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浅谈低合金高强度结构钢焊接性能研究

发表时间：2020/10/27 来源：《基层建设》2020年第19期作者：滕尧

[导读] 摘要：屈服强度为460MPa（S460M）及以上的结构钢用于桥梁、建筑和风电机组塔架的施工，以及铁路货运金属结构的制造。

        华电重工机械有限公司天津 300409
        摘要：屈服强度为460MPa（S460M）及以上的结构钢用于桥梁、建筑和风电机组塔架的施工，以及铁路货运金属结构的制造。与St3和09G2S产品相比，使用高强度轧制钢可使结构中的金属总含量降低80%，在这种强度等级的低合金钢结构中，其焊接性的研究成为一个相关的问题。众所周知，在焊接过程中，金属热影响区（HAZ）会发生结构变化，从而导致力学性能的变化。为此，本文研究了热焊接循环对金属热影响区性能和组织的影响，特别是抗冷裂性能的影响。本文论证了S490钢强度用焊接材料的选择，分析了焊接性能的变化。
        关键词：低合金；高强度；结构钢；焊接性能
        引言：强度等级S350及以上的结构钢被广泛应用于金属结构的制造中。与St.3和09G2S级钢的产品相比，它们的应用大大降低了结构的总金属消耗。本文研究了焊接热循环对热影响区金属支柱和组织的影响，以及焊接接头对冷裂纹形成的影响。对S 490级强度钢焊接耗材的选择进行了论证，并对焊接接头力学性能的变化进行了分析。结果表明，随着冷却速率的增加，模型试件的热影响区金属强度增加，延性降低。
        1.低合金高强度结构钢
        现代工业、建筑业和电力工程的发展，对金属结构在降低金属消耗、提高可靠性方面提出了新的要求。在现代生产中开发高强度钢主要有两种方法。第一种方法是应用合金元素提高强度特性。但这种方法导致轧制金属的成本明显增加。合金化的替代方法是金属的热变形硬化或随后热处理的可控制轧制。这些钢包括高强度低合金钢S460M（强度等级S490），与铌和钒微合金化。根据标准EN10025-4的数据，该钢具有以下力学性能：s y>460MPa，st=540-720 MPa，d5>18%，KCV-40>27J/cm2。[1]
        2.低合金高强度结构钢焊接性能研究
        2.1焊接接头的具体要求
        研究使用尺寸为120×12×12 mm的模型试样进行，这些试样在安装MSR-75[9]中按照焊接热循环进行热处理。热处理工艺如下。首先，通过电流将试样加热至1200–1300°C，这是热影响区焊接接头过热区域的特征。试样的加热速率为150～170℃/s，与电弧焊热影响区金属的加热条件相对应。在此温度下，将试样保持约2秒，然后对其进行强制冷却。对于静张力试验，根据GOST 6996–96机械制造钢试样（II型）（每个冷却速率3个试样）。试验按照GOST 6996–66在室温下进行。为了进行冲击韧性试验，制造了XI型试样，这些试样在20℃、-20℃和-40℃的温度下进行试验。由于板的初始温度不同，热影响区金属的冷却速度发生了变化，根据焊接工艺的不同，其范围为20至90°C。为此，采用了预热。这种方法允许在21–14°C/s的范围内改变焊接接头w6/5的冷却速度。使用不同的电极改变熔敷金属中扩散氢的含量（通过使用甘油和蒸馏水的混合物，以1：4的比例作为密封液体，通过pen-cil样品的方法进行评估）涂层湿度。为此，在不同的温度下对它们进行湿润和校准。

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试样冷却至150–100°C后，以10 MPa/s的速度开始静载荷，并作为焊接接头对冷裂纹形成的阻力值，接受临界应力scr，在24小时内试样没有断裂。[2]
        2.2焊接材料的选择
        所选技术样品代表尺寸为400×400 mm、厚度为40–60 mm的大块板，在该板上安装并焊接了两块板，其支腿为12 mm，其中形成参考焊接接头。在S460M钢的V形对接接头中，提供1.5–2.0 mm的间隙压力和3.0–4.0 mm的钝化，以确保技术上缺乏约束，这是一个应力集中器，并引发裂纹的形成。硬度水平由参考对接接头组成的板的宽度决定。根据调查方法，对宽度为50 mm、100 mm和150 mm、厚度为16 mm的钢板的对接接头进行了焊接。在这个病例中，接缝的总宽度为200mm。[3]
        3.研究结果
        在焊接过程中，热影响区（HAZ）的金属会发生结构变化，从而导致机械性能的变化。经控制后得到分散结构滚。进来这种强度等级的低合金钢结构的制造——研究其可焊性的问题变得迫切。本文考虑了焊接热循环（WTC）对热影响区金属性能和组织、抗冷裂纹形成的影响。本文提出了强度等级为S490的S460M钢焊接材料，对焊接接头的力学性能和抗脆断性能进行了研究调查过了调查程序。试验选用了厚度为16mm的结构钢S460M，其成分为：0.15C；0.23Si，1.3Mn；0.09Cr；0.019Ni；0.01V；0.05Nb；0.025Al；0.007N2；0.013S；0.017P。研究钢S460M的力学性能为S y=480MPa；st=600MPa；d5=27%；y=58%，作为WTC的标准，可接受600–500°C（w6/5）温度范围内的金属冷却速率。根据研究结果，确定了与热影响区相比，热影响区金属强度、延性和冲击韧性值降低的冷却速度。[4]
        结束语：综上所述，当冷却速率为3*C/s时，冲击韧性值急剧降低，通过将焊接接头残余应力值降低到不超过0.5C的水平（<Ž35 MPa），在堆焊金属中扩散氢含量增加时，可以大大提高低合金高强度结构钢的性能。
        参考文献：
        [1]柴昶，刘迎春.关于新版国标GB/T 1591—2018 《低合金高强度结构钢》应用中的注意事项[J].钢结构，2020，35（6）：50-54.DOI：10.13206/j.gjgS20051201.
        [2]朱立.《钢结构》中高强度结构钢高强度螺栓摩擦型连接抗滑移系数取值的探讨[J].科技视界，2019，（8）：164-165.DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.071.
        [3]崔军，刘希琴，周双双，等.正火与变形处理对高强度低温用结构钢组织和力学性能的影响[J].材料热处理学报，2017，38（12）：35-40.DOI：10.13289/j.issn.1009-6264.2017-0334.
        [4]唐耀武.本钢1780 mm热连轧高强度低合金铌-钒结构钢A572Gr50工业试制[J].科技与创新，2018，（11）：132-133.DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2018.11.132.