建筑结构用690 MPa级低屈强比焊条J807GD的研制

建筑结构用690 MPa级低屈强比焊条J807GD的研制 Development of 690 MPa Grade Low Yield Ratio Electrode J807GD for Building Structure 1 first-author 张学刚（1972—），男，正高级工程师，主要从事焊接材料及工艺研究。 张学刚（1972—），男，正高级工程师，主要从事焊接材料及工艺研究。 2 1 corresp 陈　燕（1980—），女，正高级工程师，主要从事焊接材料及工艺研究。 陈　燕（1980—），女，正高级工程师，主要从事焊接材料及工艺研究。 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 Well Welding Co., Ltd., Harbin 150060, China Harbin Well Welding Co., Ltd., 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 鉴于目前690 MPa级建筑结构用钢的焊接主要采用进口焊条，开展了J807GD焊条的国产化研究。通过在药皮中按比例添加不同种类的氟化物，优化熔渣流动性，并对药皮中某些带有结晶水的粉料进行预烘焙，降低焊缝中扩散氢含量，严格控制焊缝中Mn、Cr、Cu等元素的含量，优化熔敷金属的屈强比。结果表明，研制的J807GD焊条具有优良的平、立焊工艺性，屈强比≤0.92，在推荐参数下力学性能均满足技术条件要求，焊接工艺参数适用范围较宽，适用于690 MPa级建筑结构用钢的焊接，能够满足工程应用的技术要求。较好地解决了690 MPa级建筑结构用钢配套焊条熔敷金属高屈强比与冲击韧性之间平衡的问题，为690 MPa级建筑结构用钢配套焊条的国产化研究提供了理论依据。 In view of the fact that the welding of 690 MPa grade building structural steel mainly adopts imported electrodes, the localization of J807GD electrode has been studied. By adding different kinds of fluoride into the coating in proportion, the fluidity of the slag is optimized, and some powders with crystal water in the coating are pre baked to reduce the diffusible hydrogen content in the weld, strictly control the content of Mn, Cr, Cu and other elements in the weld, and optimize the yield ratio of the deposited metal. The results show that the developed J807GD electrode has excellent horizontal and vertical welding processability, the yield ratio ≤0.92, and the mechanical properties meet the technical requirements under the recommended parameters. The welding parameters are applicable to a wide range, which are suitable for the welding of 690 MPa grade building structural steel, and can meet the technical requirements of engineering applications. This study solves the problem of the balance between the high yield ratio and impact toughness of deposited metal of supporting electrodes for 690 MPa grade building structural steel, and provides a theoretical basis for the research on the localization of supporting electrodes for 690 MPa grade building structural steel. J807GD焊条 高强高韧 屈强比 690 MPa级建筑结构用钢 J807GD electrode high strength and high toughness yield ratio 690 MPa grade building structural steel 前言 1 近年来为了满足现代建筑高层化、结构大跨化的发展要求，建筑结构用钢板正逐步向系列化方向发展，不仅可以减轻结构质量，降低建造成本，还能提高结构的可靠性。国外的建筑结构用钢板的强度级别从主流的490 MPa、590 MPa级发展至更高级别的690 MPa级，如德国柏林索尼中心大楼的屋架结构采用了S460和S690钢材，澳大利亚悉尼的星城饭店部分结构也采用了650 MPa和690 MPa钢材 ［ 1 1 ］ 。在国内，建筑结构用钢板仍以Q345为主，近年来Q390GJ、Q460GJ系列钢越来越被建筑设计者青睐，在建筑工程中得到了一定的应用 ［ 2 2 - 3 3 2-3 ］ ，如广州新电视塔、天津津塔、鸟巢、中央电视台新台址主楼等，各钢铁企业及高校都在积极进行建筑工程用Q690GJ钢板的研制和开发 ［ 4 4 - 5 5 4-5 ］ 。同时为了提高建筑结构的抗震能力，对建筑结构用钢板提出了一些特殊要求，如具有足够高的抗拉强度及屈服强度、较高的塑韧性以及较低的屈强比等 ［ 6 6 ］ 。 目前690 MPa级建筑结构用钢板的焊接大多采用国外进口焊条 ［ 7 7 ］ ，实现配套焊条国产化是现在亟待解决的问题。张庆素 ［ 8 8 ］ 采用自行研发的焊丝和焊剂对Q690钢进行埋弧焊熔敷金属性能研究，随着热输入增大，熔敷金属拉伸性能总体呈下降趋势，在恰当的工艺参数下，熔敷金属抗拉强度、屈服强度、-40 ℃冲击功满足目标要求。690 MPa级高强钢焊接时主要存在两个问题，一是焊接的冷裂纹敏感性问题，二是焊缝的强度和韧性。冷裂纹的敏感性通过选择超低氢焊材，进行正确的预热，控制层间温度及采用合理的焊接参数即可解决；而焊缝的强韧性匹配则与焊接材料和焊接工艺的优化有关。 试验材料及方法 1 试件制备 2 焊接材料为自主研发的 <math id="M1"><mi mathvariant="normal">ϕ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=35109254&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=35109249&type= 1.94733346 3.38666677 4.0 mm J807GD焊条，熔敷金属力学性能对接试板为Q235钢板，尺寸为300 mm×300 mm×20 mm，坡口形式为20° V形，焊机采用松下YD-630AT。先在坡口堆焊厚度为5 mm的过渡层，根部间隙为16 mm，垫板尺寸为300 mm×30 mm×10 mm。 综合考虑对焊条的工艺性和熔敷金属强韧性的技术要求，研制的J807GD焊条采用H04E焊芯，选用CaO-CaF 2 -SiO 2 碱性渣系，该渣系含有较多的大理石、萤石和铁合金，从而降低了焊缝中氢和氧的含量，碱性渣系有利于提高熔敷金属的冲击韧性，其药皮的主要化学成分如 表1 表1 所示。同时，焊条采用Mn-Ni-Cr-Mo作为合金体系，并针对各合金元素的相互关系进行了系统的成分调整。 CaO SiO 2 F Na 2 O 金属粉及铁合金 44.23 4.90 15.47 1.50 22.31 试验方法 2 采用焊条电弧焊，平焊和立焊位置焊接工艺参数如 表2 表2 所示。焊后分别按照GB/T2652—2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》、GB/T2650—2008《焊接接头冲击试验方法》要求，进行熔敷金属拉伸试验及-40 ℃冲击试验；按照GB/T3965—2012《熔敷金属中扩散氢测定方法》要求进行熔敷金属扩散氢含量测试。采用奥林巴斯GX53F光学显微镜观察J807GD焊条熔敷金属的显微组织。 焊接 位置 焊接电流 I /A 焊接电压 U /V 焊接速度 v /（mm·min -1 ） 道间温度 T /℃ 平焊 160~190 22~26 ≥100 80~200 立焊 150~160 22~26 ≥100 80~200 建筑用高强钢焊缝金属的强韧性匹配及屈强比控制是J807GD焊条研制过程中亟待解决的问题。文中在平焊工艺参数条件下，通过改变焊接电流和道间温度研究其对熔敷金属抗拉强度和低温冲击性能的影响。 试验结果与分析 1 焊条的工艺性能 2 J807GD焊条焊接过程中不易产生发红和气孔等问题，平焊、立焊的工艺性优良。平焊时，电弧稳定，再引弧容易，飞溅较小，焊道表面波纹细密，易脱渣；立焊时，药皮熔化均匀，熔池清晰，细熔滴过渡，焊缝金属不下淌。 图1 图1 分别为平焊脱渣前、后及立焊脱渣后的宏观形貌。 1;2;3; 熔敷金属力学性能 2 平焊及立焊时的熔敷金属室温拉伸及-40 ℃低温冲击试验结果分别如 图2 图2 、 图3 图3 及 表３ 表３ 所示，屈强比≤0.92，屈服强度≥720 MPa，平焊和立焊时-40 ℃ 焊接 位置 抗拉强度 R m /MPa 屈服强度 R eL /MPa 断后伸长率 A / % 屈强 比 -40 ℃冲击吸收能量 KV 2 /J 平焊 845 765 19 0.91 69、79、90 （均值79 J） 立焊 820 730 20.5 0.89 56、62、62 （均值60 J） 焊态力学性能要求 ≥810 ≥690 ≥18 ≤0.92 平均≥47， 单个 <math id="M4"><mo>></mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=35109345&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=35109343&type= 1.35466671 1.86266661 31 低温冲击吸收能量的平均值分别为79 J和60 J，均满足技术要求。 显微组织 2 图4 图4 为J807GD焊条熔敷金属的显微组织，典型组织为贝氏体+针状铁素体，组织中针状铁素体的存在有利于提高焊缝的冲击韧性。 扩散氢含量 2 水银法扩散氢试验要求为：熔敷金属扩散氢含量HD≤5 mL/100 g。试验结果为3.1 mL/100 g，满足技术要求。 合金元素对屈强比的影响 2 Mn含量对屈强比的影响 3 在其他主要成分不变的情况下，不同Mn含量（1.0%~2.0%）对熔敷金属屈强比的影响如 图5 图5 所示。熔敷金属中适量的Mn既能提高焊缝冲击韧性也可提高焊缝强度，但含量过高时会导致屈强比 <math id="M5"><mo>></mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=35109391&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=35109386&type= 1.86266661 2.62466669 0.92，因此应将Mn含量控制在中限值。Mn元素是奥氏体化元素，能够扩大稳定奥氏体相区，推迟二次相变温度，同时还具有一定的细化二次组织的作用。当Mn含量继续增加时，熔敷金属强度明显提高，冲击吸收能量降低。 Cr含量对屈强比的影响 3 不同Cr含量（≤0.50%）对熔敷金属屈强比的影响如 图6 图6 所示。结果表明，在焊缝中添加适量的Cr可以提高焊缝的韧性，但含量过高时会导致屈强比 <math id="M6"><mo>></mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=35109391&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=35109386&type= 1.86266661 2.62466669 0.92，因此应将Cr含量控制在中限值。 Cu含量对屈强比的影响 3 不同Cu含量（0.1%~1.0%）对熔敷金属屈强比的影响如 图7 图7 所示。结果表明，随着Cu含量的增加，显著提高了焊缝的抗拉强度和屈服强度，导致屈强比 <math id="M7"><mo>></mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=35109412&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=35109409&type= 1.86266661 2.62466669 0.92，因此应将Cu含量控制在下限值。 工艺参数对力学性能的影响 2 在平焊工艺参数条件下，通过改变焊接电流大小研究其对熔敷金属抗拉强度和低温冲击性能的影响，如 图8 图8 所示。结果表明，焊接电流在160~190 A时，熔敷金属力学性能均满足技术要求，且随着焊接电流的增加，熔敷金属的抗拉强度变化较小，在大电流190 A时，熔敷金属冲击性能略好一些。 1;2; 在平焊工艺参数条件下，通过改变道间温度研究其对熔敷金属低温冲击性能及屈强比的影响，如 图9 图9 所示。结果表明，当焊接电流为160 A，道间温度在80~200 ℃时，熔敷金属力学性能均满足技术要求，道间温度对熔敷金属低温冲击性能及屈强比的影响较小。 1;2; 讨论 1 690 MPa级建筑结构用钢配套焊条的研制难点主要有四点：一是焊条全位置焊接工艺性的优化；二是熔敷金属扩散氢含量的降低；三是强韧性匹配问题，四是屈强比的控制。 J807GD焊条采用CaO-CaF 2 -SiO 2 碱性渣系。首先，必须严格控制大理石与氟化物的比例，一定量的大理石分解产生的大量CO 2 气体，可以加强保护电弧的作用，阻止熔池和熔滴与氢的直接接触，但过量的大理石也会影响熔渣的流动性及焊缝成形；氟化物具有很强的去氢作用，但过量的氟化物也会影响电弧的稳定性。同时，在药皮中按比例添加不同种类的氟化物，调整熔渣黏度，从而改善焊条立焊及仰焊的工艺性。另外，在药皮中添加少量氧化物，能够起到细化熔滴、稳定电弧的作用，从而改善焊条的立焊焊接工艺性。其次，对药皮中某些带有结晶水的粉料进行了预烘焙，进一步降低焊缝的扩散氢含量。同时通过设计适当的焊条外径，得到长短适宜的套筒，进一步改善焊条平焊及立焊的焊接工艺性。 建筑用高强钢焊缝金属的强韧性匹配及屈强比控制是J807GD焊条研制过程中亟待解决的问题。首先，在保证高抗拉强度的前提下，通过合理控制焊缝中合金元素的含量及比例，将Mn、Cr含量控制在中限，将Cu含量控制在下限，并采用适宜的焊接工艺 ［ 10 10 ］ ，可以有效地改善焊缝金属的显微组织，提高焊缝金属的韧性，降低焊缝的屈强比。其中添加适量的Mn可以促进针状铁素体的形成 ［ 11 11 ］ ，Mn也是优良的脱硫剂、脱氧剂，能够同时提高焊缝金属强度及韧性；添加适量的Cr、Cu也可以提高焊缝的韧性 ［ 12 12 - 13 13 12-13 ］ ，Cr、Cu也有利于针状铁素体的形成。其次，为了提高熔敷金属的低温冲击韧性，应严格控制熔敷金属的Mn/Si比；同时在药皮中添加微量的稀土，与焊缝中的氧反应，在焊缝中可以起到脱氧及净化晶界的作用 ［14］ ；另外，添加多种铁合金，既可以作为脱氧剂也可以兼有过渡合金的作用，从而改善焊缝的冲击性能。 结论 1 （1）研制的J807GD焊条，其平焊、立焊工艺性能优良，力学性能满足技术要求，适用于690 MPa级建筑结构用钢的焊接。 （2）研制的J807GD焊条通过严格控制熔敷金属的合金元素含量，屈强比≤0.92。 （3）研制的J807GD焊条焊接工艺参数适用范围较宽，在推荐参数下力学性能均能满足工程技术要求。 参考文献 任文君 ， 宋文 . 690 MPa高强韧建筑用钢的热处理与组织性能研究 ［J］. 材料开发与应用 ， 2018 ， 33 （ 6 ）： 56 - 62 . 690 MPa高强韧建筑用钢的热处理与组织性能研究 REN Wenjun ， SONG Wen . 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