厚钢板焊缝强度匹配对韧度影响的试验方法

厚钢板焊缝强度匹配对韧度影响的试验方法

苗张木陶德馨吴卫国李永信

武汉理工大学,武汉,430063

摘要:提出了研究厚钢板焊缝强度匹配对韧度影响的试验方法:用“直接测量法”确定焊缝强度匹配系数;用裂纹尖端张开位移(C TOD )断裂韧度作为焊缝材料韧度的指标。用“直接测量法”确定了低合金高强钢S355ML 钢板(厚65mm )自动埋弧焊和手工电弧焊的焊缝强度匹配系数,同时将这两项焊接工艺的对接焊缝制成全厚度断裂韧度试样,运用裂纹尖端张开位移试验方法测定其焊缝中心的断裂韧度。结果表明,厚钢板焊态对接焊缝,低匹配焊缝具有较高的韧度,高匹配焊缝的韧度比较低。

关键词:焊缝强度匹配系数;断裂韧度;裂纹尖端张开位移(C TOD );厚钢板中图分类号:T G404;T G115.5 文章编号:1004-132X (2006)09—0958—05

Experimental Method of the Influence of Strength Mismatch on Toughness in Thick Sheet Steel

Miao Zhangmu Tao Dexin Wu Weiguo Li Y ongxin

Wuhan University of Technology ,Wuhan ,430063

Abstract :A testing met hod of exploring t he influence of st rengt h mismatch on toughness in t hick sheet steel welds was developed.By means of t his met hod ,t he mismatching factors can be determined wit h “direct measurement met hod ”,and t he crack tip opening displacement (C TOD )should be selected to be as index characterized t he toughness of welds.First ,t he mismatching factors of submerged arc welding (SAW )and shielded metal arc welding (SMAW )of S355ML steel (65mm t hickness )were de 2termined wit h “direct measurement met hod ”.Then ,t he butt welds of SAW and SMAW were made to f ull t hickness f ract ure toughness specimens and t he fract ure toughness in welds cent re were measured by C TOD test.The result s indicate t hat t he welds po ssess higher toughness for lower mismatch ,whereas t he welds possess lower toughness for higher mismatch for butt welds of t hick sheet steel.

K ey w ords :mismatching factor of toughness ;f ract ure toughness ;crack tip opening displacement (C TOD );t hick sheet steel

收稿日期:2005—11—30

0　引言

焊接结构设计必须确定焊缝金属的强度和韧度。强度和韧度是焊接结构安全中密切联系的两个问题。韧度是材料在断裂前所经历的弹塑性变形过程中吸收能量的能力[1],是强度和塑性的综合指标,它比强度这个单一指标更应受到关注,特别是对于焊接接头。焊缝强度对其韧度的影响,已经有许多文献进行了讨论,但存在一些分歧[2,3],如文献[3]指出了两种不同观点:一是在保证焊缝常规延性、韧性(如使焊缝金属与母材具有相同延伸率)的条件下,适当选用屈服点较高的焊缝金属,即高匹配是有利的;二是着眼于焊缝的韧性或延性,而其强度与母材相比可适当降低,即低匹配。已有的研究多限于较薄钢板的焊接,厚钢板焊缝强度对韧度的影响研究的文献较少。随着经济发展和科学技术不断进步,海洋结构、桥梁结构、现代建筑及水电核电等工程项目的规模越

来越大,焊接结构呈厚壁化、大型化趋势,所用厚钢板焊接接头破坏的主要原因是由于韧度不足。

因此,研究厚钢板焊缝强度匹配对韧度的影响具有重要的意义。

研究厚钢板焊缝强度匹配对韧度的影响,一是要能够准确测量并计算焊缝强度匹配系数,二是要选择恰当的指标来评价焊缝韧度。本文针对厚钢板特点,结合低合金高强钢S355ML (相当于国产Q345钢)厚钢板(厚65mm )自动埋弧焊和手工电弧焊焊缝强度对韧度的影响研究,提出了研究厚钢板焊缝强度匹配对韧度影响的试验方法:用“直接测量法”确定焊缝强度匹配系数;用裂纹尖端张开位移(C TOD )断裂韧度作为综合度量焊缝韧度的指标。

1

焊接工艺

1.1

母材

本研究采用厚65mm 的S355ML 热轧钢板,系从日本进口。其化学成分见表1,最大碳当量为

8

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0145%。主要力学性能为σs=423M Pa,σb= 526M Pa,δ5=26%。本文采用两种不同的焊接材料和焊接工艺,以获取高匹配和低匹配两种焊缝强度匹配。

表1S355ML钢化学成分

元素C Si Mn P S Cu Ni

质量

分数(%)

0.090.27 1.450.0110.0020.080.05

元素Cr Mo V Nb N Ti

质量

分数(%)

0.010.0020.0010.120.380.12

1.2　自动埋弧焊工艺

采用多层多道自动埋弧焊SA W(DC+),对接焊缝,坡口为双V形,坡口角度分别为α1= 60°,α2=80°,钝边为h=6mm,不留对口间隙(R=0)。焊接位置为平焊。各焊道线能量分别为:最初焊道313kJ/mm,最后盖面焊焊道313kJ/mm,其他焊道315kJ/mm。最低预热温度为60℃,最高层间温度为300℃。焊丝采用H10Mn2G(BZ J116-97)。该工艺的编号为WPS017,其主要焊接工艺参数见表2。

表2自动埋弧焊(WPS017)工艺参数

焊道序号焊

丝

焊丝

直径

(mm)

电流

(A)

电压

(V)

极

性

送丝速度

(m/min)

行走速度

(mm/min)

1其他盖面焊

H10Mn2G

(BZ J116-97)

5.0664～75628～32

5.0671～78828～32

5.0651～76128～32

DC+

1.2～1.4353～414

1.2～1.4342～403

1.2～1.4353～414

1.3手工电弧焊工艺

采用手工电弧焊SMA W(DC+),对接焊缝,坡口为双面等厚X形,坡口角度为α1=α2=60°,钝边为h=3mm,不留对口间隙(R=0)。焊接位置为立向上焊接。所有焊道线能量均为118kJ/mm。最低预热温度为60℃,最高层间温度为300℃。电焊条采用SH-J507Ni(A WS A515 E7015-G)。该工艺的编号为WPS016,其主要焊接工艺参数见表3。

表3手工电弧焊(WPS016)工艺参数

焊道序号电焊条

焊条

直径

(mm)

电流

(A)

电压

(V)

极

性

行走速度

(mm/m in)

1

其他盖面焊

SH-J507Ni

(AWSA5.5E7015-

G)

3.2100～12020～22

4.0120～15022～26

4.0120～15022～26

DC+

50～75

75～100

75～100

2焊缝强度的“直接测量法”

焊缝强度匹配系数S是焊缝的屈服极限与母材的屈服极限之比,即S=(σs)w/(σs)b[4],其中, (σs)w为焊缝强度屈服极限,(σs)b为母材屈服极限。许多文献在计算焊缝强度匹配系数S时,焊缝屈服极限(σs)w往往采用焊接材料供货方提供的数值或复验值。由于焊接的复杂性,供货方所提供的数值,其焊接条件与实际使用时的焊接条件一般会有较大的不同,而复验的焊接条件与实际使用时的焊接条件往往也很难一致。对于厚钢板来说,这个问题更为突出。

因此,直接从焊接接头的焊缝中心制取拉伸试样来测定(σs)w,从而计算焊缝强度匹配系数S,这种“直接测量法”确定的焊缝强度匹配系数更符合实际情况,更准确。具体做法如下:

图1　焊接接头试样位置采用电火花线切

割方法,从焊缝中心

切取拉伸试样。图1是

取样情况的端面图照

片,正中间三个较大

的圆孔是焊缝中心取

样位置,小圆孔是热

影响区的取样位置。

拉伸试样的取样和试验按有关规范G B2649-1989、G B2652-1989、G B/T228-2002并参考ISO5178-2001进行。在Zwick-Z010型电子万能试验机上进行拉伸。每个焊缝中心有三个试样,所得数据取平均值,结果见表4。为比较起见,焊接材料供货方所提供的强度值及其焊缝强度匹配系数也都列于表中。完整的拉伸曲线见文献[5]。

表4各焊接工艺的焊缝强度匹配

工艺及编号

焊缝强度(MPa)焊缝强度匹配系数S 直接法测量提供值

按直接

法计算

按提供

值计算自动埋弧焊

(WPS017)

σs=396.78

σb=482.05

σs=455.00

σb=540.00

(H10Mn2G)

0.941.08

手工电弧焊

(WPS016)

σs=518.39

σb=612.68

σs=460.00

σb=602.00

(SH-J507Ni)

1.231.09

3焊缝韧度的C TOD评定

在焊缝强度匹配对断裂性能影响的研究中,一般采用极限裂纹尺寸或临界裂纹尺寸来表征焊缝的抗断裂性能。如文献[3]在研究静载和动载下16Mn钢焊缝强度匹配对接头断裂性能影响时,分别用尺寸为10mm×110mm×500mm和10mm×75mm×360mm的带缺口试样(缺口预制在焊缝部位),在载荷作用下测量其极限裂纹尺寸或临界裂纹尺寸。这种研究方法效果较好,但对厚钢板来说,继续沿用这种研究方法可能会有较大的困难。

本文认为,母材是厚钢板的情况下,研究焊缝

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