钢结构厚板及其对接焊缝Z向性能试验

王元清，张元元，石永久

(清华大学土木工程系，土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京100084)

目前，我国建筑钢结构工程高速发展，涌现出一批大型建筑和桥梁。同时，随着冶金工业和钢铁工业的发展，厚板钢材越来越广泛的应用。厚板钢材本身Z向性能要弱于轧制方向，在焊缝的热影响作用下可能会加重Z向性能的敏感性，更容易产生层状撕裂或者断裂。

张茂龙等对几种不同厚度的16MND5锻件，在不同坡口的对接连接下对厚度不同位置的焊缝进行室温和-20℃下的拉伸和冲击试验［1］;马立鹏等对不同厚度的14MnNbq钢板，采用不同焊接工艺的对接焊缝及热影响区进行了拉伸和低温的冲击试验［2］;高彩茹等对屈服强度为380 MPa的超级中厚板进行了对接焊缝不同焊接工艺下的母材、焊缝及热影响区的冲击韧性试验［3］;王元清等对150 mm厚钢板的对接焊缝及热影响区进行了低温下的冲击韧性试验［4］;Frank等对3/32 E70TG-K2焊条不同热输入的厚板对接焊缝金属和熔合线进行了常温和低温下的冲击韧性试验［5］。

根据规范 GB/T 19879-2005《建筑结构用钢板》［6］和规范 GB/T5313-2010《厚度方向性能钢板》［7］，钢板的拉伸性能应满足一些最低要求。其中各类型钢板的屈服、抗拉强度和屈强比均需满足一定要求，冲击功在-40℃不小于34 J;当大于15 mm板要求厚度方向性能时，需满足一定Z向断面收缩率的要求。

随板厚的增加，板内部的夹杂物缺陷等越来越明显，在焊接过程中，焊接工艺的不足以及热影响和残余应力使钢板的材性发生变化，容易产生脆性裂纹和扩展，表现为热影响区材料的性质变差，同时焊缝本身也是不可避免的有各种缺陷，是容易产生脆性破坏的薄弱点。

本实验采用不同厚度的板，对其母材，对接焊缝和热影响区进行取样，进行简单拉伸试验和夏比V形缺口冲击试验。为厚板对接焊接的力学性能提供数据参考和设计依据。

1 试验概述

1.1 试验规范及目的

本实验参考的规范有:GB/T 2975-1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》［8］，GB-T 228.1-2010《金属材料拉伸试验，第1部分:室温拉伸试验方法》［9］，GB/T5313-2010《厚度方向性能钢板》［7］，GB-T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》［10］和 GB-T12778-2008《金属夏比冲击断口测定方法》［11］。

试验拟对 60、80、100、120 mm 这 4种厚度的Q345B钢板及其对接焊缝进行20℃下的简单拉伸试验和冲击试验。对于简单拉伸试验，拟测得试样的屈服强度fy，极限强度fu及断面收缩率ψ;对冲击试验，采用夏比V形缺口试样，测得每个试样的冲击功Akv。最后分析各力学性能随板厚和取样方向、位置不同的变化规律。

1.2 试验材料取样方法及规格

试验材料为舞阳钢铁厂生产的Q345B结构用钢材;由中国二十二冶集团进行焊接加工，采用二氧化碳气体保护焊，焊丝为1.2mm的ER50-6，送丝速度30～35 cm/min左右;试样的取样由北京亚东亚机械电子技术研究所进行，采用线切割等方法。

首先对板采用V形坡口全熔透对接焊缝进行焊接，然后在其沿母材轧制方向和母材、热影响区及焊缝的Z向进行取样，如图1。

V形坡口全熔透对接焊缝细节见图2。由于板厚较大，故需要多道焊缝，不同区域焊接电流和电压为

底层:电流250～260 A，电压28 V;

中层:电流280～300 A，电压30～32 V;

面层:电流270～280 A，电压30～32 V。

图1 拉伸、冲击试样取样图Fig.1 Sampling locations of tensile and impact test specimens

图2 对接焊缝尺寸规格Fig.2 Butt weld size

拉伸试样每种取3个，冲击取4个，计算结果取平均值。试样取样完成后列表如表1、2所示。

表1 拉伸试样取样后分类表Table 1 Sam p ling groups of tensile test specimens

对于拉伸试样，沿轧制方向取样总长度为120 mm;沿Z向取样，总长为板厚，见图3，其中板厚为60 mm时，夹持端长度为15 mm。

图3 拉伸试样沿X向和Z向试样规格详图Fig.3 Specifications of X and Z directions tensile specimens

对于冲击试样，各试样的规格一致，如图4。

图4 冲击试样规格详图Fig.4 Specification of im pact specimens

1.3 试验设备及参数

拉伸试验设备使用清华大学航空航天大学力学实验室的万能力学试验机。试验采用螺丝夹头，加载速率为2 mm/min，自动采集荷载位移曲线;冲击试验设备采用清华大学力学实验室的SANS摆锤式冲击试验机(标准冲击能为300 J)如图5所示。

图5 拉伸及冲击试验设备Fig.5 Equipment for tensile and impact test

2 拉伸及冲击试验结果

2.1 拉伸力学性能取样方法变化试验结果

图6为屈服强度fy，极限强度fu及断面收缩率ψ随取样方法的变化规律。

图6 屈服、极限强度及断面收缩率随取样位置变化规律Fig.6 Variation law of fy，fu and ψ versus sam p ling locations

1)由图6可见，纵向取样比Z向取样的试样fy、fu和ψ要大很多;由母材 Z向到远热影响区Z向，再到近热影响区Z向，fy、fu和ψ也有降低的趋势，但不明显。

2)由图6可见，焊缝金属的fy高于母材金属，但是fu却低于母材金属，说明焊缝比母材有更大的脆性，同时由于焊缝区的各向异性不明显，故断面收缩率接近于母材。

2.2 拉伸力学性能板厚变化试验结果

图7为屈服强度fy，极限强度fu及断面收缩率ψ随板厚的变化规律。

图7 屈服强度，极限强度及断面收缩率随板厚变化规律Fig.7 Variation law of fy，fu and ψ versus plate thickness

由图7可见，随着板厚的增加，fy、fu和ψ皆有不同程度的降低。从而可知，厚板的厚度越大，不管纵向还是Z向，不管母材、焊缝还是热影响区，强度指标及延性变差。

2.3 冲击韧性随取样位置变化的试验结果

冲击功随取样位置变化试验结果如图8所示。由图8可见，对于不同厚度。母材的X向的冲击功大于Z向的，母材Z向的冲击功大于热影响区的。对于焊缝，由于焊缝的各向异性已经不明显，故焊缝的冲击功约等于母材X向的，但是焊缝冲击功略低于母材，表明焊缝冲击韧性较母材略有降低。

图8 冲击功随取样位置变化规律Fig.8 Variation law of A kv versus sampling locations

文献［12］曾研究过150 mm厚Q345B钢板对接焊缝在20℃纵向取样的冲击韧性。现将一些实验结果与本实验做比较，如表3所示。

表3 冲击试样实验结果比较Table 3 Comparison with Hu’s results of im pact test

由表3可见，虽然本实验板厚为120 mm，但由于是沿Z向取样，故热影响区和母材的冲击功要远远小于胡宗文板厚为150 mm的X向取样实验结果，几乎接近0;同时在焊缝区冲击功的大小没有明显差别。

2.4 冲击韧性随板厚变化的试验

冲击功随板厚变化试验结果如图9所示。

由图9可见，冲击功随着板厚的增加而降低，降低的幅度对于不同取样位置和方向比较一致，板厚每增加10 mm，冲击功约降低10 J左右。从而当板厚越大时，越应重点关注冲击韧性的降低。

图9 冲击功随板厚变化规律Fig.9 Variation law of A kv versus plate thickness

3 试样断口分析

对60 mm厚板对接连接的母材、热影响区及焊缝的Z向冲击试样(60-Z-2-B1，60-Z-2-B2及60-Z-2-B3)的断口进行照相和电子显微镜扫描分析。如图10、11 所示。

从宏观看，焊缝区金属表现出冲击后较大的断面变形，塑性更明显，热影响区表现出整齐的脆性断裂面。

从微观看，热影响区有很明显的舌状花纹，表现出较明显的脆性，母材和焊缝金属有很明显的韧窝分布，从而有明显的韧性，其中焊缝金属Z向取样的韧窝远远比母材Z向取样的要密集细小，故有更好的韧性。这也可能是因为焊缝区金属更倾向于各向同性，而母材Z向取样性能比焊缝金属要差的原因导致。

图10 不同区域的Z向试样断口照片(自左到右:60-Z-2-B1，60-Z-2-B2及60-Z-2-B3)Fig.10 Fracture surface of Z-direction specimens(60-Z-2-B1，60-Z-2-B2，60-Z-2-B3，sequentially)

图11 不同区域的Z向试样电镜扫描照片Fig.11 SEM of fracture surface of Z-direction specimens of different locations

4 结论

1)母材X向、母材Z向、热影响区、焊缝的屈服强度fy、fu和ψ及冲击韧性Akv是依次降低的，其中沿Z方向的拉伸和冲击性能降低最为显著。热影响区及母材的Z向各性能差距较母材X向和Z向的小。

2)随板厚的增加，fy、fu和ψ及冲击韧性Akv皆有不同程度的降低。对于不同位置的取样，各性能随板厚的降低幅度没有显著的差异。

3)焊缝金属的屈服强度fy要高于母材，但极限强度和冲击功要低于母材。因此，焊缝区有更大的屈强比和更低的冲击韧性，其原因可能是由于焊缝金属的缺陷和裂纹引起的。但是，焊缝区的Z向性能优于热影响区和母材的Z向，可能是因为焊缝区的各向异性表现的不如母材及热影响区明显。

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