q60e-z35钢焊接性试验研究

q60e-z35钢焊接性试验研究

0与刑事法相关的试验研究国家体育中心的“鸟巢”钢结构采用q260e-z35钢，厚110mm，总750吨。调查新的，发现这是中国和世界上首次大规模使用的。Q460E-Z35钢是国内首次生产,并在短期内制作成为国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程构件,对此,无论是生产厂还是科研院所都没有足够的思想、物质准备。于是新钢种焊接性试验研究的问题就十分严峻的向施工单位提出,国情如此,无法回避。在北京新保利钢结构焊接工程Q420钢焊接性试验成功的基础上,对Q460E-Z35钢的焊接性进行了严谨的大规模试验(见图1),获得了大量的第一手资料,拟定了Q460E-Z35钢的焊接工艺,使焊接工艺评定获得了成功,进而指导工程的顺利进行。1工艺焊接性试验焊接性是指钢材(材料)在限定的施工条件下,焊成按规定设计要求的构件,并满足预定运营要求的能力。评定母材金属的试验叫做焊接性试验。钢材(材料)对焊接加工的适应性叫钢材(材料)的焊接性,是用以衡量钢材(材料)在一定工艺条件下获得优质接头的难易程度和该接头能否在使用条件下可靠运行的具体技术指标。新钢种焊接性试验研究是建筑钢结构焊接工程最重要的、具有探索性、风险性的科研工作。焊接性试验研究分为工艺焊接性和使用焊接性两大类,两类试验研究方法均含直接法和间接法。工艺焊接性直接法包括:焊接冷裂纹试验;焊接热裂纹试验;再热裂纹试验;层状撕裂试验;热应变时效脆化试验;焊接气孔敏感试验。工艺焊接性间接法包括:碳当量法;裂纹敏感指数法;连续冷却组织转变图法(SHCCT;WMCCT图);相组织分析及断口分析法;HAZ最高硬度法;焊接热、应力模拟试验。使用焊接性直接法包括:实际产品(工程)运行的服役试验;压力容器的爆破试验。使用焊接性间接法包括:焊接接头常规力学试验;焊接接头低温脆性试验;焊接接头的断裂韧性试验;焊接接头的高温性能试验(蠕变、持久等);焊接接头的动载、疲劳试验;焊接接头的耐腐蚀、耐磨性试验;应力场腐蚀开裂试验。(1)工艺焊接性。工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下,能否获得优良致密、无缺陷焊接接头的能力。这不是钢材(材料)本身固有的性能,而是根据某种焊接方法和所采用的具体工艺措施来进行评定的,所以钢材(材料)的工艺焊接性与焊接过程密切相关。对于熔焊,一般要经历传热过程和冶金反应过程,因而又可以把工艺焊接性分为“热焊接性”和“冶金焊接性”。热焊接性是指焊接热循环对焊接HAZ组织性能及产生缺陷的影响程度。用以评定被焊钢材(材料)对热的敏感性:如晶粒长大,组织性能变化等,主要与被焊钢材(材料)和焊接工艺有关。冶金焊接性是指在一定冶金过程的条件下,物理化学变化对焊缝性能和产生缺陷的影响程度。包括合金元素的氧化、还原、氮化、蒸发、氢、氧、氮的溶解等对形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷的影响,用以评定钢材(材料)对冶金缺陷的敏感性。(2)使用焊接性。使用焊接性是指焊接接头或整个结构满足产品技术条件规定的使用性能的程度。使用焊接性取决于焊接结构的工作条件和设计上提出的具体要求。通常包括常规力学性能、低温韧性、高温升蠕变、疲劳性能、持久强度、耐蚀性能和耐磨性能等。钢材(焊材)的焊接性不仅与本身的固有性能有关,同时也与许多焊接工艺条件有关。在不同的焊接工艺条件下,同一钢材(材料)具有不同的焊接性。新的焊接技术和方法、新的焊接材料的使用、新焊机的出现,对提高钢材(材料)的焊接性都会大有好处。2焊接性试验研究方法设计原则根据目前有关标准、文献介绍,钢材(材料)焊接性试验研究的方法致少有15种以上。随着技术的进步,焊接性试验研究方法还会增加。为了尽快达到目的,用尽可能少且十分准确的焊接性试验方法进行试验研究,以降低成本、保证工期是目前钢材焊接性试验研究的最佳选择,基本原则如下:(1)可比性。只有试验条件完全相同时,两个试验研究结果才具有可比性。因此,凡是国家或国际上已经颁布的标准试验方法应优先选择,并严格按标准规定进行试验。尚未建立标准的,应选择国内外同行业中较为通用的或公认的试验方法进行研究。若无标准可供参考,需自行设计焊接性试验研究方法时,应把试验研究条件规定得明确具体,并在报告中详细说明试验研究结果的试验研究条件。(2)针对性。一旦所选择和所设计的焊接性试验研究方法确定之后,要尽可能地使焊接性试验研究条件和工程实际条件相一致。这些条件包括母材、焊接材料、接头形式、接头受力状态、焊接工艺参数等。试验研究条件还应考虑到工程(产品)的使用条件,越接近越好。只有这样焊接性试验研究才具有针对性,其试验研究结果才能较准确地显示出工程实际中可能发生的问题或可能出现的现象。(3)再现性。焊接性试验研究的结果要稳定可靠,应具有较好的再现性。试验数据不可过于分散,否则难以找到变化规律而导出实际的正确结论。为此,试验研究方法应尽量减少人为因素的影响,多采用自动化、机械化操作,挑选优秀焊工进行,尽最大可能排除人为干扰。(4)经济性。在符合上述原则并能获得可靠结果的前提下,力求减少试验研究项,从而达到降低成本、保证工期的目的。3焊接接头的选择因素焊接性是钢材(材料)的一种工艺性能,除了受到材料本身性质影响外,还受到工艺条件、结构条件和使用条件的影响。(1)材料因素。材料包括母材和焊接材料。在相同的焊接条件下,决定母材焊接性的主要因素是母材本身的物理化学性能。一般说来,钢材在出厂前要进行严格的检测,国内大型钢铁企业具备了作钢材焊接性试验的能力,可以提供相应的检测报告和焊接性的资料。对钢材焊接性好坏的判定,一般可以从钢材的冶炼轧制状态、热处理状态、组织状态等来区分。这些因素在不同程度上对钢材的焊接性能产生影响。近年来研制和发展了各种CF(抗裂钢)钢、Z向钢(抗层状撕裂钢)、TMCP钢(控轧、控冷钢)等,就是通过精炼提纯、细化晶粒,控轧、控冷等技术来提高和改善钢材的焊接性。焊接材料是直接参与焊接过程一系列化学冶金反应,决定焊缝金属成分、组织、性能及缺陷形成的决定性因素。如果焊接材料选择不当,与母材不匹配,不能获得满足使用要求的焊接接头,还会引发产生裂纹或者组织性能发生变化。更严重的是,不能准确地揭示钢材对焊接工艺的适应性,从而导致钢材焊接性试验研究失败。所以必须认真选择焊接材料,以保证形重要冶金条件,以获得优质焊接接头。(2)工艺因素。工艺因素包括焊接方法、焊接工艺参数、装配顺序、预热、后热、焊后热处理等。焊接方法对焊接性影响很大,主要表现在热源特性和保护条件两个方面。不同的焊接方法其热源在功率、能量密度、最高加热温度等方面有很大区别。不同热源焊接金属将显示出不同的焊接性。例如:电渣焊功率大,但能量密度低,最高加热温度也不高,焊接时加热缓慢,高温停留时间长,使得HAZ晶粒粗大,冲击韧性显著降低,必须经过正火处理才能改善。与此相反,电子束焊、激光焊等方法,功率不大,但能量密度很高,加热迅速、高温停留时间短,HAZ很窄,没有晶粒长大的危险。GMAW、FCAW-G比电渣焊ESW好得多。调整工艺参数,采取多层多道焊,保持层间温度,后热等工艺措施,可以调节和控制焊接热循环,从而改变金属材料的焊接性。例如:焊接有淬硬倾向的高强钢时,由于钢材本身具有一定的冷裂敏感性,如焊接工艺选择不当,焊接接头有可能产生冷裂纹或降低接头的塑性和韧性。选用合适的填充材料,合理的焊接热循环,采取焊前预热、焊后后热等工艺措施,完全可以获得满足设计和使用要求的焊接接头。(3)结构因素。结构因素主要是指焊接结构和焊接接头的设计形式,如结构形状、尺寸、厚度、焊接接头坡口形式、焊缝布置、焊缝截面形状等因素对钢材焊接性的影响。主要表现在热的传递和力的状态两方面。不同板厚、不同接头形式或者坡口形状其传热方式和传热速度不一样,从而对熔池结晶方向和晶粒成长发生影响。结构的形状、板厚和焊缝的布置等,决定焊接接头的刚度和拘束度,对接头的应力状态产生影响。不良的结晶形态,严重的应力集中和过大的焊接应力是形成焊接裂纹的基本条件。设计中减少焊接接头的刚度、减少交叉焊缝,避免焊缝过于密集以及减少造成应力集中的各种因素,都是改善焊接性的重要措施。(4)使用条件。使用条件是指建筑钢结构服役期间的工业温度、负载条件等。这些工作环境和运行条件要求焊接结构具有相适应的使用性能。例如:在低温工作的焊接结构,必须具备抗脆性断裂的性能;在交变载荷下工作的焊接结构具有良好的抗疲劳性能等。使用条件越苛刻,对焊接接头的质量要求就越高,钢材的焊接性就越不容易保证。4焊接应用技术理论分析北京新保利工程Q420钢焊接性试验研究的成功,为国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程提供了有益的借鉴。因此,在Q460E-Z35钢焊接性试验研究的任务还没有下达时,就进行了焊接应用技术理论的分析研究。作出了符合实际情况的焊性试验研究方案,保证了Q460E-Z35钢材的焊接性试验研究获得成功。4.1试验研究的方法根据焊接应用技术理论、结合实际,对Q460E-Z35钢焊接难易程度作出了分析和判断,估计焊接过程中可能出现的技术问题,从而找出问题的原因、产生机理,制定相应的工艺措施,保证焊接性试验研究工作的顺利进行。建筑钢结构焊接缺陷以裂纹的危害最大,钢材焊接性试验研究首先考虑的问题是防止裂纹的产生。裂纹产生的原因很多,在焊接性试验研究的过程中首先应考虑钢材本身的抗裂能力,而材料的抗裂能力通常用间接试验研究的方法进行。按材料合金元素及其含量间接评估合金结构钢的焊接性是最常用的分析方法,比如:“碳当量法”“裂纹敏感系(指)数法”等。此外也可以利用合金相图,或焊接CCT图进行分析。合金相图可以判断热裂倾向,焊接CCT图估计有无冷裂纹的危险和焊后接头的大致冷裂倾向(硬度值)比较方便、可靠。对于等强度设计的焊接接头,必须以钢材(母材)的本身性能为依据,分别考查焊缝金属和HAZ在焊接热循环的作用下可能引起哪些不利于使用性能的变化。也可以应用已经建立的焊接CCT图来预测和判断焊缝或HAZ以及熔合线附近组织与性能的变化。为了提高焊接接头的质量,消除焊接接头裂纹,研究焊缝及HAZ中的组织变化以及组织变化与性能关系,一直是焊接工作者的重要研究课题。由于HAZ区域小,焊接热循环加热温度高、时间短、变化快,因而试验中直接测定HAZ或焊缝的相变过程是一件困难的工作。另外,焊接相变动力学和焊接相变规律的研究,在试验方法及设备上都还存在困难。但是,自从开展模拟焊接热循环的研究工作以来,尤其是具有大型精密的试验设备之后,上述技术问题得到了一定程度的解决,因而促进了焊接CCT图研究工作的迅速发展。在国外,应用模拟热循环的方法测定焊接CCT图已经达到比较完善的程度。各大型研究院、所都相继自制成大型全自动快速膨胀仪,在焊接CCT图的测试水平上有很大的提高,对焊接相变过程、相变组织与焊接工艺之间的关系有了更深刻的认识。为选择焊接材料、制定最佳焊接工艺、消除焊接裂纹、制定焊接热处理规范等均有重大的实际意义。尤其是为焊接工艺的改进提供了较为全面的基础数据,把焊接工艺的确定,从试验室定性摸索提高到数据定量分析阶段。对Q460E-Z35钢,在焊接性试验研究的理论分析时首先应考虑防止出现冷裂纹、热裂纹、再热裂纹、层状撕裂、HAZ脆化等技术问题。重点要防止冷裂纹的出现,焊接CCT图应当是比较有效的技术之一。4.2试验研究及其验证焊接应用技术理论分析是以理论分析和实践经验为依据进行的,分析的结果难免同工程实际有出入。因此,对于一些重大工程,一般都应在以焊接性试验研究理论分析的基础上有针对性地作一些试验研究,并加以验证。特别对于一些新钢种,比如Q420、Q460E-Z35,更应通过较全面的试验研究以获取有指导价值的第一手资料,对试验研究的钢材作出准确的评价。同时也为焊接工艺的制定提供可靠的技术依据,这项工作应当由供应商和科研单位进行。5焊接试验研究方案4c60e-z355.1研究通过设置竞争力热切割、热矫正及焊接技术来满足国家高尔夫球场的钢结构工程的需要(1)调查研究、搜集整理国内外对Q460E-Z35厚板的研究成果资料及工程实际应用情况,跟踪本课题技术领域国内外发展的动向,确保本项目研究的先进性和实用性。(2)利用国内舞阳钢铁有限公司现有设备,通过成分设计和工艺控制措施,试生产出能够满足国家体育场钢结构工程用钢需求的Q460E-Z35级钢材。(3)通过热切割、热矫正、焊接性试验和刚性接头试验等系列试验,对试生产的Q460E-Z35级钢材的焊接性进行系统研究,总结出一套适合Q460E-Z35厚板的热切割、热矫正以及焊接技术,为国家体育场钢结构工程Q460E-Z35厚板的热切割、热矫正以及焊接提供指导性意见。(4)结合焊接性的研究成果,通过一系列焊接工艺评定试验,总结出一套适用于国家体育场钢结构工程Q460E-Z35厚板的焊接工艺参数,以指导国家体育场钢结构工程Q460E-Z35厚板焊接施工。5.2q60e-z33厚板焊接工艺评定(1)主要研究内容包括:Q460E-Z35热切割试验;Q460E-Z35热矫正试验;Q460E-Z35焊接冷裂纹敏感性试验;Q460E-Z35刚性接头试验。(2)Q460E-Z35厚板焊接工艺评定试验。依据Q460E-Z35厚板热加工和焊接性试验研究的成果,结合国家体育场钢结构工程实际情况,通过系列的焊接工艺评定试验总结出满足Q460E-Z35厚板焊接的成套工艺参数。主要工作内容包括:Q460E-Z35+Q460E焊接工艺评定试验;Q460E-Z35+Q345GJD焊接工艺评定试验;Q460E-Z35+GS-20Mn5V(铸钢)焊接工艺评定试验。Q460E-Z35钢焊接性试验具体技术路线如图2所示。5.3试验结果分析由于国内钢厂尚不具备控轧控冷工艺生产厚100/110mm低碳当量高强度钢的能力,而Q460E-Z35正火钢的碳当量最高达0.48%,在建筑钢结构工程中从未应用,其焊接性特别是焊接冷裂纹敏感性评价将直接决定这种国产钢材能否批量生产并应用于国家体育场工程。而且国家体育场工程工期紧迫,批量生产的钢材在施工应用中不允许出现焊接技术和质量上的反复,因此要求试验结果与评价绝对准确可靠。国内外对低合金钢的焊接性评定和焊接参数的确定(t8/5、热输入、预热温度等)方法多种多样,理论计算公式不尽相同,且计算结果与施工实际经验有较大差距,各种焊接性试验方法的评定结果也有较大差异。如何在短时间内得出准确可靠的评定结论,为设计选用和钢材订货提供决策依据,在实验研究方法的选择上也是难题。本次试验测试了Q460E-Z35厚板模拟焊接条件下连续冷却组织转变曲线图,根据其最佳t8/5,可计算最低预热温度,或以一定预热温度推算线能量,仅作为参考。主要采用热影响区最高硬度试验、焊接冷裂纹插销试验和斜Y坡口焊接裂纹试验三种国家标准试验方法对Q460E-Z35钢的焊接冷裂纹敏感性进行试验研究和评定,总共进行了34组试验。理论公式计算方法仅供比较不作为主要依据。Q460E-Z35钢焊缝要求-40℃冲击韧性AKV≥34J(设计要求热影响区不小于27J),之前由于该钢种在建筑钢结构中尚未使用,且焊接方法种类多(手工焊、气保焊、埋弧焊),焊接操作位置包括平、横、立、仰,在满足低温冲击韧性要求的焊接材料选配以及焊接工艺参数的选用上均有相当难度且工作量大。试验组调查了国内一流焊材生产厂,以强韧性、低氢兼顾匹配原则,先后选择了2种焊条,5种气保焊实心焊丝,4种药芯焊丝,2种自保护焊丝,4种埋弧焊丝与4种碱度(1.7、2.0、2.2、3.1)的焊剂进行熔敷金属性能初选,最后选了1种焊条,2种气保焊实心焊丝,2种药芯焊丝(含Ni),2种埋弧焊丝(含Ni、Ti、B),2种焊剂(碱度1.7、3.1)进行了对接接头焊接工艺试验。在操作手法上,立焊时严格控制焊枪摆动幅度,CO2焊控制在20mm范围内,手工电弧焊控制在3d(d为焊条直径)范围内,焊枪的倾角的限制为±30°;横(H)、平(F)、仰(O)焊位禁止摆动焊接,单道焊缝厚度要求控制在5~6mm以内,以保证焊缝和热影响区的冷弯和冲击性能。6结果表明，钢焊接性能研究6.1木材取样试验用钢板为舞阳钢厂生产,其化学成分和力学性能如表1~表3所示。6.2低强匹配焊接接头的组织性能焊缝强度匹配系数是表明焊接接头力学非均质性的参数之一。当焊缝强度与母材强度之比大于1,称为超强匹配;等于1,称为等强匹配;小于1(最低0.86),称为低强匹配。对建筑钢结构工程,多采用等强或超强匹配。但是,近年来美、日等国从防止焊接冷裂纹角度考虑,对低强匹配焊接接头的组织性能进行大量研究。采用低强匹配焊材使焊接裂纹显著减小的经验在美、日等国得到大量采用,但主要是对于承受压应力的焊缝。而对于承受拉应力的焊缝,这方面的研究结果目前分歧还很大。根据以往工程实践,本次试验在焊材选择时考虑采用强韧性、低氢兼顾匹配原则。手工焊条采用超强匹配,药芯焊丝和实芯焊丝CO2气体保护焊采用等强匹配。根据设计对焊接接头的要求,考虑抗拉强度、塑性、韧性各项综合性能,提出了匹配焊接材料的性能要求,并以下述型号(牌号)的焊丝和焊条的实际试验结果作为选用依据。试验采用的焊接材料各项力学性能及熔敷金属扩散氢分别列于表4、表5、表6。6.3焊接冷裂纹的敏感性试验6.3.1实际样品测试采用国际焊接学会(IIW)推荐的钢碳当量公式计算Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15(单位:%)碳当量越高则淬硬和冷裂倾向越大,焊接性就越差。按照表1中试验钢板的成分(实际复验值)用以上公式计算的结果Ceq=0.470%>0.4%。因此,Q460E-Z35有焊接冷裂纹的倾向,在焊接时应采取适当的预热措施。6.3.2热处理工艺过程中的冷裂率可能会是考虑连续冷却组织转变图(CCT图)可以比较方便地预测焊接热影响区的组织性能和硬度,从而可以预测钢材在一定焊接条件下的淬硬倾向和产生冷裂纹的可能性,同时也可以作为调节焊接线能量、改进焊接工艺的依据。据焊接热模拟试验结果,Q460E-Z35钢的连续冷却组织转变(CCT)如图3和表7所示。6.3.3试验条件及硬度焊接热影响区(HAZ)最高硬度试验主要以测定焊接热影响区的淬硬倾向来评定钢材的冷裂敏感性。试验按照《焊接热影响区最高硬度试验方法》(GB4675.5-84)的规定进行,将厚110mm的钢板经机械加工成厚20mm的试件,并保留一个原轧制面进行试验。根据实际施工的要求,试验分别采用了焊条电弧焊和CO2气体保护焊两种焊接方法,具体焊接条件如下。(1)焊条电弧焊。采用CHE557焊条,直径φ4.0mm、φ3.2mm;奥太逆变ZX7-400STG焊机;焊接工艺参数见表8。(2)CO2气体保护焊。采用TM60和TWE-81K2焊丝,直径φ1.2mm;奥太逆变NBC-350焊机;普莱克斯CO2保护气体(CO2≥99.9%、H2O≤50×10-6),流量25L/min;焊接工艺参数见表8。(3)预热条件。采用热处理炉整体预热方式,为保证试件温度的均匀性,当炉温达到要求温度后至少保温0.5h。采用热处理炉后热,达到规定的后热时间后采用岩棉包裹试件,经15.5h后拆开包裹,实测试件温度为125℃。共进行了21组试验,不同焊接方法、材料种类规格所对应的预热温度及试件编号如表9所示。采用维氏硬度计测试硬度,施加荷载为10kg,测点位置如图4所示,图中“O”点是测定线与熔合线的切点,“O”点右侧为正,左侧为负。两测点之间的距离为0.5mm,最高硬度试验曲线如图5所示。常规焊接热输入常温下施焊试件(1、6、11、16号试件)近热影响区最高硬度超过规程上限值(350),模拟定位焊热输入试件(21号试件)热影响区的最高硬度HV10达到了433。当预热温度至少150℃后(2、7、12、17号试件)热影响区最高硬度HV10下降至350以下(最高值HV10=333)。6.3.4试验结果图3斜Y坡口焊接裂纹试验(小铁研)主要是评定焊接热影响区及焊缝金属产生冷裂纹的倾向性。试验按GB4975.1-84《斜Y坡口焊接裂纹实验方法》的规定进行。(1)常温斜Y坡口焊接裂纹试验。试件板厚110mm。试验条件如下。a.SMAW。采用CHE557焊条,直径φ4.0mm;奥太逆变ZX7-400STG焊机。b.GMAW、FCAW-G。采用TM60、TWE-81K2焊丝,直径φ1.2mm;奥太逆变NBC-350焊机;普莱克斯CO2保护气体(CO2≥99.9%、H2O≤50×10-6),流量25L/min。c.装配要求。试件坡口间隙2mm±0.2mm,见图6。d.预热条件。根据钢材最高硬度试验实验结果,第一批试验的预热温度为150℃、200℃、250℃三组,同时,在CO2气体保护焊250℃预热条件下加250℃×2.5h后热试件一组。采用热处理炉整体预热方式,为保证试件温度的均匀性,当炉温达到要求温度后至少保温2h。从试验结果可以看出,各种试验方法绝大部分试验焊缝中心及热影响区未出现裂纹,其他短裂纹均出现在收弧弧坑处或焊缝中段。弧坑处裂纹主要是由于CO2气保焊保护罩直径较大,只能在坡口底部起弧、熄弧,无法将收弧焊缝按标准试验方法的要求引到坡口面上导致的。考虑到实际施焊的预热条件,为了使试验条件更接近于实际施工并确保试验结果的可靠性,在第一批试验的基础上,增加了一组试验,该组试验预热条件改为火焰加热,其他焊接条件均与第一组相同,具体规定为:采用火焰加热预热方式,以正面加热为主,侧面加热为辅。焊条电弧焊预热温度为100℃、150℃,CO2气体保护焊预热温度为150℃,当焊接正面坡口达到预热温度时,测量板厚方向中部及背面温度并记录温度差异,以便分析试验结果并对实际施工的预热提供依据。焊接参数及试验结果如表13~表15所示。从以上斜Y坡口抗裂试验结果看出,该钢材在所选用的焊材匹配时,不产生裂纹的最低预热温度为150℃,且必须在厚度方向均衡达到预热温度。(2)不同板厚的斜Y坡口焊接裂纹试验。为了探讨钢板厚度对斜Y坡口焊接裂纹试验结果的影响,分别采用不同厚度的钢板进行了对比试验,试验条件与焊条电弧焊试验相同。试验结果如表16所示。从以上斜Y坡口裂纹试验结果可以看出,不同板厚不产生裂纹的最低预热温度均为150℃。6.4冷裂纹闭合试验6.4.1试验标准和试验温度试验材料:Q460E-Z35(国产);焊接材料:CHE557(φ4mm);试验标准:插销冷裂纹试验GB9446-88《焊接用插销冷裂纹试验方法》;试验温度:预热150℃、200℃、250℃;试验准则:断裂准则。6.4.2钢、底板尺寸插销的外形和尺寸如图7所示。底板选用Q235-A普通碳素结构钢,底板尺寸为300mm×200mm×20mm。底板钻孔数小于等于4,位置处于底板纵向中心线上,孔的间距为33mm。插销试样和底板的制备严格按照GB9446-88的要求进行。6.4.3熔贴布及其插销面采用焊条电弧焊,焊接规范如表17所示。焊接时,在底板上熔敷一焊道,使焊道中心线通过插销端面中心。确保焊道的熔深适宜以保证缺口位于该焊道热影响区的粗晶区。6.4.4力学性能试验(1)国产Q460E-Z35钢在预热150℃情况下采用焊条电弧焊,其插销冷裂纹试验的临界断裂应力620MPa。该材料对冷裂纹不敏感。从该材料的力学性能试验结果可知,屈服应力400MPa,抗拉强度560MPa。该材料在此焊接工艺条件下对冷裂纹不敏感,具有良好的抗裂性。(2)国产Q460E-Z35钢在预热200℃情况下采用焊条电弧焊时插销冷裂纹试验的临界断裂应力850MPa。该材料对冷裂纹不敏感。从该材料的力学性能试验结果可知,屈服应力为400MPa,抗拉强度560MPa。该材料在此焊接工艺条件下对冷裂纹不敏感,具有良好的抗裂性。(3)国产Q460E-Z35钢在预热250℃情况下,采用焊条电弧焊进行插销冷裂纹试验,结果表明该种钢材临界断裂应力1050MPa。从该材料的力学性能试验结果可知,屈服应力400MPa,抗拉强度560MPa。该材料在此焊接工艺条件下对冷裂纹不敏感,具有良好的抗裂性。(4)国产Q460E钢的插销断裂应力随预热温度的增加呈线性增加。预热温度越高,临界断裂应力越大。6.4.5试验方法的确定根据以上焊接冷裂纹敏感性试验和理论计算结果,得到以下结论:(1)国家体育场钢结构工程用Q460E-Z35厚板由于碳当量较高、厚度大,且钢结构工程节点复杂、刚性大,对小线能量焊接和快速冷却比较敏感,因此应以最高硬度试验和斜Y坡口焊接裂纹试验的结果为依据,以150℃为最低预热温度并均衡预热,且选择抗裂性好的焊接材料进行焊接。(2)最高硬度试验和斜Y坡口焊接裂纹试验的评价是一致的。而焊接冷裂纹插销试验的评价冷裂敏感性较低,与实际钢种的碳当量存在较大的差异,本工程不以此作为施工指导参数。不同试验方法的差别未列入本课题的研究内容。(3)鉴于理论计算最低预热温度偏高,本工程Q460E-Z35钢板焊接最低预热温度不采用理论方法计算结果。6.5确定热矫正条件在钢构件的生产、制作、安装过程中,不可避免地要对构件的某一部位进行热矫正,本试验的目的是通过试验的方法确定适合实际情况的钢构件热矫正的条件。根据多次试验的摸索,确定热矫正条件为:640℃×20min,并空冷。热矫正后钢板的各项机械性能如表18~表20所示。6.6钢硬连接试验sm奖惩、gw奖惩、hg6.6.1实际焊接过程模拟根据国家体育场工程的特点以及前期焊接性试验的成果,按照JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》的相关要求进行焊接试验,试验项目如表21所示。焊接试验的坡口型式、规格和测温点示意如图8、图9所示。焊接过程中详细记录了焊接层数、道数和消耗时间,统计了焊接材料的消耗量,为今后施工合理安排焊接作业人员提供一定的依据。实际焊接过程的情况为:(1)预热温度控制在150℃±15℃内,采用远红外电加热器进行均匀加热,测点位置位于钢板正反两面、焊缝两侧并沿焊缝长度方向(两端及中间)共12点。由于钢板厚、长度大,焊接时冷却速度较快,因此要求确保加热均匀并达到要求的预热温度。(2)层间温度控制在150℃~200℃内,随时测试试件温度,当实际温度低于要求时,采用火焰重新加热,以确保层间温度控制在要求范围内。(3)根据试验内容,为了对焊缝热影响区的冲击韧性进行对比,每块试板焊接完成后,在表层焊缝的融合线焊接了120mm的退火焊道。6.6.2冲击韧性试验常温环境焊接试件的拉伸和弯曲性能如22所示,冲击韧性如表23所示。由表22可以看出6组试板拉伸、弯性能均能满足要求。从表23可见,G2、G4、G6试板的所有数据均合格,而立焊的G1、G3、G5三块试板低温冲击韧性部分不合格。针对试验结果,对焊接过程进行了分析,并重新制定了焊接工艺,对立焊焊接过程采取了一定的措施,如在焊接过程中,严格控制焊枪摆动幅度,CO2焊控制在20mm范围内,焊条电弧焊控制在3d(d为焊条直径)范围内,并对焊枪的倾角也做了一定的限制(±30°),采用新工艺重新进行焊接,并进行-40℃的冲击试验,结果见表24。由表24可知,冲击韧性良好,满足规程和设计要求。试验结果表明,焊接操作手法对熔池的有效保护、晶粒组织的细化和焊接应力的控制有较大的影响。6.6.3试验验证及试验条件考虑到工程冬季施工的需要,在常温试验结果的基础上增加了1组低温试验,对于Q460E-Z35钢低温环境焊接试件的冲击韧性进行研究,以探索Q460E-Z35厚板负温环境焊接的可行性。试件板厚110mm,焊材型号E5515-G(CHE557),环境温度为-16℃,试验条件与常温试验相同。负温环境焊条电弧焊接头冲击试验如表25所示。试验结果表明,熔合线冲击韧性明显下降,因此国家体育场馆(鸟巢)工程Q460E-Z35厚板不允许在负温环境下施焊。6.6.4冷环境中的焊接、焊接和热影响区域的硬度试验结果常温环境下焊接试件的焊缝、熔合线、热影响区硬度曲线如图10所示。在硬度试验中,所有试件的测试点HV10均小于350,满足规范要求。6.6.5先共析铁素体晶界分布G1试板焊接接头宏观金相照片如图11所示,观察部位在距试板表面下2.0mm左右。a.熔合区。如图11a所示,左侧为热影响区粗晶区,右侧是盖面焊缝层。b.焊缝盖面层(一次组织)。如图11b所示,先共析铁素体沿原奥氏体柱状晶晶界分布,沿铁素体边缘有部分珠光体组织析出,晶内以粒状贝氏体为主,并有部分针状铁素体交叉混合分布;粒贝中的岛状相大部分已分解。c.热影响区粗晶区(近缝区)。如图11c所示,先共析铁素体沿原奥氏体粗大晶界分布,晶内大多数为自晶界向晶内生长分布的粒状贝氏体,还有少部分针状铁素体;粒贝中的岛状相大多数已分解。(2)G2试板。G2试板焊接接头宏观金相照片如图12所示,观察部位在距试板表面下2.0mm左右。a.熔合区。如图12a所示,左下侧为热影响区粗晶区,右上侧是盖面焊缝层。b.焊缝盖面层(一次组织)。如图12b所示,先共析铁素体沿原奥氏体柱状晶晶界分布,沿铁素体边缘有部分珠光体组织析出,晶内为粒状贝氏体和针状铁素体交叉混合分布;粒贝中的岛状相大部分已分解。c.热影响区粗晶区(近缝区)。如图12c所示,少量先共析铁素体沿部分原奥氏体粗大晶界分布,在这些先共析铁素体边缘有少量的珠光体析出;晶内以侧板条贝氏体为主,还有部分自晶界向晶内生长的粒状贝氏体以及少量针状铁素体;粒贝中的岛状相和侧板条贝氏体均有分解。(3)G3试板。G3试板焊接接头宏观金相照片如图13所示,观察部位在距试板表面下2.0mm左右。a.熔合区。如图13a所示,左侧为热影响区粗晶区,右侧是盖面焊缝层。b.焊缝盖面层(一次组织)。如图13b所示,先共析铁素体沿原奥氏体柱状晶晶界分布,沿铁素体边缘有少量珠光体组织析出,晶内大多为粒状贝氏体与针状铁素体交叉混合分布;粒贝中的岛状相有部分分解。c.热影响区粗晶区(近缝区)。如图13c所示,少量先共析铁素体沿原奥氏体粗大晶界分布,晶内大多数是从晶界向晶内生长分布的粒状贝氏体,偶尔可见到侧板条贝氏体,还有少部分针状铁素体;粒贝中的岛状相大部分均已分解。(4)G4试板。G4试板焊接接头宏观金相照片如图14所示,观察部位在距试板表面下2.0mm左右。a.熔合区。如图14a所示,左上侧是盖面焊缝层,右下侧为热影响区粗晶区。b.焊缝盖面层(一次组织)。如图14b所示,先共析铁素体沿原奥氏体柱状晶晶界分布,沿铁素体边缘有部分珠光体组织析出,晶内为粒状贝氏体和针状铁素体交叉混合分布,还有部分方向性生长的粒状贝氏体,少量的针状铁素体较粗大;与针状铁素体交叉混合分布的粒贝中的岛状相有部分已分解,方向性分布的粒状贝氏体中的岛状相有少部分分解。c.热影响区粗晶区(近缝区)。如图14c所示,少量先共析铁素体沿部分原奥氏体粗大晶界分布,在这些先共析铁素体边缘有较少量的珠光体析出;晶内以侧板条贝氏体为主,还有部分从晶界向晶内生长的粒状贝氏体以及少量针状铁素体;粒贝中的岛状相和侧板条贝氏体均有分解。(5)G5试板。G5试板焊接接头宏观金相照片如图15所示,观察部位在距试板表面下2.0mm左右。a.熔合区。如图15a所示,左侧为热影响区粗晶区,右侧是盖面焊缝层。b.焊缝盖面层(一次组织)。如图15b所示,先共析铁素体沿原奥氏体柱状晶晶界分布,沿铁素体边缘有少量珠光体组织析出,晶内为粒状贝氏体与针状铁素体交叉混合分布的组织;粒贝中的岛状相大多已分解。c.热影响区粗晶区(近缝区)。如图15c所示,先共析铁素体沿原奥氏体粗大晶界分布(不完整),晶内多为从晶界向晶内生长分布的方向性粒状贝氏体和少量针状铁素体;粒贝中的岛状相大多已分解。(6)G6试板。G6试板焊接接头宏观金相照片如图16所示,观察部位在距试板表面下2.0mm左右。a.熔合区。如图16a所示,右上侧是盖面焊缝层,左下侧为热影响区粗晶区。b.焊缝盖面层(一次组织)。如图16b所示,先共析铁素体沿原奥氏体细长柱状晶晶界分布,沿铁素体边缘有部分珠光体组织析出,晶内为粒状贝氏体和针状铁素体交叉混合分布;粒贝中的岛状相大多数已分解。c.热影响区粗晶区(近缝区)。如图16c所示,少量先共析铁素体沿部分原奥氏体粗大晶界分布,在先共析铁素体边缘有较少量的珠光体析出;晶内原始组织大多数为侧板条贝氏体,还有部分粒状贝氏体和针状铁素体;侧板条贝氏体和粒状贝氏体中的岛状相都严重分解,分解的组织仍保留有原始组织的形貌。d.Q460E-Z35母材组织。Q460E-Z35母材组织为铁素体和珠光体呈带状分布,如图16d所示。以上所有拉、弯、冲试验结果及硬度、金相试验结果均满足要求,证明所选用的焊接材料及焊接工艺能够达到设计和标准要求。6.7异种钢焊接材料在国家体育场钢结构工程焊接中,主要有Q460E+Q345GJD、Q460E+GS-20Mn5V、Q345GJD+GS-20Mn5V三类异种钢焊接。在此主要是针对前两种类型阐述异种钢焊接原理在Q460E异种钢焊接中的具体应用。6.7.1异种钢刚性接头焊接试验根据《国家体育场工程Q460E-Z35钢热加工、焊接性方案》,在前期Q460E-Z35钢焊接性试验取得的阶段性成果的基础上,进行了异种钢刚性接头焊接试验。为了使试验结果能够具有针对性,结合实际构件中异种钢的焊接方式进行刚性接头试件的焊接,并进行了相关的力学性能试验,目的是得出该钢种在不同焊接方法、不同线能量及刚性固定条件下综合力学性能并对其焊接性进行综合评定,从而形成可靠的焊接工艺。6.7.2grad+q60e焊接工艺依据现场施工的焊接位置、坡口形式、工艺条件,确定了以下异种刚性接头焊接试验项目,如表26所示。经统计,共进行Q345GJD+Q460E焊接工艺评定项目2项,选择H、V两种焊接位置,用SMAW打底,GMAW填充、盖面的焊接工艺;Q460E+GS-20Mn5V焊接工艺评定项目5项,选择H、V、O三种焊接位置,用SMAW、GMAW、FCAW-G三种焊接工艺进行焊接。6.7.3gjd及铸钢的焊接试验根据设计要求和《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ81-2002)中焊材匹配原则,按Q345GJD及铸钢GS-20Mn5V选用E50级焊材。由于Q460E性能要求应选择具有优良抗冷裂性能的焊材,同时对焊缝强度、延伸率、低温冲击韧性保证良好,经过多次选择,最终确定采用刚性接头焊接试验表(见表26)所示焊材。焊材性能复验由中冶建研总院焊接研究所进行,结果全部合格。6.7.4设置焊接条件根据《国家体育场Q460E-Z35钢焊接性阶段试验数据》中提供的基础数据,确定工艺条件为:预热温度150℃≤T<200℃;层间温度:150℃~200℃;北京普莱克斯CO2(99.9%)保护气体,流量:25L/min;焊接方法见表26;焊材选用见表26;多层多道焊接,窄摆幅。横焊、仰焊禁止摆幅,立焊摆幅小于等于10mm。6.7.5弯曲试验和冲击试验(1)Q460E+Q345GJD试验。Q460E+Q345GJD拉伸试验见表27,弯曲试验(侧弯)见表28,冲击试验见表29。(2)Q460E+GS-20Mn5V试验。Q460E+GS-20Mn5V拉伸试验见表30,冲击试验见表31(注:由于铸钢GS-20Mn5V在标准要求中没有弯曲要求,因此在焊评时不作此项性能检验)。6.7.6试验焊材的选择根据理论分析,Q460E+Q345GJD、Q460E+GS-20Mn5V并不是真正意义上的异种钢焊接,其实质为α1+α2(α1+α3)型异种钢焊接。只要焊接材料、焊接方法及工艺选择正确,就能取得焊接工艺试验的成功。根据《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ81-2002)对钢材的划分,Q460E、Q345GJD为Ⅱ、Ⅳ类钢焊接,除了在强度上的差异外,在低温冲击韧性上的区别较大(D类钢要求-20℃冲击韧性大于等于34J,E类钢要求-40℃冲击韧性大于等于27J)。此两类钢金相组织基本相同,对焊接性影响不大。在焊接接头不产生裂纹等缺陷的前提下,若强度和塑性不能兼顾时,则应选塑性较好和韧性好的焊材。Q460E的抗冷裂性能较差,强度高,Q345GJD的抗冷裂性较好,但强度稍低,因此选择焊接材料时,在满足强度匹配的条件下,还需满足-20℃、-40℃低温冲击韧性的要求,也就是说强调焊缝的韧性和塑性储备,而不是仅仅根据Q345GJD、Q460E的强度来选择焊接材料。经过多次比较,反复试验,选择了CHE507、JM58、JM56三种焊接材料焊接Q460E+Q345GJD,焊接方法采用SMAW、GMAW。在预热温度和预热规范的选择上,应执行抗冷裂性较差的材料的预热规范,即执行Q460E钢的预热温度和预热规范,即Tp≥150℃)。GS-20Mn5V在钢材分类中没有明确规定,它属于合金钢的一种形式。铸造组织和锻造(轧制)组织的区别在于综合性能上的差别,一般铸造组织硬度较高,而质地较锻造(轧制)组织疏松,但是它比较接近于焊缝,焊缝也是铸造组织。Q460E是结构钢中最高级别钢种,GS-20Mn5V虽质地优良,但在综合性能和强度级别方面与Q460E相比有很大程度上的差别。这两种钢的焊接在焊接材料选择方面仅仅从强度理论上着手显然是不够的,这是因为除了强度差别外,还需重点满足焊缝的抗裂性能要求,也是整个焊接技术的难点。在焊材的选用上,首先需满足GS-20Mn5V强度的要求,希望焊缝能达到与GS-20Mn5V等强的要求,同时考虑Q460E具有淬硬倾向,抗裂性能差的特点,重点应用了微合金元素提高焊缝综合指标的机理,既保证了50级的强度,又具有良好的塑性和韧性储备,以提高焊缝的抗裂能力。由此,在进行多项试验的基础上,选择了CHE507RH、JM58、JM56、TWE-711Ni1等焊接材料作为Q460E+GS-20Mn5V焊接的试验焊材。在确定焊材的基础上,对焊接工艺作了进一步的改进。在预热温度和预热规范的选择上,执行Q460E钢的预热温度和预热规范,即Tp≥150℃。从试验结果上看,Q460E异种钢焊接工艺试验获得了初步成功,证明我们的思想是正确的。6.7.7对焊接工艺的要求经以上刚性固定模拟试验和检测结果,我们总结了一套焊接工艺。由于该试验具有规模大、项目多、试验操作十分严格的特点,并且由施工单位焊工操作、使用施工单位选用的焊接设备完成,经同监理和总包有关部门研究,该试验可以取代部分焊接工艺评定。我们认为:只要遵从上述焊接工艺条件和焊接工艺评定指导书的相关要求,根据实际情况编制焊接作业指导书,并严格执行,焊接接头性能完全可以符合规范和设计要求。(1)由于Q460E-Z35钢碳当量较高,若板材采用热切割工艺时,应在切割前以高于本试验确定的最低预热温度(150℃)进行预热,对于Q460E-Z35钢箱型构件板材的热切割,建议选取更高的预热温度或采取切割后刨(铣)边措施。(2)对于钢构件的热矫正,应在本试验确定的最低预热温度640℃并空冷的条件下进行。(3)由于Q460E-Z35钢碳当量较高,对小线能量焊接和快速冷却比较敏感,因此焊前必须以高于本试验确定的最低预热温度(150℃)充分预热。本试验所用钢材的碳当量为0.45%(材质单数值,复验时0.47%),而批量生产钢材的碳当量有一定波动,因此要求施工时根据钢材及节点拘束度的实际情况,必要时将最低预热温度适当提高,并选择抗冷裂性好、力学性能稳定的焊材。本工程对焊接接头冲击韧性要求较高,施工时应对不同焊接工艺所选择焊接材料进行复验,严格选材。在焊接操作手法上,立焊应严格控制焊枪摆动幅度,CO2焊控制在20mm范围内,手工电弧焊控制在3d(d为焊条直径)范围内,焊枪的倾角的限制为±30°。平、横、仰焊位禁止摆动焊接,单道焊缝厚度要求控制在3~5mm,以保证焊缝和热影响区的冷弯和冲击性能。(4)Q460E-Z35异种钢焊接时,可依据强度级别较低的钢材选择焊接材料;在预热温度和预热规范的选择上,应执行抗冷裂性较差的钢材的预热规范。综上所述,Q460E-Z35钢同种钢及异种钢的对接焊接试验所选用的焊接材料、焊接工艺以及采取的相应的控制措施能够满足相关标准及设计文件对接头力学性能的各项要求,本试验所采取