李聲延 潘 津 孫樂飛

（新余鋼鐵股份有限公司）

0 前言

S355J2是歐標(biāo)低合金結(jié)構(gòu)鋼，該鋼種通常在C-Mn鋼的基礎(chǔ)上添加Mn、Nb、Ti等合金。但是隨著原料市場的變化，硅錳和鈮鐵價格的上漲給生產(chǎn)成本帶來不小的壓力。為此，新鋼公司優(yōu)化設(shè)計了S355J2的成分，通過降錳、去鈮，以及添加少量鈦合金生產(chǎn)該鋼種，充分發(fā)揮Ti在鋼中的沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用，在符合性能要求的基礎(chǔ)上降低了生產(chǎn)成本。

S355J2結(jié)構(gòu)鋼作為建造鋼結(jié)構(gòu)的主要材料，通常用作鋼結(jié)構(gòu)建筑、鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建造，這些鋼結(jié)構(gòu)在建造過程中都需要對鋼材進(jìn)行焊接，在焊接條件下，母材熱影響區(qū)的位置被多次加熱、冷卻，導(dǎo)致其微觀組織發(fā)生顯著變化，焊接部位通常是結(jié)構(gòu)中最為薄弱的環(huán)節(jié)[1-4]。對焊接接頭進(jìn)行常規(guī)力學(xué)性能和微觀組織的研究，對含鈦S355J2結(jié)構(gòu)鋼焊接工藝制定和焊接性能評價，對該鋼種的推廣使用具有重要意義。

1 實驗材料

實驗用鋼板由新鋼3 500 mm可逆軋機(jī)軋制而成，一階段終軋溫度≥1 000 ℃，二階段開軋溫度≤970 ℃，終軋溫度≥860 ℃，材料取自40 mm厚的S355J2結(jié)構(gòu)鋼板板寬的1/4處。首先在鋼板的厚度的1/4處取樣，進(jìn)行SH-CCT測試；然后，在該實驗的基礎(chǔ)上設(shè)計出實驗鋼的焊接工藝，進(jìn)行焊接試驗，試驗用焊絲為大西洋生產(chǎn)的CHWSG（Φ4 mm），焊劑為氟堿型SJ101焊劑，鋼板及焊絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1和表2，母材金相組織為珠光體+鐵素體，金相微觀組織如圖1所示。

2 SH-CCT圖的繪制與焊接參數(shù)的確定

SH-CCT圖的測定參照YB/T 5128—93《鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖的測定方法》進(jìn)行，本試驗采用Formast熱模擬試驗機(jī)對鋼的臨界點進(jìn)行測定，試樣為Φ3 mm×10 mm的小圓柱；采用Gleeble-3800熱模擬試驗機(jī)對不同焊接熱循環(huán)條件下的熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織轉(zhuǎn)變規(guī)律進(jìn)行測定和研究，試樣取自厚度1/4處，試樣尺寸為Φ10 mm×80 mm的小圓柱。熱模擬工藝為：將試樣以200 ℃/s的速度加熱到1 300 ℃，保溫1 s；將試樣以15 ℃/s的速度從1 300 ℃降到900 ℃，保持時間30 s；然后分別以0.1 ℃/s、0.2 ℃/s、0.5 ℃/s、1 ℃/s、2 ℃/s、5 ℃/s、10 ℃/s、15 ℃/s、20 ℃/s、50 ℃/s的速度降到室溫。根據(jù)熱膨脹曲線和金相組織檢測結(jié)果，在相關(guān)軟件中繪制出實驗鋼的CCT相圖，如圖2所示。

表1 S355J2鋼及焊絲化學(xué)成分 %

表2 S355J2鋼及焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能

圖1 S355J2金相組織

圖2 S355J2鋼SH-CCT曲線

從圖2可以看到，S355J2鋼熱影響區(qū)的組織主要由鐵素體（F）、珠光體（P）和貝氏體（B）組成，隨著冷卻時間t8/5的增加，焊接熱影響區(qū)的B含量逐漸降低，F(xiàn)+P含量逐漸增多，硬度逐漸降低。當(dāng)冷速從60 ℃/s下降到5 ℃/s時，熱影響區(qū)組織中的B含量從50%降低到10%以下，基本只有F+P組織。從有利于沖擊韌性的角度考慮，應(yīng)盡量減少熱影響區(qū)B組織的含量，這就要求熱輸入不能太小，但是也要防止熱輸入過大，出現(xiàn)粗晶脆化現(xiàn)象，依據(jù)SH-CCT圖，比較適合的冷卻時間t8/5在20~50 s之間。而t8/5與焊接熱輸入密切相關(guān)，根據(jù)稻垣道夫等人建立的經(jīng)驗公式對t8/5與焊接熱輸入的關(guān)系進(jìn)行計算[5]：

式中：K——焊接能量系數(shù)；E——焊接熱輸入，kJ/cm；n——焊接能量指數(shù)；β——接頭系數(shù)；T——特征溫度；T0——被焊件的初始溫度，℃；δ——板厚，mm；δ0——板厚補(bǔ)償項；α——板厚修正系數(shù)。數(shù)值按照板厚40 mm埋弧焊工藝取值，K取950；n取0.95；β取1；δ0取12；α取3，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 熱輸入與t8/5關(guān)系曲線

根據(jù)SH-CCT圖，S355J2鋼的焊接冷卻時間t8/5在20~40 s較為合適，此時熱影響區(qū)組織中的貝氏體含量低，并且晶粒沒有發(fā)生明顯長大。根據(jù)圖3計算結(jié)果，其熱輸入范圍應(yīng)在25~50 kJ/cm。因此，在進(jìn)行埋弧焊焊接工藝試驗時，取熱輸入范圍的上、下限進(jìn)行試驗，將熱輸入分別定為25 kJ/cm和50 kJ/cm。

3 S355J2斜Y型坡口焊接裂紋試驗

鋼板厚度越厚，焊接過程中產(chǎn)生的拘束應(yīng)力越大，厚度超過30 mm的低合金高強(qiáng)鋼，若碳當(dāng)量過高或者焊接條件惡劣，那么在焊接過程中就有產(chǎn)生冷裂紋的風(fēng)險，為了避免冷裂紋的出現(xiàn)，通常會采用焊前預(yù)熱這種方法來降低焊接應(yīng)力[6]，但是這種方法會增加成本，并且嚴(yán)重降低作業(yè)效率。為了評判S355J2鋼的焊接冷裂紋傾向，對40 mm厚的鋼板進(jìn)行斜Y坡口焊接裂紋試驗。試驗按照GB4675.1—84《斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》規(guī)定進(jìn)行。

3.1 計算原理

表面裂紋率的計算采用的公式：

式中：Cf——表面裂紋率，%；∑lf——表面裂紋長度之和，mm；L——試驗焊縫長度，mm。

將試件采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ罄瓟嗷驈潝?，然后檢測其根部裂紋，本次試驗是將試件放在加熱爐中，400 ℃烘烤兩個小時，觀察其根部是否有氧化色，根部裂紋率的計算采用的公式：

式中：Cr——根部裂紋率，%；∑lr——根部裂紋長度之和，mm；L——試驗焊縫長度，mm。

對試件的5個橫斷面的裂紋進(jìn)行檢查（橫斷面的位置：按試驗焊縫寬度開始均勻處與焊縫弧坑中心之間的距離四等分而確定），測出裂紋的高度，再分別計算出這5個橫斷面的裂紋率．然后求出其平均值來。斷面裂紋率的計算方法如下：

式中：Cs——斷面裂紋率，%；H——試驗焊縫的最小厚度，mm；Hc——斷面裂紋的高度，mm。

試驗鋼板為40 mm厚的S355J2鋼板，焊絲采用Φ1.2 mm ER50-6焊絲，不預(yù)熱焊接。焊接熱輸入為14 kJ/cm，與鋼板對接時打底焊所采用的焊接熱輸入基本保持一致，焊接工藝參數(shù)見表3。焊后放置48 h后，經(jīng)砂紙研磨，拋光，然后用3%硝酸酒精腐蝕。試驗結(jié)果及焊接實物分別見表4、圖4和圖5。

經(jīng)檢驗，焊前不預(yù)熱時，焊后試樣的根部、表面及斷面均無裂紋，說明試驗鋼的抗裂性較好，在焊前可以不預(yù)熱。

表3 S355J2鋼斜Y坡口焊接裂紋試驗工藝參數(shù)

表4 S355J2鋼斜Y坡口焊接裂紋試驗結(jié)果

圖4 斜Y坡口焊接裂紋試驗橫斷面

圖5 斜Y坡口焊接裂紋試驗根部斷面

4 S355J2鋼焊接工藝試驗研究

4.1 試板坡口制備

按照GB 986—2008《埋弧焊焊縫破口的基本形式和尺寸》對坡口進(jìn)行加工，試板坡口尺寸如圖6所示，采用雙Y型坡口[7]。

圖6 坡口尺寸

4.2 焊接試驗

為了了解40 mm厚S355J2焊接接頭的基本力學(xué)性能及其微觀組織，對S355J2鋼進(jìn)行了焊接接頭對接實驗。焊接完后分別對焊接接頭的拉伸、彎曲、沖擊、硬度和金相組織進(jìn)行了試驗和分析。由于組織決定性能，通過接頭金相組織來推測接頭的性能，從而判斷選用的焊接材料和焊接工藝參數(shù)是否合理。為了對焊接接頭的不同組織進(jìn)行微觀分析，采用LEICA MEF4光學(xué)顯微鏡對不同熱輸入焊接接頭試樣的母材區(qū)、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)的顯微組織進(jìn)行了觀察，以此來分析熱輸入和組織之間的關(guān)系。金相腐蝕液采用的是3%的硝酸酒精溶液。

40 mm厚S355J2鋼焊接工藝參數(shù)見表5，對接接頭的宏觀形貌片如圖7所示。

從圖7可以看出，焊接接頭沒有出現(xiàn)夾雜、氣孔等焊接缺陷，焊接熱影響區(qū)范圍較寬，焊縫組織可以用看出柱狀晶形態(tài)。由于采用多層多道焊，焊縫組織及熱影響區(qū)都受到了熱循環(huán)的作用，由于在相鄰焊層之間彼此具有熱處理的作用，因此從提高焊接質(zhì)量來看，多層焊比單層焊更為優(yōu)越。

表5 S355J2埋弧焊參數(shù)

圖7 S355J2鋼對接接頭宏觀形貌

4.3 實驗結(jié)果與討論

S355J2鋼焊接接頭各區(qū)域金相組織如圖8所示。

圖8（a）為焊縫區(qū)金相組織，焊縫組織為先共析鐵素體（PF）+側(cè)板條鐵素體（FSP）+針狀鐵素體（AF）。其形成過程是，焊接時焊絲熔化形成熔池，液態(tài)金屬依附在熔合區(qū)基體金屬的晶粒表面進(jìn)行結(jié)晶、形核，然后晶體沿著散熱最快的方向往焊縫中心長大，最后形成柱狀組織。當(dāng)柱狀晶到Ar3以下時，在較高溫度下由奧氏體晶界首先析出PF，呈條狀和塊狀分布在奧氏體晶界；溫度繼續(xù)降低，則會從奧氏體晶界析出FSP，呈鎬牙狀；而未轉(zhuǎn)變的晶內(nèi)奧氏體在進(jìn)一步冷卻過程中，將會轉(zhuǎn)變成AF。FSP對裂紋擴(kuò)展的阻礙作用較小，損害焊縫區(qū)域的沖擊韌性。

圖8（b）為熔合區(qū)組織，熔合區(qū)的組織為鐵素體（F）+珠光體（P）+貝氏體（B）。在焊接條件下，熔化過程是很復(fù)雜的，熱能的擴(kuò)散也極不均勻，該區(qū)域為局部熔融狀態(tài)，組織粗大，而且化學(xué)成分很不均勻，韌性、塑性都很差，為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

圖8（c）為過熱區(qū)（CGHAZ）組織，薄板粗晶區(qū)的組織為F+P+少量B，F(xiàn)沿著原奧氏體晶界析出，在焊接條件下，由于冷卻速度較快，出現(xiàn)了少許B組織，B是一種硬脆相，會造成硬度值升高，塑韌性下降。

圖8（d）為細(xì)晶區(qū)（FGHAZ）組織，該區(qū)的組織為等軸F+P。在焊接條件下，母材被加熱到Ac3以上部位，發(fā)生重結(jié)晶但是沒有發(fā)生晶粒長大，在冷卻時得到均勻、細(xì)小的鐵素體和珠光體。由于晶粒細(xì)化，此區(qū)的塑性、韌性、強(qiáng)度都比較好?？梢钥闯觯瑥拇志^(qū)往細(xì)晶區(qū)過渡時，B逐漸減少，直至消失。

圖8 S355J2鋼焊接接頭各區(qū)域金相組織

S355J2鋼焊接接頭硬度分布曲線如圖9所示。 從圖9可以看出，焊接熱影響區(qū)的硬度值要高于母材，靠近熔合線附近的CGHAZ和FGHAZ為整個熱影響區(qū)最高的部位。這是因為在熱循環(huán)條件下，CGHAZ和FGHAZ的母材被完全奧氏體化，快速冷卻時形成不平衡組織，如貝氏體組織，使硬度值升高；FGHAZ由于晶粒細(xì)小，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化作用，硬度值升高。由于母材的碳當(dāng)量低，整個熱影響區(qū)并沒有出現(xiàn)淬硬組織，最高硬度值不超過200 HV3。此外，母材的硬度值在焊接接頭處最低，拉伸時易從母材處斷裂[8]。焊縫區(qū)域的硬度值要高于母材，這是因為焊縫區(qū)域的針狀鐵素體組織提高了該區(qū)域的硬度和強(qiáng)度，焊縫的硬度值隨著熱輸入的增大而逐漸減少。

圖9 S355J2鋼焊接接頭硬度分布曲線

焊接接頭拉伸、彎曲試驗結(jié)果見表6，進(jìn)行拉伸試驗時接頭斷裂部位都處于母材部分，說明焊縫及熱影響區(qū)的強(qiáng)度比母材要高，這與焊接接頭的硬度分布也保持了一致，整個焊接接頭的硬度值最低的部位也是母材部分。彎曲試驗結(jié)果表明熱影響區(qū)及焊縫的塑性良好。從試驗結(jié)果可以看出，采用該工藝進(jìn)行焊接時焊接接頭能獲得合格的拉伸強(qiáng)度及彎曲性能。

焊接接頭沖擊試驗結(jié)果見表7，焊接接頭整體沖擊性能良好。隨著熱輸入的增加，冷卻速度減慢，焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)的貝氏體組織逐漸增多，造成沖擊功下降。但是由于母材在成分設(shè)計時，選用的低錳增鈦的路線，這會帶來兩個方面的好處：一是低錳成分會降低熱影響區(qū)生成貝氏體的量；二是鈦會阻礙過熱區(qū)的晶粒長大，使得在較大線能量條件下，過熱區(qū)不會發(fā)生粗晶脆化。在這二者的共同作用下，使得含鈦S355J2鋼能在較寬的熱輸入范圍內(nèi)保持良好的焊接性能。

表6 S355J2鋼焊接接頭拉伸、彎曲性能

表7 S355J2鋼焊接接頭沖擊性能

圖10 S355J2鋼焊接接頭拉伸、彎曲試樣

圖10 為焊接接頭拉伸及彎曲試驗結(jié)果宏觀照片?？梢钥闯?，焊接接頭拉伸斷裂的位置都處于母材部分，這說明焊接接頭的強(qiáng)度能達(dá)到要求，另外斷裂位置有一定的頸縮，說明母材具有好的塑性。從彎曲試驗結(jié)果可以看出，整個焊接接頭都沒有出現(xiàn)裂紋，而且焊縫區(qū)域也沒有夾雜、氣孔等缺陷，焊接接頭的塑性變形能力良好。

根據(jù)以上焊接工藝試驗，推薦的S355J2鋼板（10~50 mm厚）的埋弧焊接頭對接工藝見表8。 （2）含鈦S355J2鋼焊接性能優(yōu)良，熱影響區(qū)沖擊功與母材相當(dāng)，能完全滿足工程要求。

5 結(jié) 論

（1）對含鈦S355J2鋼SH-CCT曲線進(jìn)行分析，確定了適合該鋼種的焊接熱輸入范圍在20~50kJ/cm。

表8 S355J2鋼板焊接對接參數(shù)

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