多次返修對焊接接頭力學(xué)性能及金相組織的影響

裴傳飛

由于受各種因素影響，建筑鋼結(jié)構(gòu)施工中不可避免地會(huì)出現(xiàn)返修情況。對于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件來說，采用焊修工藝是減少制造損失的有效手段?！朵摻Y(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》GB50755-2012中規(guī)定：“焊縫同一部位的缺陷返修次數(shù)不宜超過兩次”。本文以Q345GJB中厚板為對象，研究焊縫同一部位缺陷返修超過兩次的多次焊修對焊接接頭機(jī)械性能及金相組織的影響。

1 接頭類型及試驗(yàn)材料

1.1 接頭類型

鋼結(jié)構(gòu)工程中，對接焊縫為全熔透焊縫，本次試驗(yàn)參照GB50661-2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》中附錄A“鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭坡口形式、尺寸和標(biāo)記方法”表A.0.3“氣體保護(hù)焊、自保護(hù)焊全焊透坡口形式和尺寸”，選用對接接頭。接頭形式如圖1。

圖1 試驗(yàn)接頭

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼板選用Q345GJB板材，厚度34mm，其力學(xué)性能見表1。焊接材料使用CO2氣體保護(hù)焊實(shí)芯焊絲，牌號為ER50-6。保護(hù)氣體選用CO2，氣體純度不低于99.5%，使用前做放水處理。

圖2 一次返修

1.3 補(bǔ)焊工藝

初次焊接采用多層多道焊，使用經(jīng)過評定的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。初次焊接后模擬實(shí)際生產(chǎn)焊修情況，在試板焊縫中部按照圖2、圖3、圖4的形狀尺寸，模擬焊修時(shí)缺陷去除情況，采用碳弧氣刨去除金屬，再采用砂輪打磨出金屬光澤，然后按照正常生產(chǎn)工藝進(jìn)行焊修。補(bǔ)焊的參數(shù)每次均相同，其中第1次、第2次焊修均在焊縫內(nèi)，第3次焊修接近焊縫熔合線區(qū)域。

圖3 二次返修

圖4 三次返修

表1 Q345GJB板材的力學(xué)性能

每次補(bǔ)焊前，均對試件焊縫及兩邊各100mm進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度高于原工藝評定溫度30～50°，嚴(yán)格控制返修焊接過程中的道間溫度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 多次補(bǔ)焊對接頭機(jī)械性能的影響

經(jīng)過多次補(bǔ)焊后，接頭的力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)見表2。從表中可以看出，焊縫經(jīng)2次、3次補(bǔ)焊后，與未經(jīng)過母材相比，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率并沒有多大變化，平均伸長率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；試樣的抗拉強(qiáng)度大于母材標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)規(guī)定下限值，符合標(biāo)準(zhǔn)要求；試件破斷位置存在明顯的頸縮 ，表明試件塑性良好；經(jīng)過3次補(bǔ)焊后的接頭背彎試樣經(jīng)180°彎曲后.拉伸面完好無裂紋。

焊縫經(jīng)過3次焊補(bǔ)后.最高硬度值均位于鄰近熔臺(tái)線的HAZ內(nèi)，分別為239HV1、230HV1、250HV1，均低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高硬度值350HV。

2.2 多次補(bǔ)焊對接頭金相組織的影響

經(jīng)過3次補(bǔ)焊的焊縫區(qū)的組織分為兩部分，其中一部分為柱狀晶區(qū)，該區(qū)域的組織為貝氏體+針塊狀鐵素體+珠光體組織，其余部位的組織為貝氏體+珠光體+鐵素體；HAZ的組織也分為兩部分，其中少部分的組織為上貝氏體+針塊狀鐵素體+珠光體，其他熱影響區(qū)域的組織為珠光體+少量的鐵素體，與未經(jīng)補(bǔ)焊的母材相比，HAZ晶粒還得到一定程度的細(xì)化。接頭組織情況見下圖。

母材組織 100×

焊縫區(qū)柱狀晶區(qū)組織 100×

表2 三次返修后焊接接頭力學(xué)性能

焊縫區(qū)組織 100×

熱影響區(qū)少部分組織 500×

熱影響區(qū)絕大部分區(qū)域組織 100×

通常情況下.經(jīng)過多次補(bǔ)焊后的焊接接頭，其HAZ由于受到多次熱循環(huán)作用而過熱，使晶粒粗大、化學(xué)成分不均勻甚至出現(xiàn)魏氏組織，導(dǎo)致沖擊韌性大幅度下降[1]。但在本次試驗(yàn)條件下，通過對熱影響區(qū)組織情況分析，未發(fā)現(xiàn)魏氏體組織和使焊縫組織力學(xué)性能惡化的硬相相馬氏體組織。

經(jīng)分析，出現(xiàn)此種現(xiàn)象可能與焊縫挖補(bǔ)的尺寸和提高焊前預(yù)熱溫度有關(guān)：

2.2.1 后一次挖補(bǔ)寬和深度均大于前一次挖補(bǔ)的寬度和深度.相當(dāng)于每次都將前一次補(bǔ)焊形成的熱影響區(qū)挖掉.在后一次焊縫的熱影響區(qū)并未產(chǎn)生熱量累積[2]。

2.2.2 每次挖補(bǔ)的寬度和深度均小于原始焊縫的寬度和深度.后續(xù)補(bǔ)焊的熱循環(huán)使得原始焊縫的熱影響進(jìn)行了多次正火或部分正火處理，細(xì)化了晶粒[3]。

2.2.3 在原有焊接工藝評定預(yù)熱溫度上提高30～50°的預(yù)熱溫度，延長HAZ冷卻時(shí)間，促使組織轉(zhuǎn)變成鐵素體和珠光體，這樣就避免出現(xiàn)馬氏體淬硬組織，提高了焊接接頭抗裂性。

3 結(jié)束語

對Q345GJB鋼對接接頭進(jìn)行3次返修補(bǔ)焊后，接頭的強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性、硬度等力學(xué)性能仍滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。金相組織未出現(xiàn)明顯的魏氏體和硬相馬氏體，HAZ晶粒得到一定程度的細(xì)化，可以在鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際補(bǔ)焊中予以參考。

但在實(shí)際工程中，在嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范要求，提高返修焊縫預(yù)熱溫度的同時(shí)，尚需注意除刨至焊縫缺陷處外，后一次返修挖補(bǔ)的跨度和深度均需大于前一次挖補(bǔ)的跨度和深度，但應(yīng)小于原始焊縫的寬度與深度。

[1]陳祝年 ，焊接工程師手冊[M],北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2002

[2]李冬霞，淺析多次補(bǔ)焊對接頭金相組織的影響，隧道建設(shè)，2004

[3]霍立興，焊接結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度[M],北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1995.