建筑結(jié)構(gòu)用690 MPa級(jí)低屈強(qiáng)比焊條J807GD的研制

張學(xué)剛，陳振業(yè)，陳 燕，吝章國(guó)，胡鵬亮，陳 波

1.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060

2.河鋼股份有限公司，河北 石家莊 050023

0 前言

近年來(lái)為了滿足現(xiàn)代建筑高層化、結(jié)構(gòu)大跨化的發(fā)展要求，建筑結(jié)構(gòu)用鋼板正逐步向系列化方向發(fā)展，不僅可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低建造成本，還能提高結(jié)構(gòu)的可靠性。國(guó)外的建筑結(jié)構(gòu)用鋼板的強(qiáng)度級(jí)別從主流的490 MPa、590 MPa級(jí)發(fā)展至更高級(jí)別的690 MPa級(jí)，如德國(guó)柏林索尼中心大樓的屋架結(jié)構(gòu)采用了S460和S690鋼材，澳大利亞悉尼的星城飯店部分結(jié)構(gòu)也采用了650 MPa和690 MPa鋼材[1]。在國(guó)內(nèi)，建筑結(jié)構(gòu)用鋼板仍以Q345為主，近年來(lái)Q390GJ、Q460GJ系列鋼越來(lái)越被建筑設(shè)計(jì)者青睞，在建筑工程中得到了一定的應(yīng)用[2-3]，如廣州新電視塔、天津津塔、鳥(niǎo)巢、中央電視臺(tái)新臺(tái)址主樓等，各鋼鐵企業(yè)及高校都在積極進(jìn)行建筑工程用Q690GJ鋼板的研制和開(kāi)發(fā)[4-5]。同時(shí)為了提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)用鋼板提出了一些特殊要求，如具有足夠高的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度、較高的塑韌性以及較低的屈強(qiáng)比等[6]。

目前690 MPa級(jí)建筑結(jié)構(gòu)用鋼板的焊接大多采用國(guó)外進(jìn)口焊條[7]，實(shí)現(xiàn)配套焊條國(guó)產(chǎn)化是現(xiàn)在亟待解決的問(wèn)題。張慶素[8]采用自行研發(fā)的焊絲和焊劑對(duì)Q690鋼進(jìn)行埋弧焊熔敷金屬性能研究，隨著熱輸入增大，熔敷金屬拉伸性能總體呈下降趨勢(shì)，在恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù)下，熔敷金屬抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、-40℃沖擊功滿足目標(biāo)要求。690 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼焊接時(shí)主要存在兩個(gè)問(wèn)題，一是焊接的冷裂紋敏感性問(wèn)題，二是焊縫的強(qiáng)度和韌性。冷裂紋的敏感性通過(guò)選擇超低氫焊材，進(jìn)行正確的預(yù)熱，控制層間溫度及采用合理的焊接參數(shù)即可解決；而焊縫的強(qiáng)韌性匹配則與焊接材料和焊接工藝的優(yōu)化有關(guān)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試件制備

焊接材料為自主研發(fā)的φ4.0 mm J807GD焊條，熔敷金屬力學(xué)性能對(duì)接試板為Q235鋼板，尺寸為300 mm×300 mm×20 mm，坡口形式為20°V形，焊機(jī)采用松下YD-630AT。先在坡口堆焊厚度為5 mm的過(guò)渡層，根部間隙為16 mm，墊板尺寸為300 mm×30 mm×10 mm。

綜合考慮對(duì)焊條的工藝性和熔敷金屬?gòu)?qiáng)韌性的技術(shù)要求，研制的J807GD焊條采用H04E焊芯，選用CaO-CaF2-SiO2堿性渣系，該渣系含有較多的大理石、螢石和鐵合金，從而降低了焊縫中氫和氧的含量，堿性渣系有利于提高熔敷金屬的沖擊韌性，其藥皮的主要化學(xué)成分如表1所示。同時(shí)，焊條采用Mn-Ni-Cr-Mo作為合金體系，并針對(duì)各合金元素的相互關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的成分調(diào)整。

表1 藥皮的主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Main chemical composition of coating of electrode（wt.%）

1.2 試驗(yàn)方法

采用焊條電弧焊，平焊和立焊位置焊接工藝參數(shù)如表2所示。焊后分別按照GB/T2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》、GB/T2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》要求，進(jìn)行熔敷金屬拉伸試驗(yàn)及-40℃沖擊試驗(yàn)；按照GB/T3965—2012《熔敷金屬中擴(kuò)散氫測(cè)定方法》要求進(jìn)行熔敷金屬擴(kuò)散氫含量測(cè)試。采用奧林巴斯GX53F光學(xué)顯微鏡觀察J807GD焊條熔敷金屬的顯微組織。

表2 φ4.0 mm焊條平、立焊推薦工藝參數(shù)Table 2 Recommended parameters of flat and vertical position of welding forφ4.0 mm electrode

建筑用高強(qiáng)鋼焊縫金屬的強(qiáng)韌性匹配及屈強(qiáng)比控制是J807GD焊條研制過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。文中在平焊工藝參數(shù)條件下，通過(guò)改變焊接電流和道間溫度研究其對(duì)熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊條的工藝性能

J807GD焊條焊接過(guò)程中不易產(chǎn)生發(fā)紅和氣孔等問(wèn)題，平焊、立焊的工藝性優(yōu)良。平焊時(shí)，電弧穩(wěn)定，再引弧容易，飛濺較小，焊道表面波紋細(xì)密，易脫渣；立焊時(shí)，藥皮熔化均勻，熔池清晰，細(xì)熔滴過(guò)渡，焊縫金屬不下淌。圖1分別為平焊脫渣前、后及立焊脫渣后的宏觀形貌。

圖1 宏觀形貌Fig.1 Marco appearance of electrode welding

2.2 熔敷金屬力學(xué)性能

平焊及立焊時(shí)的熔敷金屬室溫拉伸及-40℃低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果分別如圖2、圖3及表3所示，屈強(qiáng)比≤0.92，屈服強(qiáng)度≥720 MPa，平焊和立焊時(shí)-40 ℃低溫沖擊吸收能量的平均值分別為79 J和60 J，均滿足技術(shù)要求。

圖2 拉伸試驗(yàn)后形貌（平焊）Fig.2 Appearance after tensile test（flat position of welding）

圖3 拉伸試驗(yàn)后形貌（立焊）Fig.3 Appearance after tensile test（vertical position of welding）

表3 熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of mechanical properties of deposited metal

2.3 顯微組織

圖4為J807GD焊條熔敷金屬的顯微組織，典型組織為貝氏體+針狀鐵素體，組織中針狀鐵素體的存在有利于提高焊縫的沖擊韌性。

圖4 熔敷金屬顯微組織Fig.4 Microstructure of deposited metal

2.4 擴(kuò)散氫含量

水銀法擴(kuò)散氫試驗(yàn)要求為：熔敷金屬擴(kuò)散氫含量HD≤5 mL/100 g。試驗(yàn)結(jié)果為3.1 mL/100 g，滿足技術(shù)要求。

2.5 合金元素對(duì)屈強(qiáng)比的影響

2.5.1 Mn含量對(duì)屈強(qiáng)比的影響

在其他主要成分不變的情況下，不同Mn含量（1.0%～2.0%）對(duì)熔敷金屬屈強(qiáng)比的影響如圖5所示。熔敷金屬中適量的Mn既能提高焊縫沖擊韌性也可提高焊縫強(qiáng)度，但含量過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致屈強(qiáng)比＞0.92，因此應(yīng)將Mn含量控制在中限值。Mn元素是奧氏體化元素，能夠擴(kuò)大穩(wěn)定奧氏體相區(qū)，推遲二次相變溫度，同時(shí)還具有一定的細(xì)化二次組織的作用。當(dāng)Mn含量繼續(xù)增加時(shí)，熔敷金屬?gòu)?qiáng)度明顯提高，沖擊吸收能量降低。

圖5 Mn含量對(duì)屈強(qiáng)比的影響Fig.5 Effect of Mn content on yield ratio

2.5.2 Cr含量對(duì)屈強(qiáng)比的影響

不同Cr含量（≤0.50%）對(duì)熔敷金屬屈強(qiáng)比的影響如圖6所示。結(jié)果表明，在焊縫中添加適量的Cr可以提高焊縫的韌性，但含量過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致屈強(qiáng)比＞0.92，因此應(yīng)將Cr含量控制在中限值。

圖6 Cr含量對(duì)屈強(qiáng)比的影響Fig.6 Effect of Cr content on yield ratio

2.5.3 Cu含量對(duì)屈強(qiáng)比的影響

不同Cu含量（0.1%～1.0%）對(duì)熔敷金屬屈強(qiáng)比的影響如圖7所示。結(jié)果表明，隨著Cu含量的增加，顯著提高了焊縫的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致屈強(qiáng)比＞0.92，因此應(yīng)將Cu含量控制在下限值。

圖7 Cu含量對(duì)屈強(qiáng)比的影響Fig.7 Effect of Cu content on yield ratio

2.6 工藝參數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響

在平焊工藝參數(shù)條件下，通過(guò)改變焊接電流大小研究其對(duì)熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊性能的影響，如圖8所示。結(jié)果表明，焊接電流在160～190A時(shí)，熔敷金屬力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求，且隨著焊接電流的增加，熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度變化較小，在大電流190A時(shí)，熔敷金屬?zèng)_擊性能略好一些。

圖8 焊接電流對(duì)力學(xué)性能的影響Fig.8 Effect of welding current on mechanical properties

在平焊工藝參數(shù)條件下，通過(guò)改變道間溫度研究其對(duì)熔敷金屬低溫沖擊性能及屈強(qiáng)比的影響，如圖9所示。結(jié)果表明，當(dāng)焊接電流為160 A，道間溫度在80～200℃時(shí)，熔敷金屬力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求，道間溫度對(duì)熔敷金屬低溫沖擊性能及屈強(qiáng)比的影響較小。

圖9 道間溫度對(duì)力學(xué)性能的影響Fig.9 Effect of interpass temperature on mechanical properties

3 討論

690 MPa級(jí)建筑結(jié)構(gòu)用鋼配套焊條的研制難點(diǎn)主要有四點(diǎn)：一是焊條全位置焊接工藝性的優(yōu)化；二是熔敷金屬擴(kuò)散氫含量的降低；三是強(qiáng)韌性匹配問(wèn)題，四是屈強(qiáng)比的控制。

J807GD焊條采用CaO-CaF2-SiO2堿性渣系。首先，必須嚴(yán)格控制大理石與氟化物的比例，一定量的大理石分解產(chǎn)生的大量CO2氣體，可以加強(qiáng)保護(hù)電弧的作用，阻止熔池和熔滴與氫的直接接觸，但過(guò)量的大理石也會(huì)影響熔渣的流動(dòng)性及焊縫成形；氟化物具有很強(qiáng)的去氫作用，但過(guò)量的氟化物也會(huì)影響電弧的穩(wěn)定性。同時(shí)，在藥皮中按比例添加不同種類的氟化物，調(diào)整熔渣黏度，從而改善焊條立焊及仰焊的工藝性。另外，在藥皮中添加少量氧化物，能夠起到細(xì)化熔滴、穩(wěn)定電弧的作用，從而改善焊條的立焊焊接工藝性。其次，對(duì)藥皮中某些帶有結(jié)晶水的粉料進(jìn)行了預(yù)烘焙，進(jìn)一步降低焊縫的擴(kuò)散氫含量。同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)暮笚l外徑，得到長(zhǎng)短適宜的套筒，進(jìn)一步改善焊條平焊及立焊的焊接工藝性。

建筑用高強(qiáng)鋼焊縫金屬的強(qiáng)韌性匹配及屈強(qiáng)比控制是J807GD焊條研制過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。首先，在保證高抗拉強(qiáng)度的前提下，通過(guò)合理控制焊縫中合金元素的含量及比例，將Mn、Cr含量控制在中限，將Cu含量控制在下限，并采用適宜的焊接工藝[10]，可以有效地改善焊縫金屬的顯微組織，提高焊縫金屬的韌性，降低焊縫的屈強(qiáng)比。其中添加適量的Mn可以促進(jìn)針狀鐵素體的形成[11]，Mn也是優(yōu)良的脫硫劑、脫氧劑，能夠同時(shí)提高焊縫金屬?gòu)?qiáng)度及韌性；添加適量的Cr、Cu也可以提高焊縫的韌性[12-13]，Cr、Cu也有利于針狀鐵素體的形成。其次，為了提高熔敷金屬的低溫沖擊韌性，應(yīng)嚴(yán)格控制熔敷金屬的Mn/Si比；同時(shí)在藥皮中添加微量的稀土，與焊縫中的氧反應(yīng)，在焊縫中可以起到脫氧及凈化晶界的作用[14]；另外，添加多種鐵合金，既可以作為脫氧劑也可以兼有過(guò)渡合金的作用，從而改善焊縫的沖擊性能。

4 結(jié)論

（1）研制的J807GD焊條，其平焊、立焊工藝性能優(yōu)良，力學(xué)性能滿足技術(shù)要求，適用于690 MPa級(jí)建筑結(jié)構(gòu)用鋼的焊接。

（2）研制的J807GD焊條通過(guò)嚴(yán)格控制熔敷金屬的合金元素含量，屈強(qiáng)比≤0.92。

（3）研制的J807GD焊條焊接工藝參數(shù)適用范圍較寬，在推薦參數(shù)下力學(xué)性能均能滿足工程技術(shù)要求。