關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)厚板對(duì)接焊縫低溫沖擊韌性試驗(yàn)研究

王曉璇

摘要：采用150mm厚鋼板對(duì)接焊縫開(kāi)展低溫沖擊韌性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)與熱影響區(qū)沖擊韌性隨溫度降低而降低，低溫脆性特征明顯，熱影響區(qū)沖擊韌性沿板厚變化而降低，發(fā)生了材質(zhì)惡化。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)厚板;對(duì)接焊縫;低溫沖擊韌性

引言：

在建筑鋼結(jié)構(gòu)工程取得快速發(fā)展的背景下，厚板鋼材得到了廣泛使用。而該類(lèi)鋼材焊接難度較大，使用過(guò)程中焊縫周?chē)菀装l(fā)生低溫脆性斷裂問(wèn)題。因此，還要加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)厚板對(duì)接焊縫低溫沖擊韌性試驗(yàn)研究，從而加強(qiáng)鋼材質(zhì)量控制。

1鋼結(jié)構(gòu)厚板對(duì)接焊縫低溫沖擊韌性試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

鋼結(jié)構(gòu)厚板在焊接的過(guò)程中容易受對(duì)接焊縫影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)層狀撕裂。在低溫環(huán)境下，鋼板及焊縫脆性破壞傾向?qū)⒓觿。瑢?dǎo)致低溫冷脆現(xiàn)象發(fā)生。為確定鋼結(jié)構(gòu)厚板對(duì)接焊縫低溫沖擊韌性，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》（GB/T229-2007）規(guī)定進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)厚板取樣和加工，對(duì)得到的V型缺口試樣開(kāi)展沖擊試驗(yàn)[1]。針對(duì)焊縫和熱影響區(qū)，需要實(shí)現(xiàn)全厚度取樣，分別在20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃五個(gè)條件點(diǎn)選用4個(gè)試樣，對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)沖擊功值進(jìn)行測(cè)量，探索試樣沖擊韌性變化規(guī)律。

1.2試驗(yàn)方法

選取的試樣材料為首鋼生產(chǎn)的Q345B，厚度達(dá)150mm，主要化學(xué)成分碳、錳、硅、硫、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.19%、1.51%、042%、0.018%、0.017%。試樣對(duì)接焊縫為單邊V形坡口，缺口寬8到10mm。取樣方向與焊縫方向垂直，在距離鋼板表面0、1/4、1/2、3/4的厚度位置。焊縫區(qū)缺口中心與所在位置焊縫寬中心重合，熱影響區(qū)試樣缺口中心與垂直熔合線保持2mm距離，采用平焊方式進(jìn)行常溫焊接。采用的焊接方法是二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，電流在250到300A之間，電壓在28到35V之間，焊絲直徑達(dá)1.2mm，型號(hào)為H08Mn2SiA，以30到45cm/min的速度送絲。

1.3試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用CSS-2220電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，利用高低溫環(huán)境保溫箱對(duì)試樣進(jìn)行冷卻降溫，具體需要在箱內(nèi)通入液氮和空氣混合蒸汽的冷卻介質(zhì)。采用溫度計(jì)最小分度值為1℃，量程在-80到50℃之間。利用夾具將冷卻后的試樣放在SANS擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上，可以開(kāi)展沖擊試驗(yàn)。設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)打擊能量為300J，試驗(yàn)需要從20℃進(jìn)行，然后逐步降溫。按照要求，試樣冷卻時(shí)間應(yīng)達(dá)到5min以上。取樣時(shí)夾具溫度與介質(zhì)溫度相同，試樣的放置應(yīng)緊貼支座，缺口背面朝向刀刃，對(duì)稱(chēng)面偏差不超出0.5mm[2]。

2鋼結(jié)構(gòu)厚板對(duì)接焊縫低溫沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

2.1沖擊韌性變化規(guī)律

從沖擊韌性變化情況來(lái)看，可以將距表面1/4厚度處的試驗(yàn)值當(dāng)成是典型值對(duì)沖擊韌性隨溫度變化規(guī)律進(jìn)行分析。在20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃的條件下，焊縫區(qū)沖擊能分別為138.8J、126.5J、102.9J、31.2J、18.5J，熱影響區(qū)沖擊能分別為82.2J、59.8J、35.2J、5J、3.1J，母材沖擊能分別為87.3J、72.8J、28.3J、8.8J、3.5J。由此可見(jiàn)，在溫度不斷降低的過(guò)程中，沖擊能均呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，能夠使清晰的韌脆轉(zhuǎn)變過(guò)程得到展現(xiàn)，體現(xiàn)材料的低溫脆性。相比較而言，焊縫區(qū)擁有較高沖擊韌性，熱影響區(qū)沖擊韌性最低，因此能夠說(shuō)明焊接帶來(lái)的熱影響給周?chē)馁|(zhì)帶來(lái)了不良影響。在沖擊韌性隨厚度變化情況展開(kāi)分析時(shí)，可以選取20℃、-20℃、-40℃三個(gè)點(diǎn)。在20℃條件下，在距表面0、1/4、1/2、3/4的厚度位置焊縫區(qū)沖擊能分別為125J、138J、119J、132J，溫度降低至-20℃分別為117J、102J、73J、85J，溫度達(dá)-40℃分別為46J、31J、73J、58J。從整體來(lái)看帶有隨機(jī)波動(dòng)性質(zhì)，缺少明顯變化規(guī)律，無(wú)需針對(duì)中心位置取樣。針對(duì)熱影響區(qū)，20℃條件下，在距表面0、1/4、1/2的厚度位置焊縫區(qū)沖擊能分別為120J、82J、73J，溫度降低至-20℃分別為59J、35J、23J，溫度達(dá)-40℃分別為9J、5J、4J，變化規(guī)律與母材基本一致，相較于母材沖擊韌性有所惡化，呈現(xiàn)出性能從表面到中心不斷降低的趨勢(shì)，與受到的中心偏析現(xiàn)象影響有關(guān)。

2.2厚板韌脆轉(zhuǎn)變溫度

采用Boltzmann函數(shù)完成試驗(yàn)結(jié)果回歸分析可以發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)下平臺(tái)能、上平臺(tái)能分別為16.7J和134.4J，韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-26.8℃，轉(zhuǎn)變溫度范圍為7℃，熱影響區(qū)下平臺(tái)能、上平臺(tái)能分別為1.5J和89.8J，韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-11.2℃，轉(zhuǎn)變溫度范圍為14℃，母材下平臺(tái)能、上平臺(tái)能分別為4.2J和89.6J，韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-12.1℃，轉(zhuǎn)變溫度范圍為8.7℃。韌脆轉(zhuǎn)變溫度越大，說(shuō)明材料越容易發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變。由此可見(jiàn)，焊縫區(qū)沖擊韌性較好，但沖擊性不可控，熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變溫度比母材高，為薄弱環(huán)節(jié)。

2.3鋼結(jié)構(gòu)厚板沖擊韌性

采用放大倍數(shù)1000倍的電鏡進(jìn)行試樣斷口掃描可以發(fā)現(xiàn)，溫度高時(shí)斷口纖維區(qū)明顯，存在典型韌窩分布，塑性變形較大，低溫時(shí)則會(huì)消失。放射區(qū)在溫度高時(shí)存在少量韌窩分布和較多撕裂棱，低溫時(shí)將逐漸減少，呈現(xiàn)出明顯脆性。比較焊縫區(qū)和熱影響區(qū)可知，熱影響區(qū)撕裂棱更少，沖擊韌性較差。

結(jié)論：

針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)厚板，通過(guò)開(kāi)展對(duì)接焊縫低溫沖擊韌性試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)沖擊功隨溫度降低迅速下降，帶有低溫脆性特征。而熱影響區(qū)沖擊韌性惡化，屬于焊接薄弱環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1]尹飛，周暉，王元清等.A572 Gr.50厚板對(duì)接焊縫斷裂性能研究[J].工程力學(xué)，2018，35（06）：42-51.

[2]海潮.厚板對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力有限元分析[J].建設(shè)科技，2017（22）：114-115.