Research on the Mechanical Properties of Q690 Seismic and Corrosion Resistant Steel Submerged Arc Welding Deposited Metal

Q690抗震耐蚀钢埋弧焊熔敷金属性能研究 Research on the Mechanical Properties of Q690 Seismic and Corrosion Resistant Steel Submerged Arc Welding Deposited Metal 1 first-author 张庆素（1982—），硕士，助理工程师，主要从事埋弧焊材料及工艺研究，E-mail：77441928@qq.com. 张庆素（1982—），硕士，助理工程师，主要从事埋弧焊材料及工艺研究，E-mail：77441928@qq.com. 77441928@qq.com 2 1 2 1 1 哈尔滨威尔焊接有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150060 哈尔滨威尔焊接有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150060 Harbin Welding Institute,Harbin 150060,China Harbin Welding Institute,Harbin 150060,China 河钢股份有限公司,河北 石家庄 050023 河钢股份有限公司,河北 石家庄 050023 HBIS Company Limited,Shijiazhuang 050023,China HBIS Company Limited,Shijiazhuang 050023,China 研究了道间温度、焊接热输入对Q690高强抗震耐蚀钢埋弧焊熔敷金属性能的影响，推荐出适合该钢的最佳埋弧焊工艺。当道间温度低于100 ℃，熔敷金属拉伸重复出现脆断现象，道间温度高于100 ℃未出现脆断，应用扫描电镜分析认为断口位置为氢致脆断，对缺陷中心夹杂物能谱分析，结果表明该夹杂物为非金属夹渣。通过控制焊接电流和焊接速度，研究焊接热输入对熔敷金属抗拉强度、屈服强度、延伸率、布氏硬度和冲击韧性的影响。除热输入为28.3 kJ/cm时，熔敷金属抗拉强度和屈服强度有所升高，随着热输入增大，熔敷金属拉伸性能总体呈下降趋势，热输入为21.6 kJ/cm熔敷金属冲击平均值最佳，布氏硬度随着热输入增大逐渐降低。推荐较佳的焊接热输入为19.8~21.6 kJ/cm，道间温度为100~200 ℃。 In this paper, the effects of interpass temperature and welding heat input on the properties of submerged arc welding deposited metal of Q690 high strength seismic and corrosion resistant steel are studied, and the best submerged arc welding process suitable for this steel is recommended. When the interpass temperature is lower than 100 ℃, the brittle fracture occurs repeatedly in the tensile of deposited metal, and there is no brittle fracture when the interpass temperature is higher than 100 ℃. SEM observation shows that the fracture position is hydrogen induced brittle fracture, the energy spectrum analysis of the inclusion in the defect center shows that the inclusion is non-metallic slag. By controlling the welding current and welding speed,the effects of welding heat input on the tensile strength, yield strength, elongation, Brinell hardness and impact toughness of deposited metal are studied. Except when the heat input is 28.3 kJ/cm, the tensile strength and yield strength of the deposited metal increase, with the increase in heat input, the tensile properties of the deposited metal generally show a downward trend,when the heat input is 21.6 kJ/cm, the average impact value of the deposited metal is the best, and the Brinell hardness decreases gradually with the increase in heat input. It is recommended that the better welding heat input is 19.8~21.6 kJ/cm and the interpass temperature is 100~200 ℃. Q690钢 埋弧焊 熔敷金属 氢致脆断 力学性能 Steel Q690 SAW deposited metal hydrogen brittle fracture mechanical properties 前言 1 随着近年来世界各地基础设施建设的蓬勃开展，高强钢的用量越来越大。Q690钢是一种调质型低合金高强钢，具有优良的强韧性匹配，既具有优于普通碳素钢的性能，又能把成本控制在恰当的范围内。因此在工程机械、压力管道、海洋装备、桥梁、大型建筑和输电塔架等领域得到了广泛应用 ［ 1 1 - 5 5 1-5 ］ 。 Q690在设计时就兼顾了强度、韧性、焊接性等多方面的性能需求。在焊接性方面，采用了一系列措施使其具备低焊接裂纹敏感性。如低碳当量，加入改善韧性的元素，降低P、S等有害元素含量，用Ca对夹杂物进行球化处理等。 但是，尽管在设计时已经采取了上述措施以改善Q690的焊接性，在实际施焊时仍需根据实际构件的尺寸以及选用的焊材制定恰当的焊接工艺。低碳当量固然能显著降低钢的焊接裂纹倾向，但也需要在元素分布均匀，增韧元素状态恰当的情况下才能发挥作用。而这些均需要合理的焊接工艺提供保障 ［ 6 6 - 11 11 6-11 ］ 。 本文源于《建筑结构用高强度抗震耐蚀钢焊接材料研发及焊接性能评价》项目，根据项目需求，需要对Q690钢进行埋弧焊熔敷金属性能的研究。项目对埋弧焊熔敷金属抗拉强度以及-40 ℃冲击韧性有较高的要求。本研究尝试通过熔敷金属工艺试验，寻找恰当的埋弧焊工艺参数，为工程应用提供参考。 试验材料与试验方法 1 Q690高强钢焊接过程中，如果焊接工艺不当，会造成较大的淬硬、冷裂倾向 ［ 12 12 ］ 。因此工程应用中对其焊接工艺参数控制非常严格。在此选用哈尔滨威尔焊接有限责任公司（威尔公司）研制的Q690抗震耐蚀钢埋弧焊材料H80GJ/SJ111G。 试验材料 2 选用河钢生产的Q690母材，化学成分如 表1 表1 所示，供货状态下母材力学性能如 表2 表2 所示。 C Si Mn S P Cr Ni Mo Cu 0.04 0.39 1.43 0.002 0.014 0.42 0.72 0.42 0.05 R m /MPa R P0.2 /MPa A /% Z /% -40 ℃冲击 KV 2 /J 880 785 20.0 75.0 152，138，146 所用焊丝为威尔公司专为Q690抗震耐蚀钢的埋弧焊研制的H80GJ焊丝，规格Φ4.0 mm，化学成分如 表3 表3 所示。 C Si Mn S P Cr Ni Mo Cu 0.14 0.25 2.10 0.003 0.004 0.020 2.60 0.65 0.34 所用焊剂为威尔公司配套研制的氟碱型低氢高碱度焊剂SJ111G，属CaF 2 -MgO-TiO 2 -Al 2 O 3 -SiO 2 渣系，化学成分如 表4 表4 所示。该焊剂可保证熔敷金属具有较低的S、P含量，且对扩散氢的含量控制效果较好，进而有利于提高熔敷金属的低温韧性。 CaO+MgO+CaF 2 +MnO 2 SiO 2 CaF 2 S P 其他 ≥50 ≤20 ≥15 ≤0.035 ≤0.040 — 试验方法 2 试样制备参照GB/T 25774.1-2010，熔敷金属室温拉伸按GB/T 228.1-2010和GB/T 2652-2008进行；冲击试验按GB/T 229-2007进行，硬度测试按GB/T 231.1-2018进行。 试样尺寸如 图1 图1 所示，焊接电源为LINCOLN AC/DC-1000。采用不同道间温度、焊接热输入进行Q690高强钢埋弧焊，研究道间温度、焊接热输入对熔敷金属性能的影响。 试板长度 L =300 mm，试板宽度 W =300 mm。试板厚度 T =20 mm，两边去头 Z =10 mm，拉棒直径为10 mm。冲击尺寸10 mm×10 mm×55 mm。 试验结果与分析 1 道间温度的影响 2 为便于生产过程控制，试验设定3种道间温度，焊接参数如 表5 表5 所示，电源极性为DCEP。 编号 焊接电流 I /A 电弧电压 U /V 焊接速度 ν/（mm·min -1 ） 道间温度 T /℃ 1 520 28 500 ≤100 2 520 28 500 100~200 3 520 28 500 ≥200 不同道间温度对应的熔敷金属拉伸性能曲线如 图2 图2 所示。道间温度对熔敷金属力学性能影响明显。当道间温度低于100 ℃时，熔敷金属拉伸试样脆断（见 图3 图3 ），抗拉强度和屈服强度非常低，延伸率低于10%；当道间温度大于200 ℃，熔敷金属屈服强度下降明显。 道间温度对熔敷金属冲击韧性的影响如 图4 图4 所示（3次平均值）。道间温度从小于100 ℃到100~200 ℃时，冲击值显著增加；当道间温度大于200 ℃时，熔敷金属-40 ℃冲击值平均值下降明显。 道间温度低于100 ℃时，拉伸试样断口有肉眼可见白点状缺陷，重复试验仍然出现。道间温度大于100 ℃时，白点状缺陷消失。对缺陷位置进行断口扫描电镜分析，结果如 图5 图5 所示。由扫描电镜分析可知，白点中心有异常的夹杂物，夹杂物周边呈现解理状脆性相。夹杂物能谱分析结果如 图6 图6 所示。 由能谱分析可知，该夹杂物中Ca、Mg、F、O的含量非常高，可以推断为非金属夹渣。由于道间温度低，熔敷金属的参与扩散氢含量增加，熔敷金属在受力时，残存的氢容易聚集于缺陷位置周边的高能量晶界，导致熔敷金属受力时出现异常脆断。 可以得出，随着道间温度增大，熔敷金属强度和延伸率逐渐提高，屈服强度和冲击平均值先增加后降低。道间温度低于100 ℃时，容易出现氢致缺陷，导致熔敷金属抗拉强度和延伸率大大下降。道间温度高于200 ℃时，熔敷金属高温停留时间增大，导致熔敷金属晶粒粗大，从而使得熔敷金属屈服强度和冲击韧性大大下降。道间温度控制在100~200 ℃时，熔敷金属的强韧性非常好，延伸率适中。 焊接热输入的影响 2 保持道间温度150~200 ℃，电流设置为550~650 A，焊接速度为350~500 mm/min，电压30 V，进行焊接热输入对熔敷金属力学性能的影响研究，具体焊接参数如 表6 表6 所示。 序号 焊接电流 I /A 电弧电压 U /V 焊接速度 ν /（mm·min -1 ） 热输入 E /（kJ·cm -1 ） 1 550 30 500 19.8 2 600 30 500 21.6 3 550 30 430 23.0 4 650 30 500 23.4 5 550 30 350 28.3 不同热输入对应的熔敷金属拉伸性能曲线如 图7 图7 所示，当热输入为19.8~23.4 kJ/cm时，随着热输入增加，熔敷金属抗拉强度和屈服强度呈现下降趋势，其中屈服强度下降明显。热输入为23.0 kJ/cm、23.4 kJ/cm时，屈服强度低于690 MPa，不能满足项目设计要求。 热输入对冲击平均值和布氏硬度的影响如 图8 图8 所示。随着热输入增加，熔敷金属冲击平均值先增加，当热输入大于21.6 kJ/cm时，熔敷金属冲击平均值降低明显，布氏硬度随热输入增加而下降。 energy curve 低热输入一方面可以减小热影响区，使异常组织区域减小，从而提高力学性能。另一方面，低热输入使有害气体（如氢）的带入风险降低，也有助于提高力学性能。但低热输入会缩短熔池存在的时间。而对于埋弧焊，熔池需要一定的存在时间才能完成各种有利的冶金反应，如造渣、气体的生成以及上浮，焊丝和焊剂中合金元素的渗入、均匀化等，都需要一定的时间。所以热输入不能太低。如 图8 图8 所示，当热输入从19.8 kJ/cm提高到21.6 kJ/cm后，冲击韧性有显著的提升。 而热输入过高虽然使熔池中的冶金反应可以充分地进行，但也导致热影响区扩大、吸气倾向增大，这些会不同程度地损害力学性能。 综上所述，当焊接电流为550~600 A，电压30 V，焊接速度500 mm/min，即热输入为19.8~21.6 kJ/cm时，熔敷拉伸性能相对稳定，-40 ℃韧性充足。 熔敷金属成分及力学性能 2 应用上述试验方法，焊接参数选用 表6 表6 中的编号2，得到H80GJ/SJ111G熔敷金属化学成分如 表7 表7 所示，力学性能如 表8 表8 所示。 元素 C Si Mn S P Cr Ni Mo Cu 实测值 0.07 0.25 1.85 0.003 0.008 0.02 2.7 0.68 0.35 批号 抗拉强度 R m /MPa 屈服强度 R P0.2 /MPa 断后伸长率 A /% 断面收缩率 Z /% -40 ℃冲击功 KV 2 /J 要求值 ≥810 ≥690 ≥18 — 平均值≥47 实测值 830 735 19 65 75，66，69/70 由 表8 表8 可知，H80GJ/SJ111G熔敷金属力学性能优异，抗拉强度、屈服强度、-40 ℃冲击功满足目标要求。 结论 1 （1）Q690抗震耐蚀钢埋弧焊用焊丝/焊剂H80GJ/SJ111G，能够满足建筑结构用高强度抗震耐蚀钢项目要求。 （2）道间温度低于100 ℃时，熔敷金属受力时容易出现氢脆缺陷，此时熔敷金属抗拉强度和屈服强度降低。道间温度为100~200 ℃时，熔敷金属屈服强度、延伸率以及-40 ℃冲击平均值最佳，抗拉强度适中。 （3）随着热输入增大，熔敷金属拉伸性能总体呈下降趋势，熔敷金属冲击平均值随热输入增加先增加后降低，热输入为21.6 kJ/cm时熔敷金属冲击平均值最佳。布氏硬度随着热输入增大而降低。 （4）推荐焊接参数为：道间温度100~200 ℃，电流550~600 A，电压30 V，焊接速度500 mm/min，热输入为19.8~21.6 kJ/cm。 参考文献 刘俊 ， 刘朝霞 ， 朱铜春 ， 等 . 工程机械用调质高强钢Q690焊接性试验研究 ［J］. 焊接技术 ， 2020 ， 49 （ 9 ）： 40 - 42 . 工程机械用调质高强钢Q690焊接性试验研究 Liu Jun ， Liu Zhaoxia ， Zhu Tongchun ， et al . Experimental Study on Weldability of High Strength Steel Q690 for Construction Machinery ［J］. Welding Technology ， 2020 ， 49 （ 9 ）： 40 - 42 . Experimental Study on Weldability of High Strength Steel Q690 for Construction Machinery 张楠 ， 田志凌 ， 张熹 ， 等 . Q690CFD 高强钢焊接热影响区的断裂韧性 ［J］. 焊接学报 ， 2018 ， 39 （ 1 ）： 26 - 31 . Q690CFD 高强钢焊接热影响区的断裂韧性 ZHANG Nan ， TIAN Zhiling ， ZHANG Xi ， et al . Fracture toughness of CGHAZ of Q690CFD high-strength steel ［J］. Transactions of the China Welding Institution ， 2018 ， 39 （ 1 ）： 26 - 31 . Fracture toughness of CGHAZ of Q690CFD high-strength steel 杨璐 ， 尹飞 ， 施钢 ， 等 . 高强度钢材钢结构抗震研究进展综述 ［J］. 钢结构 ， 2020 （ 3 ）： 1 - 25 . 高强度钢材钢结构抗震研究进展综述 YANG Lu ， YIN Fei ， SHI Gang ， et al . Overview of research progress for seismic behavior of high strength steel structures ［J］. Steel Structure ， 2020 （ 3 ）： 1 - 25 . Overview of research progress for seismic behavior of high strength steel structures 刘年富 ， 廖卫团 ， 武会宾 ， 等 . 690MPa 级高强度低碳贝氏体钢的开发生产 ［C］// 第八届中国钢铁年会论文集 ， 2011 ： 1 - 4 . 690MPa 级高强度低碳贝氏体钢的开发生产 谭星 ， 江亚平 ， 倪川皓 ， 等 . Q890D高强钢不预热焊接裂纹敏感性技术研究 ［J］. 金属加工（热加工） ， 2021 （ 01 ）： 46 - 49 . Q890D高强钢不预热焊接裂纹敏感性技术研究 TAN Xing ， JIANG Yaping ， NI Chuanhao ， et al . Study on crack sensitivity of unpreheated welding of Q890D high strength steel ［J］. MW Metal Forming ， 2021 （ 01 ）： 46 - 49 . Study on crack sensitivity of unpreheated welding of Q890D high strength steel 张虹 ， 张炜星 ， 方晨 . 调质型高强钢Q690中厚板的研制开发 ［J］. 热加工工艺 ， 2010 ， 39 （ 12 ）： 57 - 62 . 调质型高强钢Q690中厚板的研制开发 ZHANG Hong ， ZHANG Weixing ， FANG Chen . Development of Q690 medium high strength section steel ［J］. Material & Heat Treatment ， 2010 ， 39 （ 12 ）： 57 - 62 . Development of Q690 medium high strength section steel 祁景璇 . Q690高强钢端板连接节点抗震性能研究 ［D］. 陕西 ： 西安理工大学 ， 2017 . Q690高强钢端板连接节点抗震性能研究 QI Jingxuan . Seismic behavior of Q690 high strength steel end plate connection joints ［D］. Shanxi ： Journal of Xi'an University of Technology ， 2017 . Seismic behavior of Q690 high strength steel end plate connection joints 吴炳智 . 高强钢气体保护焊丝熔敷金属强韧化研究 ［D］. 北京 ： 机械科学研究总院 ， 2014 . 高强钢气体保护焊丝熔敷金属强韧化研究 WU Binzhi . Investigation on Strengthening and Tonghening Factors of Deposited Metals in HSLA welding ［D］. Beijing ： China Academy of Machinery Science and Technology Group ， 2014 . Investigation on Strengthening and Tonghening Factors of Deposited Metals in HSLA welding 楼宇航 ， 肖红军 ， 彭云 ， 等 . 690 MPa 级低合金高强钢焊接接头组织性能 ［J］. 材料科学与工艺 ， 2012 ， 20 （ 2 ）： 690 MPa 级低合金高强钢焊接接头组织性能 101 - 107 . LOU Yuhang ， XIAO Hongjun ， PENG Yun ， et al . Study on microstructure and properties of welded joints of a 690 MPa grade HSLA steel ［J］. Journal of materials science & technology ， 2012 ， 20 （ 2 ）： 101 - 107 . Study on microstructure and properties of welded joints of a 690 MPa grade HSLA steel 孙咸 . Q690高强钢焊接材料的选择及其应用 ［J］. 金属加工（热加工） ， 2016 （ 18 ）： 31 - 36 . Q690高强钢焊接材料的选择及其应用 SUN Xian . Selection and application of Q690 high strength steel welding material ［J］. Journal of Materials Processing Tech. ， 2016 （ 18 ）： 31 - 36 . Selection and application of Q690 high strength steel welding material 官春平 . Ni对600 MPa级高强钢焊缝组织和性能的影响 ［J］. 电焊机 ， 2017 ， 47 （ 11 ）： 120 - 124 . Ni对600 MPa级高强钢焊缝组织和性能的影响 GUAN Chunping . Effect of Ni on microstructure and properties of welds in 600 MPa grade high strength steel ［J］. Electric Welding Machine ， 2017 ， 47 （ 11 ）： 120 - 124 . Effect of Ni on microstructure and properties of welds in 600 MPa grade high strength steel 蔡啸涛 . Q690MPa级高强钢焊接方法与工艺要点分析 ［J］. 科技创新导报 ， 2018 （ 3 ）： 112 - 114 . Q690MPa级高强钢焊接方法与工艺要点分析 CAI Xiaotao . Analysis on welding method and process key points of Q690MPa high strength steel ［J］. Science Technology Innovation Herald ， 2018 （ 3 ）： 112 - 114 . Analysis on welding method and process key points of Q690MPa high strength steel 编辑部网址： http：//www.71dhj.com http://www.71dhj.com 编辑部网址： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.03.15 TG457.11 A 1001-2303（2022）03-0105-06 张庆素，陈振业，陈波，等.Q690抗震耐蚀钢埋弧焊熔敷金属性能研究［J］.电焊机，2022，52（3）：105-110. 张庆素，陈振业，陈波，等.Q690抗震耐蚀钢埋弧焊熔敷金属性能研究［J］.电焊机，2022，52（3）：105-110. ZHANG Qingsu, CHEN Zhenye, CHEN Bo, et al.Research on the Mechanical Properties of Q690 Seismic and Corrosion Resistant Steel Submerged Arc Welding Deposited Metal[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(3): 105-110. ZHANG Qingsu, CHEN Zhenye, CHEN Bo, et al.Research on the Mechanical Properties of Q690 Seismic and Corrosion Resistant Steel Submerged Arc Welding Deposited Metal[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(3): 105-110. 河北省重点研发计划项目（18211019D）；河北省“三三三人才”培养资助项目（A201803007） 2021-08-09 2021-10-28 2022-03-30 2022-04-26 电焊机 3 52