TMCP橋梁鋼焊接接頭組織性能研究

陳尹澤 王立群 宋立偉 李 娜 徐 博

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

TMCP橋梁鋼焊接接頭組織性能研究

陳尹澤 王立群 宋立偉 李 娜 徐 博

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

采用C02氣體保護焊對50 mm TMCP橋梁鋼Q420qE進行焊接，用金相顯微鏡觀察焊接接頭微觀組織，并檢驗接頭拉伸、彎曲及沖擊性能。結果表明，焊縫外觀平整、組織均勻，焊縫和熱影響區均具有良好的沖擊韌性，焊接接頭強度可以滿足使用要求，TMCP橋梁鋼焊接性能優良。

TMCP 焊接 顯微組織 力學性能

0 前言

TMCP工藝是一項節約合金、簡化工序、節約能耗的先進軋鋼技術[1]，采用TMCP工藝路線生產Q420q級別的橋梁鋼成為近年來發展趨勢[2]。Q420qE鋼為橋梁用結構鋼，屬于較高質量等級的低合金結構鋼，主要用于鐵路橋梁和公路橋梁等的建設，用于制作鋼橋的鋼箱或型鋼梁的焊接結構件[3]。熱影響區晶粒在焊接熱作用下易長大，嚴重時會使母材優良的性能喪失[4]。因此橋梁鋼焊接接頭組織與性能進行研究具有重要的工程價值。CO2氣體保護焊是一種高效、低氫焊接方法，而且設備成本低。其電弧能量密度相對集中，是近年來制造領域快速發展的焊接技術，也獲得了極為廣泛的應用。筆者對Q420qE鋼進行了C02氣體保護焊焊接，用金相顯微鏡分析了焊接接頭的顯微組織，檢驗了焊接接頭拉伸性能、沖擊性能、冷彎性能、硬度等相關性能，期望對橋梁鋼的焊接提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗鋼成分性能

試驗用母材為安鋼爐卷機組生產的50 mm Q420qE鋼板，鋼板采用TMCP工藝生產，未再結晶區軋制開軋溫度830 ℃～850 ℃，終軋溫度740 ℃～780 ℃，終冷溫度500 ℃～550 ℃。母材成分和母材性能分別見表1和表2。

表1 母材成分 /%

表2 母材性能

1.2 試驗方法

焊接采用CO2氣體保護焊，根據強韌性匹配原則，選擇了ER50-6焊絲，焊絲直徑Φ=1.2 mm，單試板尺寸為500 mm×200 mm×50 mm，焊接試板采用雙V形坡口對接，如圖1所示。焊接電流為170 A～260 A，焊接電壓為22 V～32 V，焊接速度為250 mm/min～280 mm/min，道間溫度控制在80 ℃～150 ℃。

焊接具體工藝參數見表3。

表3 焊接工藝參數

焊接完成后，對焊接接頭進行超聲波探傷，經檢測級合格，焊接道次如圖1所示。

圖1 焊接道次

焊接所得到的試板按照國標GB/T265l-2008制備板狀拉伸試樣，按照國標GB/T2650-2008制備了V型缺口沖擊試樣，按照國標GB/T2653-2008制備側彎試樣，按照GB/T2654-2008焊接接頭硬度試驗方法進行硬度測量。

2 焊接接頭組織及性能檢測分析

2.1 焊接接頭彎曲性能檢驗

試樣經d=4a，180 °側彎后，焊接接頭部位未發現裂紋，焊接接頭韌塑性良好，具備抗變形能力。

2.2 焊接接頭拉伸試驗

對3組焊接試樣進行拉伸試驗，試驗結果見表4。

表4 焊接接頭拉伸性能

由表4可知，焊接接頭平均屈服強度為469 MPa，平均抗拉強度為574 MPa，平均延伸率為22%，3組焊接接頭之間強度差別不大，與母材相比抗拉降低約20 MPa，與標準比，富余量較大。延伸率焊接后呈下降2%，能滿足標準要求。

2.3 焊接接頭沖擊性能

沖擊試樣制樣過程是先腐蝕試樣，分別在焊縫、熔合線、熱影響區開V型缺口。缺口與焊縫表面垂直。沖擊試驗結果見表5。

表5 焊接接頭沖擊性能(橫向)

由表5可知，焊縫、熔合線、熱影響區均具有較高的沖擊功。焊接熱影響區沖擊韌性值高于焊縫金屬。

2.4 焊接接頭硬度

焊接接頭硬度采用HV5硬度計對母材及焊縫的硬度進行測量，兩點之間間距為0.5 mm。焊接接頭硬度分布如圖2所示。

焊接接頭顯微硬度分布可以反映其力學性能不均勻及軟化情況，而且可以通過硬度同強度的聯系來分析焊接各部分強度。從圖2可以看出，焊縫和母材硬度相差不大，硬度范圍在220 HV～230 HV之間，粗晶區顯微硬度高于母材。

圖2 焊接接頭硬度

2.5 焊接接頭金相組織

對金相試樣進行磨光、拋光、并用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，其金相組織如圖3所示。

(a) 焊縫 (b) 粗晶區 (c) 細晶區 (d) 母材

圖3 焊接接頭金相組織從圖3可以看出，圖3(a)為焊縫處組織，組織為粗大先共析鐵素體+針狀鐵素體+細小的M/A島；圖3(b)為粗晶區組織，組織為針狀鐵素體+粒狀貝氏體+板條貝氏體；圖3(c)為細晶區組織，組織為多邊形鐵素體+少量珠光體，晶粒細小均勻；圖3(d)為母材組織，組織為多邊形鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體。

3 分析與討論

焊縫處組織為粗大先共析鐵素體+針狀鐵素體+M/A島，先共析鐵素體形成于較高溫度區間，為擴散轉變產物，針狀鐵素體分布于晶粒內部，具有較高的長寬比，針狀鐵素體在原奧氏體晶內形核，互相之間形成較大的傾角，而且針狀鐵素體內部有較高的位錯密度，該組織可以有效提高焊縫金屬的強度和韌性。

焊接接頭臨近焊縫的母材區域由于受焊接過程中熱循環作用，組織和性能發生變化，形成熱影響區，熱影響區可以劃分為粗晶區、細晶區和不完全相變區。粗晶區其溫度范圍處在固相線以下到晶粒開始急劇長大的溫度之間，即處在1 100 ℃～1 490 ℃之間，冷卻的過程中冷卻速度較高，容易形成馬氏體且晶粒粗大，因而韌性較低，是焊接接頭的薄弱地帶。微Ti處理的Q420qE中出現形成的細小TiN粒子能夠阻止粗晶區奧氏體過分長大，形成相對細小的奧氏體晶粒；低碳成分設計使焊接接頭粗晶區不會轉變為韌性較差的馬氏體組織，而轉變為粒狀貝氏體+板條貝氏體+少量針狀鐵素體組織，板條貝氏體和針狀鐵素體具有良好的韌性，因此該區域具有較高的韌性。

細晶區為正火重結晶區，焊接時由于受到焊接加熱的作用的影響，母材被加熱到Ac3以上溫度時，由于該部位加熱速度和冷卻速度較快，同時加熱溫度較低，母材組織轉變成細小的奧氏體晶粒，隨后轉變為細小的鐵素體和少量珠光體組織，沖擊韌性較好。

4 結論

(1)采用低碳成分體系、TMCP工藝生產的橋梁鋼Q420qE焊接熱影響區粗晶區組織為韌性較好的粒狀貝氏體+板條貝氏體+少量針狀鐵素體，細晶區組織為細小的鐵素體+少量珠光體，晶粒細小均勻。

(2)采用CO2氣體保護焊工藝和ER50-6焊絲焊接的Q420qE接頭強度略微降低，熱影響區淬硬性傾向不大，低溫沖擊性能良好，綜合力學性能優量，能夠較好地滿足使用要求。

[1] 王立群，宋立偉，李娜，等.安鋼高強高韌Q420qD橋梁結構鋼板的研制開發 [J].河南冶金，2016，24(2)：6-7.

[2] 楊玉，楊旭，張吉富，等.TMCP技術在Q345B低合金化生產中的應用 [J].上海金屬，2014，36(2)：27-30.

[3] 鞠傳華，高韌性Q370qE橋梁鋼的研制開發 [J].山東冶金，2016，38(2)：7-9.

[4] 陳尹澤，李娜，溫斌，等. 細晶Q345低合金高強鋼焊接接頭組織性能研究[J].河南冶金，2015，23(2)：5-7.

STUDY ON MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF WELDED JOINT OF TMCP STEEL FOR BRIDGE

Chen Yinze Wang Liqun Song Liwei Li Na Xu Bo

( Anyang Iron and Steel Group Co.,Ltd )

50 mm Q420qE TMCP Steel for bridge was welded by C02gas shield welding．The optical microscopy were used to analyze the microstructure, and the mechanical properties of weld joints were tested by universal material testing machine and pendulum machine．The results show that, the welding metal shows higher strength than that of the base metal．Both the welding metal and heat affected zone possess good impact toughness．The quality of the welded joint could meet the requirements in.

TMCP welding microstructure mechanical properties

澤，工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵集團有限責任公司技術中心；

2017—1—7