J390FR耐火鋼焊條模擬火災條件下高溫性能

陳林恒， 劉厚濤， 陳波， 范益， 霍樹斌

(1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇省高端鋼鐵材料重點實驗室，江蘇 南京 210035；2.哈爾濱威爾焊接有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 前言

國內外鋼結構的大型建筑、高層建筑不斷涌現，建筑鋼結構的防火工藝設計已成為保證建筑安全的必要措施之一。普通建筑用鋼受熱時其強度和承載能力迅速降低，不能滿足設計要求[1-2]。耐火型高建鋼是一種具有優異高溫性能的材料，在600 ℃高溫狀態下，耐火型高建鋼可以保持2/3 以上的室溫屈服強度，在火災發生時，耐火鋼結構的建筑具有更高的安全性[3-4]。目前國內外耐火鋼板材包括傳統型和南京鋼鐵股份有限公司研發的“智能型”耐火鋼，其性能機理性研究相對完整，但是不同級別耐火鋼配套用焊材研究開發相對較少。通過對焊材生產廠商的調研，目前，國外僅有日本神鋼對不同級別耐火鋼配套用焊材進行研究開發，國內尚無焊材生產廠商進行研制。因此，該研究是哈爾濱威爾焊接有限責任公司為390 MPa級耐火鋼提供配套焊條，并研究耐火鋼焊條熔敷金屬高溫性能穩定的機理，為不同級別耐火鋼配套焊材研究提供理論依據。

1 試驗方法

為了滿足390 MPa級耐火鋼配套焊條熔敷金屬性能要求(性能要求見表1)，試驗中焊條用焊芯保持不變，通過焊條藥皮向熔敷金屬中過渡元素，調整合金元素含量，最終獲得三批次焊條小樣；焊接用試板是由南京鋼鐵股份有限公司提供，牌號是Q390FR，尺寸為300 mm×300 mm×20 mm，開V形坡口，坡口角度45°焊接工藝參數見表2。焊后將試板加工成10 mm×10 mm×55 mm標準夏比V形缺口沖擊試樣和φ10 mm的室溫和高溫拉伸試樣。金相試樣選擇焊態拉伸試樣和熱處理后經過高溫拉伸試驗后的試樣進行金相觀察。金相試樣經研磨拋光兩端面后采用腐蝕劑腐蝕10～30 s，觀察其金相組織形貌。

表1 390 MPa級耐火鋼配套焊條熔敷金屬性能要求

表2 焊接工藝參數

2 試驗結果與分析

2.1 焊條熔敷金屬化學成分

試驗通過改變焊條藥皮中不同合金元素含量，向熔敷金屬中過渡，主要包括C，Mn，Ni，Mo四種合金元素，并制備了三批次焊條小樣，焊條熔敷金屬化學成分見表3。

表3 三批次焊條小樣化學成分(質量分數，%)

2.2 焊條熔敷金屬力學性能試驗結果

2.2.1焊條熔敷金屬沖擊性能

焊條熔敷金屬低溫沖擊試驗按照標準GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》的要求進行，試驗結果見表4。從表4可以得出，三批焊條熔敷金屬低溫沖擊韌性均能滿足在-40 ℃下沖擊吸收能量大于34 J要求，低溫沖擊韌性在低強度耐火鋼配套焊條熔敷金屬性能較容易達到。

表4 三批次焊條小樣熔敷金屬沖擊性能

2.2.2焊條熔敷金屬拉伸性能

焊條熔敷金屬室溫拉伸試驗、高溫拉伸試驗分別按照標準GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》，GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗第2部分：高溫試驗方法》的要求進行，試驗結果見表5。熱處理狀態600 ℃×3 h是模擬經歷火災狀態下焊條熔敷金屬所經歷的高溫情況。表3和表5分別為研制三批焊條小樣熔敷金屬化學成分和不同熱處理狀態下的拉伸性能，耐火鋼用焊材熔敷金屬主要考察室溫屈服強度、在遭受火災情況下高溫屈服強度。

表5 三批次焊條小樣熔敷金屬拉伸性能

1號是傳統390 MPa級低合金結構鋼配套焊條，其室溫屈服強度較高，超過標準中板材技術要求345～510 MPa，同時模擬火災狀態的熱處理后，其高溫屈服強度會發生大幅度降低，從而喪失結構鋼相應的承載能力。

與1號焊條相比，2號和3號焊條均增加元素Mo的含量，其中3號焊條降低合金元素C和Mn含量。結果表明，2號焊條熔敷金屬室溫屈服強度超出了技術要求上限值，但高溫屈服強度強度提高。3號焊條熔敷金屬室溫屈服強度降低，高溫強度未發生明顯變化，能夠與標準中板材技術要求相匹配，因此3號焊條化學成分設計最為合理。

通過三批次焊條小樣熔敷金屬化學成分和力學性能對比，合金元素C和Mn對室溫屈服強度影響作用較為明顯，隨著C和Mn合金元素含量降低，室溫屈服強度下降較為明顯，但對高溫屈服強度影響不大；Mo對室溫和高溫屈服強度均有顯著影響，尤其有利于提高焊條熔敷金屬高溫屈服強度。

2.3 焊條熔敷金屬微觀組織

2.3.11號焊條熔敷金屬微觀組織

圖1是1號焊條熔敷金屬在焊態和經模擬二次火災(600 ℃×3 h)狀態下微觀組織，白色區為先共析鐵素體，灰白區為貝氏體以及在晶界析出黑色區的碳化物。焊縫中心和前道焊縫熔敷金屬的重熱過熱區經600 ℃高溫處理后，組織未發生明顯變化，均是由先共析鐵素體、貝氏體和少量晶界析出碳化物。前道焊縫熔敷金屬的重熱不完全正火區，鐵素體晶界存在較多斷續狀的碳化析出物，呈一定方向性。分析認為該區域經過焊接熱循環過程，沿原焊縫柱狀晶組織方向分解析出的碳化物。這些碳化析出物不利于熔敷金屬力學性能[5]，從而降低了整體焊縫的高溫性能。

圖1 1號焊條熔敷金屬在焊態和經模擬二次火災狀態下微觀組織

2.3.22號焊條熔敷金屬微觀組織

2號焊條熔敷金屬在焊態和經模擬二次火災(600 ℃×3 h)狀態下的微觀組織，如圖2所示。焊縫中心均為典型的柱狀晶組織，由白色區的鐵素體+灰白區的貝氏體組成；前道焊縫熔敷金屬的重熱過熱區晶粒尺寸相對較大，組織均為白色區的鐵素體和灰黑區的貝氏體；前道焊縫熔敷金屬的重熱不完全正火區，晶粒尺寸細小，組織均是由白色區的鐵素體、少量灰黑區的貝氏體和分布均勻的黑色M-A組成，且經過600 ℃高溫回火后，M-A數量減少。

圖2 2號焊條熔敷金屬在焊態和經模擬二次火災狀態下微觀組織

Liu等人[6]研究認為，溫度升高時，M-A組織中的馬氏體發生分解，硬度下降，殘余奧氏體也發生轉變，形成回火馬氏體，同時M-A分解也生成碳化物分布于在鐵素體晶界，阻礙了晶界的相互融合和移動，防止晶粒粗化，從而保證高溫強度穩定。同時，在600 ℃高溫，溶于M-A的Mn，Mo合金元素分解并移動到滲碳體中，阻止合金滲碳體長大，使合金滲碳體形成細小彌散的顆粒，保證了組織在600 ℃高溫下的穩定性。

2.3.32號焊條熔敷金屬掃描電鏡組織

2號焊條熔敷金屬通過掃描電鏡觀察(如圖3所示)發現，其焊縫金屬是由先共析鐵素體、針狀鐵素體及晶界析出的碳化物，結合能譜分析發現(52號能譜分析區域是析出碳化物，53號能譜分析區域是針狀鐵素體，54號能譜分析區域是先共析鐵素體)，Mo元素主要以兩種形式存在，一是固溶于先共析鐵素體，二是在晶界處以碳化物形式析出。姚運等人[7]研究表明，在耐熱鋼中，當Mo<0.3%，Mo元素主要以固溶在鐵素體中為主，600 ℃高溫狀態鐵素體化熱處理鋼屈服強度是通過固溶強化作用提高；Mo>0.3%時，出現析出相Mo2C，隨著Mo元素含量的增加Mo2C數量和尺寸明顯增加，其高溫屈服強度通過固溶強化和沉淀強化共同作用來提高。

圖3 2號焊縫金屬掃描電鏡下組織形貌

表6 EDS能譜分析結果(質量分數，%)

焊縫金屬和前道焊縫熔敷金屬的重熱過熱區處于高溫區，伴隨著焊道的快速冷卻，來不及析出M-A組織。因此2號焊條熔敷金屬中焊縫金屬和前道焊縫熔敷金屬的重熱過熱區，高溫屈服強度增量主要依靠固溶強化和沉淀強化作用獲得。

3 結論

(1)研制的耐火鋼焊條熔敷金屬中合金元素C和Mn對室溫屈服強度影響作用較為明顯，隨著C和Mn合金元素含量降低，室溫屈服下降較為明顯，但對高溫屈服強度影響不大； Mo對室溫和高溫屈服強度均有顯著影響，尤其有利于提高焊條熔敷金屬高溫屈服強度。

(2)Mo含量較低的低合金高強鋼焊條熔敷金屬主要由先共析鐵素體、貝氏體和碳化析出物組成，前道焊縫熔敷金屬的重熱不完全正火區的碳化物，主要在鐵素體晶界析出，呈一定方向性，使高溫屈服強度降低程度較大。

(3)研制的耐火鋼焊條熔敷金屬組織包括先共析鐵素體、貝氏體以及M-A，經過高溫處理后，由于M-A組織分解，形成細小彌散的碳化物，阻止晶粒長大，保證了組織在600 ℃高溫下的穩定性；Mo元素主要存在于焊縫金屬的先共析鐵素體和晶界析出的碳化物中，依靠固溶強化和沉淀強化在一定程度上提高了高溫屈服強度。