关于钢结构厚板对接焊缝低温冲击韧性试验研究

王晓璇

摘要：采用150mm厚钢板对接焊缝开展低温冲击韧性试验发现，焊缝区与热影响区冲击韧性随温度降低而降低，低温脆性特征明显，热影响区冲击韧性沿板厚变化而降低，发生了材质恶化。

关键词：钢结构厚板;对接焊缝;低温冲击韧性

引言：

在建筑钢结构工程取得快速发展的背景下，厚板钢材得到了广泛使用。而该类钢材焊接难度较大，使用过程中焊缝周围容易发生低温脆性断裂问题。因此，还要加强钢结构厚板对接焊缝低温冲击韧性试验研究，从而加强钢材质量控制。

1钢结构厚板对接焊缝低温冲击韧性试验

1.1试验目的

钢结构厚板在焊接的过程中容易受对接焊缝影响，导致结构出现层状撕裂。在低温环境下，钢板及焊缝脆性破坏倾向将加剧，导致低温冷脆现象发生。为确定钢结构厚板对接焊缝低温冲击韧性，按照国家标准《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》（GB/T229-2007）规定进行钢结构厚板取样和加工，对得到的V型缺口试样开展冲击试验[1]。针对焊缝和热影响区，需要实现全厚度取样，分别在20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃五个条件点选用4个试样，对试验点冲击功值进行测量，探索试样冲击韧性变化规律。

1.2试验方法

选取的试样材料为首钢生产的Q345B，厚度达150mm，主要化学成分碳、锰、硅、硫、磷的质量分数分别为0.19%、1.51%、042%、0.018%、0.017%。试样对接焊缝为单边V形坡口，缺口宽8到10mm。取样方向与焊缝方向垂直，在距离钢板表面0、1/4、1/2、3/4的厚度位置。焊缝区缺口中心与所在位置焊缝宽中心重合，热影响区试样缺口中心与垂直熔合线保持2mm距离，采用平焊方式进行常温焊接。采用的焊接方法是二氧化碳气体保护焊，电流在250到300A之间，电压在28到35V之间，焊丝直径达1.2mm，型号为H08Mn2SiA，以30到45cm/min的速度送丝。

1.3试验条件

試验采用CSS-2220电子万能试验机，利用高低温环境保温箱对试样进行冷却降温，具体需要在箱内通入液氮和空气混合蒸汽的冷却介质。采用温度计最小分度值为1℃，量程在-80到50℃之间。利用夹具将冷却后的试样放在SANS摆锤式冲击试验机上，可以开展冲击试验。设备标准打击能量为300J，试验需要从20℃进行，然后逐步降温。按照要求，试样冷却时间应达到5min以上。取样时夹具温度与介质温度相同，试样的放置应紧贴支座，缺口背面朝向刀刃，对称面偏差不超出0.5mm[2]。

2钢结构厚板对接焊缝低温冲击韧性试验结果

2.1冲击韧性变化规律

从冲击韧性变化情况来看，可以将距表面1/4厚度处的试验值当成是典型值对冲击韧性随温度变化规律进行分析。在20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃的条件下，焊缝区冲击能分别为138.8J、126.5J、102.9J、31.2J、18.5J，热影响区冲击能分别为82.2J、59.8J、35.2J、5J、3.1J，母材冲击能分别为87.3J、72.8J、28.3J、8.8J、3.5J。由此可见，在温度不断降低的过程中，冲击能均呈现出降低趋势，能够使清晰的韧脆转变过程得到展现，体现材料的低温脆性。相比较而言，焊缝区拥有较高冲击韧性，热影响区冲击韧性最低，因此能够说明焊接带来的热影响给周围材质带来了不良影响。在冲击韧性随厚度变化情况展开分析时，可以选取20℃、-20℃、-40℃三个点。在20℃条件下，在距表面0、1/4、1/2、3/4的厚度位置焊缝区冲击能分别为125J、138J、119J、132J，温度降低至-20℃分别为117J、102J、73J、85J，温度达-40℃分别为46J、31J、73J、58J。从整体来看带有随机波动性质，缺少明显变化规律，无需针对中心位置取样。针对热影响区，20℃条件下，在距表面0、1/4、1/2的厚度位置焊缝区冲击能分别为120J、82J、73J，温度降低至-20℃分别为59J、35J、23J，温度达-40℃分别为9J、5J、4J，变化规律与母材基本一致，相较于母材冲击韧性有所恶化，呈现出性能从表面到中心不断降低的趋势，与受到的中心偏析现象影响有关。

2.2厚板韧脆转变温度

采用Boltzmann函数完成试验结果回归分析可以发现，焊缝区下平台能、上平台能分别为16.7J和134.4J，韧脆转变温度为-26.8℃，转变温度范围为7℃，热影响区下平台能、上平台能分别为1.5J和89.8J，韧脆转变温度为-11.2℃，转变温度范围为14℃，母材下平台能、上平台能分别为4.2J和89.6J，韧脆转变温度为-12.1℃，转变温度范围为8.7℃。韧脆转变温度越大，说明材料越容易发生韧脆转变。由此可见，焊缝区冲击韧性较好，但冲击性不可控，热影响区韧脆转变温度比母材高，为薄弱环节。

2.3钢结构厚板冲击韧性

采用放大倍数1000倍的电镜进行试样断口扫描可以发现，温度高时断口纤维区明显，存在典型韧窝分布，塑性变形较大，低温时则会消失。放射区在温度高时存在少量韧窝分布和较多撕裂棱，低温时将逐渐减少，呈现出明显脆性。比较焊缝区和热影响区可知，热影响区撕裂棱更少，冲击韧性较差。

结论：

针对钢结构厚板，通过开展对接焊缝低温冲击韧性试验可以发现，焊缝区和热影响区冲击功随温度降低迅速下降，带有低温脆性特征。而热影响区冲击韧性恶化，属于焊接薄弱环节。

参考文献：

[1]尹飞，周晖，王元清等.A572 Gr.50厚板对接焊缝断裂性能研究[J].工程力学，2018，35（06）：42-51.

[2]海潮.厚板对接焊缝残余应力有限元分析[J].建设科技，2017（22）：114-115.