Q420qE钢板对接双丝埋弧焊接头的组织与性能分析_张建国.pdf

2023年 第4期 热加工29焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n gQ420qE钢板对接双丝埋弧焊接头的组织与性能分析张建国，朱新华，车平中铁宝桥集团有限公司 陕西宝鸡 721006摘要：针对板厚40mm的Q420qE钢板对接焊缝，进行热输入75kJ/cm的双丝埋弧焊试验。当采取焊前不预热、道间温度100、尽可能减小焊接熔合比等工艺措施，焊缝和热影响区未出现因焊接热输入大而造成的晶粒粗化现象，获得的焊接接头的力学性能满足现行标准规范要求。关键词：钢板接料；双丝埋弧焊；显微组织；力学性能1 序言大热输入焊接作为一种高效的焊接技术正逐渐取代传统的宽厚板多道次焊接工艺，通常把热输入50kJ/cm的焊接称为大热输入焊接1。大热输入焊接可极大地提高生产效率，降低制造成本。增大热输入虽然提高了生产效率，但对焊接热影响区，尤其是粗晶焊接热影响区（CGHAZ）的组织及性能产生了一定的负面影响。大热输入焊接热循环过程中，CGHAZ显微组织在高温下停留时间过长，导致CGHAZ及附近的奥氏体晶粒粗化，降低了CGHAZ的力学性能2。目前，我国桥梁钢结构中普遍应用厚3260mm的钢板，在钢板接料对接中仍以传统的单丝埋弧焊方法为主，其热输入较低（2545kJ/cm），与国外采用大热输入（50kJ/cm）焊接相比，效率低、能耗大、成本高。2 焊接试验2.1 焊接设备采用的双丝埋弧焊接系统主要包括一台MZ-1600直流埋弧焊机、一台MZE-1250交直流方波埋弧焊机以及配套的送丝装置、控制器，如图1所示。前丝采用直流、后丝采用交流，前丝焊接电流比后丝大50A，后丝电弧电压比前丝大35V；前后丝纵向间距1520mm，前后干伸长为3040mm。2.2 钢板的显微组织和力学性能钢板的力学性能（见表1）符合GB/T 7142015桥梁用结构钢 3中Q420qE的相关要求。表1Q420qE钢板力学性能检测结果钢板下屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断后伸长率（%）弯曲试验d=3a，180-40冲击吸收能量/J标准值42054019.0完好120检测值43055228.5在试件外表面未见肉眼可见的裂纹227、226、292钢板的显微组织为低碳贝氏体、粒状贝氏体和少量针状铁素体，组织均匀、细小，如图2所示。钢板采取了贝氏体、针状铁素体（AF）强韧化方式，低碳贝氏体和针状铁素体（AF）均具有高密度位错，这类组织具有高强度、高韧性。钢板中引入Ti、Nb、Al等微量合金元素，形成弥散分布的高熔点颗粒，这些颗粒一方面以“钉轧”的形式阻碍通信作者：张建国，高级工程师，主要从事桥梁钢结构焊接工艺及失效分析工作，E-mail：。a）焊接电源 b）送丝装置、控制器图1双丝埋弧焊接电源和送丝装置、控制器2023年 第4期 热加工30焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g奥氏体晶界的迁移，限制奥氏体晶粒的长大；另一方面增加了相变过程中的形核点，从而使钢的组织更加细小。2.3 钢板冷裂纹敏感性按照CB/T 43642013斜Y型坡口焊接裂纹试验方法，采用4.0mm、E5015-G焊条在室温条件下不预热进行斜Y形坡口焊接裂纹试验，试件焊接完成48h后，用机械方法将试验焊缝4等分，对试件的5个横断面进行断面裂纹检查，其断面裂纹率为0（见图3）。说明试验钢板对冷裂纹不敏感。要求，-40低温冲击吸收能量均47J，说明采用的焊丝和焊剂组合与钢板是匹配的。2.5 焊接工艺采用双丝埋弧焊的热输入为75kJ/cm水平，是单丝埋弧焊热输入（2545kJ/cm）的2倍。大热输入焊接的主要难点在于其热影响区的强度和韧性随着热输入的增大而降低5。大热输入焊接的热输入越大，热影响区的峰值温度越高、在高温停留时间也就越长，晶粒会发生严重长大，从而使韧性严重下降。当温度太高时（如1100以上），即使停留时间不长，也会产生严重的晶粒长大。焊接热输入对热影响区的晶粒粗化有较大影响，热输入越大，晶粒越易长大。晶粒越粗，脆性增加，则组织脆化6。在大热输入焊接时，为了降低热影响区的峰值温度和缩短高温停留时间，采取降低焊前接头温度、控制道间温度技术措施。斜Y形坡口裂纹试验结果表明，试验钢板对冷裂纹不敏感，在室温条件下（即不预热）焊条电弧焊裂纹率为0，因此双丝埋弧焊焊前不需要预热。焊道间的温度越低越好，但道间温度过低，耗时过长，降低了生产效率，道间温度控制在100以内即可。另外，为了促成贝氏体转变、晶粒细化，试验钢板中添加了诸多合金元素，而焊缝中合金元素含量较低。双丝埋弧焊接时，由于热输入大、熔深大，熔于焊缝熔池中钢板母材的合金元素就多，将造成焊缝强度增加而韧性下降，因此应尽可能减小焊接熔合比。采用小热输入焊接打底，比如单丝埋弧焊，可以有效地减小焊接熔合比，保证焊接接头的力学性能。图2Q420qE钢板微观组织 d）横断面4 e）横断面5图3斜Y形坡口焊接裂纹试验的5个横断面 a）横断面1 b）横断面2 c）横断面3 2.4 焊丝与焊剂组合熔敷金属的力学性能采用7580kJ/cm热输入双丝埋弧焊焊接试验用焊丝和焊剂组合的熔敷金属试板，焊接参数见表2。再按GB/T 52932018埋弧焊用非合金钢及细晶粒钢实心焊丝、药芯焊丝和焊丝-焊剂组合4规定的检测方法对熔敷金属的力学性能进行检测，结果见表3。焊丝和焊剂组合熔敷金属力学性能试验结果表明，熔敷金属的屈服强度、抗拉强度和伸长率均不低于GB/T 7142015标准中Q420qE钢板的力学性能表2焊接材料熔敷金属试板的焊接参数焊接方法焊丝位置焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/（cm/min）热输入/（kJ/cm）道间温度/双丝SAW前丝750323877.8100后丝70034表3焊接材料熔敷金属力学性能检测结果下屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断后伸长率（%）-40冲击吸收能量/J56068927.083、76、762023年 第4期 热加工31焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g钢板对接坡口采用双面不对称坡口，钝边为5mm，清根熔透的坡口形式。在坡口根部均采用单丝埋弧焊焊接2道，再用双丝埋弧焊完成焊接。焊接坡口形式及焊道如图4所示，焊接过程如图5所示，焊接参数见表4。3焊接接头质量检测3.1 焊缝外观质量和无损检测试板焊接完成后进行外观检测和无损检测，质量等级符合Q/CR 92112015铁路钢桥制造规范 7级。3.2 焊接接头力学性能Q420qE钢板双丝埋弧焊对接接头力学试验结果见表5。从表5可看出，焊缝金属屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、接头抗拉强度均高于试验钢板标准值，弯曲试验结果完好，焊缝及热影响区-40b）焊道示意图4焊接坡口形式及焊道示意图5焊接过程a）坡口形式表4钢板对接焊接参数焊道焊接方法道温/焊接电流/A 电弧电压/V焊接速度/（cm/min）热输入/（kJ/cm）备注1单丝埋弧焊室温650293829.8温度：23湿度：48%第4道焊前气刨清根2单丝埋弧焊75710323835.93双丝埋弧焊前丝60750344175.7后丝70037.54单丝埋弧焊60690323834.95单丝埋弧焊55710323835.96双丝埋弧焊前丝50750344175.7后丝70037.5表5Q420qE钢板对接接头力学试验结果焊缝金属拉伸性能接头拉伸性能侧弯D=3a，180-40冲击吸收能量/J接头最高硬度HV10屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断后伸长率（%）抗拉强度/MPa断口位置焊缝中心熔合线外1mm45057626.0553母材合格127、99、69111、91、622652023年 第4期 热加工32焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g图6焊接接头断面宏观酸蚀形貌图7焊缝微观组织 图8热影响区微观组织冲击吸收能量均满足现行Q/CR 92112015中47J的要求，且富裕量较大，焊接接头最高硬度远380HV10。3.3 焊接接头断面宏观酸蚀试验焊接接头断面宏观酸蚀形貌如图6所示。从图6可看出，焊缝熔合良好，无裂纹、气孔、夹杂及夹渣等焊接缺陷，成形良好，焊缝过渡匀顺。可能减小焊接熔合比等工艺措施后，焊缝和热影响区未出现因焊接热输入大而造成的晶粒粗化现象，获得的焊接接头的力学性能满足现行标准规范要求。参考文献：1 孙立根，刘云松，郝剑桥，等诱发IAF夹杂物与原晶粒的尺寸匹配关系J钢铁，2019，54（6）：63-68，78.2 石明浩，张明彦，刘纪源，等Zr微合金钢粗晶热影响区韧性和组织分析J材料科学与工艺，2013，21（3）：1-5.3 全国钢标准化技术委员会桥梁用结构钢：GB/T 7142015S北京：中国标准出版社，2015.4 全国焊接标准化技术委员会埋弧焊用非合金钢及细晶粒钢实心焊丝、药芯焊丝和焊丝-焊剂组合分类要求：GB/T 52932018S北京：中国标准出版社，2018.5 习天辉，陈晓，袁泽喜大线能量焊接用钢热影响区组织和性能的研究进展J特殊钢，2003，24（5）：1-5.6 张文钺焊接冶金学M北京：机械工业出版社，2012.7 中华人民共和国铁道部铁路钢桥制造规范：Q/CR 92112015S北京：中国铁道出版社，2015.8 刘久振，丁强，张勇，等大热输入焊缝金属组织与性能研究J热加工工艺，2009，38（2）：27-30.202301183.4 焊缝和热影响区微观组织形貌焊缝微观组织如图7所示，为均匀细小的针状铁素体+少量低碳贝氏体。在大热输入焊接条件下，焊缝金属中形成了大量针状铁素体，针状铁素体呈交叉互锁状态，相互间多为大角度晶界，晶粒内部具有高密度位错，裂纹在跨过针状铁素体时会发生偏转，消耗更多的能量，使焊缝金属具有较高低温冲击韧度8。热影响区微观组织如图8所示，为粒状贝氏体，且热影响区奥氏体晶粒没有过分粗化。4 结束语Q420qE钢板采用热输入为75kJ/cm的双丝埋弧焊对接，当采取焊前不预热、道间温度100、尽