Q420高强钢在国内钢结构中的开发和应用(最终032)申献辉-111111

1、ASTM A913 Gr60（QST）高强钢在建筑钢结构工程应用的焊接性试验研究申献辉 马德志 徐贝尔 宋晓峰（中冶集团建筑研究总院 北京 100088）摘 要：本文通过焊接冷、热裂纹敏感性分析、热影响区最高硬度试验、斜Y坡口焊接裂纹试验、插销冷裂纹试验对ASTM A913 Gr60（QST）高强钢的抗冷、热裂纹敏感性进行全面的试验研究，通过常温环境下不预热刚性模拟试板，其焊接接头力学性能试验结果可以看出，各项试验数量均能满足标准要求。关键词：焊接性、刚性模拟焊接接头1 前言随着高层钢结构工程对钢材强度要求的不断提高，当前国内高层钢结构中大多采用的Q345钢已经不能满足一些高层钢结构的要求。北

2、京新保利大厦钢结构工程中首次在国内大规模采用了从卢森堡进口的ASTM A913Gr60钢（强度级别相当于国内的Q420钢），引起了国内工程界的极大关注。为保证新保利大厦钢结构工程的焊接施工质量，同时为其他高强钢工程中的应用提供借鉴，中冶集团建筑研究总院焊接研究所与浙江精工钢构集团共同进行了该钢材的焊接性试验研究。为该工程制作、安装焊接工艺的制定提供了科学依据和具体的指导。到目前为止，试验研究工作取得一定成效。2 材料复验试验钢材是阿赛罗公司提供的轧制H型钢，其翼缘板板厚125mm，腹板厚度78mm，供货状态为淬火+自回火。标准要求该钢材的最低屈服强度为415MPa，化学成分、各项力学性能等列于

3、表1表3。表1 化学成分：%CSiMnPSCuNiMoNbVCr标准要求Max0.140.401.600.0300.0300.350.250.0700.0400.0600.25熔炼0.100.201.430.0130.0290.170.070.0150.0020.0590.12复验0.0890.221.370.0110.0240.140.0740.0210.0010.0580.12注：熔炼成分摘自材质单，炉批号为81045。表2 力学性能及复验结果SMPabMPa%Akv J0标准要求4155201654材质单43656819.46117，138，131取样位置：位于翼缘板边B/6，距上表面/

4、4处复验47359730130，116，125取样位置：位于翼缘板边B/6，距上表面/4处132，132，131取样位置：位于翼缘板边B/6，距上表面/2处122，132，137取样位置：位于翼缘板边B/2，距上表面/4处续表2 力学性能及复验结果复验47359730104，103，52取样位置：位于翼缘板边B/2，距上表面/2处72，85，92取样位置：位于翼缘板边B/2，距上表面3/4处注：1）冲击试件取样方向为纵向；2）拉伸试件为全厚度，试件规格为121.9×40.1 mm2；3）B为翼缘板板宽，为板厚。表3 Z向拉伸性能复验试样编号SMPabMPa5%(%)备注1445580

5、265524555752562注：试件采用10的圆形拉伸试棒。通过对钢材成分和力学性能的复验，各项指标均符合标准要求。3 工作流程为了对ASTM A913 Gr60钢的焊接性进行全面的研究及制定该钢种焊接工艺的需要，首先制定工作流程如图1所示。鉴于供货商未提供钢材的具体焊接性资料，且该钢材强度高、板厚大，试验主要围绕钢材的抗冷裂性进行。图1 新保利钢结构施工焊接试验流程4 焊接性试验4.1 焊接冷裂纹敏感性试验4.1.1 焊接冷裂纹敏感性分析钢材的焊接冷裂纹敏感性一般与母材和焊缝金属的化学成分有关，为了说明冷裂纹敏感性与钢材化学成分的关系，通常用碳当量来表示。计算碳当量的公式很多，对于ASTM

6、 A913 Gr60钢，采用了日本工业标准（JIS）推荐的调质钢碳当量Ceq（JIS）计算公式(公式1)和国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量Ceq（IIW）计算公式(公式2)进行计算。 （1） （2）按表1的复验值，依据公式（1）、（2）进行计算，得到的结果分别为0.362和0.3714，根据JGJ81-2002标准，碳当量结果处于标准规定的焊接性良好范围内，说明试验用ASTM A913 Gr60钢具有良好的抗焊接冷裂纹性能。4.1.2 热影响区最高硬度试验热影响区最高硬度试验方法主要是以测定焊接热影响区的淬硬倾向来评定钢材的冷裂敏感性。试验按照GB4675.5-84焊接热影响区最高硬度试验方

7、法的规定进行。试验条件如下：焊丝型号（牌号）及直径：ER55-G （JM60） 1.2mm；CO2气体流量：20 L/min；CO2气体生产厂家：北京南亚气体有限公司；熔敷金属扩散氢含量为3.44ml/100g，水银法；最高线能量：电流I=310-330A，电压V=34v，速度280mm/min；最低线能量：电流I=200-230A，电压V=30v，速度350mm/min；具体试验参数见表4。硬度测试采用维氏硬度计，施加荷载为10Kg，测点位置如图2所示，图中0点是测定线与熔合线的切点，0点右侧为正，左侧为负。两测点之间的距离为0.5mm，试验结果列于表5。图2 热影响区最高硬度试验测量位置示

8、意图表4 最高硬度试验具体试验参数试件编号试件规格 mm试验预热温度线能量 KJ/cm1#200×75常温最低线能量 10-1233#200×15050最低线能量 10-125#200×150100最低线能量 10-126#200×150100最高线能量 22-24表5 CO2气体保护焊焊接热影响区最高硬度试验结果序号123456789101112131415与焊缝中心距离（mm）-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50+0.5+1.0+1.5+2.0+2.5+3.0+3.51#25126426626225623223323023725

9、126826825624723233#2382492562642542332252242402452662662532432305#2302352382562602512272192192542492512332282166#195205207212218219222222219218215207201199197从试验结果可以看出，采用最低线能量时，随着试验预热温度的增加，其热影响区的最高硬度有所下降，且硬度值不高，即使在室温下焊接，热影响区维氏硬度值也不超过270；采用最高线能量时，整体硬度值较低。4.1.3 斜Y坡口焊接裂纹试验斜Y坡口焊接裂纹试验(小铁研)主要是评定焊接热影响区产生冷裂

10、纹的倾向性。试验按照GB4975.1-84斜Y坡口焊接裂纹实验方法的规定进行,试件厚度分别为125、78和42mm，并以125mm厚钢板为主，试验在室温下进行。4.1.3.1 试验条件：焊接方法：CO2气保焊焊丝直径：1.2mmCO2气体生产厂家：1）北京南亚气体有限公司 2）北京普莱克斯气体有限公司CO 2气体流量：20 L/min环境温度：25预热温度：常温不预热焊接材料型号（牌号）及直径：ER55-G （JM60） 1.2mm、ER50-G （JM58） 1.2mm、E550T1-Ni1（GL-YJ602（Q） 1.2mm4.1.3.2 试验内容及步骤：试验焊缝结束，经24小时后，进行表

11、面裂纹检查，每块均经发蓝处理后进行解剖观察断面裂纹状况。4.1.3.3 试验结果详见表6、7、8。表6 =125mm CO2气保焊铁研试验结果序号焊丝牌号焊接电流A焊接电压V焊接时间（秒）根部间隙mm裂纹情况气体种类备注1JM60278-30033-33.7141.9裂纹通长南亚位于焊缝中心，根部启裂2JM60278-30033-33.7152.0裂纹通长南亚位于焊缝中心，根部启裂3JM60278-30033-33.7152.1裂纹通长南亚位于焊缝中心，根部启裂4JM60290-30032-33152.0无南亚/5JM60290-30032-33151.9无南亚/6JM58280-30032-

12、33151.9无南亚/7JM58280-30032-33152.0无南亚/8AT-YJ602（Q）282-30030.1-33152.1无普莱克斯/9AT-YJ602（Q）282-30030.1-33152.1裂纹24mm普莱克斯位于焊缝中心，根部启裂续表6 =125mm CO2气保焊铁研试验结果10AT-YJ602（Q）282-30030.1-33151.9裂纹通长普莱克斯位于焊缝中心，根部启裂表7 =42mmCO2气保焊铁研试验结果序号焊丝牌号焊接电流A焊接电压V焊接时间（秒）根部间隙mm裂纹情况气体种类备注1JM60280-30032-33141.9无南亚/2JM60280-30032-

13、33142.0无南亚/表8 =78mmCO2气保焊铁研试验结果序号焊丝牌号焊接电流A焊接电压V焊接时间（秒）根部间隙mm裂纹情况气体种类备注1JM60290-30032-33142.0无南亚/2JM60290-30032-33152.1无南亚/从上述试验结果看出，板厚为125mm部分试件焊缝中心出现了不同程度的开裂，但并未向母材延伸，其余试验板厚试件未出现裂纹，说明ASTM A913 Gr60钢抗冷裂性能良好。除JM58焊丝以外，各试验焊材或多或少均出现焊缝中心通裂的现象，说明焊材本身的性能对试验结果有一定差异，但限于试验数量较少，未能做出较为确切的对比。4.1.4 插销冷裂纹试验插销试验是能

14、定量地研究焊接冷裂纹的方法之一。试验按照GB9446-88焊接用插销冷裂纹试验方法的规定进行。本试验采用了实芯焊丝（JM60）CO2气体保护焊，采用环形缺口插销试件，确保缺口的根部位于热影响区。试件取自于125mm钢板厚度方向的1/4表层。4.1.4.1 实验条件试验标准：插销冷裂纹试验GB9446-88焊接用插销冷裂纹试验方法。试验温度：室温28（无预热和后热）。 试验准则：断裂准则。4.1.4.2 试样的制取插销的外形如图3所示：图3 插销形状和尺寸底板选用Q235-A普通碳素结构钢，底板的尺寸为300mm×200mm，厚度为20mm。底板钻孔数小于等于4，位置处于底板纵向中心线

15、上，孔的间距为33mm。插销试样和底板的制备严格按照GB9446-88的要求进行。4.1.4.3 焊接工艺焊接方法：CO2气体保护焊焊接规范如表9所示。焊接时，在底板上熔敷一焊道，必须使焊道中心线通过插销端面中心。该焊道的熔深应保证缺口位于热影响区的粗晶区中。4.1.4.4 试验结果试验结果见表10：表9 焊接规范焊丝牌号焊丝直径伸出长度焊接电流电弧电压焊接速度气体流量JM-601.2 mm12-14 mm140 A23 V18cm/min8 l/min注：通过计算得到热输入E4.29（KJ/cm）表10 插销试验结果汇总表插销编号初始载荷断裂载荷断裂时间1504.548416432514.5

16、51237453470470未断492492406750737407647605751979979901061558512721169666817301271069513884.1.4.5 试验结论在室温为28左右，没有预热和后热的试验条件下，采用CO2气体保护焊（焊丝为JM-60，焊接规范见表9），该种钢材临界断裂应力485MPa。从该材料的力学性能试验结果可知，屈服应力为473 MPa，因此该材料在此焊接工艺条件下抗冷裂性能较好。结合HAZ最高硬度试验，斜Y坡口试验和插销试验可知，试验钢材具有良好的抗冷裂性能。4.2 再热裂纹敏感性研究4.2.1 再热裂纹敏感性分析再热裂纹是指焊接接头经消

17、除应力热处理的构件，经高温热作用使焊接热影响区在应力作用下产生的一种沿晶间破坏的裂纹。再热裂纹的产生主要由钢材的化学成分决定，同时构件的应力状态及温度条件也是重要的影响因素。再热裂纹敏感性计算公式如下：G=Cr+3.3Mo+8.1V2 (3) PSR=Cr+Cu+2Mo+10V+7Nb+5Ti2 (4)式中G和 PSR是再热裂敏感性指数，以合金元素重量百分比来表示，当G和 PSR0时，表示该钢种对再热裂纹敏感；当G和 PSR0时，则表示不敏感。按公式(3)及(4)计算结果分别为：G=1.3409及PSR=1.111。因此可以认为试验钢材对再热裂纹不敏感。4.2.2 再热裂纹敏感性试验采用斜Y坡

18、口试验评定再热裂纹倾向，试样的尺寸及制备方法按GB4675.1-84斜Y坡口焊接裂纹试验方法的规定进行，焊接工艺与冷裂纹试验相同，预热温度为150（以保证焊缝及热影响区在消除应力热处理前不会产生冷裂纹），并在焊接48小时后进行消除应力热处理，观察其产生裂纹的情况。具体热处理方法如下：任意速度升至300；以55/小时的速度升温到550；保温3小时；以55/小时降至300后自然冷却。试验结果见表11。表11 评定再热裂纹倾向铁研试验结果（=125mm、CO2气保焊）序号焊丝牌号焊接电流A焊接电压V焊接时间（秒）裂纹情况气体种类备注1JM60290-30032-3315无南亚2JM60290-300

19、32-3315无南亚试验结果说明在所选取的热处理温度条件下（550×3h），该钢材对再热裂纹不敏感。4.2.3 层状撕裂敏感性试验-Z向窗口试验Z向窗口试验是一种模拟实际层状撕裂的试验方法，这种试验在工程上得到广泛应用。试件如图4所示。4.2.3.1 试验步骤：4.2.3.1.1 在拘束板（300mm×350mm×30mm）的中心开一窗口，将试验板（150mm×170mm×20mm）插入此窗口，其位置如图4b所示，4.2.3.1.2 按图4c的顺序焊4条角焊缝，其中1、2为拘束焊缝，3、4为试验焊缝。装配时应将原始未加工表面放在试验焊缝一侧；4

20、.2.3.1.3 焊后在室温下放置24小时后再切取试件检查裂纹，裂纹率按下式计算： C=/L×100%式中 各截面上撕裂长度的总和（mm）；L 各截面上焊缝厚度的总和（mm）。4.2.3.2 试验结果：通过对试验板的解剖，共解剖3块，均未发现裂纹。图4 Z向窗口试验图5 刚性模拟焊接接头力学性能试验根据上述试验已知，试验钢材具有良好的抗冷裂、再热裂纹和层状撕裂性能。为进一步制定该钢材的焊接工艺，结合工程实际情况，模拟现场条件，选取125mm、68mm两种板厚进行了横向拘束钢性对接接头试验，并且对=68mm的焊接接头分别进行焊态及热处理状态下的性能对比。5.1 试验条件：焊接方法及位置

21、：CO2气保焊、横焊焊丝型号及规格：JM60 直径：1.2mmCO2气体生产厂家：北京南亚气体有限公司 熔敷金属扩散氢含量为3.44ml/100g，水银法CO2气体流量：20 L/min（=68mm）、50 L/min（=125mm）试板初始温度：常温层间温度：150180热处理工艺：以任意升温速度升至300；以55/小时的升温速度升至550；保温2小时；以55/小时的降温速度降至300，空冷。试板坡口、间隙见图5：图5 试板坡口、间隙焊接工艺参数见表12、13：表12 =68mm焊接工艺参数层次电流（A）电压（v）焊接速度（mm/min）热输入（KJ/cm）18300320293025030

22、017.423.0454429031029.531535040012.8316.7盖面11道280290262733035012.4814.3表13 =125mm焊接工艺参数层次电流（A）电压（v）焊接速度（mm/min）热输入（KJ/cm）1429030730.43130035015.119.035167310320313435040014.4118.65盖面18道2803135040013.0214.885.2 试验结果详见表14表16表14 熔敷金属拉伸试验结果（试件均取自于坡口根部）编号试件截面尺寸mm2屈服强度SMPa抗拉强度bMPa延伸率%备注178.5460068529=125m

23、m278.5464572520=68mm，未经热处理378.5468075526=68mm，未经热处理478.5468578520=68mm，经热处理578.5469578524=68mm，经热处理表15 接头冲击试验结果序号试验温度 冲击功 （J）备注试验值平均值10148149145147=125mm，熔合线20153135140143=125mm，热影响区3075605864=68mm，熔合线，未经热处理4056564853=68mm，热影响区，未经热处理5052666059=68mm，熔合线，经热处理6073266053=68mm，热影响区，经热处理72058406454=68mm，熔

24、合线，未经热处理820384126.535=68mm，热影响区，未经热处理92032324035=68mm，熔合线，经热处理102043394041=68mm，热影响区，经热处理113040364139=68mm，熔合线，未经热处理123044242433=68mm，热影响区，未经热处理133035323233=68mm，熔合线，经热处理143034364037=68mm，热影响区，经热处理注：取样位置：位于刚性模拟焊接接头上表面表16 接头侧弯试验结果序号试件尺寸 mm弯心 mm角度结果备注1300×12230180°合格=125mm2300×12230180&

25、#176;合格=125mm3300×12230180°合格=125mm4300×12230180°合格=125mm5.3 接头(焊态)的金相组织5.3.1 盖面焊缝先共析铁素体沿柱状晶晶界析出，沿先共析铁素体边缘有少量珠光体组织；晶内为粒状贝氏体和针状铁素体交叉分布，粒状贝氏体中的岛状相很多已分解。其熔合区，粗晶区，不完全重结晶区组织图见照片1,2,3。5.3.2 打底焊缝区先共析铁素体沿原奥氏体柱状晶晶界析出，沿先共析铁素体边缘有极少量珠光体组织；晶内大多组织为粒状贝氏体和针状铁素体交叉分布，粒贝中的岛状相已开始有分解。其熔合区，粗晶区，不完全重结晶区

26、组织见照片4,5,6。通过金相组织检验，焊缝及HAZ均未发现脆性组织上述试验表明，在试验条件下焊接接头的组织未发现脆性组织，力学性能优良，钢材及焊接工艺参数基本满足施工的需要。6 结论6.1 通过斜Y试验可以看出，ASTM A913 Gr60钢具有良好的抗冷裂性能，但厚板不预热焊接要选择抗裂性好的焊接材料。6.2 通过斜Y试验说明ASTM A913 Gr60钢在本报告热处理制度（550×3小时）下具有良好的抗再热裂纹性能。6.3 通过Z向拉伸复验及Z向窗口试验表明，ASTM A913 Gr60钢具有良好的Z向性能。6.4 通过在不预热条件下采用CO2气体保护焊（焊丝为JM-60，焊接线能量为4.29KJ/cm）的插销试验，可以看到该钢材在极小热输入焊接工艺条件下，断裂应力尚能达到485MPa，说明该钢材抗冷裂性能较好。6.5 通过常温环境下不预热刚性模拟试板，用JM60焊丝CO2气体保护半自动焊，仅作横向拘束条件下，根部焊道热输入1520 KJ/cm，