高強(qiáng)鋼厚板焊接最佳熱輸入研究

張建平，闕子雄，劉代龍，張達(dá)飛，章慶安

（浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江紹興 312030）

高強(qiáng)鋼厚板焊接最佳熱輸入研究

張建平，闕子雄，劉代龍，張達(dá)飛，章慶安

（浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江紹興 312030）

通過(guò)四組鋼板對(duì)接對(duì)比試驗(yàn)，母材為Q460E-Z35，焊接方法分別為SMAW和GMAW-CO2，通過(guò)改變焊接運(yùn)條方式來(lái)改變焊接熱輸入，焊接接頭經(jīng)過(guò)UT探傷后，通過(guò)拉伸、彎曲、沖擊、硬度、金相試驗(yàn)分析不同焊接熱輸入對(duì)焊接接頭性能的影響。試驗(yàn)表明，采用多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù)，焊接熱輸入的寬容度為15～30 kJ/cm，可以使焊接接頭獲得最優(yōu)的綜合性能。

高強(qiáng)鋼焊接；寬容度；多層多道錯(cuò)位焊；擺動(dòng)

0 前言

“中國(guó)2006～2020鋼鐵科學(xué)與技術(shù)發(fā)展指南”中明確提出，將逐漸穩(wěn)定生產(chǎn)屈服強(qiáng)度400～800 MPa、抗拉強(qiáng)度600～1 400 MPa級(jí)高強(qiáng)度高韌性鋼材以及提高強(qiáng)度1～4倍的21世紀(jì)超級(jí)鋼。在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)中，隨著鋼板強(qiáng)度級(jí)別的提高，板厚的增大，合金元素比例增多，導(dǎo)致碳當(dāng)量增加，焊接難度等級(jí)加大，高強(qiáng)鋼焊接性試驗(yàn)將是鋼結(jié)構(gòu)焊接工程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

高強(qiáng)鋼焊接時(shí)，選擇適宜的焊接參數(shù)可保存優(yōu)質(zhì)鋼的優(yōu)質(zhì)特性，焊接熱輸入的大小將直接影響焊接接頭的力學(xué)性能。熱輸入太大，會(huì)導(dǎo)致焊接接頭合金元素過(guò)度燒損，熱影響區(qū)寬度加大，脆化傾向嚴(yán)重，焊接接頭綜合性能下降；熱輸入太小，冷卻速度較快，熔敷金屬含氫量高，又會(huì)增加冷裂紋的敏感性。故焊接前匹配最佳熱輸入，確定焊接熱輸入范圍的寬容度，既不會(huì)降低焊接接頭的綜合性能，又不會(huì)增加各種裂紋傾向，這是高強(qiáng)鋼厚板焊接的關(guān)鍵。

現(xiàn)在一些國(guó)家的鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范當(dāng)中，對(duì)鋼板預(yù)熱溫度、道間溫度控制、焊接熱輸入都作了相關(guān)規(guī)定。日本焊接協(xié)會(huì)已經(jīng)對(duì)實(shí)心氣保焊絲要求了最高焊接熱輸入和最高道間溫度。在國(guó)內(nèi)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB 50661-2011）中，也規(guī)定了預(yù)熱溫度和道間溫度控制和一般焊接熱輸入，但無(wú)規(guī)定最高熱輸入。

母材為Q460E-Z35，焊接方法分別為SMAW和GMAW-CO2焊接時(shí)，在相同的焊接電流、電壓前提下，影響焊接熱輸入的因素是什么？通過(guò)改變焊接運(yùn)條方式能否改變焊接熱輸入？Q460E-Z35焊接熱輸入的理想“寬容度”又是多少？這是Q460E-Z35鋼焊接必須要解決的技術(shù)關(guān)鍵，為此進(jìn)行了四組對(duì)比試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料和過(guò)程

1.1 材質(zhì)

鋼板材質(zhì)為Q460E-Z35，板厚為50 mm，力學(xué)性能要求如表1所示。

SMAW的焊條牌號(hào)為CHE607，型號(hào)為E6015-D1，其熔敷金屬力學(xué)性能要求如表2所示。

GMAW-CO2的焊絲為CHW-60C，型號(hào)為ER55-G，其熔敷金屬力學(xué)性能要求如表3所示。

1.2 試驗(yàn)分組

試件分為四組，在相同的焊接電流、電壓前提下，SMAW焊接試件的編號(hào)為A和B，A為多層多道焊，B為每層焊縫為一道或二道焊縫擺弧成形；GMAW-CO2焊接試件的編號(hào)為C和D，C為多層多道焊，D為每層焊縫為一道或二道焊縫擺弧成形。

1.3 坡口形式和焊接位置

四組試件的坡口形式如圖1所示，試板組裝如圖2所示，焊接位置為平焊（F）。

1.4 試驗(yàn)過(guò)程

焊接工藝參數(shù)如表4所示。四個(gè)試件焊接過(guò)程如圖3～圖10所示。

2 試驗(yàn)項(xiàng)目和結(jié)果

2.1檢測(cè)項(xiàng)目和數(shù)量

檢測(cè)項(xiàng)目和數(shù)量如表5所示。取樣位置如圖11所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 宏觀試驗(yàn)

宏觀金相如圖12～圖15所示。

由圖12～圖15可知，四組鋼板對(duì)接接頭均無(wú)裂紋、氣孔、夾雜、未熔透等缺陷。

2.2.2 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。焊接熱輸入與抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)如圖16所示。

由圖16可知，隨著焊接熱輸入的增加，鋼板對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度降低。

2.2.3 側(cè)彎試驗(yàn)

側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

所有彎曲試件彎曲角度為180°，由表7可知，四組試件彎曲試驗(yàn)均未出現(xiàn)裂紋。

2.2.4 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

根據(jù)表8數(shù)據(jù)，將四組試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)結(jié)果分別繪制成圖17和圖18曲線(xiàn)。

由圖18可知，同種焊接方法，隨著焊接熱輸入的增加，焊縫區(qū)和熔合線(xiàn)處的沖擊功明顯降低，而熱影響區(qū)沖擊功影響不明顯。根據(jù)焊接熱輸入與沖擊功關(guān)系曲線(xiàn)圖關(guān)系，必須選擇一個(gè)焊接熱輸入的“寬容度”來(lái)保證沖擊功的大小。

2.2.5 硬度

硬度取樣如圖19所示。

A1～A4為母材，B1～B4為熱影響區(qū)，C1～C2為焊縫，其中測(cè)點(diǎn)B1～B4與熔合線(xiàn)距離小于0.5 mm。

硬度試驗(yàn)結(jié)果如圖20所示。

由圖20可知，熱影響區(qū)處硬度最高，且HV10＜350，說(shuō)明無(wú)馬氏體生成。

2.2.6 微觀金相

檢測(cè)結(jié)果如圖21、圖22所示。

根據(jù)以上結(jié)果，四組試驗(yàn)不同區(qū)域的晶粒度等級(jí)大小繪制成對(duì)比圖33和關(guān)系曲線(xiàn)圖34。

根據(jù)以上微觀金相圖和晶粒度大小對(duì)比圖及關(guān)系曲線(xiàn)圖，四種試件接頭由于上道焊縫對(duì)下道焊縫的熱處理效果，焊縫區(qū)域柱狀晶成長(zhǎng)方向已被打破，焊縫中心區(qū)晶粒細(xì)小，組織均為鐵素體和珠光體，熔合線(xiàn)處的晶粒較焊縫區(qū)大，同時(shí)隨著焊接熱輸入的增加，焊縫區(qū)和熔合線(xiàn)處的晶粒明顯增大，熱影響區(qū)不明顯。

3 結(jié)論

（1）采用SMAW和GMAW-CO2兩種不同焊接運(yùn)條方式證實(shí)：改變焊接運(yùn)條方式也就改變了焊接熱輸入，擺動(dòng)運(yùn)條方式熱輸入明顯高于多層多道錯(cuò)位焊接運(yùn)條方式。

（2）拉伸試驗(yàn)證實(shí)：由于擺動(dòng)焊接焊接熱輸入顯著增加，因此，該對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度明顯降低。

（3）分別采用兩種運(yùn)條焊接方式焊接Q460EZ35鋼板對(duì)接，鋼板對(duì)接接頭180°側(cè)彎試驗(yàn)無(wú)裂紋，同時(shí)焊接接頭硬度HV10≤350，說(shuō)明無(wú)馬氏體生成。

（4）從微觀金相圖得出結(jié)論：由于上一道焊縫對(duì)下一道焊縫的熱處理效果，焊縫區(qū)域柱狀晶成長(zhǎng)方向已被打破，焊縫中心區(qū)晶粒細(xì)小，組織均為鐵素體和珠光體，同時(shí)，熔合線(xiàn)處的晶粒較焊縫區(qū)大。

（5）通過(guò)晶粒度等級(jí)和沖擊功數(shù)據(jù)比較分析，隨著焊接熱輸入的增加，晶粒度等級(jí)發(fā)生變化，焊接接頭焊縫區(qū)和熔合線(xiàn)處晶粒增大，（擺動(dòng)運(yùn)條）沖擊功顯著下降（熱影響區(qū)不明顯）。

（6）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果：本次試驗(yàn)焊接熱輸入的寬容度為15～30 kJ/cm，應(yīng)用該熱輸入可以使Q460E-Z35鋼焊接接頭獲得最優(yōu)的綜合性能。

試驗(yàn)結(jié)果分析，擺動(dòng)運(yùn)條焊接由于對(duì)焊縫及兩側(cè)熱影響區(qū)反復(fù)加熱和冷卻，較多層多道焊接時(shí)的高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，致使焊后晶粒較大，但由于上道焊縫對(duì)下道焊縫的熱處理作用，焊縫區(qū)域無(wú)呈現(xiàn)柱狀晶，晶粒也變得較小，但焊接接頭的綜合性能較多層多道焊差。多層多道焊使焊縫及兩側(cè)熱影響區(qū)在高溫停留時(shí)間短，且對(duì)焊縫沒(méi)有反復(fù)加載的作用，同時(shí)有效的防止了偏析，綜合性能良好。

另一方面，由于手工焊條藥皮的藥皮滲合金作用，填補(bǔ)了焊接時(shí)微量合金的燒損，保證其焊接接頭的性能高于CO2氣體保護(hù)焊。在建筑鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼厚板焊接當(dāng)中，應(yīng)積極推廣采用“多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù)”，重要的焊接接頭可以采取焊條電弧焊進(jìn)行焊接。

Research on the welding process of high strength steel plate

ZHANG Jian-ping，QUE Zi-xiong，LIU Dai-long，ZHANG Da-fei，ZHANG Qing-an
（Zhejiang Jinggong Steel Structure Co.，Ltd.，Shaoxing 312030，China）

Through the comparing test of 4 groups of steel plate butt joint,the base material is the Q460E-Z35，the welding method respectively is SMAW and GMAW-CO2，when welding，to change the welding heat input by changing the welding operation mode，welding joint after UT detection，analyze the different effect of welding heat input on the welding joint performance by stretching，bending，impact，hardness，metallographic test.The test show that，using"Multi-layer and multi-pass dislocation welding technology"，The welding heat input"width"of 15～30 kJ/cm，the welding joint will obtain the best comprehensive properties.

high strength steel welding；width；Multi-layer and multi-pass dislocation welding；swing

TG457.11

：A

：1001-2303（2014）02-0027-08

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.06

2013-10-16

張建平（1982—），男，浙江紹興人，學(xué)士，主要從事焊接工藝制定與管理工作。