TMCP桥梁钢焊接接头组织性能研究

陈尹泽 王立群 宋立伟 李 娜 徐 博

(安阳钢铁集团有限责任公司)

TMCP桥梁钢焊接接头组织性能研究

陈尹泽 王立群 宋立伟 李 娜 徐 博

(安阳钢铁集团有限责任公司)

采用C02气体保护焊对50 mm TMCP桥梁钢Q420qE进行焊接，用金相显微镜观察焊接接头微观组织，并检验接头拉伸、弯曲及冲击性能。结果表明，焊缝外观平整、组织均匀，焊缝和热影响区均具有良好的冲击韧性，焊接接头强度可以满足使用要求，TMCP桥梁钢焊接性能优良。

TMCP 焊接 显微组织 力学性能

0 前言

TMCP工艺是一项节约合金、简化工序、节约能耗的先进轧钢技术[1]，采用TMCP工艺路线生产Q420q级别的桥梁钢成为近年来发展趋势[2]。Q420qE钢为桥梁用结构钢，属于较高质量等级的低合金结构钢，主要用于铁路桥梁和公路桥梁等的建设，用于制作钢桥的钢箱或型钢梁的焊接结构件[3]。热影响区晶粒在焊接热作用下易长大，严重时会使母材优良的性能丧失[4]。因此桥梁钢焊接接头组织与性能进行研究具有重要的工程价值。CO2气体保护焊是一种高效、低氢焊接方法，而且设备成本低。其电弧能量密度相对集中，是近年来制造领域快速发展的焊接技术，也获得了极为广泛的应用。笔者对Q420qE钢进行了C02气体保护焊焊接，用金相显微镜分析了焊接接头的显微组织，检验了焊接接头拉伸性能、冲击性能、冷弯性能、硬度等相关性能，期望对桥梁钢的焊接提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验钢成分性能

试验用母材为安钢炉卷机组生产的50 mm Q420qE钢板，钢板采用TMCP工艺生产，未再结晶区轧制开轧温度830 ℃～850 ℃，终轧温度740 ℃～780 ℃，终冷温度500 ℃～550 ℃。母材成分和母材性能分别见表1和表2。

表1 母材成分 /%

表2 母材性能

1.2 试验方法

焊接采用CO2气体保护焊，根据强韧性匹配原则，选择了ER50-6焊丝，焊丝直径Φ=1.2 mm，单试板尺寸为500 mm×200 mm×50 mm，焊接试板采用双V形坡口对接，如图1所示。焊接电流为170 A～260 A，焊接电压为22 V～32 V，焊接速度为250 mm/min～280 mm/min，道间温度控制在80 ℃～150 ℃。

焊接具体工艺参数见表3。

表3 焊接工艺参数

焊接完成后，对焊接接头进行超声波探伤，经检测级合格，焊接道次如图1所示。

图1 焊接道次

焊接所得到的试板按照国标GB/T265l-2008制备板状拉伸试样，按照国标GB/T2650-2008制备了V型缺口冲击试样，按照国标GB/T2653-2008制备侧弯试样，按照GB/T2654-2008焊接接头硬度试验方法进行硬度测量。

2 焊接接头组织及性能检测分析

2.1 焊接接头弯曲性能检验

试样经d=4a，180 °侧弯后，焊接接头部位未发现裂纹，焊接接头韧塑性良好，具备抗变形能力。

2.2 焊接接头拉伸试验

对3组焊接试样进行拉伸试验，试验结果见表4。

表4 焊接接头拉伸性能

由表4可知，焊接接头平均屈服强度为469 MPa，平均抗拉强度为574 MPa，平均延伸率为22%，3组焊接接头之间强度差别不大，与母材相比抗拉降低约20 MPa，与标准比，富余量较大。延伸率焊接后呈下降2%，能满足标准要求。

2.3 焊接接头冲击性能

冲击试样制样过程是先腐蚀试样，分别在焊缝、熔合线、热影响区开V型缺口。缺口与焊缝表面垂直。冲击试验结果见表5。

表5 焊接接头冲击性能(横向)

由表5可知，焊缝、熔合线、热影响区均具有较高的冲击功。焊接热影响区冲击韧性值高于焊缝金属。

2.4 焊接接头硬度

焊接接头硬度采用HV5硬度计对母材及焊缝的硬度进行测量，两点之间间距为0.5 mm。焊接接头硬度分布如图2所示。

焊接接头显微硬度分布可以反映其力学性能不均匀及软化情况，而且可以通过硬度同强度的联系来分析焊接各部分强度。从图2可以看出，焊缝和母材硬度相差不大，硬度范围在220 HV～230 HV之间，粗晶区显微硬度高于母材。

图2 焊接接头硬度

2.5 焊接接头金相组织

对金相试样进行磨光、抛光、并用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，其金相组织如图3所示。

(a) 焊缝 (b) 粗晶区 (c) 细晶区 (d) 母材

图3 焊接接头金相组织从图3可以看出，图3(a)为焊缝处组织，组织为粗大先共析铁素体+针状铁素体+细小的M/A岛；图3(b)为粗晶区组织，组织为针状铁素体+粒状贝氏体+板条贝氏体；图3(c)为细晶区组织，组织为多边形铁素体+少量珠光体，晶粒细小均匀；图3(d)为母材组织，组织为多边形铁素体+粒状贝氏体+少量珠光体。

3 分析与讨论

焊缝处组织为粗大先共析铁素体+针状铁素体+M/A岛，先共析铁素体形成于较高温度区间，为扩散转变产物，针状铁素体分布于晶粒内部，具有较高的长宽比，针状铁素体在原奥氏体晶内形核，互相之间形成较大的倾角，而且针状铁素体内部有较高的位错密度，该组织可以有效提高焊缝金属的强度和韧性。

焊接接头临近焊缝的母材区域由于受焊接过程中热循环作用，组织和性能发生变化，形成热影响区，热影响区可以划分为粗晶区、细晶区和不完全相变区。粗晶区其温度范围处在固相线以下到晶粒开始急剧长大的温度之间，即处在1 100 ℃～1 490 ℃之间，冷却的过程中冷却速度较高，容易形成马氏体且晶粒粗大，因而韧性较低，是焊接接头的薄弱地带。微Ti处理的Q420qE中出现形成的细小TiN粒子能够阻止粗晶区奥氏体过分长大，形成相对细小的奥氏体晶粒；低碳成分设计使焊接接头粗晶区不会转变为韧性较差的马氏体组织，而转变为粒状贝氏体+板条贝氏体+少量针状铁素体组织，板条贝氏体和针状铁素体具有良好的韧性，因此该区域具有较高的韧性。

细晶区为正火重结晶区，焊接时由于受到焊接加热的作用的影响，母材被加热到Ac3以上温度时，由于该部位加热速度和冷却速度较快，同时加热温度较低，母材组织转变成细小的奥氏体晶粒，随后转变为细小的铁素体和少量珠光体组织，冲击韧性较好。

4 结论

(1)采用低碳成分体系、TMCP工艺生产的桥梁钢Q420qE焊接热影响区粗晶区组织为韧性较好的粒状贝氏体+板条贝氏体+少量针状铁素体，细晶区组织为细小的铁素体+少量珠光体，晶粒细小均匀。

(2)采用CO2气体保护焊工艺和ER50-6焊丝焊接的Q420qE接头强度略微降低，热影响区淬硬性倾向不大，低温冲击性能良好，综合力学性能优量，能够较好地满足使用要求。

[1] 王立群，宋立伟，李娜，等.安钢高强高韧Q420qD桥梁结构钢板的研制开发 [J].河南冶金，2016，24(2)：6-7.

[2] 杨玉，杨旭，张吉富，等.TMCP技术在Q345B低合金化生产中的应用 [J].上海金属，2014，36(2)：27-30.

[3] 鞠传华，高韧性Q370qE桥梁钢的研制开发 [J].山东冶金，2016，38(2)：7-9.

[4] 陈尹泽，李娜，温斌，等. 细晶Q345低合金高强钢焊接接头组织性能研究[J].河南冶金，2015，23(2)：5-7.

STUDY ON MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF WELDED JOINT OF TMCP STEEL FOR BRIDGE

Chen Yinze Wang Liqun Song Liwei Li Na Xu Bo

( Anyang Iron and Steel Group Co.,Ltd )

50 mm Q420qE TMCP Steel for bridge was welded by C02gas shield welding．The optical microscopy were used to analyze the microstructure, and the mechanical properties of weld joints were tested by universal material testing machine and pendulum machine．The results show that, the welding metal shows higher strength than that of the base metal．Both the welding metal and heat affected zone possess good impact toughness．The quality of the welded joint could meet the requirements in.

TMCP welding microstructure mechanical properties

泽，工程师，河南.安阳(455004)，安阳钢铁集团有限责任公司技术中心；

2017—1—7