上海交通大学学报

上海交通大学学报, 2025, 59(4): 533-540 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.386

船舶海洋与建筑工程

极地低温下高强钢对接焊缝连接力学性能

曹换1,2, 蔡骜1,2, 谌扬宇1,2, 左文康1,2, 陈满泰,1,2

1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室

2.土木工程系,上海 200240

Behavior of High Strength Steel Butt Joints at Arctic Low Temperatures

CAO Huan1,2, CAI Ao1,2, CHEN Yangyu1,2, ZUO Wenkang1,2, CHEN Mantai,1,2

1. State Key Laboratory of Ocean Engineering

2. Department of Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

通讯作者: 陈满泰,副教授,博士生导师;E-mail:mantai.chen@sjtu.edu.cn.

责任编辑: 王一凡

收稿日期: 2023-08-11   修回日期: 2023-10-7   接受日期: 2023-11-8  

基金资助: 国家自然科学基金(52378167)
国家自然科学基金(52108157)
上海市自然科学基金(21ZR1429000)

Received: 2023-08-11   Revised: 2023-10-7   Accepted: 2023-11-8  

作者简介 About authors

曹换(1998—),硕士生,主要从事高强钢力学性能研究.

摘要

为研究极地低温环境对HG785高强钢对接焊缝连接的力学性能影响机制与规律,考虑两种焊缝金属材料和5种常温或低温环境温度,对高强钢对接焊缝焊接接头开展了微观结构观测、硬度分布测试和单轴拉伸试验研究.结果表明,焊接接头金相组织较为连贯,焊缝金属与母材熔合良好;两种匹配情况的焊缝连接试样均仅存在软化热影响区;极地低温环境下的对接焊缝连接试件强度较常温试件有所提升,等强匹配试件延性提升明显,但对高强匹配试件延性影响甚微,所有试件均为延性破坏.研究结果可为高强钢结构在极地低温地区的工程应用与安全服役提供科学依据.

关键词： 高强钢; 对接焊缝; 微观组织观测; 硬度测试; 低温材性

Abstract

To study the effect of Arctic low temperatures on the behavior of HG785 high strength steel butt joints, the microstructure observation, hardness distribution tests, and uniaxial tensile tests were performed on the butt joints fabricated by using two types of weld metals with exposure to five ambient and low temperatures. The results show that the butt joints possess a coherent metallographic structure and exhibit good fusion between weld metal and base metal. Only a softening heat affected zone is observed in the weld joint samples under two matching conditions. The butt joint tensile specimens exposed to Arctic low temperatures possess higher strengths compared to those at ambient temperatures. The ductility improvement due to low-temperature exposure for equal-matching welded butt joint is substantial, whilst that for over-matching welded butt joints is negligible. All butt joint tensile specimens fail in a ductile manner. The findings provide a scientific basis for the engineering applications of high strength steel structures in Arctic low-temperature regions.

Keywords： high strength steel; butt joint; microstructure observation; hardness test; low temperature mechanical properties

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本文引用格式

曹换, 蔡骜, 谌扬宇, 左文康, 陈满泰. 极地低温下高强钢对接焊缝连接力学性能[J]. 上海交通大学学报, 2025, 59(4): 533-540 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.386

CAO Huan, CAI Ao, CHEN Yangyu, ZUO Wenkang, CHEN Mantai. Behavior of High Strength Steel Butt Joints at Arctic Low Temperatures[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2025, 59(4): 533-540 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.386

高强度钢结构因轻质高强、节能低碳,得到了国内外学者与建筑工程师的青睐,目前已成功应用于国家体育馆、北京中信大厦等多个地标性建筑.然而,复杂环境为高强度钢的工程应用与推广带来了诸多挑战[1-3],特别是在极地低温环境下,钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率等力学性能指标会因温度变化而变化,继而影响结构安全性能.Xi等[4]指出 -165~20 ℃温度范围内Q690E与Q960E两类高强钢的屈服强度和抗拉强度均随着温度降低显著增加;Xie等[5]发现Q235、Q355、Q460三类钢材在低温环境下的屈服强度和抗拉强度随温度降低而线性提高,且Q235的提升幅度较Q355与Q460更为显著.因此,有必要针对低温环境下高强度钢材及其连接的力学性能展开充分的研究,以确保复杂环境下的结构使用安全.

焊缝连接为建筑钢结构最常用的连接方式之一,焊材与母材的匹配对其力学性能影响显著.郭宏超等[6]发现等强匹配下高强钢对接焊缝极限抗拉强度比低强匹配更高,但延性较低;郭小农等[7]指出Q690对接焊缝的抗拉强度高于母材,但断裂延伸率比母材小;Sun等[8-9]基于27种国产高强钢与高强钢焊丝匹配的对接焊缝连接试验,认为对接接头的强度随匹配比增加而提升,匹配比达到1.0后接头强度达到并保持在母材强度;对接接头试件硬度分布根据热影响区的硬度分布规律特点分为仅有硬化热影响区、同时包括软化热影响区和硬化热影响区、仅有软化热影响区三类,其中仅有软化影响区的对接接头承载力相对较低.文献[10]中研究了Q460D高强钢在低强和等强匹配情况下与Q345B普通碳钢异种钢对接焊缝连接的力学性能,结果表明两种匹配形式下试件均在热影响区发生破坏且强度接近,低强匹配试件的焊缝金属区域与热影响区的冲击功大于等强匹配试件.施刚等[11]对Q460C高强钢对接焊缝连接试件进行了常温单调拉伸和循环加载试验,结果表明试件没有明显屈服平台,对接焊缝连接试件相较于母材的强度有所提升,但延性有所下降,所有焊缝连接试件均在热影响区和焊缝金属的交界处破坏.王元清等[12]对鞍钢生产的名义屈服强度为960 MPa的高强钢及其对接焊缝的低温冲击韧性进行了试验研究,结果表明,此类型钢材及其焊缝区域的夏比冲击功随温度降低时下降趋势明显,并且热影响区的冲击韧性相较母材和焊缝区而言较差.目前有关极地低温环境下高强钢焊缝连接力学性能系统性研究相对匮乏,其随低温温度变化的机理与规律尚不清晰.

为探明极地低温环境下高强钢焊缝连接力学性能,基于对接焊缝此类基本焊缝构造,本文通过力学拉伸试验,结合硬度测试和金相组织观测等手段,探究极地低温环境下HG785XYD高强钢对接焊缝焊接接头的力学性能,基于焊缝区域微观组织观测与对接焊缝焊接接头硬度值分布分析,明晰高强钢对接焊缝焊接接头的破坏机理,揭示 -75~25 ℃不同低温环境温度值对高强钢对接焊缝力学性能指标的影响机制与规律,为HG785XYD高强钢结构在极地低温环境下的工程应用与设计优化提供理论依据.

1 对接焊缝焊接接头试件设计

受钢板货源与试验所用机器吨位条件的限制,选用与文献[13]中同批次的8 mm厚度HG785XYD牌号高强钢板,为武钢生产的热轧后热处理钢板,其化学成分如表1所示.基于钢材拉伸试验,测得HG785高强钢板的屈服强度与极限抗拉强度分别为627和704 MPa[13];采用与文献[14]中同批次的直径1.2 mm的ER100S-G和ER120S-G两类焊丝,厂商为伯乐,其化学成分如表2所示,实测屈服强度分别为715和823 MPa,极限抗拉强度分别为789和966 MPa[14].图1为常温与低温下对接焊缝焊接接头拉伸试件尺寸示意图.根据规范[15]相关规定设计的对接焊缝形式如图1(a)所示,为保证焊接制备后的试件焊缝余高,将钢板沿板厚边缘线切割为V形坡口,保留1 mm的钝边,焊接过程中两钝边的距离设定为1 mm,以保证对接焊缝焊接接头试件被充分焊透.平行段尺寸参照规范[16]进行设计.由于低温拉伸试验装置要求,低温试件与常温试件夹持段存在差异,尺寸如图1(b)、1(c) 所示.基于4个低温环境温度值(-75、-60、-40、-20 ℃)与常温环境 (25 ℃) 共设计12个拉伸试件,其中两种匹配情况的常温拉伸试件各包含1个重复试验件.

表1   HG785XYD高强钢化学成分

Tab.1  Chemical composition of HG785XYD high strength steel

化学成分质量分数/%化学成分质量分数/%
C0.09Nb—
Si0.07Ti—
Mn1.81V—
S0.001Ni0.01
P0.01Al—
Cr0.13Cu—
Mo0.17

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表2   ER100S-G与ER120S-G两种焊丝化学成分

Tab.2  Chemical composition of ER100S-G and ER120S-G feedstock wires

化学成分质量分数/%
ER100S-GER120S-G
C0.0700.079
S0.0070.004
Mn1.541.74
Si0.590.70
P0.0110.011
Cr0.660.40
Ni0.272.24
Mo0.130.57
Cu0.100.09
Ti0.2000.085

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图1

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图1   高强钢对接焊缝焊接接头拉伸试件尺寸(mm)

Fig.1   Dimensions of high strength steel butt joint tensile specimens (mm)


焊接过程在常温(25 ℃)下进行,采用熔化极气体保护焊工艺,以体积分数80%Ar与20%CO2组成的混合气体作为保护气,使用FroniusVR7000焊机和康川DX100自动化操作机械臂进行两层两道焊,各层间的焊接停留时间为 1 min.焊接过程中的电流、电弧电压和行进速度分别为165 A、18 V与36 mm/min.焊接完成后去除焊缝区域的余高并铣平试件表面.采用钼丝线切割工艺,在与焊接路径垂直方向切取对接焊缝焊接接头试件,与传统加工工艺相比,可有效降低切割过程引起的热影响并提高试件尺寸精度.对接焊缝焊接接头拉伸试件标号形式为H8WxTy(R),其中H代表HG785高强钢;8代表试件名义厚度为8 mm;W指焊缝金属,ER100S-G、ER120S-G分别标为W0、W2; T指拉伸试验环境温度;y为试验环境温度值,-75、-60、-40、-20、25分别表示试验温度 -75、-60、-40、-20、25 ℃;R表示对应的重复试验件.

2 宏观形貌与微观结构

使用线切割工艺从H8W0和H8W2系列焊接接头各切出1个长度20 mm的金相试样,抛光后使用体积分数为4%的硝酸酒精溶液酸蚀后洗净烘干.利用扫描电子显微镜(SEM)对金相试样进行微观观测和金相组织分析,首先选择25倍数的镜头观测焊缝区域整体的宏观形貌,随后在500倍显微镜下选取所拍摄的6个区域,SEM图像如图2所示.图中:①区为母材;②区为不完全结晶区,位于母材与热影响区之间的过渡区域;③区为完全结晶区;④区为过热区;⑤区为融合区,位于热影响区与焊缝金属之间的过渡区域;⑥区为焊缝金属区域.从焊缝区域整体宏观形貌观测结果可见母材与焊缝金属熔合较好,试样相邻区域之间呈现出较强的连贯性.HG785XYD高强钢作为一种调质钢,其组织经历了从马氏体高温回火的过程,最终形成回火索氏体组织,其组织特征是由铁素体和细粒状碳化物构成的复相组织,如图3所示,马氏体的片状痕迹已经消失,在铁素体基体上分布着一些碳化物颗粒,组织晶粒较为细小.

图2

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图2   宏观形貌与微观结构观测

Fig.2   Macrographs and microstructure observations


图3

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图3   母材金相组织

Fig.3   Metallographic structure of base metal


3 维氏硬度分布

焊接接头不同区域的材料经历了不同的温度范围和冷却速度后,材料的组织和性能发生了改变,但焊缝各区域的强度难以直接观测,这时可以测量焊缝区域的硬度值变化,通过维氏硬度和强度之间的经验关系描述强度分布特征.对母材-融合区-焊缝不同区域的材料进行维氏硬度测试分析,以有效评估H8W0和H8W2系列对接焊缝焊接接头的硬度分布情况.采用上海泰明光学仪器有限公司生产的数字式显微硬度计(见图4),测试过程遵循规范[17-18].测试区域为距离试样边缘2 mm沿焊缝纵向长度为20 mm的一条线段,相邻测量点的间距为0.25 mm.在每个测试点施加500 gf (1 gf表示1 g物体受到的重力)的试验力15 s,随后根据规范[19]采集得到相应的硬度值,最终得到如图5所示的硬度分布.结果表明,H8W0与H8W2试样均仅存在软化热影响区,其母材硬度值相近,证明硬度试验的准确性;两类试样焊接热影响区硬度相似,而H8W0试样焊缝金属的硬度值则显著低于H8W2试样.

图4

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图4   数字式显微硬度计

Fig.4   Vickers hardness test instrumentation


图5

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图5   硬度分布

Fig.5   Hardness distributions


4 拉伸试验装置与测量方法

常温和低温对接焊缝焊接接头拉伸试件均使用500 kN MTS Landmark拉伸试验机进行加载,试验装置如图6所示.选用标距50 mm的型号为MTS 634.25F-24的引伸计,测量焊接接头拉伸试件加载过程中50 mm标距范围内的纵向拉伸位移,进而获得试件拉伸应变,该型号引伸计工作温度为 -85~120 ℃,可覆盖本研究所有的试验环境温度值.常温焊接接头试件,铣平后试件两端直接夹持于试验机平面夹具,进而采用位移控制模式进行单轴拉伸加载,试件弹性阶段加载速率为0.1 mm/min,屈服之后将加载速度提升至0.5 mm/min,为消除加载速率对拉伸试验结果的影响,分别在钢材进入屈服和即将达到极限抗拉强度时暂停加载100 s以考虑应力松弛[20-21],采用数据采集系统对试件加载全过程中荷载与位移等试验数据进行记录.

图6

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图6   拉伸试验装置

Fig.6   Tensile test instrumentation


针对低温焊接接头试件,铣平后试件两端设计有直径为40 mm的圆孔,低温拉伸试件通过钢制插销和特殊夹持工装与环境箱内加载装置进行连接,在低温拉伸试件平行段表面配置热电偶以测量试件实际温度,同时在环境箱内上、中、下部分别设置热电偶,以监测低温环境箱舱内温度并辅助控制试验温度.试件安装完成后锁紧环境箱门,随后在箱内通入液氮与空气混合冷却剂对舱室与试件降温,通过监测安装于环境箱的3个热电偶温度值,对冷却剂流量进行动态控制与调节,当试件表面热电偶显示温度达到目标温度并保持稳定10 min后开始加载试件,拉伸试验加载制度与常温焊接接头试件相同.

5 拉伸试验结果与分析

通过单轴拉伸试验测得对接焊缝试件在不同低温环境温度下的荷载-位移曲线,并基于实测试件几何尺寸转化为相应的应力-应变关系曲线,不同环境温度下对接焊缝试件的应力-应变曲线如图7所示.结果表明,对接焊缝试件的应力-应变曲线随着试验环境温度值的降低整体呈现上移趋势;低温环境温度对焊接接头拉伸试件弹性阶段应力-应变关系曲线影响很小;所有拉伸试件应力-应变曲线中屈服平台并不明显,故以0.2%残余应变所对应的应力值作为试件屈服强度;随着应力逐渐增加,试件在强化阶段应力逐渐达到极限抗拉强度后开始颈缩,最终断裂.基于应力-应变曲线图计算并统计了不同试验环境温度值下试件的屈服强度(σ0.2)、极限抗拉强度(σu)以及断裂应变(εf),如表3所示.结果表明,高强钢对接焊缝试件各项力学性能指标(包括屈服强度、极限抗拉强度、断裂应变)随着低温环境温度值的降低总体呈现上升趋势.

图7

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图7   高强钢对接焊缝接头拉伸试件常温与低温应力-应变曲线

Fig.7   Stress-strain curves of high strength steel butt joint tensile specimens at ambient and low temperatures


表3   常温和低温环境下高强钢对接焊缝拉伸试件力学性能指标

Tab.3  Mechanical properties of high strength steel butt joint tensile specimens at ambient and low temperatures

试件σ0.2/MPaσu/MPaεf/%σ0.2σ0.2,Bσuσu,Bεfεf,Bσ0.2σ0.2,Wσuσu,Wεfεf,Wσ0.2σ0.2,aσuσu,aεfεf,a
H8W0T25653.6764.610.61.041.090.550.910.970.461.001.001.00
H8W0T25R655.8765.312.41.051.090.640.920.970.541.001.001.00
H8W0T-20662.2799.816.50.971.000.670.910.940.691.011.051.43
H8W0T-40661.8815.218.11.021.090.760.900.950.701.011.071.57
H8W0T-60664.9836.719.31.001.060.800.900.960.691.021.091.68
H8W0T-75678.8861.916.90.931.000.660.910.960.701.041.131.47
H8W2T25708.0788.021.11.131.121.090.860.821.201.001.001.00
H8W2T25R704.2786.519.81.121.121.020.860.811.131.001.001.00
H8W2T-20699.9775.117.91.020.970.720.840.770.970.990.980.88
H8W2T-40706.6801.821.21.091.080.890.850.771.181.001.021.04
H8W2T-60726.3858.821.01.101.090.870.840.811.151.031.091.03
H8W2T-75741.5873.022.41.021.010.880.860.811.241.051.111.10

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将试件各项力学性能指标与在相同试验条件下对应母材与焊缝金属(分别用下标B与W表示)的力学性能试验结果[13-14]进行对比,并将试件在不同低温条件下的力学性能指标与常温条件(用下标a表示)下的试验结果进行对比,如表3所示.结果表明,H8W0系列和H8W2系列试件的σ0.2/σ0.2,B 和σu/σu,B比值均较接近1.00,表明高强钢对接焊缝拉伸试件对应的HG785高强钢母材强度得以充分利用,满足《钢结构焊接规范》[22]要求.而H8W0系列和H8W2系列试件的σ0.2/σ0.2,W 和σu/σu,W比值均小于1.00,表明焊缝金属强度高于对接焊缝拉伸试件强度,对接焊缝拉伸试件破坏并非发生于焊缝金属处,其中H8W0系列试件为焊缝金属-母材等强匹配焊缝连接试件,其对接焊缝试件-焊缝金属强度比值更接近于1.00,而H8W2系列试件为焊缝金属-母材高强匹配焊缝连接试件,其对接焊缝试件-焊缝金属强度比值较小.此外,H8W0系列试件的εf/εf,B 和εf/εf,W 比值均远小于1.00,表明受焊接热输入影响,该系列对接焊缝试件延性低于其对应母材与焊缝金属;而H8W2系列试件的εf/εf,B 比值略小于1.00,εf/εf,W 比值则基本大于1.00,表明受焊接热输入影响,该系列对接焊缝试件延性略低于对应母材,但高于对应焊缝金属.

由表3可见,随着温度降低,H8W0系列试件的σ0.2/σ0.2,a和σu/σu,a的比值逐渐增加,低温环境温度值下εf/εf,a的比值相较于常温显著提升;其屈服强度、极限抗拉强度、断裂应变提升幅度分别可达4%、13%、68%,说明该系列试件所处环境温度值越低,屈服强度和抗拉强度提升越大,并且低温环境能较大程度提升试件的延性.H8W2系列试件的σ0.2/σ0.2,a和σu/σu,a的比值均在 -20 ℃ 温度值处略有降低而后续随着温度下降再升高,由表3结果可见,其屈服强度和极限抗拉强度提升幅度分别达4%和11%,而εf/εf,a的比值均较接近1.00,说明随着温度降低H8W2系列试件的延性变化不明显.随着试验温度的降低,相较于H8W0系列试件(焊缝金属-母材等强匹配),H8W2系列试件(焊缝金属-母材高强匹配)的延性增幅较小;但相较于H8W0系列,H8W2系列试件整体表现出了更大的延性,这可能是由于H8W2系列试件软化热影响区相邻区域的强度较高,对软化热影响区形成了较大的横向约束,导致其在试验过程中发生的应变更大,最终表现为更好的延性.断裂失效后的高强钢对接焊缝拉伸试件照片如图8所示,从图中可以看出,所有试件均发生了一定程度的颈缩,在各试验环境温度下没有发生脆性破坏.其中, H8W0系列试件为焊缝金属-母材等强匹配焊缝连接,该系列试件均在热影响区靠近焊缝区域发生断裂破坏.H8W2系列试件为焊缝金属-母材高强匹配焊缝连接,即使试件软化热影响区的硬度值较低,但由于硬度值较高的相邻区域对其产生的约束效应,最终系列试件均在母材处发生断裂破坏.

图8

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图8   失效后高强钢对接焊缝拉伸试件

Fig.8   High strength steel butt joint tensile specimens after failure


6 结论

本文考虑焊缝金属-母材等强匹配与高强匹配情况,对HG785高强钢对接焊缝焊接接头开展了宏观形貌、微观结构、硬度分布分析,并通过5种常温与极地低温试验环境下对接焊缝焊接接头试件单轴拉伸试验,研究了强度匹配比和极地低温环境变化对焊缝连接试件拉伸力学性能指标和失效模式的影响,具体结论如下:

(1) H8W0与H8W2试样的宏观形貌接近,相邻微观分区的连贯性较强,焊缝金属与母材熔合良好;母材主要由回火索氏体构成,组织晶粒较为细小.

(2) 基于对接焊缝区域硬度分布特征分析,发现 H8W0(焊缝金属-母材等强匹配)与H8W2试样(焊缝金属-母材高强匹配)均仅存在软化热影响区,但 H8W2试样软化热影响区的相邻区域强度更高,能提供更大的横向约束,使其发生了更大的应变,表现为H8W2系列对接焊缝的延性较好.

(3) H8W0系列与H8W2系列对接焊缝的母材强度均得到充分发挥,满足规范[22]要求.H8W0系列对接焊缝的延性低于其对应的母材与焊缝金属;H8W2系列对接焊缝的延性略低于母材但高于对应的焊缝金属.

(4) 基于 -75~25 ℃的试验环境温度范围,HG785高强钢对接焊缝焊接接头强度整体随温度降低而提高,相较于常温(25 ℃)焊接接头,H8W0和H8W2系列低温试件的强度提升幅度分别可达13%和11%;极地低温环境能较大程度提升H8W0系列等强匹配试件的延性,而对于高强匹配H8W2系列试件,其低温环境下延性变化不明显.

(5) 所有常温与极地低温试验环境下的对接焊缝焊接接头试件均在发生颈缩后发生延性断裂;其中H8W0和H8W2系列试件分别在热影响区靠近焊缝区域和母材处发生破坏.

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Q690高强钢焊缝连接承载力试验研究

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GUO Xiaonong, LIU Xiao, LUO Yongfeng, et al.

Experimental study on weld joint bearing capacity of Q690 high strength steel

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SUN F F, RAN M M, LI G Q, et al.

Experimental and numerical study of high-strength steel butt weld with softened HAZ

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RAN M M, SUN F F, LI G Q, et al.

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施刚, 王飞, 戴国欣, 等.

Q460C高强度钢材焊缝连接循环加载试验研究

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SHI Gang, WANG Fei, DAI Guoxin, et al.

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王元清, 刘希月, 石永久.

960 MPa高强度钢材及其焊缝低温冲击韧性试验研究

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WANG Yuanqing, LIU Xiyue, SHI Yongjiu.

Experimental study on low temperature impact toughness of 960 MPa high strength steel and its welds

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蔡骜, 陈满泰, 左文康, 等.

高强度钢材低温力学性能试验研究与预测模型

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DOI:10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.526      [本文引用: 3]

在极地严寒地区工程中应用高强钢可节省用钢量,减少低温严酷环境下钢结构制作、运输和安装成本.为研究HG785高强钢在极地低温环境下的力学性能,对考虑2种厚度和5种低温环境的高强钢试样开展单轴拉伸试验.试验结果表明,极地低温环境下HG785高强钢的弹性模量、屈服强度和极限抗拉强度相较于其在25 ℃常温环境下有所提高,失效模式均为颈缩延性破坏并无脆断倾向.采用全子集法对试验结果进行回归分析,建立极地低温环境下高强钢力学性能指标预测模型,可指导高强钢在结构构件、节点与体系中的合理高效应用,为高强钢结构在极地低温地区服役与结构设计优化策略决策提供理论依据.

CAI Ao, CHEN Mantai, ZUO Wenkang, et al.

Experimental study and prediction model of low temperature mechanical properties of high strength steel

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