建筑結構用690 MPa級低屈強比焊條J807GD的研制

張學剛，陳振業(yè)，陳 燕，吝章國，胡鵬亮，陳 波

1.哈爾濱威爾焊接有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150060

2.河鋼股份有限公司，河北 石家莊 050023

0 前言

近年來為了滿足現(xiàn)代建筑高層化、結構大跨化的發(fā)展要求，建筑結構用鋼板正逐步向系列化方向發(fā)展，不僅可以減輕結構質量，降低建造成本，還能提高結構的可靠性。國外的建筑結構用鋼板的強度級別從主流的490 MPa、590 MPa級發(fā)展至更高級別的690 MPa級，如德國柏林索尼中心大樓的屋架結構采用了S460和S690鋼材，澳大利亞悉尼的星城飯店部分結構也采用了650 MPa和690 MPa鋼材[1]。在國內，建筑結構用鋼板仍以Q345為主，近年來Q390GJ、Q460GJ系列鋼越來越被建筑設計者青睞，在建筑工程中得到了一定的應用[2-3]，如廣州新電視塔、天津津塔、鳥巢、中央電視臺新臺址主樓等，各鋼鐵企業(yè)及高校都在積極進行建筑工程用Q690GJ鋼板的研制和開發(fā)[4-5]。同時為了提高建筑結構的抗震能力，對建筑結構用鋼板提出了一些特殊要求，如具有足夠高的抗拉強度及屈服強度、較高的塑韌性以及較低的屈強比等[6]。

目前690 MPa級建筑結構用鋼板的焊接大多采用國外進口焊條[7]，實現(xiàn)配套焊條國產化是現(xiàn)在亟待解決的問題。張慶素[8]采用自行研發(fā)的焊絲和焊劑對Q690鋼進行埋弧焊熔敷金屬性能研究，隨著熱輸入增大，熔敷金屬拉伸性能總體呈下降趨勢，在恰當?shù)墓に噮?shù)下，熔敷金屬抗拉強度、屈服強度、-40℃沖擊功滿足目標要求。690 MPa級高強鋼焊接時主要存在兩個問題，一是焊接的冷裂紋敏感性問題，二是焊縫的強度和韌性。冷裂紋的敏感性通過選擇超低氫焊材，進行正確的預熱，控制層間溫度及采用合理的焊接參數(shù)即可解決；而焊縫的強韌性匹配則與焊接材料和焊接工藝的優(yōu)化有關。

1 試驗材料及方法

1.1 試件制備

焊接材料為自主研發(fā)的φ4.0 mm J807GD焊條，熔敷金屬力學性能對接試板為Q235鋼板，尺寸為300 mm×300 mm×20 mm，坡口形式為20°V形，焊機采用松下YD-630AT。先在坡口堆焊厚度為5 mm的過渡層，根部間隙為16 mm，墊板尺寸為300 mm×30 mm×10 mm。

綜合考慮對焊條的工藝性和熔敷金屬強韌性的技術要求，研制的J807GD焊條采用H04E焊芯，選用CaO-CaF2-SiO2堿性渣系，該渣系含有較多的大理石、螢石和鐵合金，從而降低了焊縫中氫和氧的含量，堿性渣系有利于提高熔敷金屬的沖擊韌性，其藥皮的主要化學成分如表1所示。同時，焊條采用Mn-Ni-Cr-Mo作為合金體系，并針對各合金元素的相互關系進行了系統(tǒng)的成分調整。

表1 藥皮的主要成分（質量分數(shù)，%）Table 1 Main chemical composition of coating of electrode（wt.%）

1.2 試驗方法

采用焊條電弧焊，平焊和立焊位置焊接工藝參數(shù)如表2所示。焊后分別按照GB/T2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》、GB/T2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》要求，進行熔敷金屬拉伸試驗及-40℃沖擊試驗；按照GB/T3965—2012《熔敷金屬中擴散氫測定方法》要求進行熔敷金屬擴散氫含量測試。采用奧林巴斯GX53F光學顯微鏡觀察J807GD焊條熔敷金屬的顯微組織。

表2 φ4.0 mm焊條平、立焊推薦工藝參數(shù)Table 2 Recommended parameters of flat and vertical position of welding forφ4.0 mm electrode

建筑用高強鋼焊縫金屬的強韌性匹配及屈強比控制是J807GD焊條研制過程中亟待解決的問題。文中在平焊工藝參數(shù)條件下，通過改變焊接電流和道間溫度研究其對熔敷金屬抗拉強度和低溫沖擊性能的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 焊條的工藝性能

J807GD焊條焊接過程中不易產生發(fā)紅和氣孔等問題，平焊、立焊的工藝性優(yōu)良。平焊時，電弧穩(wěn)定，再引弧容易，飛濺較小，焊道表面波紋細密，易脫渣；立焊時，藥皮熔化均勻，熔池清晰，細熔滴過渡，焊縫金屬不下淌。圖1分別為平焊脫渣前、后及立焊脫渣后的宏觀形貌。

圖1 宏觀形貌Fig.1 Marco appearance of electrode welding

2.2 熔敷金屬力學性能

平焊及立焊時的熔敷金屬室溫拉伸及-40℃低溫沖擊試驗結果分別如圖2、圖3及表3所示，屈強比≤0.92，屈服強度≥720 MPa，平焊和立焊時-40 ℃低溫沖擊吸收能量的平均值分別為79 J和60 J，均滿足技術要求。

圖2 拉伸試驗后形貌（平焊）Fig.2 Appearance after tensile test（flat position of welding）

圖3 拉伸試驗后形貌（立焊）Fig.3 Appearance after tensile test（vertical position of welding）

表3 熔敷金屬力學性能試驗結果Table 3 Test results of mechanical properties of deposited metal

2.3 顯微組織

圖4為J807GD焊條熔敷金屬的顯微組織，典型組織為貝氏體+針狀鐵素體，組織中針狀鐵素體的存在有利于提高焊縫的沖擊韌性。

圖4 熔敷金屬顯微組織Fig.4 Microstructure of deposited metal

2.4 擴散氫含量

水銀法擴散氫試驗要求為：熔敷金屬擴散氫含量HD≤5 mL/100 g。試驗結果為3.1 mL/100 g，滿足技術要求。

2.5 合金元素對屈強比的影響

2.5.1 Mn含量對屈強比的影響

在其他主要成分不變的情況下，不同Mn含量（1.0%～2.0%）對熔敷金屬屈強比的影響如圖5所示。熔敷金屬中適量的Mn既能提高焊縫沖擊韌性也可提高焊縫強度，但含量過高時會導致屈強比＞0.92，因此應將Mn含量控制在中限值。Mn元素是奧氏體化元素，能夠擴大穩(wěn)定奧氏體相區(qū)，推遲二次相變溫度，同時還具有一定的細化二次組織的作用。當Mn含量繼續(xù)增加時，熔敷金屬強度明顯提高，沖擊吸收能量降低。

圖5 Mn含量對屈強比的影響Fig.5 Effect of Mn content on yield ratio

2.5.2 Cr含量對屈強比的影響

不同Cr含量（≤0.50%）對熔敷金屬屈強比的影響如圖6所示。結果表明，在焊縫中添加適量的Cr可以提高焊縫的韌性，但含量過高時會導致屈強比＞0.92，因此應將Cr含量控制在中限值。

圖6 Cr含量對屈強比的影響Fig.6 Effect of Cr content on yield ratio

2.5.3 Cu含量對屈強比的影響

不同Cu含量（0.1%～1.0%）對熔敷金屬屈強比的影響如圖7所示。結果表明，隨著Cu含量的增加，顯著提高了焊縫的抗拉強度和屈服強度，導致屈強比＞0.92，因此應將Cu含量控制在下限值。

圖7 Cu含量對屈強比的影響Fig.7 Effect of Cu content on yield ratio

2.6 工藝參數(shù)對力學性能的影響

在平焊工藝參數(shù)條件下，通過改變焊接電流大小研究其對熔敷金屬抗拉強度和低溫沖擊性能的影響，如圖8所示。結果表明，焊接電流在160～190A時，熔敷金屬力學性能均滿足技術要求，且隨著焊接電流的增加，熔敷金屬的抗拉強度變化較小，在大電流190A時，熔敷金屬沖擊性能略好一些。

圖8 焊接電流對力學性能的影響Fig.8 Effect of welding current on mechanical properties

在平焊工藝參數(shù)條件下，通過改變道間溫度研究其對熔敷金屬低溫沖擊性能及屈強比的影響，如圖9所示。結果表明，當焊接電流為160 A，道間溫度在80～200℃時，熔敷金屬力學性能均滿足技術要求，道間溫度對熔敷金屬低溫沖擊性能及屈強比的影響較小。

圖9 道間溫度對力學性能的影響Fig.9 Effect of interpass temperature on mechanical properties

3 討論

690 MPa級建筑結構用鋼配套焊條的研制難點主要有四點：一是焊條全位置焊接工藝性的優(yōu)化；二是熔敷金屬擴散氫含量的降低；三是強韌性匹配問題，四是屈強比的控制。

J807GD焊條采用CaO-CaF2-SiO2堿性渣系。首先，必須嚴格控制大理石與氟化物的比例，一定量的大理石分解產生的大量CO2氣體，可以加強保護電弧的作用，阻止熔池和熔滴與氫的直接接觸，但過量的大理石也會影響熔渣的流動性及焊縫成形；氟化物具有很強的去氫作用，但過量的氟化物也會影響電弧的穩(wěn)定性。同時，在藥皮中按比例添加不同種類的氟化物，調整熔渣黏度，從而改善焊條立焊及仰焊的工藝性。另外，在藥皮中添加少量氧化物，能夠起到細化熔滴、穩(wěn)定電弧的作用，從而改善焊條的立焊焊接工藝性。其次，對藥皮中某些帶有結晶水的粉料進行了預烘焙，進一步降低焊縫的擴散氫含量。同時通過設計適當?shù)暮笚l外徑，得到長短適宜的套筒，進一步改善焊條平焊及立焊的焊接工藝性。

建筑用高強鋼焊縫金屬的強韌性匹配及屈強比控制是J807GD焊條研制過程中亟待解決的問題。首先，在保證高抗拉強度的前提下，通過合理控制焊縫中合金元素的含量及比例，將Mn、Cr含量控制在中限，將Cu含量控制在下限，并采用適宜的焊接工藝[10]，可以有效地改善焊縫金屬的顯微組織，提高焊縫金屬的韌性，降低焊縫的屈強比。其中添加適量的Mn可以促進針狀鐵素體的形成[11]，Mn也是優(yōu)良的脫硫劑、脫氧劑，能夠同時提高焊縫金屬強度及韌性；添加適量的Cr、Cu也可以提高焊縫的韌性[12-13]，Cr、Cu也有利于針狀鐵素體的形成。其次，為了提高熔敷金屬的低溫沖擊韌性，應嚴格控制熔敷金屬的Mn/Si比；同時在藥皮中添加微量的稀土，與焊縫中的氧反應，在焊縫中可以起到脫氧及凈化晶界的作用[14]；另外，添加多種鐵合金，既可以作為脫氧劑也可以兼有過渡合金的作用，從而改善焊縫的沖擊性能。

4 結論

（1）研制的J807GD焊條，其平焊、立焊工藝性能優(yōu)良，力學性能滿足技術要求，適用于690 MPa級建筑結構用鋼的焊接。

（2）研制的J807GD焊條通過嚴格控制熔敷金屬的合金元素含量，屈強比≤0.92。

（3）研制的J807GD焊條焊接工藝參數(shù)適用范圍較寬，在推薦參數(shù)下力學性能均能滿足工程技術要求。