Q345qE耐候鋼焊接工藝與性能試驗

（江西工程學院，江西新余338000）

0 前言

Q345qE耐候鋼是一種主要用于橋梁的高性能耐候鋼，它具有高強度、高韌性、高抗低溫等特點[1]。Q345qE耐候鋼焊縫合金元素含量較多，會對焊接接頭的低溫沖擊韌性造成影響，易引起焊縫偏析甚至引發熱裂紋[2-3]。

本試驗結合工廠實際，分別對厚度10mm、20mm和40 mm的Q345qE耐候高強鋼的焊接接頭進行焊接工藝與性能研究，以期為Q345qE耐候鋼的實際工程應用提供參考。

1 試驗材料

試驗材料為國產Q345qE耐候高強度鋼板，厚度分別為10 mm、20 mm和40 mm，鋼板的化學成分和力學性能如表1、表2所示，均符合國家標準。Q345qE耐候鋼板金相組織為珠光體+鐵素體，晶粒形態分布均勻，晶粒度9級，金相組織如圖1所示。

2 Q345qE耐候鋼焊接工藝試驗

對三種厚度的Q345qE耐候鋼進行焊接工藝試驗。共焊接試板5副，編號1#～5#，分別采用藥芯焊絲CO2氣體保護焊、實心焊絲CO2氣體保護焊和埋弧焊等工藝進行焊接，焊接參數如表3所示。對焊后試板進行力學性能試驗，并觀察焊接接頭的金相組織。

表1 Q345qE耐候鋼化學成分 %Table 1 Chemical composition of Q345qE weathering steel

表2 Q345qE耐候鋼的力學性能Table 2 Mechanical properties of Q345qE weathering steel

圖1 Q345qE耐候鋼金相組織Fig.1 Q345qE weathering steel metallographic microstructure

2.1 試板坡口制備

試驗鋼板坡口制備參數如表4所示。

表3 焊接工藝試驗參數Table 3 Welding parameters of test

表4 試驗鋼板坡口制備參數Table 4 Preparing parameters of groove of test steel plate

2.2 Q345qE耐候鋼力學性能測試

按照GB/T2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》進行焊接接頭拉伸試驗[4-5]。Q345qE耐候鋼焊接接頭橫向拉伸試驗試樣為矩形截面的帶肩板形試樣，如圖2所示。取樣前先將焊縫余高銑平，三種規格焊接試板取拉伸樣均為全厚度，試驗溫度為室溫。

圖2 焊接接頭板拉伸試樣Fig.2 Weld joint tensile test sample

按照GB/T 2653-2008《焊接接頭彎曲試驗方法》進行焊接接頭彎曲試驗，按照GB/T 2650-2008《焊接接頭彎曲試驗方法》進行焊接接頭沖擊試驗。沖擊試樣缺口為V形，沖擊試樣開缺口位置分別為焊縫中心（WM）、熔合線（FL）、熔合線外1mm（FL+1）、熔合線外2 mm（FL+2），沖擊試驗溫度為-40℃。其中10 mm厚對接試板沖擊試樣取7.5 mm厚度處，20 mm厚對接試板沖擊試樣取表面下2 mm處，40 mm厚對接試板沖擊試樣取板厚1/4處。同一規范的沖擊試驗并列做3個試樣。用顯微維氏硬度試驗測量焊接接頭各微區的硬度，重點考察焊接接頭各區域硬度隨焊接工藝的變化情況，硬度測試點的位置為距焊縫上表面1～2 mm處、從焊縫一側的母材開始一直到另一側的母材，在熱影響區每間隔0.7mm打1個硬度點，焊縫區域打3個硬度點，參數為：載荷5 kg，保壓時間為10 s。

3 試驗結果及分析討論

3.1 焊接接頭金相組織

依據GB/T13299-1991標準觀察5塊試樣的金相組織。距表面2 mm焊縫金相組織如圖3所示；距表面2 mm熔合線FL金相組織如圖4所示；距表面2 mm FL+1金相組織如圖5所示；距表面2mm FL+2金相組織如圖6所示；距表面2 mm FL+3金相組織如圖7所示。

根據金相圖可知，焊縫和熔合線FL組織主要為貝氏體（B）+鐵素體（F）+珠光體（P）。FL+1、FL+2和FL+3組織主要為鐵素體（F）+貝氏體（B）+珠光體（P），隨著熱輸入的增加，金相組織中的貝氏體（B）比例逐漸升高，晶粒尺寸越來越大，對韌性造成不利影響。

3.2 焊接接頭力學性能

試樣焊接接頭拉伸及彎曲性能試驗結果如表5所示。

圖3 焊縫金相組織Fig.3 Welding bead metallographic microstructure

圖4 熔合線FL金相組織Fig.4 FL metallographic microstructure

圖5 FL+1金相組織Fig.5 FL+1 metallographic microstructure

圖6 FL+2金相組織Fig.6 FL+2 metallographic microstructure

圖7 FL+3金相組織Fig.7 FL+3 metallographic microstructure

表5 試樣拉伸及彎曲性能Table 5 Tensile and bending properties of samples

拉伸試驗結果表明，1#～5#焊接試樣斷裂位置均在母材，抗拉強度510～540 MPa；彎曲試驗均合格，試樣受拉面上無任何微裂紋出現，焊接接頭塑性變形能力良好。焊接接頭拉伸及彎曲均滿足公路橋涵施工技術規范（JTG/T F50-2011）要求。

焊接接頭硬度分布曲線如圖8所示，焊接接頭硬度分布合理，未出現劇烈的硬度變化。其中焊縫硬度值為200～220 HV5，熱影響區硬度值為160～210 HV5，母材硬度值為160～180 HV5。焊縫硬度最高，HAZ的硬度遠低于IIW規定的小于等于350HV以及路橋涵施工技術規范（JTG/T F50-2011）的小于等于380 HV的要求。

圖8 各焊接試樣接頭硬度分布（表面下2 mm處）Fig.8 Hardness distribution of welded sample joints（2mm below the surface）

焊接接頭沖擊性能如表6所示。沖擊試驗結果表明，1#～5#焊接試樣平均沖擊功在焊縫處最低，在熱影響區最高。

根據公路橋涵施工技術規范（JTG/T F50-2011），設計文件未對沖擊功作規定時，按設計文件中所規定的最低環境溫度下的沖擊功試驗值應為27 J，且每個試驗值都不小于規定值的70%。試驗中僅4#試樣焊縫部位-40℃沖擊功（平均沖擊功20.8 J）不符合規范要求。

表6 試樣焊接接頭沖擊性能Table 6 Impact properties of welded joint of samples

由表3、圖3和表5可知，4#試樣熱輸入最大，焊縫組織（見圖3）粗大且均勻性很差，在5組試樣中的-40℃沖擊功最低；1#試樣熱輸入最小，焊縫金相組織細小、均勻，在這5組試樣中-40℃沖擊功最高。焊縫金屬為鑄態組織，受工藝條件限制，不能通過熱處理改善力學性能。因此，焊縫金屬的組織形態和組織類型對焊縫力學性能有著重要影響，組織形態與熱輸入大小有關，組織類型與熱輸入和焊絲成分有關。因此，為了保證焊縫處-40℃沖擊功，應嚴格控制熱輸入量，建議E≤35 kJ/cm。此外，為了減少焊縫中碳化物和粒狀貝氏體的出現，最好采用低碳成分設計的焊絲，w（C）≤0.06%。

4 結論

（1）Q345qE耐候鋼可焊性好，無需預熱焊接。但是熱輸入對Q345qE耐候鋼的焊接接頭沖擊性能有影響，實際焊接應用中應控制熱輸入值，建議E≤35 kJ/cm。。

（2）Q345qE耐候鋼采用低碳成分[w（C）=0.06%]可提高鋼材的可焊性，降低淬硬傾向，減少熱影響區脆性相的生成，間接提高熱影響區的韌性。通過合理設計成分，Q345qE耐候鋼焊接HAZ沖擊功在-40℃時保持在120 J以上。