裝配式建筑用耐候鋼的焊接熱模擬

潘進　信瑞山　安會龍　年保國　姚紀壇

摘要：對新開發的一種屈服強度Q390級別的裝配式建筑用高強耐候鋼進行焊接熱模擬研究。結果表明，粗晶區硬度最高，沖擊功最低，為焊接接頭薄弱區域。隨著熱輸入的增加，粗晶區組織由板條貝氏體向粒狀貝氏體轉變，硬度隨之下降，沖擊功呈現先升高后下降的趨勢，在熱輸入為15 kJ/cm時沖擊功達到最大236 J。進一步觀察斷面形貌及斷口截面金相發現，熱輸入過小時，淬硬組織多，斷裂過程微塑性變形小，沖擊性能差;熱輸入超過20 kJ/cm時，隨著熱輸入增加，阻止裂紋擴展能力下降，沖擊功下降。

關鍵詞：裝配式建筑;焊接熱模擬;熱輸入;粗晶區

中圖分類號：TG457.1文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0060-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.11

0 前言

鋼結構裝配式建筑具有自重輕、工期快、環境友好的優勢，同時在抗震性能、產品質量和得房率等方面也優于鋼筋-混凝土建筑，近年來獲得國家政策的大力推廣[1-3]。耐候鋼是一種具有良好耐候性能的低合金結構鋼，通過添加一定量的Ni、Cr、Cu、P等合金元素使其在腐蝕過程中表面形成穩定致密的防護銹層，從而減緩腐蝕[4-5]。將高強度耐候鋼應用于裝配式建筑，則可使裝配式建筑具有更長的壽命，進一步發揮裝配式建筑的優勢[6-7]。在鋼結構裝配式建筑施工過程中，焊接工序必不可少，因此該高強度耐候鋼用于裝配式建筑前必須對其焊接性能進行評價。

焊接熱模擬技術是評價焊接性能、摸索焊接工藝參數的常用方法。吳軍[8]等人使用焊接熱模擬技術研究了不同t8/5時間下AMSESA213-T29鋼種粗晶區硬度及沖擊韌性的變化規律。張俠洲[9]等人使用焊接熱模擬試驗機對耐候橋梁鋼Q420qNH的粗晶區低溫沖擊韌性和耐電化學腐蝕性能進行了研究。秦華[10]等人采用焊接熱模擬技術通過設定不同峰值溫度研究了BWELDY960Q鋼焊接熱影響區各區域組織與性能的變化規律。但關于裝配式建筑用高強度耐候鋼目前還沒有相關的研究報道。本文采用Gleeble3800熱模擬試驗機對裝配式建筑用高強度耐候鋼焊接熱影響區的組織及性能變化規律進行研究，分析焊接熱影響區各區域的組織性能，重點研究接頭薄弱區域粗晶區不同熱輸條件下的組織及性能演變規律。最終根據試驗結果對其焊接性能進行評估，提出了適用于該鋼種的最佳焊接參數設定方案。

1 試驗材料與方法

試驗材料為最新研發生產的屈服強度Q390級別裝配式建筑用耐候鋼，厚度12 mm，其化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。金相組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體組織，如圖1所示。

采用熱模擬試驗機進行焊接熱模擬試驗，試樣尺寸71 mm×11 mm×11 mm。Gleeble3800可輸入熱輸入、加熱速度、峰值溫度、峰值停留時間、模擬板厚等參數，根據輸入的參數執行相應的升溫和冷卻曲線，同時可輸出t8/5時間。試驗參數設定為：模擬板厚12 mm，加熱速度100 ℃/s，峰值停留時間1 s。為研究熱影響區粗晶區、細晶區及不完全轉變區的組織及性能轉變，熱輸入固定為20 kJ/cm，設定不同的峰值溫度，如表3所示;為研究不同熱輸入下粗晶區的組織及性能轉變，固定峰值溫度為1 300 ℃，設定不同的熱輸入，如表4所示。

熱模擬后將試樣加工為10 mm×10 mm×55 mm標準沖擊試樣進行室溫沖擊試驗，沖擊坡口開在熱模擬過程中焊接熱電偶的位置，每組參數使用3個平行樣進行沖擊試驗。取焊接熱模擬后的截面經研磨拋光后進行組織觀察及維氏硬度測試，每個參數下的試樣進行3個點的維氏硬度測試，并取平均值。

2 試驗結果分析

2.1 熱影響區不同區域組織及性能分析

熱影響區不同區域的硬度-沖擊功柱狀圖及所對應的金相組織如圖2所示。圖2b為峰值溫度1 300 ℃的金相組織，對應焊接熱影響區的過熱區，其組織為呈板條狀分布的貝氏體。在加熱過程中由于峰值溫度大大高于Ac1溫度，完成了奧氏體轉變并且晶粒長大，在較快的冷速下轉變為板條分布的貝氏體組織。圖2c為峰值溫度1 100 ℃的金相組織，對應焊接熱影響區的正火區，其組織為少量鐵素體+粒狀貝氏體組織，且晶粒細小。其峰值溫度高于Ac1溫度，完成了奧氏體轉變但晶粒并未過分長大，在冷卻過程中形成細小的鐵素體+貝氏體組織。圖2d為峰值溫度870 ℃的金相組織，對應焊接熱影響區的不完全轉變區，其組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體組織，晶粒較為粗大并保留有母材帶狀組織特征。其峰值溫度略高于Ac1溫度，加熱過程中僅有部分組織奧氏體化，在冷卻過程中奧氏體化的組織轉變為粒狀貝氏體組織，未奧氏體化的組織仍保持為母材的鐵素體+珠光體組織。

如圖2a所示，按照從粗晶區到細晶區再到不完全轉變區的順序，即隨著峰值溫度的降低，硬度呈現出下降趨勢，沖擊功呈現出上升趨勢。硬度的下降表明隨著峰值溫度降低，冷卻過程中形成的淬硬組織減少。淬硬組織不利于材料的韌性，因此隨著硬度降低的同時呈現出了沖擊功上升的趨勢。對于焊接接頭熱影響區，其粗晶區位置最容易產生淬硬組織且晶粒長大嚴重，表現出硬度高沖擊性能差的特征，是焊接熱影響區性能的短板。

2.2 熱影響區不同區域組織及性能分析

不同熱輸入下獲得的熱影響區粗晶區的金相組織照片如圖3所示。當熱輸入設定為10～40 kJ/cm范圍內時熱模擬所得粗晶區的金相組織均為貝氏體組織，并且隨著熱輸入的增加逐漸由板條貝氏體向粒狀貝氏體轉變。當熱輸入為10～15 kJ/cm時（見圖3a、3b），粗晶區組織為板條貝氏體，原奧晶界依稀可見，且熱輸入為15 kJ/cm時粗晶區原奧晶粒尺寸略大于10 kJ/cm時粗晶區原奧晶粒尺寸，貝氏體板條也更粗。當熱輸入為20～30 kJ/cm時（見圖3c、圖3d），粗晶區仍為呈板條狀分布的貝氏體組織，但已觀察不到原奧組織晶界。其細微結構可見內部為不連續的M-A島，故判斷為粒狀貝氏體組織。并且隨著熱輸入的增加，貝氏體板條的寬度隨之增大。當熱輸入為40 kJ/cm時（見圖3e），其組織仍為粒狀貝氏體，可觀察到部分先共析鐵素體沿原奧晶界向晶內長大，具有一定的魏氏組織形態。

測量不同熱輸入模擬獲得的粗晶區試樣的硬度，如圖4所示，在熱輸入為10 kJ/cm時硬度值最高，隨著熱輸入的增加，硬度呈現明顯的下降趨勢。這是由于熱輸入越大對應的t8/5時間越長，即冷速越慢，產生的淬硬組織則越少。硬度變化趨勢與圖3所示粗晶區組織隨熱輸入增加由板條貝氏體轉化為粒狀貝氏體且晶粒尺寸增加的演化趨勢相一致。

焊接熱影響區最高硬度是評價焊接接頭質量的重要指標，硬度值越高，材料的淬硬性和冷裂紋產生傾向越大，一般認為當熱影響區最高硬度超過350 HV時有較大的冷裂紋產生傾向，需要焊前進行預熱。由圖4可知，在熱輸入為10～40 kJ/cm范圍內，熱模擬獲得粗晶區的硬度值（可代表焊接接頭最高硬度）均在350 HV以下，表明該鋼種焊接性能良好，焊前無需預熱。

2.3 不同熱輸入下粗晶區沖擊性能及斷裂行為分析

不同熱輸入下，粗晶區沖擊性能如圖5所示，隨著熱輸入的增加，粗晶區沖擊功呈現出先增加后降低的趨勢。在熱輸入為10 kJ/cm時，沖擊功最小為166 J;在熱輸入為15 kJ/cm時，沖擊功達到最大值263 J;當熱輸入升至20～40 kJ/cm時，沖擊功呈現隨熱輸入增加（即t8/5時間延長）而下降的趨勢，在熱輸入為40 kJ/cm時沖擊功降至205 J。

與母材沖擊功177 J相比，除熱輸入為10 kJ/cm時的粗晶區沖擊功略低于母材外，其余參數下的沖擊性能均優于母材。表明該鋼種焊接性能良好，能適應較大的熱輸入參數范圍。

為分析上述沖擊功變化規律的機理，選取熱輸入分別為10 kJ/cm、15 kJ/cm和40 kJ/cm 的3個試樣，觀察其沖擊斷口形貌和斷口截面組織，如圖6所示。不同熱輸入下的3個試樣沖擊斷口形貌均呈韌窩特征，通過截面金相可發現靠近斷口的貝氏體板條發生指向斷裂方向的塑性變形，表明其斷裂方式均為韌性斷裂。熱輸入為10 kJ/cm時（見圖6a、6d），斷口韌窩較淺，撕裂棱密度較低，截面金相表面僅部分區域貝氏體板條發生變形，且變形區域的深度較淺。這是由于該熱輸入下冷速較快，冷卻過程中生成淬硬組織，在斷裂過程中產生的微塑性變形有限，造成沖擊性能不佳。熱輸入為15 kJ/cm時（見圖6b、6e），斷口可觀察到大而深的韌窩，通過截面金相也可觀察到靠近斷口位置板條貝氏體均發生變形，變形區域深度也明顯增加，斷面邊緣參差不齊，可有效阻止裂紋的擴展，此時沖擊性能達到最佳。熱輸入為40 kJ/cm時（見圖6c、6f），斷口形貌為細密的韌窩，截面金相可觀察到大區域的貝氏體組織發生變形，但其邊緣位置較為平滑，表明此時斷裂過程裂紋擴展阻力低，造成沖擊功降低。有分析認為熱輸入增加時，隨著粗晶區組織由板條貝氏體向粒狀貝氏體轉變，且原奧晶粒長大，大角晶界密度降低，導致裂紋更容易擴展[9]。

4 結論

12 mm厚Q390級裝配式建筑用耐候鋼焊接熱模擬試驗結論如下：

（1）粗晶區為貝氏體組織，細晶區為鐵素體+粒狀貝氏體組織且晶粒細小，不完全轉變區為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體組織。粗晶區硬度最高，沖擊性能最差。

（2）隨著熱輸入的增加，粗晶區顯微組織由板條貝氏體向粒狀貝氏體轉變且晶粒變粗大，硬度降低;沖擊功呈現先增高后降低的趨勢，在熱輸入為15 kJ/cm時沖擊功達到最大值。當熱輸入低于10 kJ/cm時，淬硬組織較多，沖擊性變差;熱輸入超過20 kJ/cm時，裂紋易于擴展，沖擊功降低。推薦最佳熱輸入控制范圍為15～20 kJ/cm。

（3）該鋼種焊接性能良好，焊接工藝窗口寬。厚度12 mm板材在熱輸入為10～40 kJ/cm時，粗晶區最高硬度均小于350 HV，冷裂紋產生傾向小。除熱輸入為10 kJ/cm時的沖擊功略低于母材，其余熱輸入下的沖擊功均高于母材。

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