Q420高强钢在国内钢结构中的开发和应用最终032申献辉111111.docx

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Q420高强钢在国内钢结构中的开发和应用最终032申献辉111111

ASTMA913Gr60（QST）高强钢在建筑钢结构工程应用的

焊接性试验研究

申献辉马德志徐贝尔宋晓峰

（中冶集团建筑研究总院北京100088）

摘要：

本文通过焊接冷、热裂纹敏感性分析、热影响区最高硬度试验、斜Y坡口焊接裂纹试验、插销冷裂纹试验对ASTMA913Gr60（QST）高强钢的抗冷、热裂纹敏感性进行全面的试验研究，通过常温环境下不预热刚性模拟试板，其焊接接头力学性能试验结果可以看出，各项试验数量均能满足标准要求。

关键词：

焊接性、刚性模拟焊接接头

1前言

随着高层钢结构工程对钢材强度要求的不断提高，当前国内高层钢结构中大多采用的Q345钢已经不能满足一些高层钢结构的要求。

北京新保利大厦钢结构工程中首次在国内大规模采用了从卢森堡进口的ASTMA913Gr60钢（强度级别相当于国内的Q420钢），引起了国内工程界的极大关注。

为保证新保利大厦钢结构工程的焊接施工质量，同时为其他高强钢工程中的应用提供借鉴，中冶集团建筑研究总院焊接研究所与浙江精工钢构集团共同进行了该钢材的焊接性试验研究。

为该工程制作、安装焊接工艺的制定提供了科学依据和具体的指导。

到目前为止，试验研究工作取得一定成效。

2材料复验

试验钢材是阿赛罗公司提供的轧制H型钢，其翼缘板板厚125mm，腹板厚度78mm，供货状态为淬火+自回火。

标准要求该钢材的最低屈服强度为415MPa，化学成分、各项力学性能等列于表1～表3。

表1化学成分：

%

C

Si

Mn

P

S

Cu

Ni

Mo

Nb

V

Cr

标准要求Max

0.14

0.40

1.60

0.030

0.030

0.35

0.25

0.070

0.040

0.060

0.25

熔炼

0.10

0.20

1.43

0.013

0.029

0.17

0.07

0.015

0.002

0.059

0.12

复验

0.089

0.22

1.37

0.011

0.024

0.14

0.074

0.021

0.001

0.058

0.12

注：

熔炼成分摘自材质单，炉批号为81045。

表2力学性能及复验结果

σS

MPa

σb

MPa

δ

%

AkvJ

0℃

标准要求

415

520

16

54

材质单

436

568

19.46

117，138，131

取样位置：

位于翼缘板边B/6，距上表面δ/4处

复验

473

597

30

130，116，125

取样位置：

位于翼缘板边B/6，距上表面δ/4处

132，132，131

取样位置：

位于翼缘板边B/6，距上表面δ/2处

122，132，137

取样位置：

位于翼缘板边B/2，距上表面δ/4处

续表2力学性能及复验结果

复验

473

597

30

104，103，52

取样位置：

位于翼缘板边B/2，距上表面δ/2处

72，85，92

取样位置：

位于翼缘板边B/2，距上表面3δ/4处

注：

1）冲击试件取样方向为纵向；

2）拉伸试件为全厚度，试件规格为121.9×40.1mm2；

3）B为翼缘板板宽，δ为板厚。

表3Z向拉伸性能复验

试样

编号

σS

MPa

σb

MPa

δ5

%

ψ

（%）

备注

1

445

580

26

55

2

455

575

25

62

注：

试件采用φ10的圆形拉伸试棒。

通过对钢材成分和力学性能的复验，各项指标均符合标准要求。

3工作流程

为了对ASTMA913Gr60钢的焊接性进行全面的研究及制定该钢种焊接工艺的需要，首先制定工作流程如图1所示。

鉴于供货商未提供钢材的具体焊接性资料，且该钢材强度高、板厚大，试验主要围绕钢材的抗冷裂性进行。

图1新保利钢结构施工焊接试验流程

4焊接性试验

4.1焊接冷裂纹敏感性试验

4.1.1焊接冷裂纹敏感性分析

钢材的焊接冷裂纹敏感性一般与母材和焊缝金属的化学成分有关，为了说明冷裂纹敏感性与钢材化学成分的关系，通常用碳当量来表示。

计算碳当量的公式很多，对于ASTMA913Gr60钢，采用了日本工业标准（JIS）推荐的调质钢碳当量Ceq（JIS）计算公式（公式1）和国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量Ceq（IIW）计算公式（公式2）进行计算。

（1）

（2）

按表1的复验值，依据公式

（1）、

（2）进行计算，得到的结果分别为0.362和0.3714，根据JGJ81-2002标准，碳当量结果处于标准规定的焊接性良好范围内，说明试验用ASTMA913Gr60钢具有良好的抗焊接冷裂纹性能。

4.1.2热影响区最高硬度试验

热影响区最高硬度试验方法主要是以测定焊接热影响区的淬硬倾向来评定钢材的冷裂敏感性。

试验按照GB4675.5-84《焊接热影响区最高硬度试验方法》的规定进行。

试验条件如下：

焊丝型号（牌号）及直径：

ER55-G（JM60）φ1.2mm；

CO2气体流量：

20L/min；

CO2气体生产厂家：

北京南亚气体有限公司；

熔敷金属扩散氢含量为3.44ml/100g，水银法；

最高线能量：

电流I=310-330A，电压V=34v，速度280mm/min；

最低线能量：

电流I=200-230A，电压V=30v，速度350mm/min；

具体试验参数见表4。

硬度测试采用维氏硬度计，施加荷载为10Kg，测点位置如图2所示，图中0点是测定线与熔合线的切点，0点右侧为正，左侧为负。

两测点之间的距离为0.5mm，试验结果列于表5。

图2热影响区最高硬度试验测量位置示意图

表4最高硬度试验具体试验参数

试件编号

试件规格mm

试验预热温度

线能量KJ/cm

1#

200×75

常温

最低线能量10-12

33#

200×150

50

最低线能量10-12

5#

200×150

100

最低线能量10-12

6#

200×150

100

最高线能量22-24

表5CO2气体保护焊焊接热影响区最高硬度试验结果

序号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

与焊缝中心距离（mm）

-3.5

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0

+0.5

+1.0

+1.5

+2.0

+2.5

+3.0

+3.5

1#

251

264

266

262

256

232

233

230

237

251

268

268

256

247

232

33#

238

249

256

264

254

233

225

224

240

245

266

266

253

243

230

5#

230

235

238

256

260

251

227

219

219

254

249

251

233

228

216

6#

195

205

207

212

218

219

222

222

219

218

215

207

201

199

197

从试验结果可以看出，采用最低线能量时，随着试验预热温度的增加，其热影响区的最高硬度有所下降，且硬度值不高，即使在室温下焊接，热影响区维氏硬度值也不超过270；采用最高线能量时，整体硬度值较低。

4.1.3斜Y坡口焊接裂纹试验

斜Y坡口焊接裂纹试验（小铁研）主要是评定焊接热影响区产生冷裂纹的倾向性。

试验按照GB4975.1-84《斜Y坡口焊接裂纹实验方法》的规定进行,试件厚度分别为125、78和42mm，并以125mm厚钢板为主，试验在室温下进行。

4.1.3.1试验条件：

焊接方法：

CO2气保焊

焊丝直径：

1.2mm

CO2气体生产厂家：

1）北京南亚气体有限公司

2）北京普莱克斯气体有限公司

CO2气体流量：

20L/min

环境温度：

25℃

预热温度：

常温不预热

焊接材料型号（牌号）及直径：

ER55-G（JM60）φ1.2mm、ER50-G（JM58）φ1.2mm、E550T1-Ni1（GL-YJ602（Q））φ1.2mm

4.1.3.2试验内容及步骤：

试验焊缝结束，经24小时后，进行表面裂纹检查，每块均经发蓝处理后进行解剖观察断面裂纹状况。

4.1.3.3试验结果详见表6、7、8。

表6δ=125mmCO2气保焊铁研试验结果

序号

焊丝牌号

焊接电流

A

焊接电压

V

焊接时间（秒）

根部间隙

mm

裂纹

情况

气体

种类

备注

1

JM60

278-300

33-33.7

14

1.9

裂纹通长

南亚

位于焊缝中心，根部启裂

2

JM60

278-300

33-33.7

15

2.0

裂纹通长

南亚

位于焊缝中心，根部启裂

3

JM60

278-300

33-33.7

15

2.1

裂纹通长

南亚

位于焊缝中心，根部启裂

4

JM60

290-300

32-33

15

2.0

无

南亚

/

5

JM60

290-300

32-33

15

1.9

无

南亚

/

6

JM58

280-300

32-33

15

1.9

无

南亚

/

7

JM58

280-300

32-33

15

2.0

无

南亚

/

8

AT-YJ602（Q）

282-300

30.1-33

15

2.1

无

普莱克斯

/

9

AT-YJ602（Q）

282-300

30.1-33

15

2.1

裂纹24mm

普莱克斯

位于焊缝中心，根部启裂

续表6δ=125mmCO2气保焊铁研试验结果

10

AT-YJ602（Q）

282-300

30.1-33

15

1.9

裂纹通长

普莱克斯

位于焊缝中心，根部启裂

表7δ=42mmCO2气保焊铁研试验结果

序号

焊丝牌号

焊接电流

A

焊接电压

V

焊接时间（秒）

根部间隙

mm

裂纹

情况

气体

种类

备注

1

JM60

280-300

32-33

14

1.9

无

南亚

/

2

JM60

280-300

32-33

14

2.0

无

南亚

/

表8δ=78mmCO2气保焊铁研试验结果

序号

焊丝牌号

焊接电流

A

焊接电压

V

焊接时间（秒）

根部间隙

mm

裂纹

情况

气体

种类

备注

1

JM60

290-300

32-33

14

2.0

无

南亚

/

2

JM60

290-300

32-33

15

2.1

无

南亚

/

从上述试验结果看出，板厚为125mm部分试件焊缝中心出现了不同程度的开裂，但并未向母材延伸，其余试验板厚试件未出现裂纹，说明ASTMA913Gr60钢抗冷裂性能良好。

除JM58焊丝以外，各试验焊材或多或少均出现焊缝中心通裂的现象，说明焊材本身的性能对试验结果有一定差异，但限于试验数量较少，未能做出较为确切的对比。

4.1.4插销冷裂纹试验

插销试验是能定量地研究焊接冷裂纹的方法之一。

试验按照GB9446-88《焊接用插销冷裂纹试验方法》的规定进行。

本试验采用了实芯焊丝（JM60）CO2气体保护焊，采用环形缺口插销试件，确保缺口的根部位于热影响区。

试件取自于125mm钢板厚度方向的1/4表层。

4.1.4.1实验条件

试验标准：

插销冷裂纹试验GB9446-88《焊接用插销冷裂纹试验方法》。

试验温度：

室温28℃（无预热和后热）。

试验准则：

断裂准则。

4.1.4.2试样的制取

插销的外形如图3所示：

图3插销形状和尺寸

底板选用Q235-A普通碳素结构钢，底板的尺寸为300mm×200mm，厚度为20mm。

底板钻孔数小于等于4，位置处于底板纵向中心线上，孔的间距为33mm。

插销试样和底板的制备严格按照GB9446-88的要求进行。

4.1.4.3焊接工艺

焊接方法：

CO2气体保护焊

焊接规范如表9所示。

焊接时，在底板上熔敷一焊道，必须使焊道中心线通过插销端面中心。

该焊道的熔深应保证缺口位于热影响区的粗晶区中。

4.1.4.4试验结果

试验结果见表10：

表9焊接规范

焊丝牌号

焊丝直径

伸出长度

焊接电流

电弧电压

焊接速度

气体流量

JM-60

1.2mm

12-14mm

140A

23V

18cm/min

8l/min

注：

通过计算得到热输入E＝4.29（KJ/cm）

表10插销试验结果汇总表

插销编号

初始载荷

断裂载荷

断裂时间

1

504.5

484

1643

2

514.5

512

3745

3

470

470

未断

4

924

924

0

6

750

737

40

7

647

605

751

9

799

799

0

10

615

585

1272

11

696

668

1730

12

710

695

1388

4.1.4.5试验结论

在室温为28℃左右，没有预热和后热的试验条件下，采用CO2气体保护焊（焊丝为JM-60，焊接规范见表9），该种钢材临界断裂应力485MPa。

从该材料的力学性能试验结果可知，屈服应力为473MPa，因此该材料在此焊接工艺条件下抗冷裂性能较好。

结合HAZ最高硬度试验，斜Y坡口试验和插销试验可知，试验钢材具有良好的抗冷裂性能。

4.2再热裂纹敏感性研究

4.2.1再热裂纹敏感性分析

再热裂纹是指焊接接头经消除应力热处理的构件，经高温热作用使焊接热影响区在应力作用下产生的一种沿晶间破坏的裂纹。

再热裂纹的产生主要由钢材的化学成分决定，同时构件的应力状态及温度条件也是重要的影响因素。

再热裂纹敏感性计算公式如下：

ΔG=Cr+3.3Mo+8.1V－2（3）

PSR=Cr+Cu+2Mo+10V+7Nb+5Ti－2（4）

式中ΔG和PSR是再热裂敏感性指数，以合金元素重量百分比来表示，当ΔG和PSR＞0时，表示该钢种对再热裂纹敏感；当ΔG和PSR＜0时，则表示不敏感。

按公式（3）及（4）计算结果分别为：

ΔG=－1.3409及PSR=－1.111。

因此可以认为试验钢材对再热裂纹不敏感。

4.2.2再热裂纹敏感性试验

采用斜Y坡口试验评定再热裂纹倾向，试样的尺寸及制备方法按GB4675.1-84《斜Y坡口焊接裂纹试验方法》的规定进行，焊接工艺与冷裂纹试验相同，预热温度为150℃（以保证焊缝及热影响区在消除应力热处理前不会产生冷裂纹），并在焊接48小时后进行消除应力热处理，观察其产生裂纹的情况。

具体热处理方法如下：

①任意速度升至300℃；②以55℃/小时的速度升温到550℃；③保温3小时；④以55℃/小时降至300℃后自然冷却。

试验结果见表11。

表11评定再热裂纹倾向铁研试验结果（δ=125mm、CO2气保焊）

序号

焊丝牌号

焊接电流

A

焊接电压

V

焊接时间（秒）

裂纹

情况

气体

种类

备注

1

JM60

290-300

32-33

15

无

南亚

2

JM60

290-300

32-33

15

无

南亚

试验结果说明在所选取的热处理温度条件下（550℃×3h），该钢材对再热裂纹不敏感。

4.2.3层状撕裂敏感性试验--Z向窗口试验

Z向窗口试验是一种模拟实际层状撕裂的试验方法，这种试验在工程上得到广泛应用。

试件如图4所示。

4.2.3.1试验步骤：

4.2.3.1.1在拘束板（300mm×350mm×30mm）的中心开一窗口，将试验板（150mm×170mm×20mm）插入此窗口，其位置如图4b所示，

4.2.3.1.2按图4c的顺序焊4条角焊缝，其中1、2为拘束焊缝，3、4为试验焊缝。

装配时应将原始未加工表面放在试验焊缝一侧；

4.2.3.1.3焊后在室温下放置24小时后再切取试件检查裂纹，裂纹率按下式计算：

C=Σι/ΣL×100%

式中Σι——各截面上撕裂长度的总和（mm）；

ΣL——各截面上焊缝厚度的总和（mm）。

4.2.3.2试验结果：

通过对试验板的解剖，共解剖3块，均未发现裂纹。

图4Z向窗口试验图

5刚性模拟焊接接头力学性能试验

根据上述试验已知，试验钢材具有良好的抗冷裂、再热裂纹和层状撕裂性能。

为进一步制定该钢材的焊接工艺，结合工程实际情况，模拟现场条件，选取125mm、68mm两种板厚进行了横向拘束钢性对接接头试验，并且对δ=68mm的焊接接头分别进行焊态及热处理状态下的性能对比。

5.1试验条件：

焊接方法及位置：

CO2气保焊、横焊

焊丝型号及规格：

JM60直径：

1.2mm

CO2气体生产厂家：

北京南亚气体有限公司

熔敷金属扩散氢含量为3.44ml/100g，水银法

CO2气体流量：

20L/min（δ=68mm）、50L/min（δ=125mm）

试板初始温度：

常温

层间温度：

150℃～180℃

热处理工艺：

①以任意升温速度升至300℃；

②以55℃/小时的升温速度升至550℃；

③保温2小时；

④以55℃/小时的降温速度降至300℃，空冷。

试板坡口、间隙见图5：

图5试板坡口、间隙

焊接工艺参数见表12、13：

表12δ=68mm焊接工艺参数

层次

电流（A）

电压（v）

焊接速度（mm/min）

热输入（KJ/cm）

1～8

300～320

29～30

250～300

17.4～23.04

5～44

290～310

29.5～315

350～400

12.83～16.7

盖面11道

280～290

26～27

330～350

12.48～14.3

表13δ=125mm焊接工艺参数

层次

电流（A）

电压（v）

焊接速度（mm/min）

热输入（KJ/cm）

1～4

290～307

30.4～31

300～350

15.1～19.03

5～167

310～320

31～34

350～400

14.41～18.65

盖面18道

280

31

350～400

13.02～14.88

5.2试验结果详见表14～表16

表14熔敷金属拉伸试验结果（试件均取自于坡口根部）

编号

试件截面尺寸

mm2

屈服强度σS

MPa

抗拉强度σb

MPa

延伸率δ

%

备注

1

78.54

600

685

29

δ=125mm

2

78.54

645

725

20

δ=68mm，未经热处理

3

78.54

680

755

26

δ=68mm，未经热处理

4

78.54

685

785

20

δ=68mm，经热处理

5

78.54

695

785

24

δ=68mm，经热处理

表15接头冲击试验结果

序号

试验温度℃

冲击功（J）

备注

试验值

平均值

1

0

148

149

145

147

δ=125mm，熔合线

2

0

153

135

140

143

δ=125mm，热影响区

3

0

75

60

58

64

δ=68mm，熔合线，未经热处理

4

0

56

56

48

53

δ=68mm，热影响区，未经热处理

5

0

52

66

60

59

δ=68mm，熔合线，经热处理

6

0

73

26

60

53

δ=68mm，热影响区，经热处理

7

–20

58

40

64

54

δ=68mm，熔合线，未经热处理

8

–20

38

41

26.5

35

δ=68mm，热影响区，未经热处理

9

–20

32

32

40

35

δ=68mm，熔合线，经热处理

10

–20

43

39

40

41

δ=68mm，热影响区，经热处理

11

–30

40

36

41

39

δ=68mm，熔合线，未经热处理

12

–30

44

24

24

33

δ=68mm，热影响区，未经热处理

13

–30

35

32

32

33

δ=68mm，熔合线，经热处理

14

–30

34

36

40

37

δ=68mm，热影响区，经热处理

注：

取样位置：

位于刚性模拟焊接接头上表面

表16接头侧弯试验结果

序号

试件尺寸mm

弯心mm

角度

结果

备注

1

300×122

30

180°

合格

δ=125mm

2

300×122

30

180°

合格

δ=125mm

3

300×122

30

180°

合格

δ=125mm

4

300×122

30

180°

合格

δ=125mm

5.3接头（焊态）的金相组织

5.3.1盖面焊缝

先共析铁素体沿柱状晶晶界析出，沿先共析铁素体边缘有少量珠光体组织；晶内为粒状贝氏体和针状铁素体交叉分布，粒状贝氏体中的岛状相很多已分解。

其熔合区，粗晶区，不完全重结晶区组织图见照片1,2,3。

5.3.2打底焊缝区

先共析铁素体沿原奥氏体柱状晶晶界析出，沿先共析铁素体边缘有极少量珠光体组织；晶内大多组织为粒状贝氏体和针状铁素体交叉分布，粒贝中的岛状相已开始有分解。

其熔合区，粗晶区，不完全重结晶区组织见照片4,5,6。

通过金相组织检验，焊缝及HAZ均未发现脆性组织

上述试验表明，在试验条件下焊接接头的组织未发现脆性组织，力学性能优良，钢材及焊接工艺参数基本满足施工的需要。

6结论

6.1通过斜Y试验可以看出，ASTMA913Gr60钢具有良好的抗冷裂性能，但厚板不预热焊接要选择抗裂性好的焊接材料。

6.2通过斜Y试验说明ASTMA913Gr60钢在本报告热处理制度（550℃×3小时）下具有良好的抗再热裂纹性能。

6.3通过Z向拉伸复验及Z向窗口试验表明，ASTMA913Gr60钢具有良好的Z向性能。

6.4通过在不预热条件下采用CO2气体保护焊（焊丝为JM-60，焊接线能量为4.29KJ/cm）的插销试验，可以看到该钢材在极小热输入焊接工艺条件下，断裂应力尚能达到485MPa，说明该钢材抗冷裂性能较好。

6.5通过常温环境下不预热刚性模拟试板，用JM60焊丝CO2气体保护半自动焊，仅作横向拘束条件下，