热输入对Q420FRE钢焊接热影响区组织和力学性能的影响

许 可，吴开明，王红鸿，李 丽，覃展鹏，吴年春

（1.武汉科技大学国际钢铁研究院，湖北 武汉，430081；2.高性能钢铁材料及其应用湖北省协同创新中心，湖北 武汉，430081；3.南京钢铁集团有限公司研究院，江苏 南京，210035）

钢结构作为建筑结构的一种重要形式，已成为中国建筑行业未来主要的发展方向，建筑钢材也有着良好的发展前景［1］。虽然钢结构建筑施工速度快、空间大、重量轻，但其有一个很大的弱点，即耐火极限低。为适应现代建材发展趋势，具有耐火性能的建筑用钢——耐火钢应运而生［2－3］。Q420FRE钢是一种新型的智能抗震耐火钢，具有良好的高温力学性能，且有着良好的塑性和较低的屈强比，在发生火灾时可为建筑物的结构提供加强保护［4］，满足高层建筑的使用要求。

在制造和安装过程中，建筑钢结构承受载荷及应力分布等与所采用的焊接方法、焊接工艺、接口型式等因素密切相关。耐火钢焊接热影响区性能的优劣是保证其结构完整性、安全性的关键因素。而焊接热输入是影响焊接热影响区组织、力学性能及抗裂性的重要工艺参数。基于此，本文针对新开发的40mm厚智能型Q420FRE耐火钢板，采用全自动埋弧焊方法（SAW）在不同热输入条件下进行焊接试验，研究焊接热影响区微观组织和力学性能的变化规律，以期为此类钢种的实际焊接提供技术依据。

1 试验

1.1 试验材料

试验所用40mm厚Q420FRE耐火钢采用低碳设计并进行Nb、Ti复合微合金化和Mn、Mo适度合金化，碳当量（Ceq）和冷裂纹敏感指数（Pcm）相对较低，耐火钢显微组织如图1所示，其化学成分如表1所示。由图1中可见，试样的显微组织主要由粒状贝氏体（B）和少量针状铁素体（AF）构成。Q420FRE耐火钢的力学性能见表2。

表1 Q420FRE钢的化学成分（wB／%）Table1 Chemical compositions of Q420FRE steel

表2 Q420FRE钢的力学性能Table2 Mechanical properties of Q420FRE steel

1.2 试样制备

将3块尺寸为40mm×230mm×500mm的钢板加工成坡口形式为X型的焊接试板，在其他参数相同的情况下，分别以15、30、75kJ·cm－1的热输入量进行埋弧焊焊接。焊接材料采用牌号为BHW－9＋XUN121的国产埋弧焊焊丝及配套焊剂。焊接后放置24h，使用X射线和超声波对试板进行无损检测。采用线切割设备在每件试板截取3个拉伸试样，在熔合线及熔合线外1、3、5、7mm处各取3个冲击韧性试样。

1.3 分析检测

根据GB／T228—2002测定Q420FRE钢室温下的抗拉强度Rm1，根据GB／T4338—2006测定在600℃下分别保温10min和30min钢试样的抗拉强度 Rm2，根据 GB／T229—2007在JB－30A型冲击试验机上进行－40℃时的低温冲击韧性试验。打磨抛光焊接试样，经4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在光学显微镜下观察其显微组织，并采用BUEHLER MicroMET5101型维氏硬度计测定其显微硬度。

将50kJ·cm－1热输入下的焊接接头试样制备成透射电镜萃取碳复型样品，在JEM－2100F型透射电镜中对试样中的析出相进行形貌观察和电子衍射分析，用INCA能谱仪对析出相进行成分分析，观察部位为熔合线外0.5～1.0mm区域。

2 结果与讨论

2.1 热影响区Q420FRE钢组织的变化

热输入为75kJ·cm－1时焊接热影响区不同区域的材料显微组织如图2所示，粗晶区的材料显微组织如图3所示。图2、图3与图1进行对比可知，试样熔合线及粗晶区奥氏体晶粒粗化现象不明显，材料组织类型及组成也没有发生明显变化，均为粒状贝氏体和少量针状铁素体，细晶区组织为铁素体＋珠光体组织，未相变区组织为粒状贝氏体和针状铁素体。

15、30kJ·cm－1焊接热输入条件下得到的试样热影响区微观组织与75kJ·cm－1热输入条件下热影响区显微组织类似。由此可见，试验所用Q420FRE钢板组织结构稳定，焊接热输入条件并未对其热影响区材料组织类型及组成产生显著影响。

2.2 热输入对热影响区Q420FRE钢硬度的影响

图4为不同热输入条件下热影响区Q 420FRE钢硬度随距熔合线距离的变化曲线。由图4可见，随着热输入的增大，热影响区宽度增加，材料平均硬度值降低。另外在试验采用的焊接热输入条件下，热影响区材料硬度HV0.5值约在150～200范围内，与母材硬度值接近，且在低热输入条件下软化现象不显著，这与材料显微组织结构的分析结果相吻合。

图2 焊接接头热影响区Q420FRE钢的显微组织Fig.2 Microstructures of Q420FRE steel in the heat－affected zone of welded joint

图3 焊接接头粗晶区Q420FRE钢的显微组织Fig.3 Optical microstructure of Q420FRE steel in the coarse－crystalline region of welded joint

2.3 热输入对热影响区Q420FRE钢力学性能的影响

不同热焊接接头的拉伸性能如表3所示。从表3中可以看出，随着热输入的增大，热影响区Q420FRE钢的高温、室温抗拉强度呈下降趋势，但均满足表1所示的标准要求。

图4 热影响区Q420FRE钢的硬度曲线Fig.4 Hardness curve of Q420FRE steel in the heat－affected zone of welded joint

表3 焊接热影响区Q420FRE钢的力学性能Table3 Mechanical properties of Q420FRE steel in the heat－affected zone of welded joint

试板焊接热影响区材料低温冲击吸收能曲线如图5所示。从图5中可以看出，在15～75kJ·cm－1的焊接热输入范围内，焊接热影响区材料低温冲击韧性大致随热输入的增加而降低，但仍保持在240～330J的高水平。

图5 －40℃焊接热影响区Q420FRE钢的冲击韧性分布Fig.5 Impact toughness distribution of Q420FRE steel in the heat－affected zone of welded joint at the temperature of－40℃

3 讨论

3.1 Nb－Ti微合金化对Q420FRE钢高温力学性能的影响

碳氮化物析出是耐火钢高温强化的主要机制。其中，Nb元素通过与碳结合，析出细小、弥散的NbC以达到析出强化的目的。NbC等强化相在沉淀时与基体保持共格，在其周围产生很强的应力场，阻碍位错运动，且这些强化相的熔点和硬度相对较高，与基体晶胞类型不同，因此在高温下很稳定，既不容易溶解，又不易聚集长大。Ti元素与C、N元素的亲合能力很强，易形成Ti的碳氮化物，也能起到析出强化的作用，并为Nb的碳氮化物的形成提供形核点。此外，Ti元素可有效抑制耐火钢中奥氏体晶粒长大，尤其对高温区奥氏体晶粒长大的抑制作用更为明显。随Ti含量的增加，由于发生强烈的沉淀强化，耐火钢的强度相应提高。

由JMatPro热力学计算软件得试验钢Nb、Ti碳氮化物的析出曲线，结果如图6所示。由图6可见，600～700℃温度区间内Nb－Ti碳氮化物含量最高。图7为50kJ·cm－1条件下焊接接头试样中析出相形貌及EDS能图谱。由图7可见，试验钢在高温条件下析出大量细小、均匀分布的（Nb，Ti）（C，N），这是 Q420FRE耐火钢保持良好高温强度的重要原因。

图6 试验钢Nb－Ti碳氮化物析出与温度关系曲线Fig.6 Relationship between the pricipitation of Nb－Ti carbonitrides and temperature

图7 试验钢Nb－Ti碳氮化物析出物形貌及EDS图谱Fig.7 TEM micrograph and EDS spectra of Nb－Ti carbonitride precipitate

3.2 低碳量设计对Q420FRE钢的组织稳定性的影响

粒状贝氏体的形成主要依赖两个因素：连续冷却和低碳含量［5］。试验钢采用0.04～0.06%的低含碳量设计，有效提高了贝氏体转变温度，有利于获得稳定的粒状贝氏体组织，使得热影响区材料硬度保持相对稳定。同时，粒状贝氏体组织中分布着一些M／A岛，也可起到复相强化作用，使Q420FRE耐火钢热影响区组织具有较好的强韧性［6］。

3.3 Ti－Al复合脱氧与微合金化对Q420FRE钢组织强韧性的影响

采用Ti－Al复合脱氧与微合金化可以得到微细复合夹杂物粒子，这些粒子不仅起到钉扎奥氏体晶界的作用，抑制粗晶区奥氏体晶粒长大，而且还为针状铁素体的形成提供形核质点，有利于热影响区组织的细化［7］。针状铁素体组织由于其特殊的微观结构而具有良好的强韧化效果［7－8］。因此，裂纹扩展必受到彼此咬合、交错分布的细小针状铁素体板条束的阻碍，从而有效地提高了Q420FRE耐火钢的组织强韧性。

4 结论

（1）在15～75kJ·cm－1的焊接热输入条件下对Q420FRE耐火钢进行埋弧焊焊接，焊接热影响区组织稳定，熔合线、粗晶区和未相变区组织为粒状贝氏体和少量针状铁素体，细晶区组织为铁素体＋珠光体。

（2）在较小焊接热输入（15～30kJ·cm－1）条件下，热影响区材料软化不明显，在较大焊接热输入（75kJ·cm－1）条件下，热影响区材料出现较大程度的软化。

（3）焊接热影响区材料表现出优异的低温韧性，这主要是由于智能型抗震耐火钢Q420FRE采取了低碳和Nb－Ti复合微合金化设计，使得其在较大范围的焊接热输入条件下，仍能组织稳定且不易粗化。

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