李聲延 潘 津 孫樂(lè)飛

（新余鋼鐵股份有限公司）

0 前言

S355J2是歐標(biāo)低合金結(jié)構(gòu)鋼，該鋼種通常在C-Mn鋼的基礎(chǔ)上添加Mn、Nb、Ti等合金。但是隨著原料市場(chǎng)的變化，硅錳和鈮鐵價(jià)格的上漲給生產(chǎn)成本帶來(lái)不小的壓力。為此，新鋼公司優(yōu)化設(shè)計(jì)了S355J2的成分，通過(guò)降錳、去鈮，以及添加少量鈦合金生產(chǎn)該鋼種，充分發(fā)揮Ti在鋼中的沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用，在符合性能要求的基礎(chǔ)上降低了生產(chǎn)成本。

S355J2結(jié)構(gòu)鋼作為建造鋼結(jié)構(gòu)的主要材料，通常用作鋼結(jié)構(gòu)建筑、鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建造，這些鋼結(jié)構(gòu)在建造過(guò)程中都需要對(duì)鋼材進(jìn)行焊接，在焊接條件下，母材熱影響區(qū)的位置被多次加熱、冷卻，導(dǎo)致其微觀組織發(fā)生顯著變化，焊接部位通常是結(jié)構(gòu)中最為薄弱的環(huán)節(jié)[1-4]。對(duì)焊接接頭進(jìn)行常規(guī)力學(xué)性能和微觀組織的研究，對(duì)含鈦S355J2結(jié)構(gòu)鋼焊接工藝制定和焊接性能評(píng)價(jià)，對(duì)該鋼種的推廣使用具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用鋼板由新鋼3 500 mm可逆軋機(jī)軋制而成，一階段終軋溫度≥1 000 ℃，二階段開(kāi)軋溫度≤970 ℃，終軋溫度≥860 ℃，材料取自40 mm厚的S355J2結(jié)構(gòu)鋼板板寬的1/4處。首先在鋼板的厚度的1/4處取樣，進(jìn)行SH-CCT測(cè)試；然后，在該實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)鋼的焊接工藝，進(jìn)行焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)用焊絲為大西洋生產(chǎn)的CHWSG（Φ4 mm），焊劑為氟堿型SJ101焊劑，鋼板及焊絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見(jiàn)表1和表2，母材金相組織為珠光體+鐵素體，金相微觀組織如圖1所示。

2 SH-CCT圖的繪制與焊接參數(shù)的確定

SH-CCT圖的測(cè)定參照YB/T 5128—93《鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖的測(cè)定方法》進(jìn)行，本試驗(yàn)采用Formast熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋼的臨界點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，試樣為Φ3 mm×10 mm的小圓柱；采用Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同焊接熱循環(huán)條件下的熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織轉(zhuǎn)變規(guī)律進(jìn)行測(cè)定和研究，試樣取自厚度1/4處，試樣尺寸為Φ10 mm×80 mm的小圓柱。熱模擬工藝為：將試樣以200 ℃/s的速度加熱到1 300 ℃，保溫1 s；將試樣以15 ℃/s的速度從1 300 ℃降到900 ℃，保持時(shí)間30 s；然后分別以0.1 ℃/s、0.2 ℃/s、0.5 ℃/s、1 ℃/s、2 ℃/s、5 ℃/s、10 ℃/s、15 ℃/s、20 ℃/s、50 ℃/s的速度降到室溫。根據(jù)熱膨脹曲線和金相組織檢測(cè)結(jié)果，在相關(guān)軟件中繪制出實(shí)驗(yàn)鋼的CCT相圖，如圖2所示。

表1 S355J2鋼及焊絲化學(xué)成分 %

表2 S355J2鋼及焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能

圖1 S355J2金相組織

圖2 S355J2鋼SH-CCT曲線

從圖2可以看到，S355J2鋼熱影響區(qū)的組織主要由鐵素體（F）、珠光體（P）和貝氏體（B）組成，隨著冷卻時(shí)間t8/5的增加，焊接熱影響區(qū)的B含量逐漸降低，F(xiàn)+P含量逐漸增多，硬度逐漸降低。當(dāng)冷速?gòu)?0 ℃/s下降到5 ℃/s時(shí)，熱影響區(qū)組織中的B含量從50%降低到10%以下，基本只有F+P組織。從有利于沖擊韌性的角度考慮，應(yīng)盡量減少熱影響區(qū)B組織的含量，這就要求熱輸入不能太小，但是也要防止熱輸入過(guò)大，出現(xiàn)粗晶脆化現(xiàn)象，依據(jù)SH-CCT圖，比較適合的冷卻時(shí)間t8/5在20~50 s之間。而t8/5與焊接熱輸入密切相關(guān)，根據(jù)稻垣道夫等人建立的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)t8/5與焊接熱輸入的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算[5]：

式中：K——焊接能量系數(shù)；E——焊接熱輸入，kJ/cm；n——焊接能量指數(shù)；β——接頭系數(shù)；T——特征溫度；T0——被焊件的初始溫度，℃；δ——板厚，mm；δ0——板厚補(bǔ)償項(xiàng)；α——板厚修正系數(shù)。數(shù)值按照板厚40 mm埋弧焊工藝取值，K取950；n取0.95；β取1；δ0取12；α取3，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 熱輸入與t8/5關(guān)系曲線

根據(jù)SH-CCT圖，S355J2鋼的焊接冷卻時(shí)間t8/5在20~40 s較為合適，此時(shí)熱影響區(qū)組織中的貝氏體含量低，并且晶粒沒(méi)有發(fā)生明顯長(zhǎng)大。根據(jù)圖3計(jì)算結(jié)果，其熱輸入范圍應(yīng)在25~50 kJ/cm。因此，在進(jìn)行埋弧焊焊接工藝試驗(yàn)時(shí)，取熱輸入范圍的上、下限進(jìn)行試驗(yàn)，將熱輸入分別定為25 kJ/cm和50 kJ/cm。

3 S355J2斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)

鋼板厚度越厚，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的拘束應(yīng)力越大，厚度超過(guò)30 mm的低合金高強(qiáng)鋼，若碳當(dāng)量過(guò)高或者焊接條件惡劣，那么在焊接過(guò)程中就有產(chǎn)生冷裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，為了避免冷裂紋的出現(xiàn)，通常會(huì)采用焊前預(yù)熱這種方法來(lái)降低焊接應(yīng)力[6]，但是這種方法會(huì)增加成本，并且嚴(yán)重降低作業(yè)效率。為了評(píng)判S355J2鋼的焊接冷裂紋傾向，對(duì)40 mm厚的鋼板進(jìn)行斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)。試驗(yàn)按照GB4675.1—84《斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》規(guī)定進(jìn)行。

3.1 計(jì)算原理

表面裂紋率的計(jì)算采用的公式：

式中：Cf——表面裂紋率，%；∑lf——表面裂紋長(zhǎng)度之和，mm；L——試驗(yàn)焊縫長(zhǎng)度，mm。

將試件采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ罄瓟嗷驈潝?，然后檢測(cè)其根部裂紋，本次試驗(yàn)是將試件放在加熱爐中，400 ℃烘烤兩個(gè)小時(shí)，觀察其根部是否有氧化色，根部裂紋率的計(jì)算采用的公式：

式中：Cr——根部裂紋率，%；∑lr——根部裂紋長(zhǎng)度之和，mm；L——試驗(yàn)焊縫長(zhǎng)度，mm。

對(duì)試件的5個(gè)橫斷面的裂紋進(jìn)行檢查（橫斷面的位置：按試驗(yàn)焊縫寬度開(kāi)始均勻處與焊縫弧坑中心之間的距離四等分而確定），測(cè)出裂紋的高度，再分別計(jì)算出這5個(gè)橫斷面的裂紋率．然后求出其平均值來(lái)。斷面裂紋率的計(jì)算方法如下：

式中：Cs——斷面裂紋率，%；H——試驗(yàn)焊縫的最小厚度，mm；Hc——斷面裂紋的高度，mm。

試驗(yàn)鋼板為40 mm厚的S355J2鋼板，焊絲采用Φ1.2 mm ER50-6焊絲，不預(yù)熱焊接。焊接熱輸入為14 kJ/cm，與鋼板對(duì)接時(shí)打底焊所采用的焊接熱輸入基本保持一致，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。焊后放置48 h后，經(jīng)砂紙研磨，拋光，然后用3%硝酸酒精腐蝕。試驗(yàn)結(jié)果及焊接實(shí)物分別見(jiàn)表4、圖4和圖5。

經(jīng)檢驗(yàn)，焊前不預(yù)熱時(shí)，焊后試樣的根部、表面及斷面均無(wú)裂紋，說(shuō)明試驗(yàn)鋼的抗裂性較好，在焊前可以不預(yù)熱。

表3 S355J2鋼斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)工藝參數(shù)

表4 S355J2鋼斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

圖4 斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)橫斷面

圖5 斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)根部斷面

4 S355J2鋼焊接工藝試驗(yàn)研究

4.1 試板坡口制備

按照GB 986—2008《埋弧焊焊縫破口的基本形式和尺寸》對(duì)坡口進(jìn)行加工，試板坡口尺寸如圖6所示，采用雙Y型坡口[7]。

圖6 坡口尺寸

4.2 焊接試驗(yàn)

為了了解40 mm厚S355J2焊接接頭的基本力學(xué)性能及其微觀組織，對(duì)S355J2鋼進(jìn)行了焊接接頭對(duì)接實(shí)驗(yàn)。焊接完后分別對(duì)焊接接頭的拉伸、彎曲、沖擊、硬度和金相組織進(jìn)行了試驗(yàn)和分析。由于組織決定性能，通過(guò)接頭金相組織來(lái)推測(cè)接頭的性能，從而判斷選用的焊接材料和焊接工藝參數(shù)是否合理。為了對(duì)焊接接頭的不同組織進(jìn)行微觀分析，采用LEICA MEF4光學(xué)顯微鏡對(duì)不同熱輸入焊接接頭試樣的母材區(qū)、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)的顯微組織進(jìn)行了觀察，以此來(lái)分析熱輸入和組織之間的關(guān)系。金相腐蝕液采用的是3%的硝酸酒精溶液。

40 mm厚S355J2鋼焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表5，對(duì)接接頭的宏觀形貌片如圖7所示。

從圖7可以看出，焊接接頭沒(méi)有出現(xiàn)夾雜、氣孔等焊接缺陷，焊接熱影響區(qū)范圍較寬，焊縫組織可以用看出柱狀晶形態(tài)。由于采用多層多道焊，焊縫組織及熱影響區(qū)都受到了熱循環(huán)的作用，由于在相鄰焊層之間彼此具有熱處理的作用，因此從提高焊接質(zhì)量來(lái)看，多層焊比單層焊更為優(yōu)越。

表5 S355J2埋弧焊參數(shù)

圖7 S355J2鋼對(duì)接接頭宏觀形貌

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

S355J2鋼焊接接頭各區(qū)域金相組織如圖8所示。

圖8（a）為焊縫區(qū)金相組織，焊縫組織為先共析鐵素體（PF）+側(cè)板條鐵素體（FSP）+針狀鐵素體（AF）。其形成過(guò)程是，焊接時(shí)焊絲熔化形成熔池，液態(tài)金屬依附在熔合區(qū)基體金屬的晶粒表面進(jìn)行結(jié)晶、形核，然后晶體沿著散熱最快的方向往焊縫中心長(zhǎng)大，最后形成柱狀組織。當(dāng)柱狀晶到Ar3以下時(shí)，在較高溫度下由奧氏體晶界首先析出PF，呈條狀和塊狀分布在奧氏體晶界；溫度繼續(xù)降低，則會(huì)從奧氏體晶界析出FSP，呈鎬牙狀；而未轉(zhuǎn)變的晶內(nèi)奧氏體在進(jìn)一步冷卻過(guò)程中，將會(huì)轉(zhuǎn)變成AF。FSP對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙作用較小，損害焊縫區(qū)域的沖擊韌性。

圖8（b）為熔合區(qū)組織，熔合區(qū)的組織為鐵素體（F）+珠光體（P）+貝氏體（B）。在焊接條件下，熔化過(guò)程是很復(fù)雜的，熱能的擴(kuò)散也極不均勻，該區(qū)域?yàn)榫植咳廴跔顟B(tài)，組織粗大，而且化學(xué)成分很不均勻，韌性、塑性都很差，為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

圖8（c）為過(guò)熱區(qū)（CGHAZ）組織，薄板粗晶區(qū)的組織為F+P+少量B，F(xiàn)沿著原奧氏體晶界析出，在焊接條件下，由于冷卻速度較快，出現(xiàn)了少許B組織，B是一種硬脆相，會(huì)造成硬度值升高，塑韌性下降。

圖8（d）為細(xì)晶區(qū)（FGHAZ）組織，該區(qū)的組織為等軸F+P。在焊接條件下，母材被加熱到Ac3以上部位，發(fā)生重結(jié)晶但是沒(méi)有發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，在冷卻時(shí)得到均勻、細(xì)小的鐵素體和珠光體。由于晶粒細(xì)化，此區(qū)的塑性、韌性、強(qiáng)度都比較好?？梢钥闯?，從粗晶區(qū)往細(xì)晶區(qū)過(guò)渡時(shí)，B逐漸減少，直至消失。

圖8 S355J2鋼焊接接頭各區(qū)域金相組織

S355J2鋼焊接接頭硬度分布曲線如圖9所示。 從圖9可以看出，焊接熱影響區(qū)的硬度值要高于母材，靠近熔合線附近的CGHAZ和FGHAZ為整個(gè)熱影響區(qū)最高的部位。這是因?yàn)樵跓嵫h(huán)條件下，CGHAZ和FGHAZ的母材被完全奧氏體化，快速冷卻時(shí)形成不平衡組織，如貝氏體組織，使硬度值升高；FGHAZ由于晶粒細(xì)小，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化作用，硬度值升高。由于母材的碳當(dāng)量低，整個(gè)熱影響區(qū)并沒(méi)有出現(xiàn)淬硬組織，最高硬度值不超過(guò)200 HV3。此外，母材的硬度值在焊接接頭處最低，拉伸時(shí)易從母材處斷裂[8]。焊縫區(qū)域的硬度值要高于母材，這是因?yàn)楹缚p區(qū)域的針狀鐵素體組織提高了該區(qū)域的硬度和強(qiáng)度，焊縫的硬度值隨著熱輸入的增大而逐漸減少。

圖9 S355J2鋼焊接接頭硬度分布曲線

焊接接頭拉伸、彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)接頭斷裂部位都處于母材部分，說(shuō)明焊縫及熱影響區(qū)的強(qiáng)度比母材要高，這與焊接接頭的硬度分布也保持了一致，整個(gè)焊接接頭的硬度值最低的部位也是母材部分。彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明熱影響區(qū)及焊縫的塑性良好。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用該工藝進(jìn)行焊接時(shí)焊接接頭能獲得合格的拉伸強(qiáng)度及彎曲性能。

焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7，焊接接頭整體沖擊性能良好。隨著熱輸入的增加，冷卻速度減慢，焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)的貝氏體組織逐漸增多，造成沖擊功下降。但是由于母材在成分設(shè)計(jì)時(shí)，選用的低錳增鈦的路線，這會(huì)帶來(lái)兩個(gè)方面的好處：一是低錳成分會(huì)降低熱影響區(qū)生成貝氏體的量；二是鈦會(huì)阻礙過(guò)熱區(qū)的晶粒長(zhǎng)大，使得在較大線能量條件下，過(guò)熱區(qū)不會(huì)發(fā)生粗晶脆化。在這二者的共同作用下，使得含鈦S355J2鋼能在較寬的熱輸入范圍內(nèi)保持良好的焊接性能。

表6 S355J2鋼焊接接頭拉伸、彎曲性能

表7 S355J2鋼焊接接頭沖擊性能

圖10 S355J2鋼焊接接頭拉伸、彎曲試樣

圖10 為焊接接頭拉伸及彎曲試驗(yàn)結(jié)果宏觀照片?？梢钥闯?，焊接接頭拉伸斷裂的位置都處于母材部分，這說(shuō)明焊接接頭的強(qiáng)度能達(dá)到要求，另外斷裂位置有一定的頸縮，說(shuō)明母材具有好的塑性。從彎曲試驗(yàn)結(jié)果可以看出，整個(gè)焊接接頭都沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，而且焊縫區(qū)域也沒(méi)有夾雜、氣孔等缺陷，焊接接頭的塑性變形能力良好。

根據(jù)以上焊接工藝試驗(yàn)，推薦的S355J2鋼板（10~50 mm厚）的埋弧焊接頭對(duì)接工藝見(jiàn)表8。 （2）含鈦S355J2鋼焊接性能優(yōu)良，熱影響區(qū)沖擊功與母材相當(dāng)，能完全滿足工程要求。

5 結(jié) 論

（1）對(duì)含鈦S355J2鋼SH-CCT曲線進(jìn)行分析，確定了適合該鋼種的焊接熱輸入范圍在20~50kJ/cm。

表8 S355J2鋼板焊接對(duì)接參數(shù)

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