Q420高強鋼在國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)中的開發(fā)和應用(最終032)申獻輝-111111

1、ASTM A913 Gr60（QST）高強鋼在建筑鋼結(jié)構(gòu)工程應用的焊接性試驗研究申獻輝 馬德志 徐貝爾 宋曉峰（中冶集團建筑研究總院 北京 100088）摘 要：本文通過焊接冷、熱裂紋敏感性分析、熱影響區(qū)最高硬度試驗、斜Y坡口焊接裂紋試驗、插銷冷裂紋試驗對ASTM A913 Gr60（QST）高強鋼的抗冷、熱裂紋敏感性進行全面的試驗研究，通過常溫環(huán)境下不預熱剛性模擬試板，其焊接接頭力學性能試驗結(jié)果可以看出，各項試驗數(shù)量均能滿足標準要求。關鍵詞：焊接性、剛性模擬焊接接頭1 前言隨著高層鋼結(jié)構(gòu)工程對鋼材強度要求的不斷提高，當前國內(nèi)高層鋼結(jié)構(gòu)中大多采用的Q345鋼已經(jīng)不能滿足一些高層鋼結(jié)構(gòu)的要求。北

2、京新保利大廈鋼結(jié)構(gòu)工程中首次在國內(nèi)大規(guī)模采用了從盧森堡進口的ASTM A913Gr60鋼（強度級別相當于國內(nèi)的Q420鋼），引起了國內(nèi)工程界的極大關注。為保證新保利大廈鋼結(jié)構(gòu)工程的焊接施工質(zhì)量，同時為其他高強鋼工程中的應用提供借鑒，中冶集團建筑研究總院焊接研究所與浙江精工鋼構(gòu)集團共同進行了該鋼材的焊接性試驗研究。為該工程制作、安裝焊接工藝的制定提供了科學依據(jù)和具體的指導。到目前為止，試驗研究工作取得一定成效。2 材料復驗試驗鋼材是阿賽羅公司提供的軋制H型鋼，其翼緣板板厚125mm，腹板厚度78mm，供貨狀態(tài)為淬火+自回火。標準要求該鋼材的最低屈服強度為415MPa，化學成分、各項力學性能等列于

3、表1表3。表1 化學成分：%CSiMnPSCuNiMoNbVCr標準要求Max0.140.401.600.0300.0300.350.250.0700.0400.0600.25熔煉0.100.201.430.0130.0290.170.070.0150.0020.0590.12復驗0.0890.221.370.0110.0240.140.0740.0210.0010.0580.12注：熔煉成分摘自材質(zhì)單，爐批號為81045。表2 力學性能及復驗結(jié)果SMPabMPa%Akv J0標準要求4155201654材質(zhì)單43656819.46117，138，131取樣位置：位于翼緣板邊B/6，距上表面/

4、4處復驗47359730130，116，125取樣位置：位于翼緣板邊B/6，距上表面/4處132，132，131取樣位置：位于翼緣板邊B/6，距上表面/2處122，132，137取樣位置：位于翼緣板邊B/2，距上表面/4處續(xù)表2 力學性能及復驗結(jié)果復驗47359730104，103，52取樣位置：位于翼緣板邊B/2，距上表面/2處72，85，92取樣位置：位于翼緣板邊B/2，距上表面3/4處注：1）沖擊試件取樣方向為縱向；2）拉伸試件為全厚度，試件規(guī)格為121.9×40.1 mm2；3）B為翼緣板板寬，為板厚。表3 Z向拉伸性能復驗試樣編號SMPabMPa5%(%)備注1445580

5、265524555752562注：試件采用10的圓形拉伸試棒。通過對鋼材成分和力學性能的復驗，各項指標均符合標準要求。3 工作流程為了對ASTM A913 Gr60鋼的焊接性進行全面的研究及制定該鋼種焊接工藝的需要，首先制定工作流程如圖1所示。鑒于供貨商未提供鋼材的具體焊接性資料，且該鋼材強度高、板厚大，試驗主要圍繞鋼材的抗冷裂性進行。圖1 新保利鋼結(jié)構(gòu)施工焊接試驗流程4 焊接性試驗4.1 焊接冷裂紋敏感性試驗4.1.1 焊接冷裂紋敏感性分析鋼材的焊接冷裂紋敏感性一般與母材和焊縫金屬的化學成分有關，為了說明冷裂紋敏感性與鋼材化學成分的關系，通常用碳當量來表示。計算碳當量的公式很多，對于ASTM

6、 A913 Gr60鋼，采用了日本工業(yè)標準（JIS）推薦的調(diào)質(zhì)鋼碳當量Ceq（JIS）計算公式(公式1)和國際焊接學會（IIW）推薦的碳當量Ceq（IIW）計算公式(公式2)進行計算。 （1） （2）按表1的復驗值，依據(jù)公式（1）、（2）進行計算，得到的結(jié)果分別為0.362和0.3714，根據(jù)JGJ81-2002標準，碳當量結(jié)果處于標準規(guī)定的焊接性良好范圍內(nèi)，說明試驗用ASTM A913 Gr60鋼具有良好的抗焊接冷裂紋性能。4.1.2 熱影響區(qū)最高硬度試驗熱影響區(qū)最高硬度試驗方法主要是以測定焊接熱影響區(qū)的淬硬傾向來評定鋼材的冷裂敏感性。試驗按照GB4675.5-84焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗方

7、法的規(guī)定進行。試驗條件如下：焊絲型號（牌號）及直徑：ER55-G （JM60） 1.2mm；CO2氣體流量：20 L/min；CO2氣體生產(chǎn)廠家：北京南亞氣體有限公司；熔敷金屬擴散氫含量為3.44ml/100g，水銀法；最高線能量：電流I=310-330A，電壓V=34v，速度280mm/min；最低線能量：電流I=200-230A，電壓V=30v，速度350mm/min；具體試驗參數(shù)見表4。硬度測試采用維氏硬度計，施加荷載為10Kg，測點位置如圖2所示，圖中0點是測定線與熔合線的切點，0點右側(cè)為正，左側(cè)為負。兩測點之間的距離為0.5mm，試驗結(jié)果列于表5。圖2 熱影響區(qū)最高硬度試驗測量位置示

8、意圖表4 最高硬度試驗具體試驗參數(shù)試件編號試件規(guī)格 mm試驗預熱溫度線能量 KJ/cm1#200×75常溫最低線能量 10-1233#200×15050最低線能量 10-125#200×150100最低線能量 10-126#200×150100最高線能量 22-24表5 CO2氣體保護焊焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗結(jié)果序號123456789101112131415與焊縫中心距離（mm）-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50+0.5+1.0+1.5+2.0+2.5+3.0+3.51#25126426626225623223323023725

9、126826825624723233#2382492562642542332252242402452662662532432305#2302352382562602512272192192542492512332282166#195205207212218219222222219218215207201199197從試驗結(jié)果可以看出，采用最低線能量時，隨著試驗預熱溫度的增加，其熱影響區(qū)的最高硬度有所下降，且硬度值不高，即使在室溫下焊接，熱影響區(qū)維氏硬度值也不超過270；采用最高線能量時，整體硬度值較低。4.1.3 斜Y坡口焊接裂紋試驗斜Y坡口焊接裂紋試驗(小鐵研)主要是評定焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂

10、紋的傾向性。試驗按照GB4975.1-84斜Y坡口焊接裂紋實驗方法的規(guī)定進行,試件厚度分別為125、78和42mm，并以125mm厚鋼板為主，試驗在室溫下進行。4.1.3.1 試驗條件：焊接方法：CO2氣保焊焊絲直徑：1.2mmCO2氣體生產(chǎn)廠家：1）北京南亞氣體有限公司 2）北京普萊克斯氣體有限公司CO 2氣體流量：20 L/min環(huán)境溫度：25預熱溫度：常溫不預熱焊接材料型號（牌號）及直徑：ER55-G （JM60） 1.2mm、ER50-G （JM58） 1.2mm、E550T1-Ni1（GL-YJ602（Q） 1.2mm4.1.3.2 試驗內(nèi)容及步驟：試驗焊縫結(jié)束，經(jīng)24小時后，進行表

11、面裂紋檢查，每塊均經(jīng)發(fā)藍處理后進行解剖觀察斷面裂紋狀況。4.1.3.3 試驗結(jié)果詳見表6、7、8。表6 =125mm CO2氣保焊鐵研試驗結(jié)果序號焊絲牌號焊接電流A焊接電壓V焊接時間（秒）根部間隙mm裂紋情況氣體種類備注1JM60278-30033-33.7141.9裂紋通長南亞位于焊縫中心，根部啟裂2JM60278-30033-33.7152.0裂紋通長南亞位于焊縫中心，根部啟裂3JM60278-30033-33.7152.1裂紋通長南亞位于焊縫中心，根部啟裂4JM60290-30032-33152.0無南亞/5JM60290-30032-33151.9無南亞/6JM58280-30032-

12、33151.9無南亞/7JM58280-30032-33152.0無南亞/8AT-YJ602（Q）282-30030.1-33152.1無普萊克斯/9AT-YJ602（Q）282-30030.1-33152.1裂紋24mm普萊克斯位于焊縫中心，根部啟裂續(xù)表6 =125mm CO2氣保焊鐵研試驗結(jié)果10AT-YJ602（Q）282-30030.1-33151.9裂紋通長普萊克斯位于焊縫中心，根部啟裂表7 =42mmCO2氣保焊鐵研試驗結(jié)果序號焊絲牌號焊接電流A焊接電壓V焊接時間（秒）根部間隙mm裂紋情況氣體種類備注1JM60280-30032-33141.9無南亞/2JM60280-30032-

13、33142.0無南亞/表8 =78mmCO2氣保焊鐵研試驗結(jié)果序號焊絲牌號焊接電流A焊接電壓V焊接時間（秒）根部間隙mm裂紋情況氣體種類備注1JM60290-30032-33142.0無南亞/2JM60290-30032-33152.1無南亞/從上述試驗結(jié)果看出，板厚為125mm部分試件焊縫中心出現(xiàn)了不同程度的開裂，但并未向母材延伸，其余試驗板厚試件未出現(xiàn)裂紋，說明ASTM A913 Gr60鋼抗冷裂性能良好。除JM58焊絲以外，各試驗焊材或多或少均出現(xiàn)焊縫中心通裂的現(xiàn)象，說明焊材本身的性能對試驗結(jié)果有一定差異，但限于試驗數(shù)量較少，未能做出較為確切的對比。4.1.4 插銷冷裂紋試驗插銷試驗是能

14、定量地研究焊接冷裂紋的方法之一。試驗按照GB9446-88焊接用插銷冷裂紋試驗方法的規(guī)定進行。本試驗采用了實芯焊絲（JM60）CO2氣體保護焊，采用環(huán)形缺口插銷試件，確保缺口的根部位于熱影響區(qū)。試件取自于125mm鋼板厚度方向的1/4表層。4.1.4.1 實驗條件試驗標準：插銷冷裂紋試驗GB9446-88焊接用插銷冷裂紋試驗方法。試驗溫度：室溫28（無預熱和后熱）。 試驗準則：斷裂準則。4.1.4.2 試樣的制取插銷的外形如圖3所示：圖3 插銷形狀和尺寸底板選用Q235-A普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，底板的尺寸為300mm×200mm，厚度為20mm。底板鉆孔數(shù)小于等于4，位置處于底板縱向中心線

15、上，孔的間距為33mm。插銷試樣和底板的制備嚴格按照GB9446-88的要求進行。4.1.4.3 焊接工藝焊接方法：CO2氣體保護焊焊接規(guī)范如表9所示。焊接時，在底板上熔敷一焊道，必須使焊道中心線通過插銷端面中心。該焊道的熔深應保證缺口位于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)中。4.1.4.4 試驗結(jié)果試驗結(jié)果見表10：表9 焊接規(guī)范焊絲牌號焊絲直徑伸出長度焊接電流電弧電壓焊接速度氣體流量JM-601.2 mm12-14 mm140 A23 V18cm/min8 l/min注：通過計算得到熱輸入E4.29（KJ/cm）表10 插銷試驗結(jié)果匯總表插銷編號初始載荷斷裂載荷斷裂時間1504.548416432514.5

16、51237453470470未斷492492406750737407647605751979979901061558512721169666817301271069513884.1.4.5 試驗結(jié)論在室溫為28左右，沒有預熱和后熱的試驗條件下，采用CO2氣體保護焊（焊絲為JM-60，焊接規(guī)范見表9），該種鋼材臨界斷裂應力485MPa。從該材料的力學性能試驗結(jié)果可知，屈服應力為473 MPa，因此該材料在此焊接工藝條件下抗冷裂性能較好。結(jié)合HAZ最高硬度試驗，斜Y坡口試驗和插銷試驗可知，試驗鋼材具有良好的抗冷裂性能。4.2 再熱裂紋敏感性研究4.2.1 再熱裂紋敏感性分析再熱裂紋是指焊接接頭經(jīng)消

17、除應力熱處理的構(gòu)件，經(jīng)高溫熱作用使焊接熱影響區(qū)在應力作用下產(chǎn)生的一種沿晶間破壞的裂紋。再熱裂紋的產(chǎn)生主要由鋼材的化學成分決定，同時構(gòu)件的應力狀態(tài)及溫度條件也是重要的影響因素。再熱裂紋敏感性計算公式如下：G=Cr+3.3Mo+8.1V2 (3) PSR=Cr+Cu+2Mo+10V+7Nb+5Ti2 (4)式中G和 PSR是再熱裂敏感性指數(shù)，以合金元素重量百分比來表示，當G和 PSR0時，表示該鋼種對再熱裂紋敏感；當G和 PSR0時，則表示不敏感。按公式(3)及(4)計算結(jié)果分別為：G=1.3409及PSR=1.111。因此可以認為試驗鋼材對再熱裂紋不敏感。4.2.2 再熱裂紋敏感性試驗采用斜Y坡

18、口試驗評定再熱裂紋傾向，試樣的尺寸及制備方法按GB4675.1-84斜Y坡口焊接裂紋試驗方法的規(guī)定進行，焊接工藝與冷裂紋試驗相同，預熱溫度為150（以保證焊縫及熱影響區(qū)在消除應力熱處理前不會產(chǎn)生冷裂紋），并在焊接48小時后進行消除應力熱處理，觀察其產(chǎn)生裂紋的情況。具體熱處理方法如下：任意速度升至300；以55/小時的速度升溫到550；保溫3小時；以55/小時降至300后自然冷卻。試驗結(jié)果見表11。表11 評定再熱裂紋傾向鐵研試驗結(jié)果（=125mm、CO2氣保焊）序號焊絲牌號焊接電流A焊接電壓V焊接時間（秒）裂紋情況氣體種類備注1JM60290-30032-3315無南亞2JM60290-300

19、32-3315無南亞試驗結(jié)果說明在所選取的熱處理溫度條件下（550×3h），該鋼材對再熱裂紋不敏感。4.2.3 層狀撕裂敏感性試驗-Z向窗口試驗Z向窗口試驗是一種模擬實際層狀撕裂的試驗方法，這種試驗在工程上得到廣泛應用。試件如圖4所示。4.2.3.1 試驗步驟：4.2.3.1.1 在拘束板（300mm×350mm×30mm）的中心開一窗口，將試驗板（150mm×170mm×20mm）插入此窗口，其位置如圖4b所示，4.2.3.1.2 按圖4c的順序焊4條角焊縫，其中1、2為拘束焊縫，3、4為試驗焊縫。裝配時應將原始未加工表面放在試驗焊縫一側(cè)；4

20、.2.3.1.3 焊后在室溫下放置24小時后再切取試件檢查裂紋，裂紋率按下式計算： C=/L×100%式中 各截面上撕裂長度的總和（mm）；L 各截面上焊縫厚度的總和（mm）。4.2.3.2 試驗結(jié)果：通過對試驗板的解剖，共解剖3塊，均未發(fā)現(xiàn)裂紋。圖4 Z向窗口試驗圖5 剛性模擬焊接接頭力學性能試驗根據(jù)上述試驗已知，試驗鋼材具有良好的抗冷裂、再熱裂紋和層狀撕裂性能。為進一步制定該鋼材的焊接工藝，結(jié)合工程實際情況，模擬現(xiàn)場條件，選取125mm、68mm兩種板厚進行了橫向拘束鋼性對接接頭試驗，并且對=68mm的焊接接頭分別進行焊態(tài)及熱處理狀態(tài)下的性能對比。5.1 試驗條件：焊接方法及位置

21、：CO2氣保焊、橫焊焊絲型號及規(guī)格：JM60 直徑：1.2mmCO2氣體生產(chǎn)廠家：北京南亞氣體有限公司 熔敷金屬擴散氫含量為3.44ml/100g，水銀法CO2氣體流量：20 L/min（=68mm）、50 L/min（=125mm）試板初始溫度：常溫層間溫度：150180熱處理工藝：以任意升溫速度升至300；以55/小時的升溫速度升至550；保溫2小時；以55/小時的降溫速度降至300，空冷。試板坡口、間隙見圖5：圖5 試板坡口、間隙焊接工藝參數(shù)見表12、13：表12 =68mm焊接工藝參數(shù)層次電流（A）電壓（v）焊接速度（mm/min）熱輸入（KJ/cm）18300320293025030

22、017.423.0454429031029.531535040012.8316.7蓋面11道280290262733035012.4814.3表13 =125mm焊接工藝參數(shù)層次電流（A）電壓（v）焊接速度（mm/min）熱輸入（KJ/cm）1429030730.43130035015.119.035167310320313435040014.4118.65蓋面18道2803135040013.0214.885.2 試驗結(jié)果詳見表14表16表14 熔敷金屬拉伸試驗結(jié)果（試件均取自于坡口根部）編號試件截面尺寸mm2屈服強度SMPa抗拉強度bMPa延伸率%備注178.5460068529=125m

23、m278.5464572520=68mm，未經(jīng)熱處理378.5468075526=68mm，未經(jīng)熱處理478.5468578520=68mm，經(jīng)熱處理578.5469578524=68mm，經(jīng)熱處理表15 接頭沖擊試驗結(jié)果序號試驗溫度 沖擊功 （J）備注試驗值平均值10148149145147=125mm，熔合線20153135140143=125mm，熱影響區(qū)3075605864=68mm，熔合線，未經(jīng)熱處理4056564853=68mm，熱影響區(qū)，未經(jīng)熱處理5052666059=68mm，熔合線，經(jīng)熱處理6073266053=68mm，熱影響區(qū)，經(jīng)熱處理72058406454=68mm，熔

24、合線，未經(jīng)熱處理820384126.535=68mm，熱影響區(qū)，未經(jīng)熱處理92032324035=68mm，熔合線，經(jīng)熱處理102043394041=68mm，熱影響區(qū)，經(jīng)熱處理113040364139=68mm，熔合線，未經(jīng)熱處理123044242433=68mm，熱影響區(qū)，未經(jīng)熱處理133035323233=68mm，熔合線，經(jīng)熱處理143034364037=68mm，熱影響區(qū)，經(jīng)熱處理注：取樣位置：位于剛性模擬焊接接頭上表面表16 接頭側(cè)彎試驗結(jié)果序號試件尺寸 mm彎心 mm角度結(jié)果備注1300×12230180°合格=125mm2300×12230180&

25、#176;合格=125mm3300×12230180°合格=125mm4300×12230180°合格=125mm5.3 接頭(焊態(tài))的金相組織5.3.1 蓋面焊縫先共析鐵素體沿柱狀晶晶界析出，沿先共析鐵素體邊緣有少量珠光體組織；晶內(nèi)為粒狀貝氏體和針狀鐵素體交叉分布，粒狀貝氏體中的島狀相很多已分解。其熔合區(qū)，粗晶區(qū)，不完全重結(jié)晶區(qū)組織圖見照片1,2,3。5.3.2 打底焊縫區(qū)先共析鐵素體沿原奧氏體柱狀晶晶界析出，沿先共析鐵素體邊緣有極少量珠光體組織；晶內(nèi)大多組織為粒狀貝氏體和針狀鐵素體交叉分布，粒貝中的島狀相已開始有分解。其熔合區(qū)，粗晶區(qū)，不完全重結(jié)晶區(qū)

26、組織見照片4,5,6。通過金相組織檢驗，焊縫及HAZ均未發(fā)現(xiàn)脆性組織上述試驗表明，在試驗條件下焊接接頭的組織未發(fā)現(xiàn)脆性組織，力學性能優(yōu)良，鋼材及焊接工藝參數(shù)基本滿足施工的需要。6 結(jié)論6.1 通過斜Y試驗可以看出，ASTM A913 Gr60鋼具有良好的抗冷裂性能，但厚板不預熱焊接要選擇抗裂性好的焊接材料。6.2 通過斜Y試驗說明ASTM A913 Gr60鋼在本報告熱處理制度（550×3小時）下具有良好的抗再熱裂紋性能。6.3 通過Z向拉伸復驗及Z向窗口試驗表明，ASTM A913 Gr60鋼具有良好的Z向性能。6.4 通過在不預熱條件下采用CO2氣體保護焊（焊絲為JM-60，焊接線能量為4.29KJ/cm）的插銷試驗，可以看到該鋼材在極小熱輸入焊接工藝條件下，斷裂應力尚能達到485MPa，說明該鋼材抗冷裂性能較好。6.5 通過常溫環(huán)境下不預熱剛性模擬試板，用JM60焊絲CO2氣體保護半自動焊，僅作橫向拘束條件下，根部焊道熱輸入1520 KJ/cm，