熱量也會隨之變化。而采用時間控制模式可基本保證每根鋼筋輸入熱量一致，接頭性能更加穩定，故本文中均采用時間控制模式。鋼筋下料時盡量保證鋼筋長度統一，同時在鋼筋夾持端尾部使用同樣長度的頂桿，保證鋼筋伸出量盡量一致，一般為50~55 mm。焊前需對鋼筋和鋼板待焊部位及其周邊區域進行打磨。圖2為典型的鋼筋-板T接摩擦焊接頭。
圖2?? 典型摩擦焊接接頭Fig.2?? Typical friction welding joint焊后依次對接頭進行尺寸檢測（鋼筋頂鍛量、鋼筋與鋼板角度）和力學性能檢測（拉伸試驗和彎曲試驗）。力學性能檢測時，采用火焰切割將接頭切成單根鋼筋試樣，其中鋼筋長度大于250 mm，鋼板尺寸為100 mm×100 mm。按照JGJ18—2012《鋼筋焊接及驗收規程》的規定進行拉伸試驗，采用如圖3所示的專用夾具進行拉伸。彎曲試驗參照AWS D1.4《鋼結構焊接規范》進行。
圖3?? 拉伸試驗夾具Fig.3?? Tensile test jig
2.1?正交工藝試驗接頭力學性能是預埋件穿孔塞焊接頭最重要的性能之一，因此若采用摩擦焊工藝代替傳統的穿孔塞焊工藝，需重點研究摩擦焊接頭的力學性能，而摩擦焊接工藝參數是影響接頭力學性能的主要因素。試驗采用的摩擦焊工藝為連續驅動摩擦焊，主要的焊接參數包括摩擦時間（包括一級摩擦、二級摩擦）、摩擦壓力（包括一級摩擦、二級摩擦）、頂鍛時間、頂鍛壓力。一級摩擦壓力和一級摩擦時間主要是為了預熱，一般不會發生太大的變化。針對25 mm鋼筋，基本參數設置為：一級摩擦壓力15 kN，一級摩擦時間22 s。為了研究焊接工藝對接頭性能的影響，針對25 mm鋼筋設計了四因素三水平（L9（34））的正交試驗，見表1、表2，以研究不同參數下接頭的成形及力學性能，以及不同焊接參數對試驗結果的影響程度，進而對焊接參數進行優化和固化，得出一般規律，評價指標為頂鍛量。
表1???正交試驗因素水平表Table 1???Orthogonal factor level table
表2???正交試驗設計表Table 2???Orthogonal test designs table
注：每個參數焊接8件。
試驗件布置和焊后成形如圖4所示，焊后測量接頭的實際頂鍛量（鋼筋焊接前后的縮短量），并開展拉伸試驗。
圖4?? 正交工藝試驗焊接接頭Fig.4?? Welded joint of orthogonal process test焊后統計鋼筋頂鍛量并進行極差分析，如表3所示，不同參數下摩擦焊接頭的頂鍛量差別較大。極差可以反映不同因素對頂鍛量的影響程度，可以看出，4種因素中對頂鍛量影響程度由大到小依次為二級摩擦壓力、頂鍛壓力、二級摩擦時間、轉速。影響趨勢如圖5所示，可以看出頂鍛量隨各因素不同水平的變化趨勢。
表3???正交試驗及結果Table 3???Orthogonal test and results
圖5?? 不同因素對頂鍛量的影響Fig.5?? Influence of different factors on the upset dimension值得說明的是，以頂鍛量作為評價指標是因為頂鍛量在一定程度上決定了摩擦焊接頭的強度。頂鍛量較小時，接頭組織不密實，容易產生缺陷，焊合率較低，接頭抗拉強度較低且容易斷裂在焊縫位置。為了證明頂鍛量與強度的關系，對不同正交參數下的接頭進行了拉伸試驗，拉伸試驗時以摩擦焊接頭處（焊縫）或鋼筋母材出現頸縮為拉伸力停止。每個參數拉伸數量為5件，合格率為斷裂在鋼筋母材的試件占比，拉伸結果如表4和圖6所示。可以看出，當頂鍛量小于19 mm時，拉伸合格率波動較大，均低于60%；當頂鍛量大于19 mm時，拉伸合格率達到100%。
表4???摩擦焊接頭拉伸結果Table 4???Tensile test results of friction welded joint
圖6?? 拉伸合格率與頂鍛量的關系Fig.6?? Relationship between tensile pass rate and upset dimension綜上，對于25 mm鋼筋，最佳參數組合為A1B3C3D3（即轉速900 r/min，二級摩擦壓力60 kN，二級摩擦時間15 s，頂鍛力80 kN）。考慮到轉速太低和二級摩擦壓力太高會容易造成悶車，因此重新優化參數為：轉速1 000 r/min，二級摩擦壓力50 kN，二級摩擦時間15 s，頂鍛力80 kN。2.2?摩擦焊接工藝評定針對典型的預埋件規格開展了摩擦焊接工藝評定。鋼筋尺寸包括32 mm、25 mm、22 mm、20 mm、16 mm五類，每個規格焊接5個接頭。摩擦焊接頭截圖如圖7所示。評定標準參考JGJ18—2012、ASME 第Ⅸ卷等相關內容，焊后對接頭進行尺寸檢驗、拉伸試驗、彎曲試驗、宏微觀檢測、硬度測試等，具體檢驗項目和檢驗標準如表5所示。具體檢驗結果如表6所示，經焊后檢驗全部合格，經評定合格的工藝參數如表7所示。
圖7?? 焊接接頭成形
Fig.7?? Appearance of welded joint
表5???摩擦焊接工藝評定檢測項目Table 5???Test items of friction welding procedure qualification
表6???摩擦焊接工藝評定檢驗結果Table 6???Test results of friction welding procedure qualification
表7???摩擦焊接工藝參數Table 7???Friction welding parameters
2.3?批量試驗與模擬試驗為了驗證摩擦焊設備的適用性和摩擦焊接質量的穩定性，針對典型規格的預埋件開展了模擬試驗和批量試驗。模擬焊接時鋼筋規格為20 mm、25 mm、32 mm，每種規格鋼筋連續焊接110件，焊后100件進行拉伸試驗，另外10件分別進行90°彎曲試驗和反復彎曲試驗。模擬件如圖8所示。
圖8?? 批量焊接模擬件Fig.8?? Batch welding specimens焊接過程對鋼筋頂鍛量和鋼筋鋼板間夾角進行自檢，全部滿足標準要求。焊后對全部鋼筋摩擦焊接頭進行拉伸測試，抗拉強度均大于540 MPa，且斷裂位置位于鋼筋母材；10件90°彎曲試件彎曲后未發生開裂現象，10件反復彎曲試件斷裂在鋼筋母材。模擬焊接時按照實際工程產品的大小進行，其中涉及鋼筋長度為300~800 mm，厚度為16~30 mm，寬度為300~800 mm。焊接時鋼筋中心距為100 mm、125 mm、200 mm。具體模擬件尺寸見表8，焊后的模擬件如圖9所示，焊接完成后鋼板幾乎未發生變形。
表8???摩擦焊模擬件尺寸Table 8???Dimensions of Mock up test specimens
圖9?? 摩擦焊模擬試件Fig.9?? Simulation test of friction welding specimens綜上，通過批量焊接試驗和模擬試驗證明了摩擦焊接設備和焊接工藝的適用性和可靠性。
核電預埋件中大多為穿孔塞焊接頭，據初步估算，相比于穿孔塞焊，采用摩擦焊工藝單根鋼筋的焊接效率可提升2~4倍，綜合效率可提升6~8倍，節約人工成本約80%，具有較為顯著的經濟效益。相比于穿孔塞焊技術，預埋件采用摩擦焊工藝具備以下優點：（1）焊接接頭質量高，不易出現氣孔、未熔合等缺陷。（2）更易實現焊接自動化，焊接質量穩定、一致性好。（3）熱變形小，有較高的尺寸精度。（4）焊接效率高，相比于自動穿孔塞焊，摩擦焊接過程減少了部分加工檢驗工序（鉆孔、打磨、滲透檢驗等），無需附加耗材（焊材和氣體、打磨片等）。（5）焊接過程無煙無塵、綠色環保，提高了操作者的勞動環境舒適度。（6）設備操作簡單，不需要復雜的培訓，對操作者沒有技能上的要求。預埋件鋼筋摩擦焊接在核工業領域屬于先進技術，該技術的研發和推廣應用有利于加快預埋件焊接自動化發展的步伐，同時一定程度上促進了我國焊接產業快速向“高效化、自動化、智能化”的趨勢發展，具有較好的社會效益。綜上，摩擦焊技術在核電鋼筋預埋件焊接方面具有較大的推廣價值，除此外，預埋件摩擦焊接技術還可應用于其他建筑領域（如建筑、橋梁、水利水電等）的預埋件焊接，具有較為廣泛的應用前景。
根據摩擦焊技術的優勢特點，結合核電鋼筋預埋件的大量需求，本文創新地提出采用摩擦焊技術代替傳統的電弧焊，以實現核電鋼筋預埋件自動化、高效高質焊接，并開展了系列試驗，得出結論：（1）通過正交試驗，確定了影響鋼筋頂鍛量的主要因素，按影響程度從大到小依次為二級摩擦壓力、頂鍛壓力、二級摩擦時間、轉速。且頂鍛量直接影響接頭的抗拉強度。（2）對五種規格典型的鋼筋進行了焊接工藝評定試驗，焊后對接頭分別進行了無損和理化檢驗，檢驗結果全部合格。（3）通過開展批量焊接和模擬試驗，驗證了鋼筋預埋件采用摩擦焊接工藝的質量穩定性和工藝適用性，為摩擦焊接工藝的現場應用奠定了基礎。摩擦焊在核電鋼筋預埋件中的應用尚未有先例，且鋼筋焊接現行標準中尚未納入摩擦焊接工藝。因此下一步的工作建議逐步試用推廣并考慮建立相關的標準體系，為實現預埋件的摩擦焊接提供參考和依據。
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