钢结构厚板对接焊缝低温冲击韧性试验研究

王元清,胡宗文,石永久,周 晖,陈 宏

(1.清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室,北京 100084; 2.清华大学建筑设计研究院,北京 100084)

钢结构厚板在我国的使用越来越广泛,包括超高层及大跨建筑等。早期的绝大部分钢结构厚板都为进口产品,而国内对进口厚板的基本性能和焊接工艺均不了解,规范对这方面又没有相关的规定,致使许多钢结构厚板构件在焊接和使用过程中,莫名其妙地出现各种各样的裂缝,并且带有明显的低应力脆性断裂的特征,这些逐渐引起工业界的重视。

随着钢板厚度增加,钢板及其连接焊缝中应力应变状态、应力集中、裂纹敏感性等因素迅速增大,极易导致脆性断裂;同时连接焊缝中由于焊接工艺和焊接热影响而材质变差,也易萌生脆性裂纹并扩展。除此以外,钢结构厚板焊接产生的热影响使得焊缝及附近钢材的材质变差,焊接冷却过程中会产生裂纹[1]。

厚板结构在制造焊接中还容易出现层状撕裂。一般来讲层状撕裂与焊接接头有关,在 T型、角型或十字型接头的厚钢板多道焊接件中易发生层状撕裂。对海洋结构、大型叠合梁结构等构件在焊接部位因为板厚方向的约束很大,焊接量又多,产生层状撕裂的危险很大[2]。

另一方面,钢结构的服役环境也日益复杂,越来越多的应用于低温环境,尤其是高原严寒地区。低温环境会加剧钢板及焊缝的脆性破坏倾向,低温冷脆现象不能忽视。

基于上述情况,钢结构厚板焊缝脆性断裂研究意义明显。本文采用了钢结构厚板对接焊缝低温下冲击韧性的试验研究。试验要求在钢厚板对接焊缝的焊缝区和热影响区(HAZ,下同)沿厚度方向的不同位置取样,同时设置不同温度点,试图得到有关低温影响和沿厚度方向性能差异的相关变化规律,并为之后的钢厚板焊接断裂韧性研究和设计方法提供试验依据。

1 试验概况

1.1 试验目的

本文试验根据[GB/T 229-1994]“金属夏比缺口冲击试验方法”[3],在 20,0,-20、-40、-60℃5个温度点下对结构钢材Q345的150mm厚板对接焊缝进行冲击试验,包括焊缝和热影响区,并且要在全厚度取样(距表面 0,1/4,1/2,3/4板厚),同一条件点选用 4个试样。试验采用 V型缺口试样,测量每个试验点的冲击功值,得到冲击功和沿厚度的位置以及温度的相互变化规律,进而深入研究韧脆转变温度,为工程设计提供试验依据。

1.2 试样用材和尺寸

试验选用钢厚板由首钢生产,是目前建筑行业广泛使用的Q345B型号钢板,150mm厚,其化学成分见表 1。

表1 钢板化学成分质量分数Tab le 1 Reference chemical constituents of plate%

对接焊缝采用单V坡口,尺寸见图 1;焊接工艺参数见表 2。

表2 焊接工艺参数Table 2 Welding technology parameters

图1 对接焊缝尺寸Fig.1 Geometry of butt weld

试件尺寸按照规范“金属夏比缺口冲击试验方法”,见图 2。取样位置包括焊缝和热影响区,试件数量分别为 80件和 60件,其中焊缝试件保证试件缺口中心与所在位置的焊缝宽度中心重合,热影响区试件缺口中心距离垂直熔合线2mm,见图3。

图3 冲击试件取样位置Fig.3 Schematic sampling location

1.3 试验设备

本试验在SANS摆锤式冲击试验机上进行,标准打击能量为300 J。试验要求将冲击试样冷却至规定温度并保温一段时间后再进行冲击。冷却介质采用酒精和液氮的混合液体,在保温箱中将试件冷却,这种方法可以将试样冷却到 -80℃左右。试验用温度计量程为 -80～50℃,最小分度值 1℃。试验装置如图 4所示。

图4 冲击试验机Fig.4 Impact testequipment

1.4 试验过程及注意事项

(1)为提高效率,试验从高温到低温进行,多试样同时冷却;

(2)试样应在规定温度下保持足够时间,这里要求不少于5min。

(3)移取试样时,夹具的温度应于介质温度尽量相同。

(4)试样紧贴支座放置,并使其缺口背面朝向摆锤刀刃,缺口对称面位于两支座对称面上,其偏差不应大于0.5 mm。

2 冲击试验结果

2.1 冲击韧性随温度的变化规律

有关试样取样的相关规范里,往往把距表面 1/4厚度处的试验值作为一个整体性能的代表值。对于焊缝区和热影响区同样取该位置进行研究,其冲击韧性随温度的变化规律和母材性能进行比较(母材数据来自笔者的另一篇论文“钢结构厚板低温冲击韧性试验研究”,待发表),试验结果见表3和图 5。

表3 热影响区和母材冲击能比较Table 3 Impact energy comparison between HAZ and basemetal

图5 冲击韧性随温度的变化规律Fig.5 Variation of impact toughness within temperature

(1)从图 5可看出,随着温度降低,焊缝区、热影响区和母材的冲击功值均迅速降低,并且曲线的形状呈现出较清晰的韧脆转变过程,表现出了明显的低温脆性。

(2)焊缝区本身冲击韧性相对较高,而热影响区冲击韧性基本上低于母材冲击韧性,这说明焊接产生的热影响使得焊缝附近钢材的材质变差,使热影响区成为了焊接的薄弱环节,需要引起更多重视。

2.2 冲击韧性随沿厚度不同位置的变化规律

为了研究沿板厚度方向不同位置的冲击韧性分布,试验中在常温20℃和低温-20℃、-40℃3个温度点,对焊缝和热影响区进行了沿厚度的取样。焊缝区试验结果见图 6,热影响区结果以母材性能为基础,和母材比较的试验结果见图 7。

图6 焊缝冲击韧性随沿厚度位置的变化规律Fig.6 Variation of im pact toughness of weld metal within locations along the thickness direction

图7 热影响区冲击韧性随沿厚度位置变化规律(与母材比较)Fig.7 Variation of impact toughnessof HAZwithin locations along the thickness direction(compared with basemetal)

(1)从3个温度点的冲击功曲线依然可以看出焊缝和热影响区的冲击韧性随温度降低而降低。

(2)图 6中焊缝区冲击功值从焊缝表面到内部没有体现出明显的规律性,而是出现随机的波动,这和母材的中心偏析现象并不相同。因此,对于一般厚板的焊接冲击韧性的取样检测,根据这个试验结果可以不必刻意针对中心位置取样,这和参考文献[4]得到的结论一致。

(3)图 7中热影响区冲击韧性沿厚度方向的分布和母材保持一致,都是由于中心偏析现象导致性能从表面到中心不断降低。同时,该图示结果再次显示出热影响区冲击韧性相比母材有所恶化。

3 韧脆转变温度分析

韧脆转变温度是衡量材料低温脆性的一个重要指标,值越大,越容易发生韧脆转变,具有更明显的低温脆性。工程界常常将其作为防断裂的重要判据。

冲击功-温度曲线总体呈 S形,分为下平台、转变温度区和上平台 3部分,典型的曲线形式如图8所示。对于韧脆转变温度的定义常用的是用最大冲击功(上平台能)和最小冲击功(下平台能)的算术平均值对应的温度。

图8 冲击功-温度典型曲线Fig.8 Typical curve of im pact energy-temperatures

但事实上,实验的数据离散性较大,几乎不可能得到如此典型的曲线,这时用合适的函数进行拟合更合理一些。大量的试验与实践表明,采用形如公式(1)的Boltzmann函数对冲击功和温度的关系进行回归分析时,具有较好的相关性和较小的残差,而且各参数的物理意义明确,可以很好地描述冲击功与温度之间的关系[5-6]。

式中:Akv为冲击功,T为温度。其他为函数参数,其物理意义如下:A1(J)为下平台能,A2(J)为上平台能,x0(℃)即为韧脆转变温度,dx(℃)反映了转变温度区的温度范围,dx越小,转变温度区跨越的温度范围越窄。

本文利用Boltzmann函数对图5的试验结果进行了回归分析,拟合结果回归系数均大于 98%,结果见表 4。

表4 Boltzmann函数参数Tab le 4 Parameters of Boltzmann function

(1)相比母材和热影响区,焊缝区的上下平台能值较大,同时韧脆转变温度较低(-26.8℃),表现出相对较好的冲击韧性,说明焊缝本身的冲击性能不是控制因素。

(2)母材及热影响区则表现出相对较差的冲击韧性性能。同时热影响区的韧脆转变温度-11.2℃略高于母材的 -12.1℃,再次印证了热影响区冲击韧性有所恶化,是最薄弱环节。

4 断口扫描分析

冲击试验完成后对试件进行断口扫描分析,电镜放大倍数1 000倍,扫描结果如图 9所示。

图9 焊缝区试件断口微观形貌Fig.9 Fracturemicro-morphology of weld metal samples

(1)温度较高时,断口存在较明显的纤维区,可以看到纤维区有典型的韧窝分布,说明塑性变形较大,而低温时纤维区几乎消失。

(2)对于放射区而言,温度较高时,存在少量的韧窝分布,撕裂棱数量相对较多,而随着温度降低,韧窝基本消失,撕裂棱的数量有所减少,解理面逐渐清晰,即脆性特征越发明显。

图10 热影响区试件断口微观形貌Fig.10 Fracturemicro-morphology of HAZ samples

(3)对比焊缝区和热影响区的放射区,可以看到热影响区的撕裂棱更少,解理面也更清晰,即冲击韧性相对较差,这也证实了前面冲击试验的冲击功结果。

5 结 论

(1)随温度降低,焊缝区和热影响区的冲击功迅速降低,冲击韧性变差。

(2)焊缝区冲击韧性沿厚度方向不同位置的分布呈现波动,没有明显规律。而热影响区冲击韧性沿厚度的分布规律和母材保持一致,但冲击功数值要低于母材,说明热影响区的冲击韧性已发生恶化,成为焊接的薄弱环节。

(3)Boltzmann函数拟合分析具有良好的相关性,得到的结果显示本试验中的焊缝有相对较低的韧脆转变温度,母材次之,热影响区最高,即冲击韧性性能依次降低。这从理论上进一步印证了前面结论的合理性。

总的来说,钢结构厚板焊接性能存在着较为明显的低温脆性特征,特别是热影响区,这一点要引起足够的重视。

[1]李克中,苏本伟.15MnVNq钢56mm厚板在九江长江大桥上应用的研究[J].桥梁建设,1989,(1):10-13.

LI Ke-zhong,SU Ben-wei.Study on application of 15MnVNq 56mm thick steel p late at Jiu jiang Yangtze River Bridge”[J].Bridge Construction,1989(1):10-13.

[2]郑 磊.抗层状撕裂钢的开发与应用[J].上海金属, 2005,27(2):4-6. ZHENG Lei.Research and development of a lam ination crack resistant steel p late[J].Shanghai Metals,2005,27 (2):4-6.

[3]GB/T 229-1994,金属夏比缺口冲击试验方法[S]. GB/T 229-1994,Metallic materials-charpy notch impact test[S].

[4]张茂龙,丁必学,樊建明.大厚度焊接接头不同厚度部位焊缝纵向力学性能差异性试验[J].焊接,2003 (4):12-15. ZHANG Mao-long,DING Bi-xue,FAN Jian-ming.Experimentonmechanical properties difference of weld metal for large thicknesswelded jointat different thickness location[J].Welding＆Joining,2003(4):12-15.

[5]赵建平,张秀敏,沈士明.材料韧脆转变温度数据处理方法探讨[J].石油化工设备,2004,33(4):29-32. ZHAO Jian-ping,ZHANG Xiu-min,SHENShi-ming.On themethod ofdata processing forductile-brittle transition temperature[J].Petro-chemical Equipment,2004,33 (4):29-32.

[6]周昌玉,夏翔鸣.CrMo钢材料韧脆转变温度曲线的回归分析[J].压力容器,2003,20(6):13-18. ZHOU Chang-yu,XIA Xiang-m ing.Regression analysis of ductile-brittle transition temperature curve for crmo steel[J].Pressure Vessel Technology,2003,20(6):13 -18.

[7]王元清,奚 望,石永久.钢轨钢材低温冲击功的试验研究[J].清华大学学报:自然科学版,2007,47 (9):1414-1417. WANG Yuan-qing,XIWang,SHI Yong-jiu.Experimental study of the impact toughness of rail steel at low temperatures[J].Journalof Tsinghua University:Science and Technology,2007,47(9):1414-1417.

[8]WU Yan-m in,WANG Yuan-qing,SH I Yong-jiu,et al. Effects of low temperatureon properties of structural steels [J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2004,11(5):442-448.

[9]胡宗文,王元清,石永久,等.钢结构厚板的工程应用及其脆性破坏研究[J].钢结构,2008(增刊):38-45. HU Zong-wen,WANG Yuan-qing,SHI Yong-jiu,et al. Study on engineering app lication and brittle fracture of steel structure thick plate[J].Steel Construction,2008 (Supplement):38-45.

[10]Hitoshi Kuwamura,Jun Iyama,Koji Matsui.Effects of Material Toughness and Plate Thickness on Brittle Fracture of Steel Members[J].Journal of Structural Engineering,2003(11):1475-1483.