Q420qD钢部分熔透角接接头焊接工艺与性能研究

唐丽; 沈林; 姜友荣; 周敬; 周友龙; 王东烨

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2024.05.15

焊接工艺 | 浏览量 : 160 下载量: 113 CSCD: 0

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专辑

Q420qD钢部分熔透角接接头焊接工艺与性能研究
Welding Process and Properties of Q420qD Steel Partially Penetrated Corner Joints
- 角色： First author 第一作者
- 机构：
  中国五冶集团有限公司,四川成都 610063
- 简介：唐　丽（1971—），女，高级工程师，主要从事钢结构焊接工艺与性能研究。
唐丽
1 ，
- 角色： Corresponding author 通讯作者
- 机构：
  中国五冶集团有限公司,四川成都 610063
- 邮箱： prslin@163.com
- 简介：沈　林（1991—），男，工程师，主要从事钢结构激光复合焊接研究。E-mail：prslin@163.com。
沈林
1 ，
- 机构：
  中国五冶集团有限公司,四川成都 610063
姜友荣
1 ，
- 机构：
  中国五冶集团有限公司,四川成都 610063
周敬
1 ，
- 机构：
  西南交通大学材料科学与工程学院,四川成都 610031
周友龙
2 ，
- 机构：
  西南交通大学材料科学与工程学院,四川成都 610031
王东烨
2
2024年54卷第5期页码：104-110
纸质出版日期： 2024-05-25 ，
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.05.15

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唐丽，沈林，姜友荣，等.Q420qD钢部分熔透角接接头焊接工艺与性能研究［J］.电焊机，2024，54（5）：104-110.

TANG Li, SHEN Lin, JIANG Yourong, et al.Welding Process and Properties of Q420qD Steel Partially Penetrated Corner Joints[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(5): 104-110.
唐丽，沈林，姜友荣，等.Q420qD钢部分熔透角接接头焊接工艺与性能研究［J］.电焊机，2024，54（5）：104-110. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.05.15.

TANG Li, SHEN Lin, JIANG Yourong, et al.Welding Process and Properties of Q420qD Steel Partially Penetrated Corner Joints[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(5): 104-110. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.05.15.

摘要

采用CO₂气体保护焊对16 mm厚Q420qD钢进行部分熔透角接焊，对平焊、立焊和仰焊的焊接工艺进行优化设计，并分析了焊接接头的显微组织和力学性能。结果表明：在13.25~19.77 kJ/cm的焊接热输入条件下，接头焊缝和热影响区组织稳定。焊缝显微组织主要为先共析铁素体和针状铁素体，粗晶区为贝氏体、针状铁素体和珠光体的混合组织，细晶区铁素体和珠光体组织均匀分布。不同位置焊接接头的硬度变化规律为：热影响区＞焊缝＞母材。焊接接头的屈服强度（558~669 MPa）明显高于母材（464 MPa），拉伸断裂位置均发生在热影响区；焊缝和热影响区在-20 ℃的冲击功≥69 J，表现出良好的冲击韧性。

译

Abstract

The CO₂ gas-shielded welding was used for partial penetration corner welding of Q420qD steel with 16 mm thickness, the welding process of flat, vertical and elevation weld was optimized, and the microstructure and mechanical properties of the welded joints were analyzed. The results showed that the microstructure of the weld metal (WM) and the heat-affected zone (HAZ) was stable under different heat input conditions (13.25~19.77 kJ/cm). The microstructure of the WM was mainly pre-eutectic ferrite and acicular ferrite, the coarse grain zone has a mixed bainite, acicular ferrite and pearlite, the ferrite and pearlite in the fine grain zone were uniformly distributed. The hardness of welded joints varies as follows: HAZ > WM > base material (BM). The yield strength of welded joints (558~669 MPa) was significantly higher compared to the BM (464 MPa), and the tensile fracture location all occurred in the HAZ; The impact energy of the WM and HAZ at -20 ℃ was above 69 J, exhibiting good impact toughness.

译

关键词

Q420qD钢; 角接接头; 焊接工艺; 力学性能; 微观组织

译

Keywords

Q420qD steel; Corner joint; Welding process; Mechanical properties

译

0 引言

混凝土桥梁和钢结构桥梁是现代桥梁结构的两种基本结构形式。混凝土桥梁具有就地取材、造价相对较低、施工工艺成熟等优点，在公路桥梁建设中得到了广泛应用。钢结构桥梁相较于传统的混凝土桥梁，具有轻质高强、绿色环保、结构稳定性高、施工周期短等优势，在实现双碳目标、推动绿色发展的背景下，钢结构桥梁在我国公路桥梁的建设中扮演了重要角色。

译

我国钢结构桥梁广泛采用Q345q和Q370q钢，对于大跨度、重载钢桥的关键受力部件需采用强度更高的Q420q钢才能满足受力要求^［

1-2］。近年来，随着高等级公路桥梁建设需求不断扩大，桥梁钢也在不断升级换代，传统的Q370q钢正逐步被强度级别更高的Q420q钢替代^{［参考文献 3-4

3-4］}。Q420q钢是在Q345q钢的基础上降低碳含量并添加微量Nb、Ti、V等元素来提高其强度，而Q420q钢在服役过程中对裂纹等缺陷更加敏感，发生低应力脆断的风险增加，特别是焊接接头热影响区晶粒粗化且存在淬硬组织^{［参考文献 3-6

3-6］}。因此，采用合理的焊接工艺来实现焊接接头的缺陷控制和韧性保障是提高钢结构桥梁服役安全可靠性的重要手段。程显平等人^［7］研究了预热温度对Q420钢板焊接冷裂纹敏感性的影响，结果表明在20~110 ℃预热温度和110 ℃焊后热处理条件下，Q420焊接接头的冷裂纹敏感性较低。李志波等人^{［参考文献 8

百度学术

8］}采用数值模拟与实验验证结合方法，确定了20~60 mm厚Q420E钢对接和角接的焊接预热温度为100~150 ℃，并在桥梁的焊接生产中得到实际应用。白斌等人^{［参考文献 3

百度学术

3］}的研究结果表明：当焊接线能量为15 kJ/cm时，Q420qD钢焊接接头的拉伸、冲击和硬度等力学性能达到国家标准要求值，焊缝针状铁素体组织和多边形铁素体大角度晶界能有效阻碍裂纹扩展，从而提高接头低温韧性。

译

在钢结构桥梁焊接过程中通常需要进行平焊、立焊和仰焊等位置的焊接作业，而不同焊接位置对焊接工艺参数的要求不尽相同。为此，本研究对Q420q钢的平焊、立焊和仰焊等不同焊接位置的部分熔透角接焊工艺进行优化设计，并重点研究了焊接接头的微观组织和力学性能，为Q420q钢的焊接提供参考和依据。

译

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料采用16 mm厚Q420qD钢，其显微组织由层片状铁素体和珠光体组成，如图1所示。Q420qD钢的屈服强度和抗拉强度分别为464 MPa和637 MPa，在-20 ℃冲击功为211 J。焊接方法采用CO₂气体保护焊，填充材料为直径1.2 mm的E551T1-Ni1C型药芯焊丝。母材及焊丝的力学性能见表1。采用电火花直读光谱仪测得母材及焊丝的化学成分，结果见表2。

译

图1 Q420qD钢金相组织

Fig.1 Metallographic structure of Q420qD steel

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表1 母材和焊丝的力学性能

Table 1 Mechanical properties of the base metal and welding wire

材质

板厚

/mm

屈服强度

/MPa

抗拉强度

/MPa

伸长率

冲击功

/J（-20 ℃）

Q420qD

464

637

29.0

211

E551T1-Ni1C

—

497

590

30.0

—

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表2 母材和焊丝的化学成分（质量分数，%）

Table 2 Chemical compositions of the base metal and welding wire（wt.%）

材料	C	Si	Mn	P	S
Q420qD	0.05	0.27	1.67	0.013	0.003
E551T1-Ni1C	0.05	0.31	1.32	0.010	0.003

材料	Cr	Ni	Cu	Mo	V
Q420qD	0.28	0.19	0.18	0.001	—
E551T1-Ni1C	0.02	1.04	—	0.001	0.016

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1.2 试验方法

对16 mm厚Q420qD钢部分熔透角接接头进行了平焊、立焊和仰焊等位置的焊接工艺设计，图2给出了部分熔透焊接的接头示意图。采用CO₂气体保护焊进行多层多道焊，平焊的参数最大，立焊参数较平焊小约10%，仰焊参数比立焊更小，具体的焊接工艺参数见表3。

译

（a）平焊

（b）立焊

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（c）仰焊

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图2 部分熔透角接接头示意

Fig.2 Schematic of a partially penetrated fillet weld joint

表3 焊接工艺参数

Table 3 Welding parameters

焊接位置	道次	电流 /A	电压 /V	焊接速度 /（cm·min^-1）	气流量 /（L·min^-1）	线能量 /（kJ·m^-1）
平焊	1~2	250	29	22	16	19.77
平焊	3~4	240	27	22	16	17.67
立焊	1~2	210	26	22	16	14.89
立焊	3~4	220	28	22	16	16.20
仰焊	1~2	190	29	22	16	15.03
仰焊	3~4	180	27	22	16	13.25

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焊接完成后取样接头进行宏观形貌观察和微观组织分析，依次使用80#、240#、400#、600#、800#砂纸研磨，然后机械抛光至无划痕后，用体积分数为4%硝酸酒精溶液腐蚀15 s，先拍照记录接头宏观形貌，再用Zeiss-A1M光学显微镜进行金相组织观察。根据标准GB/T 2654—2008《焊接接头硬度试验方法》进行硬度测试。所有接头分别在距离接头外表面2 mm和焊根处两个位置进行硬度测试，如图3所示。硬度试验采用HVS-30数显显微维氏硬度计，载荷为10 kg，加载时间15 s，硬度测试步长为0.5 mm。

译

图3 部分熔透角焊缝硬度

Fig.2 Hardness of partially penetrated corner joints

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由于角接接头不能直接取样进行拉伸、弯曲、冲击等力学性能测试，因此本文采用相同厚度、相同焊接工艺的对接接头来代替角接接头进行力学性能测试。拉伸试验按照标准GB/T 2651—2008《焊接接头拉伸试验方法》进行，拉伸试样尺寸见图4，采用WDW3100型电子万能试验机，拉伸速度为5 mm/min。弯曲试验按照GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》进行，侧弯试样厚度为10 mm，弯心直径40 mm，弯曲角度为180°。根据标准GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》在焊缝和热影响区各取3个试样进行-20 ℃冲击试验，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，开夏比V形缺口。冲击试验时先将试样放置在-20 ℃酒精和干冰的混合溶液中浸泡30 min，然后取出试样立即在摆锤式冲击试验机上进行冲击。

译

图4 焊接接头拉伸试样尺寸

Fig.4 Weld joint tensile specimen size

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2 试验结果与分析

2.1 接头成形

Q420qD钢部分熔透角接接头成形情况如图5所示，可以看出焊接接头成形良好，焊缝及热影响区无可见裂纹、夹杂、气孔等焊接缺陷。按照式（1）计算焊缝成形系数φ，结果见表4。由表4可知，平焊、立焊和仰焊接头的焊缝成形系数均大于1.3，说明试验设计的焊接工艺参数能够形成较大的熔宽和较小的熔深，满足Q/CR 9211—2015《铁路钢桥制造规范》要求。

译

φ=B/H

（1）

式中　B为焊缝宽度；H为焊缝深度。

译

图5 焊接接头成形

Fig.5 Weld joint formation

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表4 焊缝成形系数

Table 4 Weld formation coefficient

焊接位置	焊缝宽度/mm	焊缝深度/mm	焊缝成形系数
平焊	14	10	1.40
立焊	16	11	1.45
仰焊	13	9	1.44

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2.2 接头微观组织

Q420qD钢平焊接头的金相组织如图6所示。可以看出，平焊接头焊缝组织为先共析铁素体（Grain boundary ferrite，GBF）和针状铁素体（Acicular ferrite，AF），热影响区粗晶区组织由粒状贝氏体（Bainite，B）、板条贝氏体、针状铁素体和珠光体（Pearlite，P）组成，其中贝氏体组织的比例较高，这是由于焊接过程中熔合线附近的奥氏体组织快速冷却，使原有的奥氏体晶界保留下来，且奥氏体晶粒内部发生了以贝氏体相变为主的组织转变。热影响区细晶区主要为多边形铁素体（Ferrite，F）和珠光体组织，细晶区经过低温热循环，显微组织发生快速奥氏体相变，多边形铁素体组织明显细化^［

3］。Q420qD钢立焊接头的金相组织如图7所示。由图7可见，立焊接头焊缝组织主要为先共析铁素体和针状铁素体，粗晶区组织为贝氏体和少量珠光体，细晶区铁素体和珠光体均匀分布。仰焊时焊接热输入比平焊和立焊小，但焊缝和热影响区组织与平焊、立焊相似（见图8）。由此可见，在焊接热输入为13.25~19.77 kJ/m进行Q420qD钢焊接，未对其焊接接头组织产生显著影响。

译

图6 平焊接头金相组织

Fig.6 Microstructure of flat welded joints

（a）焊缝；（b）熔合线；（c）粗晶区；（d）细晶区

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图7 立焊接头金相组织

Fig.7 Microstructure of vertical welded joints

（a）焊缝；（b）熔合线；（c）粗晶区；（d）细晶区

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图8 仰焊接头金相组织

Fig.8 Microstructure of overhead welded joints

（a）焊缝；（b）熔合线；（c）粗晶区；（d）细晶区

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2.3 接头力学性能

Q420qD焊接接头硬度测试结果如图9所示。可以看出，平焊接头近表面和焊缝根部硬度变化趋势一致，表现为热影响区硬度最高（248 HV），焊缝中心区域硬度值为206 HV，略高于母材。立焊和仰焊接头硬度变化表现为焊缝硬度值最高，热影响区次之，母材硬度最低。立焊焊缝平均硬度为274 HV，高于仰焊焊缝平均硬度值215 HV。焊接接头硬度变化与微观组织和晶粒尺寸密切相关，焊缝区域针状铁素体晶粒细小，其晶粒内存在高密度位错，从而导致硬度增加^［

9-11］。热影响区硬度高于母材，这是由于焊接热循环作用下贝氏体组织的形成，而热影响区中贝氏体含量随着离焊缝中心距离的增加而逐渐减少，导致硬度逐渐降低。

译

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图9 Q420qD焊接接头硬度

Fig.9 Hardness of welded joint

焊接接头的拉伸试验结果见表5。平焊接头的屈服强度和抗拉强度分别为558 MPa和633 MPa，延伸率为27%；立焊接头的屈服强度为669 MPa，高于平焊和仰焊（581 MPa）接头的屈服强度，其延伸率为20%。平焊、立焊和仰焊试样断裂位置均发生在热影响区。焊缝组织主要为先共析铁素体和针状铁素体，晶粒细小，大量的晶界阻碍了位错滑移，屈服强度增加。另外，针状铁素体中高密度位错能有效阻碍裂纹的萌生和扩展^［

11］，在拉伸过程中使得晶粒内部的滑移和相邻晶粒变形的难度增加，从而提高了焊接接头的延伸率。平焊、立焊和仰焊接头弯曲试样经弯曲180°后均未发生破断或出现明显的裂纹（见图10），这表明焊接接头的塑韧性较好，具有良好的抗弯曲承载能力。

译

表5 拉伸试验结果

Table 5 Results of tensile test

焊接位置	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	伸长率/%	断裂位置
平焊	558	633	27.0	热影响区
立焊	669	815	20.0	热影响区
仰焊	581	717	21.0	热影响区

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图10 焊接接头弯曲试验结果

Fig.10 Bend test results for weld joint

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表6为焊接接头冲击试验结果，可见平焊、立焊和仰焊接头焊缝位置的平均冲击功分别为78 J、84 J和69 J，平焊接头热影响区的平均冲击功为78J，明显低于立焊和仰焊接头热影响区的平均冲击功279 J和280 J，这可能与平焊位置热输入较大，热影响区组织粗化有关。不同焊接位置焊缝和热影响区在-20 ℃的冲击功均高于JTG/T 3651—2022《公路钢结构桥梁制造和安装施工规范》规定的27 J，表现出良好的冲击韧性。

译

表6 焊接接头-20 ℃冲击试验结果

Table 6 Impact test results for weld joint at -20 ℃

焊接位置	焊缝冲击功/J	热影响区冲击功/J
平焊	86/44/104（平均78）	68/66/100（平均78）
立焊	62/112/78（平均84）	276/280/280（平均279）
仰焊	68/70/68（平均69）	280/280/280（平均280）

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3 结论

（1）使用与Q420qD钢等强匹配的焊丝进行平焊、立焊和仰焊，在13.25~19.77 kJ/cm焊接热输入范围内，焊缝和热影响区组织未发生明显变化。焊缝组织主要为先共析铁素体和针状铁素体，粗晶区为贝氏体、针状铁素体和珠光体的混合组织，细晶区铁素体和珠光体组织均匀分布。

译

（2）平焊、立焊和仰焊接头的硬度变化规律为热影响区 $>$ 焊缝 $>$ 母材。焊接接头的屈服强度为558~669 MPa，明显高于母材464 MPa，拉伸断裂位置均发生在热影响区，断裂延伸率（20%~27%）略低于母材；焊缝和热影响区在-20 ℃的冲击功≥69 J，冲击韧性良好。

译

参考文献

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编辑部网址：http：//www.71dhj.com [百度学术]

摘要

采用CO

气体保护焊对16 mm厚Q420qD钢进行部分熔透角接焊，对平焊、立焊和仰焊的焊接工艺进行优化设计，并分析了焊接接头的显微组织和力学性能。结果表明：在13.25~19.77 kJ/cm的焊接热输入条件下，接头焊缝和热影响区组织稳定。焊缝显微组织主要为先共析铁素体和针状铁素体，粗晶区为贝氏体、针状铁素体和珠光体的混合组织，细晶区铁素体和珠光体组织均匀分布。不同位置焊接接头的硬度变化规律为：热影响区＞焊缝＞母材。焊接接头的屈服强度（558~669 MPa）明显高于母材（464 MPa），拉伸断裂位置均发生在热影响区；焊缝和热影响区在-20 ℃的冲击功≥69 J，表现出良好的冲击韧性。

Abstract

The CO

gas-shielded welding was used for partial penetration corner welding of Q420qD steel with 16 mm thickness

the welding process of flat

vertical and elevation weld was optimized

and the microstructure and mechanical properties of the welded joints were analyzed. The results showed that the microstructure of the weld metal (WM) and the heat-affected zone (HAZ) was stable under different heat input conditions (13.25~19.77 kJ/cm). The microstructure of the WM was mainly pre-eutectic ferrite and acicular ferrite

the coarse grain zone has a mixed bainite

acicular ferrite and pearlite

the ferrite and pearlite in the fine grain zone were uniformly distributed. The hardness of welded joints varies as follows: HAZ

base material (BM). The yield strength of welded joints (558~669 MPa) was significantly higher compared to the BM (464 MPa)

and the tensile fracture location all occurred in the HAZ; The impact energy of the WM and HAZ at -20 ℃ was above 69 J

exhibiting good impact toughness.

关键词

Q420qD钢角接接头焊接工艺力学性能微观组织

Keywords

Q420qD steelCorner jointWelding processMechanical properties

references

魏振鑫. 新型桥梁高强钢Q420qE与Q370qE钢的焊接及应用［J］. 工程建设，2012，44（3）：58-60.

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