装配式建筑用耐候钢的焊接热模拟

潘进　信瑞山　安会龙　年保国　姚纪坛

摘要：对新开发的一种屈服强度Q390级别的装配式建筑用高强耐候钢进行焊接热模拟研究。结果表明，粗晶区硬度最高，冲击功最低，为焊接接头薄弱区域。随着热输入的增加，粗晶区组织由板条贝氏体向粒状贝氏体转变，硬度随之下降，冲击功呈现先升高后下降的趋势，在热输入为15 kJ/cm时冲击功达到最大236 J。进一步观察断面形貌及断口截面金相发现，热输入过小时，淬硬组织多，断裂过程微塑性变形小，冲击性能差;热输入超过20 kJ/cm时，随着热输入增加，阻止裂纹扩展能力下降，冲击功下降。

关键词：装配式建筑;焊接热模拟;热输入;粗晶区

中图分类号：TG457.1文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）03-0060-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.11

0 前言

钢结构装配式建筑具有自重轻、工期快、环境友好的优势，同时在抗震性能、产品质量和得房率等方面也优于钢筋-混凝土建筑，近年来获得国家政策的大力推广[1-3]。耐候钢是一种具有良好耐候性能的低合金结构钢，通过添加一定量的Ni、Cr、Cu、P等合金元素使其在腐蚀过程中表面形成稳定致密的防护锈层，从而减缓腐蚀[4-5]。将高强度耐候钢应用于装配式建筑，则可使装配式建筑具有更长的寿命，进一步发挥装配式建筑的优势[6-7]。在钢结构装配式建筑施工过程中，焊接工序必不可少，因此该高强度耐候钢用于装配式建筑前必须对其焊接性能进行评价。

焊接热模拟技术是评价焊接性能、摸索焊接工艺参数的常用方法。吴军[8]等人使用焊接热模拟技术研究了不同t8/5时间下AMSESA213-T29钢种粗晶区硬度及冲击韧性的变化规律。张侠洲[9]等人使用焊接热模拟试验机对耐候桥梁钢Q420qNH的粗晶区低温冲击韧性和耐电化学腐蚀性能进行了研究。秦华[10]等人采用焊接热模拟技术通过设定不同峰值温度研究了BWELDY960Q钢焊接热影响区各区域组织与性能的变化规律。但关于装配式建筑用高强度耐候钢目前还没有相关的研究报道。本文采用Gleeble3800热模拟试验机对装配式建筑用高强度耐候钢焊接热影响区的组织及性能变化规律进行研究，分析焊接热影响区各区域的组织性能，重点研究接头薄弱区域粗晶区不同热输条件下的组织及性能演变规律。最终根据试验结果对其焊接性能进行评估，提出了适用于该钢种的最佳焊接参数设定方案。

1 试验材料与方法

试验材料为最新研发生产的屈服强度Q390级别装配式建筑用耐候鋼，厚度12 mm，其化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。金相组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体组织，如图1所示。

采用热模拟试验机进行焊接热模拟试验，试样尺寸71 mm×11 mm×11 mm。Gleeble3800可输入热输入、加热速度、峰值温度、峰值停留时间、模拟板厚等参数，根据输入的参数执行相应的升温和冷却曲线，同时可输出t8/5时间。试验参数设定为：模拟板厚12 mm，加热速度100 ℃/s，峰值停留时间1 s。为研究热影响区粗晶区、细晶区及不完全转变区的组织及性能转变，热输入固定为20 kJ/cm，设定不同的峰值温度，如表3所示;为研究不同热输入下粗晶区的组织及性能转变，固定峰值温度为1 300 ℃，设定不同的热输入，如表4所示。

热模拟后将试样加工为10 mm×10 mm×55 mm标准冲击试样进行室温冲击试验，冲击坡口开在热模拟过程中焊接热电偶的位置，每组参数使用3个平行样进行冲击试验。取焊接热模拟后的截面经研磨抛光后进行组织观察及维氏硬度测试，每个参数下的试样进行3个点的维氏硬度测试，并取平均值。

2 试验结果分析

2.1 热影响区不同区域组织及性能分析

热影响区不同区域的硬度-冲击功柱状图及所对应的金相组织如图2所示。图2b为峰值温度1 300 ℃的金相组织，对应焊接热影响区的过热区，其组织为呈板条状分布的贝氏体。在加热过程中由于峰值温度大大高于Ac1温度，完成了奥氏体转变并且晶粒长大，在较快的冷速下转变为板条分布的贝氏体组织。图2c为峰值温度1 100 ℃的金相组织，对应焊接热影响区的正火区，其组织为少量铁素体+粒状贝氏体组织，且晶粒细小。其峰值温度高于Ac1温度，完成了奥氏体转变但晶粒并未过分长大，在冷却过程中形成细小的铁素体+贝氏体组织。图2d为峰值温度870 ℃的金相组织，对应焊接热影响区的不完全转变区，其组织为铁素体+珠光体+粒状贝氏体组织，晶粒较为粗大并保留有母材带状组织特征。其峰值温度略高于Ac1温度，加热过程中仅有部分组织奥氏体化，在冷却过程中奥氏体化的组织转变为粒状贝氏体组织，未奥氏体化的组织仍保持为母材的铁素体+珠光体组织。

如图2a所示，按照从粗晶区到细晶区再到不完全转变区的顺序，即随着峰值温度的降低，硬度呈现出下降趋势，冲击功呈现出上升趋势。硬度的下降表明随着峰值温度降低，冷却过程中形成的淬硬组织减少。淬硬组织不利于材料的韧性，因此随着硬度降低的同时呈现出了冲击功上升的趋势。对于焊接接头热影响区，其粗晶区位置最容易产生淬硬组织且晶粒长大严重，表现出硬度高冲击性能差的特征，是焊接热影响区性能的短板。

2.2 热影响区不同区域组织及性能分析

不同热输入下获得的热影响区粗晶区的金相组织照片如图3所示。当热输入设定为10～40 kJ/cm范围内时热模拟所得粗晶区的金相组织均为贝氏体组织，并且随着热输入的增加逐渐由板条贝氏体向粒状贝氏体转变。当热输入为10～15 kJ/cm时（见图3a、3b），粗晶区组织为板条贝氏体，原奥晶界依稀可见，且热输入为15 kJ/cm时粗晶区原奥晶粒尺寸略大于10 kJ/cm时粗晶区原奥晶粒尺寸，贝氏体板条也更粗。当热输入为20～30 kJ/cm时（见图3c、图3d），粗晶区仍为呈板条状分布的贝氏体组织，但已观察不到原奥组织晶界。其细微结构可见内部为不连续的M-A岛，故判断为粒状贝氏体组织。并且随着热输入的增加，贝氏体板条的宽度随之增大。当热输入为40 kJ/cm时（见图3e），其组织仍为粒状贝氏体，可观察到部分先共析铁素体沿原奥晶界向晶内长大，具有一定的魏氏组织形态。

测量不同热输入模拟获得的粗晶区试样的硬度，如图4所示，在热输入为10 kJ/cm时硬度值最高，随着热输入的增加，硬度呈现明显的下降趋势。这是由于热输入越大对应的t8/5时间越长，即冷速越慢，产生的淬硬组织则越少。硬度变化趋势与图3所示粗晶区组织随热输入增加由板条贝氏体转化为粒状贝氏体且晶粒尺寸增加的演化趋势相一致。

焊接热影响区最高硬度是评价焊接接头质量的重要指标，硬度值越高，材料的淬硬性和冷裂纹产生倾向越大，一般认为当热影响区最高硬度超过350 HV时有较大的冷裂纹产生倾向，需要焊前进行预热。由图4可知，在热输入为10～40 kJ/cm范围内，热模拟获得粗晶区的硬度值（可代表焊接接头最高硬度）均在350 HV以下，表明该钢种焊接性能良好，焊前无需预热。

2.3 不同热输入下粗晶区冲击性能及断裂行为分析

不同热输入下，粗晶区冲击性能如图5所示，随着热输入的增加，粗晶区冲击功呈现出先增加后降低的趋势。在热输入为10 kJ/cm时，冲击功最小为166 J;在热输入为15 kJ/cm时，冲击功达到最大值263 J;当热输入升至20～40 kJ/cm时，冲击功呈现随热输入增加（即t8/5时间延长）而下降的趋势，在热输入为40 kJ/cm时冲击功降至205 J。

与母材冲击功177 J相比，除热输入为10 kJ/cm时的粗晶区冲击功略低于母材外，其余参数下的冲击性能均优于母材。表明该钢种焊接性能良好，能适应较大的热输入参数范围。

为分析上述冲击功变化规律的机理，选取热输入分别为10 kJ/cm、15 kJ/cm和40 kJ/cm 的3个试样，观察其冲击断口形貌和断口截面组织，如图6所示。不同热输入下的3个试样冲击断口形貌均呈韧窝特征，通过截面金相可发现靠近断口的贝氏体板条发生指向断裂方向的塑性变形，表明其断裂方式均为韧性断裂。热输入为10 kJ/cm时（见图6a、6d），断口韧窝较浅，撕裂棱密度较低，截面金相表面仅部分区域贝氏体板条发生变形，且变形区域的深度较浅。这是由于该热输入下冷速较快，冷却过程中生成淬硬组织，在断裂过程中产生的微塑性变形有限，造成冲击性能不佳。热输入为15 kJ/cm时（见图6b、6e），断口可观察到大而深的韧窝，通过截面金相也可观察到靠近断口位置板条贝氏体均发生变形，变形区域深度也明显增加，断面边缘参差不齐，可有效阻止裂纹的扩展，此时冲击性能达到最佳。热输入为40 kJ/cm时（见图6c、6f），断口形貌为细密的韧窝，截面金相可观察到大区域的贝氏体组织发生变形，但其边缘位置较为平滑，表明此时断裂过程裂纹扩展阻力低，造成冲击功降低。有分析认为热输入增加时，随着粗晶区组织由板条贝氏体向粒状贝氏体转变，且原奥晶粒长大，大角晶界密度降低，导致裂纹更容易扩展[9]。

4 结论

12 mm厚Q390级装配式建筑用耐候钢焊接热模拟试验结论如下：

（1）粗晶区为贝氏体组织，细晶区为铁素体+粒状贝氏体组织且晶粒细小，不完全转变区为铁素体+珠光体+粒状贝氏体组织。粗晶区硬度最高，冲击性能最差。

（2）随着热输入的增加，粗晶区显微组织由板条贝氏体向粒状贝氏体转变且晶粒变粗大，硬度降低;冲击功呈现先增高后降低的趋势，在热输入为15 kJ/cm时冲击功达到最大值。当热输入低于10 kJ/cm时，淬硬组织较多，冲击性变差;热输入超过20 kJ/cm时，裂纹易于扩展，冲击功降低。推荐最佳热输入控制范围为15～20 kJ/cm。

（3）该钢种焊接性能良好，焊接工艺窗口宽。厚度12 mm板材在热输入为10～40 kJ/cm时，粗晶区最高硬度均小于350 HV，冷裂纹产生倾向小。除热输入为10 kJ/cm时的冲击功略低于母材，其余热输入下的冲击功均高于母材。

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