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关键词：HRB40020MnSiV钢筋材料性能，焊接工艺参数 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
目录 （一）前言 （二）HRB400级20MnSiV钢筋的生产工艺 （三）HRB400级20MnSiV钢筋的材料性能 （四）HRB400级20MnSiV钢筋的可焊性 （五）HRB400级20MnSiV焊接技术 1）钢筋闪光对焊 2）钢筋电渣压力焊 3）钢筋电弧坡口焊 （六）结语 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
（一）前言 我国钢筋生产长期以来，奉行"独立自主，自力更生"的方针，结合国情，吸取国外先进经验，立足于我国多锰硅、少铬、钼的矿产资源情况，发展了锰、硅元素和稀有元素为主的低合素钢筋，国产钢筋的生产已有五十多年的历史，从早期的3号钢、5号钢、25锰硅、44锰硅钢筋到如今的20锰硅，20锰硅钒等，几十年来已建立起锰硅钒、锰硅钛、锰硅铌等低合金化系列钢筋，根据钢筋不同牌号、品种，将主要的力学性能列表如下： 表1 不同牌号钢筋的主要力学性能
其中HRB335的20MnSi钢筋，HRB400的20MnSiV，20MnSiNb等均已大量生产，相当于原Ⅳ钢筋的40Si2MnV；45MnSiTi；以及余热处理的K20MnSi等品种，过去也有批量生产用于预应力构件,以上产品均已经过一段时间的应用，总结、调整、均反映在新修订实施GB50010－2002混凝土结构设计规范和相应的混凝土施工质量验收规范，及GB1499钢筋标准中，关于钢筋焊接的技术规定，有望在即将出版的钢筋焊接及验收规程JGJ18－2002之中。纵观我国钢筋混凝土结构中，目前主要受力钢筋采用了屈服强度标准值为335MPa的HRB335（原Ⅱ钢筋20MnSi），使用效果虽好，但与国际上通常用的屈服强度标准值为420MPa钢筋比，强度偏低，同类设计估计多用10－20%的钢材，另外早期用过的Ⅲ钢筋，25MnSi，其强度标准值仅用370MPa比Ⅱ级钢提高不多，而且由于25MnSi含碳、含硅量高，塑性差，在钢筋弯曲冷加工的正、反弯操作中，弯曲角度处易断裂，尤其是25MnSi钢筋可焊性差，最终遭淘汰。几经周折，我国钢铁行业"六五"计划期间，开始了新Ⅲ级钢筋的生产，当时各厂生产的22MnSiV，20MnSiV，21MnSiNb等品种，经多年的试制、试验，和科研，以及试点工程应用。终于获得成功，纳入标准生产，从而于1995年由冶金部、建设部联合推出推广使用新Ⅲ级钢的通知，目前HRB400牌号，即原有的新Ⅲ级钢筋。 电力建设的设计与施工，为了改变现浇厂房框架结构的肥梁、胖柱面貌从90年代初开始，我公司即与浦东钢铁公司（原上钢三厂）、华东电力设计院组成HRB400级20MnSiV课题组，先后在石洞口第二电厂率先应用，97年后又结合杨树浦电厂化水车间做为试点工程。该试点工程开展了工程设计，钢筋焊接工艺、框架节点为荷载试验等研究工作，并于98年完成以上课题，通过技术鉴定，用于化水车间的二层框架结构中，现已安全运行四年以上，可以认为HRB400级钢筋对焊、电渣焊等焊接技术合格，工程结构安全，本文将介绍试点工程的钢筋焊接技术，以期进一步推动HRB400钢筋在电力工程中的应用。 （二）HRB400级20MnSiV钢筋的生产工艺 1、生产工艺流程 20MnSiV钢采用转炉、平炉或电炉均可冶炼，浦钢公司主要采用转炉冶炼，其工艺流程是： 纯氧顶软转炉冶炼→连续铸坯→连铸坯精整检验→开坯加热→630轧机开坯（60方、67方、76方和95方）→方坯精整检验→方坯加热→400、330mm轧机轧制成材→钢筋冷却→钢筋剪切定尺→检验→入库。 2、为杨树浦电厂试点工程焊接试验，构件试验提供钢筋的化学成分及机械性能如下： 2.1本次提供焊接试验的20MnSiV含碳量为上限均按GB1499－91标准生产，其化学成份、力学性能见表2，表3。 表2 化学成份
160×220mm断面连铸坯经开坯厂开制成67方坯后，分别在1996年溶血栓9月和10月轧制生产成钢筋。其性能情况： 表3
2.2 本次提供构件荷载试验用20MnSiV钢筋为电炉生产，其化学成份按GB1499－91标准的含碳量的下限生产的。见表4、表5。 表4 化学成份
钢锭于1997年1月20日在开坯厂开制成67方坯，在2月24日和3月5日分别轧制成ф25mm和ф22mm钢筋。其性能情况： 表5 力 学 性 能
（四）HRB400级20MnSiV钢筋可焊性 钢筋的可焊性，一般可用国际通用的碳当量公式进行预评估。以20MnSiV试验用钢筋的碳当量进行评估如下： 国际通用碳当量公式 ………………………… (1) 俄国库古金公式 ………………………… (2) 当用20MnSiV试验钢筋10－2－400炉号，当化学成份上限时C＝0.25，Mn＝1.48，Si＝0.5，V＝0.12时代入（1）（2）公式 则Ceq＝0.25+0.247+0.08＝0.57 Ck＝0.25+1.85+0.124＝0.57 当用5－2299炉号化学成份C＝0.19，Mn＝1.41，Si＝0.4，V＝0.05时 Ceq＝0.19+0.235+0.003＝0.478 Ck＝0.19+0.176+0.1＝0.466 预评估认：化学成份为国标GB1499－91中规定的上限值时，碳当量达到0.57，而中限时碳当量小于0.50，一般焊接碳当量大于0.55者，可焊性较差，反之可焊性良好，一般宜选用碳当量Ceq≤0.52最佳。 在试验时，应根据不同化学成份的碳当量采取不同的焊接参数，通过焊接数据的积累研究以解决施工听焊接问题。 （五）HRB400级20MnSiV焊接性能试验 在电厂工程中，钢筋砼现浇结构和装配式结构的厂房基础、柱、梁钢筋广泛采用闪光对焊、电弧坡口焊和电渣压力焊技术，故本课题仍以此三项焊接技术为题进行攻关。通过焊工试焊进行技术上的研究分析，探索并建立20MnSiV钢筋的各项焊接工艺参。 通过阶段性试验工作，总结成果，分述如下： 1）钢筋闪光对焊 闪光对焊钢筋技术，在我国已有四十多年的历史，可根据各种级别钢材不同的强度和化学成份，选择合适的工艺参数。 钢筋对焊工工作可在手动或自动化焊机上进行，手动焊机有UN－50；UN－75；UN－100型分别可焊ф10－ф28mm钢筋，自动焊机目前有UN17－150型等，可焊ф18－ф40mm钢筋。 1.1钢筋对焊工艺选择 钢筋对焊工艺可分别采用三种焊接工艺。 （1）连续闪光焊 通过焊机上两电极之间钢筋不断接触连接续闪光、加热、顶锻的方式完成，适用于ф16mm以下钢筋对焊应用。 （2）预热闪光焊 端头切面平直的钢筋，经在焊机上预热和闪光，闪去过热金属并经快速顶锻而完成，预热闪光焊在ф12－ф20mm直径时可用。 （3）闪光一预热闪光焊 钢筋端面不平整，以及直径20－40mm的粗直径钢筋多用此法，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。 本次试验主要是用ф22、ф25、28mm直径的钢筋，故采用闪光一预热闪交焊施工工艺。 1.2 对焊钢筋焊接参数选择 焊接参数包括调伸表度（钳口距离），预热留量（在预热时掌握钢筋接触预热的频率和次数操作时的留量）。二次闪光留量（又称烧化留量），顶锻留量（有电或无电顶锻）组成，在试焊过程中准和调整焊接电流级次，研究焊接温度时间和压力之间的关系，就可以获得良好的焊接接头合格率。 1.3 20MnSiV钢筋的对焊工艺和参数 20MnSiV钢筋对焊试验工作从96年9月开始，经过11月份在气温5℃左右的低温状态下的焊接试验，以及97年4月和7月份等几次焊接试验，是由三名焊工组成的小组，在UN－100型焊机上进行的。 通过阶段性的试验，认为20MnSiV钢筋的可焊性良好，当化学成份的含碳量在中限及以下时，焊接参数与20MnSiVⅡ级钢筋焊接参数一致，当成份及含碳量在0.25上限时钢筋对焊预热参数宜采用中等偏低频率操作，预热次数宜每秒2－3次，一般预热不超过16－20次，见红区不小于25mm为好，具有一次闪光，闪平为准，预热充分，二次闪光短稳强烈，顶锻快而有力，合适的参数见下表。 HRB400级20MnSiV钢筋焊接工艺参数
1.4 钢筋对焊接头质量 通过阶段性对焊试验，确立了正确的工艺参数，在+5℃及+30℃左右的不同环境、温度条件下，也作了焊接试验。在批量焊接试验基础上，随机抽样，考核焊接质量。按照 JGJ18－96钢筋焊接及验收规程的质量检验标准进行质量评定，钢筋对焊接头拉力弯曲等试件指标满足规程要求，合格率达到100%。 接头合格率统计见下表： 钢筋对焊接头合格率 第一批抽样试件（炉号10－2－400）
附注： （1）对焊试件每组为三根拉力，三根弯曲试件组成。 （2）本表中ф25mm9组试件中的弯曲试件共27根，其中有2组弯曲试件中各断裂一根，但在JGJ18－96规范中应判为合格，在试验方案中为严格参数要求，而认为还要提高水平，判为96.6%合格率。 （3）第一批试件炉号10－2－400，化学成份C＝0.25，Mn＝2.46，Si＝0.5，V＝0.12为标准之上限。 第二批试件（炉号5－2299）
2）钢筋电渣压力焊 钢筋砼现浇结构中柱、墙的竖向钢筋或斜向钢筋（倾斜度在4：1的范围内）均可采用电渣压力焊接头，钢筋电渣压力焊可分为自动控制和手动操作两种方式施焊，本次试验采用手动操作。 电渣压力焊的设备包括：电源变压器、控制箱、操作箱以及焊接机头夹具等，电源变压器一般采用BX2－1000型焊接变压器或可用两台BX2－500型并联使用。 钢筋电阻压力焊机示意图见下图： 2.1 20MnSiV钢筋电渣压力焊工艺 钢筋电渣焊的工艺过程分四个阶段连续进行。 （1）引弧过程。接电源，强大电流经激发而产生电弧。 （2）电弧过程。电弧引燃后，上钢筋缓缓下送，上下钢筋端部受电弧热而溶化，形成金属熔池，周围焊剂也熔化形成焊渣，熔渣保护金属熔液，此时上钢筋经手动操作缓缓下送。 （3）电渣过程。随着金属熔池和液态渣的不断加热扩大，使上钢筋已深入渣池中，电弧熄灭转为电渣过程，由于焊接电流在渣池中产生大量的电阻热，使上、下钢筋端继续熔化。 （4）顶压过程。上下钢筋熔化到一定程度，操作上钢筋迅速压下落端部接合，使液态金属和渣挤出形成焊包，此时切断电断，冷却，敲去渣壳形成接头。 2.2 电渣压力焊参数 钢筋电渣压力焊主要参数包括：焊接电流；电压，通过时间和顶压力，可随钢筋直径不同而选用，如下表： 电渣压力焊，焊接参数表
2.3 电渣压力焊接头质量 通过设在杨树浦电厂工地的电渣焊设备进行电渣焊的试验，主要是用炉号为5－2299的ф25mm钢筋，试焊结果焊接合格率达到100%，数据见下表： 电渣压力焊统计表
3）钢筋电弧坡口焊 大中型电厂钢筋砼装配式厂房的柱梁通常采用坡口焊施工，坡口焊分为立焊和平焊两种，其基本型式如图示。 3.1 20MnSiV钢筋电弧坡口焊工艺参数 坡口焊为电弧焊之一种，手工电弧坡口焊的设备采用了AX－320型直流焊机，反极性，焊条用φ3.2mm的E5015焊条。 钢筋坡口加工很重要，加工后坡口表面应平顺，凹凸不平处不大于1.5m，切口边缘不得有裂纹，钝边和缺棱，20MnSiV钢筋焊接前应做到钢筋根根对直（平），焊接过程要做到循环施焊，控制层间温度不过热，几个接头轮流施焊，在坡口端面之间和垫钣与钢筋之间，尤其是根部焊缝熔合良好，表面加强焊缝以超过坡口边缘2－3mm为准。 钢筋电弧坡口焊试验参数见下表：
3.2 钢筋电弧坡口焊接质量 采用炉号5－2299的φ22、φ25等钢筋的阶段性焊接试验， 97年7月11日经抽样共15组φ25mm钢筋，由马坤其、朱军两名焊工考试成绩看，合格率达到100%。 20MnSiV钢筋电弧坡口焊统计表
（六）结语 1）由宝钢集团浦东钢铁公司（原上钢三厂）生产的HRB400级20MnSiV钢筋，经试验符合GB1499-91钢筋标准的要求，它具有强度高、塑性好和材质较均匀的特点。 2）20MnSiV钢筋的弹性模量经试验在1.96~2.03×105MPa之间，一般可采用2×105MPa。 3）20MnSiV钢筋的强屈比大于1.25，符合抗震设计用钢筋的要求。 4）20MnSiV钢筋的冷拉率，应根据炉号不同的批量，分别试验测定，例如52299炉号经测定，当冷拉控制应力530N/mm2时的冷拉率为3~5%。 5）20MnSiV钢筋的可焊性良好，当含碳、锰、硅、钒元素为中限时，碳当量Ceq≤0.52时更为明显，但含碳量等元素均为上限时，或Ceq≥0.55神经根炎时，不宜焊接。应通过试焊后适当调整焊接参数，保证合格率。 6）20MnSiV钢筋焊接在施工前，应通过"先试验后使用"的原则进行，本文所列的钢筋的闪光预热对焊，钢筋电渣压力焊，钢筋电弧坡口焊的焊接工艺参数和施工技术已在上海杨树浦电厂化水车间的二层厂房框架结构和石洞口电厂主厂房基础等工程中成功应用。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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