Q345qE耐候钢焊接工艺与性能试验

（江西工程学院，江西新余338000）

0 前言

Q345qE耐候钢是一种主要用于桥梁的高性能耐候钢，它具有高强度、高韧性、高抗低温等特点[1]。Q345qE耐候钢焊缝合金元素含量较多，会对焊接接头的低温冲击韧性造成影响，易引起焊缝偏析甚至引发热裂纹[2-3]。

本试验结合工厂实际，分别对厚度10mm、20mm和40 mm的Q345qE耐候高强钢的焊接接头进行焊接工艺与性能研究，以期为Q345qE耐候钢的实际工程应用提供参考。

1 试验材料

试验材料为国产Q345qE耐候高强度钢板，厚度分别为10 mm、20 mm和40 mm，钢板的化学成分和力学性能如表1、表2所示，均符合国家标准。Q345qE耐候钢板金相组织为珠光体+铁素体，晶粒形态分布均匀，晶粒度9级，金相组织如图1所示。

2 Q345qE耐候钢焊接工艺试验

对三种厚度的Q345qE耐候钢进行焊接工艺试验。共焊接试板5副，编号1#～5#，分别采用药芯焊丝CO2气体保护焊、实心焊丝CO2气体保护焊和埋弧焊等工艺进行焊接，焊接参数如表3所示。对焊后试板进行力学性能试验，并观察焊接接头的金相组织。

表1 Q345qE耐候钢化学成分 %Table 1 Chemical composition of Q345qE weathering steel

表2 Q345qE耐候钢的力学性能Table 2 Mechanical properties of Q345qE weathering steel

图1 Q345qE耐候钢金相组织Fig.1 Q345qE weathering steel metallographic microstructure

2.1 试板坡口制备

试验钢板坡口制备参数如表4所示。

表3 焊接工艺试验参数Table 3 Welding parameters of test

表4 试验钢板坡口制备参数Table 4 Preparing parameters of groove of test steel plate

2.2 Q345qE耐候钢力学性能测试

按照GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》进行焊接接头拉伸试验[4-5]。Q345qE耐候钢焊接接头横向拉伸试验试样为矩形截面的带肩板形试样，如图2所示。取样前先将焊缝余高铣平，三种规格焊接试板取拉伸样均为全厚度，试验温度为室温。

图2 焊接接头板拉伸试样Fig.2 Weld joint tensile test sample

按照GB/T 2653-2008《焊接接头弯曲试验方法》进行焊接接头弯曲试验，按照GB/T 2650-2008《焊接接头弯曲试验方法》进行焊接接头冲击试验。冲击试样缺口为V形，冲击试样开缺口位置分别为焊缝中心（WM）、熔合线（FL）、熔合线外1mm（FL+1）、熔合线外2 mm（FL+2），冲击试验温度为-40℃。其中10 mm厚对接试板冲击试样取7.5 mm厚度处，20 mm厚对接试板冲击试样取表面下2 mm处，40 mm厚对接试板冲击试样取板厚1/4处。同一规范的冲击试验并列做3个试样。用显微维氏硬度试验测量焊接接头各微区的硬度，重点考察焊接接头各区域硬度随焊接工艺的变化情况，硬度测试点的位置为距焊缝上表面1～2 mm处、从焊缝一侧的母材开始一直到另一侧的母材，在热影响区每间隔0.7mm打1个硬度点，焊缝区域打3个硬度点，参数为：载荷5 kg，保压时间为10 s。

3 试验结果及分析讨论

3.1 焊接接头金相组织

依据GB/T13299-1991标准观察5块试样的金相组织。距表面2 mm焊缝金相组织如图3所示；距表面2 mm熔合线FL金相组织如图4所示；距表面2 mm FL+1金相组织如图5所示；距表面2mm FL+2金相组织如图6所示；距表面2 mm FL+3金相组织如图7所示。

根据金相图可知，焊缝和熔合线FL组织主要为贝氏体（B）+铁素体（F）+珠光体（P）。FL+1、FL+2和FL+3组织主要为铁素体（F）+贝氏体（B）+珠光体（P），随着热输入的增加，金相组织中的贝氏体（B）比例逐渐升高，晶粒尺寸越来越大，对韧性造成不利影响。

3.2 焊接接头力学性能

试样焊接接头拉伸及弯曲性能试验结果如表5所示。

图3 焊缝金相组织Fig.3 Welding bead metallographic microstructure

图4 熔合线FL金相组织Fig.4 FL metallographic microstructure

图5 FL+1金相组织Fig.5 FL+1 metallographic microstructure

图6 FL+2金相组织Fig.6 FL+2 metallographic microstructure

图7 FL+3金相组织Fig.7 FL+3 metallographic microstructure

表5 试样拉伸及弯曲性能Table 5 Tensile and bending properties of samples

拉伸试验结果表明，1#～5#焊接试样断裂位置均在母材，抗拉强度510～540 MPa；弯曲试验均合格，试样受拉面上无任何微裂纹出现，焊接接头塑性变形能力良好。焊接接头拉伸及弯曲均满足公路桥涵施工技术规范（JTG/T F50-2011）要求。

焊接接头硬度分布曲线如图8所示，焊接接头硬度分布合理，未出现剧烈的硬度变化。其中焊缝硬度值为200～220 HV5，热影响区硬度值为160～210 HV5，母材硬度值为160～180 HV5。焊缝硬度最高，HAZ的硬度远低于IIW规定的小于等于350HV以及路桥涵施工技术规范（JTG/T F50-2011）的小于等于380 HV的要求。

图8 各焊接试样接头硬度分布（表面下2 mm处）Fig.8 Hardness distribution of welded sample joints（2mm below the surface）

焊接接头冲击性能如表6所示。冲击试验结果表明，1#～5#焊接试样平均冲击功在焊缝处最低，在热影响区最高。

根据公路桥涵施工技术规范（JTG/T F50-2011），设计文件未对冲击功作规定时，按设计文件中所规定的最低环境温度下的冲击功试验值应为27 J，且每个试验值都不小于规定值的70%。试验中仅4#试样焊缝部位-40℃冲击功（平均冲击功20.8 J）不符合规范要求。

表6 试样焊接接头冲击性能Table 6 Impact properties of welded joint of samples

由表3、图3和表5可知，4#试样热输入最大，焊缝组织（见图3）粗大且均匀性很差，在5组试样中的-40℃冲击功最低；1#试样热输入最小，焊缝金相组织细小、均匀，在这5组试样中-40℃冲击功最高。焊缝金属为铸态组织，受工艺条件限制，不能通过热处理改善力学性能。因此，焊缝金属的组织形态和组织类型对焊缝力学性能有着重要影响，组织形态与热输入大小有关，组织类型与热输入和焊丝成分有关。因此，为了保证焊缝处-40℃冲击功，应严格控制热输入量，建议E≤35 kJ/cm。此外，为了减少焊缝中碳化物和粒状贝氏体的出现，最好采用低碳成分设计的焊丝，w（C）≤0.06%。

4 结论

（1）Q345qE耐候钢可焊性好，无需预热焊接。但是热输入对Q345qE耐候钢的焊接接头冲击性能有影响，实际焊接应用中应控制热输入值，建议E≤35 kJ/cm。。

（2）Q345qE耐候钢采用低碳成分[w（C）=0.06%]可提高钢材的可焊性，降低淬硬倾向，减少热影响区脆性相的生成，间接提高热影响区的韧性。通过合理设计成分，Q345qE耐候钢焊接HAZ冲击功在-40℃时保持在120 J以上。