關于鋼結構厚板對接焊縫低溫沖擊韌性試驗研究

王曉璇

摘要：采用150mm厚鋼板對接焊縫開展低溫沖擊韌性試驗發現，焊縫區與熱影響區沖擊韌性隨溫度降低而降低，低溫脆性特征明顯，熱影響區沖擊韌性沿板厚變化而降低，發生了材質惡化。

關鍵詞：鋼結構厚板;對接焊縫;低溫沖擊韌性

引言：

在建筑鋼結構工程取得快速發展的背景下，厚板鋼材得到了廣泛使用。而該類鋼材焊接難度較大，使用過程中焊縫周圍容易發生低溫脆性斷裂問題。因此，還要加強鋼結構厚板對接焊縫低溫沖擊韌性試驗研究，從而加強鋼材質量控制。

1鋼結構厚板對接焊縫低溫沖擊韌性試驗

1.1試驗目的

鋼結構厚板在焊接的過程中容易受對接焊縫影響，導致結構出現層狀撕裂。在低溫環境下，鋼板及焊縫脆性破壞傾向將加劇，導致低溫冷脆現象發生。為確定鋼結構厚板對接焊縫低溫沖擊韌性，按照國家標準《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》（GB/T229-2007）規定進行鋼結構厚板取樣和加工，對得到的V型缺口試樣開展沖擊試驗[1]。針對焊縫和熱影響區，需要實現全厚度取樣，分別在20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃五個條件點選用4個試樣，對試驗點沖擊功值進行測量，探索試樣沖擊韌性變化規律。

1.2試驗方法

選取的試樣材料為首鋼生產的Q345B，厚度達150mm，主要化學成分碳、錳、硅、硫、磷的質量分數分別為0.19%、1.51%、042%、0.018%、0.017%。試樣對接焊縫為單邊V形坡口，缺口寬8到10mm。取樣方向與焊縫方向垂直，在距離鋼板表面0、1/4、1/2、3/4的厚度位置。焊縫區缺口中心與所在位置焊縫寬中心重合，熱影響區試樣缺口中心與垂直熔合線保持2mm距離，采用平焊方式進行常溫焊接。采用的焊接方法是二氧化碳氣體保護焊，電流在250到300A之間，電壓在28到35V之間，焊絲直徑達1.2mm，型號為H08Mn2SiA，以30到45cm/min的速度送絲。

1.3試驗條件

試驗采用CSS-2220電子萬能試驗機，利用高低溫環境保溫箱對試樣進行冷卻降溫，具體需要在箱內通入液氮和空氣混合蒸汽的冷卻介質。采用溫度計最小分度值為1℃，量程在-80到50℃之間。利用夾具將冷卻后的試樣放在SANS擺錘式沖擊試驗機上，可以開展沖擊試驗。設備標準打擊能量為300J，試驗需要從20℃進行，然后逐步降溫。按照要求，試樣冷卻時間應達到5min以上。取樣時夾具溫度與介質溫度相同，試樣的放置應緊貼支座，缺口背面朝向刀刃，對稱面偏差不超出0.5mm[2]。

2鋼結構厚板對接焊縫低溫沖擊韌性試驗結果

2.1沖擊韌性變化規律

從沖擊韌性變化情況來看，可以將距表面1/4厚度處的試驗值當成是典型值對沖擊韌性隨溫度變化規律進行分析。在20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃的條件下，焊縫區沖擊能分別為138.8J、126.5J、102.9J、31.2J、18.5J，熱影響區沖擊能分別為82.2J、59.8J、35.2J、5J、3.1J，母材沖擊能分別為87.3J、72.8J、28.3J、8.8J、3.5J。由此可見，在溫度不斷降低的過程中，沖擊能均呈現出降低趨勢，能夠使清晰的韌脆轉變過程得到展現，體現材料的低溫脆性。相比較而言，焊縫區擁有較高沖擊韌性，熱影響區沖擊韌性最低，因此能夠說明焊接帶來的熱影響給周圍材質帶來了不良影響。在沖擊韌性隨厚度變化情況展開分析時，可以選取20℃、-20℃、-40℃三個點。在20℃條件下，在距表面0、1/4、1/2、3/4的厚度位置焊縫區沖擊能分別為125J、138J、119J、132J，溫度降低至-20℃分別為117J、102J、73J、85J，溫度達-40℃分別為46J、31J、73J、58J。從整體來看帶有隨機波動性質，缺少明顯變化規律，無需針對中心位置取樣。針對熱影響區，20℃條件下，在距表面0、1/4、1/2的厚度位置焊縫區沖擊能分別為120J、82J、73J，溫度降低至-20℃分別為59J、35J、23J，溫度達-40℃分別為9J、5J、4J，變化規律與母材基本一致，相較于母材沖擊韌性有所惡化，呈現出性能從表面到中心不斷降低的趨勢，與受到的中心偏析現象影響有關。

2.2厚板韌脆轉變溫度

采用Boltzmann函數完成試驗結果回歸分析可以發現，焊縫區下平臺能、上平臺能分別為16.7J和134.4J，韌脆轉變溫度為-26.8℃，轉變溫度范圍為7℃，熱影響區下平臺能、上平臺能分別為1.5J和89.8J，韌脆轉變溫度為-11.2℃，轉變溫度范圍為14℃，母材下平臺能、上平臺能分別為4.2J和89.6J，韌脆轉變溫度為-12.1℃，轉變溫度范圍為8.7℃。韌脆轉變溫度越大，說明材料越容易發生韌脆轉變。由此可見，焊縫區沖擊韌性較好，但沖擊性不可控，熱影響區韌脆轉變溫度比母材高，為薄弱環節。

2.3鋼結構厚板沖擊韌性

采用放大倍數1000倍的電鏡進行試樣斷口掃描可以發現，溫度高時斷口纖維區明顯，存在典型韌窩分布，塑性變形較大，低溫時則會消失。放射區在溫度高時存在少量韌窩分布和較多撕裂棱，低溫時將逐漸減少，呈現出明顯脆性。比較焊縫區和熱影響區可知，熱影響區撕裂棱更少，沖擊韌性較差。

結論：

針對鋼結構厚板，通過開展對接焊縫低溫沖擊韌性試驗可以發現，焊縫區和熱影響區沖擊功隨溫度降低迅速下降，帶有低溫脆性特征。而熱影響區沖擊韌性惡化，屬于焊接薄弱環節。

參考文獻：

[1]尹飛，周暉，王元清等.A572 Gr.50厚板對接焊縫斷裂性能研究[J].工程力學，2018，35（06）：42-51.

[2]海潮.厚板對接焊縫殘余應力有限元分析[J].建設科技，2017（22）：114-115.