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  哈尔滨工程大学学报  2019, Vol. 40 Issue (8): 1455-1461  DOI: 10.11990/jheu.201808066
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引用本文  

贾兴志, 郭震, 李陈峰, 等. 高温环境下对接焊缝的力学性能试验研究[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2019, 40(8), 1455-1461. DOI: 10.11990/jheu.201808066.
JIA Xingzhi, GUO Zhen, LI Chenfeng, et al. Experimental investigation on mechanical properties of butt welds under high temperature[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2019, 40(8), 1455-1461. DOI: 10.11990/jheu.201808066.

基金项目

国家自然科学基金项目(51509058,51679055)

通信作者

李陈峰, E-mail:lichenfeng@hrbeu.edu.cn

作者简介

贾兴志, 男, 硕士研究生;
郭震, 男, 副教授;
李陈峰, 男, 副教授

文章历史

收稿日期:2018-08-31
网络出版日期:2018-12-06
高温环境下对接焊缝的力学性能试验研究
贾兴志 1, 郭震 1, 李陈峰 2, 乔文娟 1, 许维军 2     
1. 中国矿业大学 力学与土木工程学院, 江苏 徐州 211116;
2. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
摘要:焊接接头的力学性能是评定焊接工艺质量的重要指标。针对目前火灾高温环境下船体钢结构焊缝力学性能研究的不足,本文采用Q345B母材和E5015焊材(Q345B-E5015)对接焊缝20℃~800℃下的稳态拉伸试验研究方法,分析了高温下对接焊缝的力学性能。根据试验结果,分析了不同温度影响下试件的破坏模式,并开展了热影响区和焊缝的金相组织观察;根据不同温度下试件的应力-应变关系,分析了焊缝抗拉强度、弹性模量、抗拉极限及延展性等力学性能参数,获得了不同温度下相关参数的折减系数。与相关规范的对比分析表明:现行规范推荐的基于均质金属材料的折减系数对于Q345B-E5015焊缝是不完全适用的,尤其500℃左右及以上温度段,一些规范的取值偏于危险。试验获得的相关参数及其折减系数可用于船体对接焊缝的抗火设计和火灾下结构安全性的评估。
关键词高温环境    对接焊缝    E5015焊材    稳态试验    力学性能    折减系数    金相分析    微观组织    
Experimental investigation on mechanical properties of butt welds under high temperature
JIA Xingzhi 1, GUO Zhen 1, LI Chenfeng 2, QIAO Wenjuan 1, XU Weijun 2     
1. School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;
2. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
Abstract: The mechanical properties of weld joints are important indexes for evaluating the quality of the welding process. This work was performed to supplement the deficiency in studies on the mechanical properties of the weld joints of ship steel structures. In this work, butt weldments composed of Q345B base metal and E5015 electrodes (Q345B-E5015) were subjected to a steady-state tensile test. The mechanical properties of welds subjected to temperatures ranging from 20℃ to 800℃ were investigated. The failure modes of butt weldments under different temperatures were analyzed, and the metallurgical structures that developed in the welding-heat-affected zone and weld joint at different temperatures were observed in accordance with the test results. Next, the parameters of mechanical properties, including the weld tensile strength, elastic modulus, ultimate tensile strength, and ductility, were analyzed in reference to the stress-strain curves of welding specimens subjected to specific temperatures, and the reduction factors of related parameters under different temperatures were obtained. Comparative analysis with relevant design codes revealed that the recommendation of existing codes for the mechanical parameters of Q345B-E5015 weldments based on homogeneous metal materials is not fully applicable to reduction factors. In particular, the recommendations for reduction factors would render butt welds unsafe at temperatures of 500℃ or above. The experimentally obtained relevant parameters and their reduction factors are applicable to the butt-welding fire design of ships and in structural fire safety evaluation.
Keywords: high temperature    butt weld    E5015 electrodes    steady-state test    mechanical properties    reduction factors    metallographic analysis    microstructure    

随着航运业的迅猛发展,由于碰撞、搁浅和火灾等意外事故导致的船舶海损事故显著增加[1],其中火灾事故占比超10%。为了降低火灾风险,国际海事组织出台了相关的要求[2-3]和配套指南[4],2016年提出了“安全返港”(safe return to port,SRtP)的要求。但相关规范更多关注于火灾预防及火灾下人员的安全性,而忽略了船体结构的安全性及其残存能力。

众所周知,火灾高温下钢材的力学性能将发生退化,严重地威胁船体结构的安全性[5]。目前,高温下金属材料力学性能测试最常用的方法是稳态拉伸试验[6],通过将试件加热至目标温度且保温一段时间,再以指定应变速率加载至断裂,从而获得不同温度梯度下试件的应力-应变曲线。根据试验测试和统计分析,国内外相关钢结构防火设计规范,如美国的ASCE规范[7]、AISC规范[8]、欧盟的Eurocode 3规范[9]、澳大利亚的AS规范[10]、英国的BS规范[11]和我国的CECS规范[12]等,都给出了不同温度下材料力学性能的折减系数。

需要指出的是,船体是一个复杂的焊接结构,结构上存在大量的对接焊缝和角焊缝,而相关规范的推荐值是基于均质金属材料(母材)的稳态拉伸试验获得的,对于焊缝区域结构是否适用还需要进一步研究。相关研究表明,焊接产生的金属结晶区(焊缝)与母材微观组织存在显著差别,导致焊缝的力学性能与母材存在较大差异[13-15]。由于许多研究关注过火后结构的安全性,因此相关研究往往采用高温冷却后的焊接连接结构开展试验研究。显然,焊缝的金相组织可能在高温冷却过程中进一步发生改变,并改变焊缝的力学性能。

为了掌握高温下焊接接头的力学性能,以Q345B-E5015对接焊缝为例,本文采用金相分析和稳态拉伸试验等方法,对不同温度下焊缝的主要力学性能参数进行分析,并与国内外相关规范进行对比研究。

1 材料与试件制作

对接焊试件的母材为厚度5.5 mm的Q345B钢,室温下拉伸试验测得其屈服强度为352 MPa,弹性模量为213 GPa;焊材为直径4 mm的E5015焊条,拉伸极限490 MPa。2种材料的化学组成见表 1

表 1 Q345B和E5015化学组成成分 Table 1 Chemical compositions of Q345B and E5015 materials

为了避免试件单独焊接可能产生的缺陷和不利影响,试件制作过程为:

1) 对Q345B钢板进行对接焊前的切割和打磨预处理;

2) 采用CO2气体保护焊将2块钢板用E5015焊材对接焊,焊接速度为15 cm/min,焊接电流为150 A;

3) 以10 mm间隔进行连续线切割取样,打磨并完成试件的初步制作,试件的相关尺寸见图 1,其中试验平行段长度为75 mm;

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图 1 焊接尺寸规格(mm) Fig. 1 Dimensions of welded (mm)

4) 试件加工完成后进行无损探伤[16],选取焊接质量为1级[17]的试件进行试验。图 2为试件核心区域的示意图,包括焊缝、热影响区(HAZ)以及母材。

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图 2 对接焊缝分区 Fig. 2 Defined zones of weldments
2 加载测试方案

试验从室温到800 ℃高温,共选取了9组试验温度,分别为20 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃和800 ℃。每个温度进行3个试件的测试,共计27件,以避免试验误差。试验采用MTS 810液压伺服系统拉伸试件,采用MTS 653.02高温炉加热试件,并采用MTS 632.53引伸计测量试件伸长率。同时,每个试件表面布置了3个热电偶以测量试件表面温度,以保证试验温度的控制。图 3为试验测试系统示意图。

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图 3 加载升温与测试系统示意 Fig. 3 Arrangement of thermocouples and Instrumentation

根据稳态拉伸试验的要求,试件的加热方案为:以10 ℃/min将试件加热至目标温度,保温10 min以确保试件温度均匀分布,开始试验,并根据热电偶测量数据,实时监测和调节试验温度,以保证温度的相对恒定。

试验采用应变率控制加载,加载速率取0.004 2 min-1,符合ASTM E21-17标准[6]要求。试验过程中,通过引伸计和加载系统上的力传感器测量不同应变率(轴向变形量)下试件的轴向拉伸力,图 4为试验加载测试装置。

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图 4 MTS810液压伺服系统 Fig. 4 MTS810 hydraulic servo system
3 试验结果与分析

根据制定的试验加载测试方案,开展了Q345B-E5015对接焊缝的稳态拉伸试验。图 5为相关典型试件及其破坏模式,图中方形轮廓线为焊缝区域,圆形轮廓线表示断裂位置。图 6为不同温度下试件的拉力与轴向变形曲线。

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图 5 拉伸试验试样破坏模式 Fig. 5 Tensile test specimen damage model
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图 6 不同温度下试件拉力-轴向变形曲线 Fig. 6 The tensile forces-axial displacement curves under different test temperatures
3.1 断裂模式分析与金相分析

根据图 6试件断口形式,首先开展了不同温度下试件的断裂模式分析。从可以发现,所有试件均在平行段断裂,除800 ℃试件外,其余试验温度下试件均发生明显颈缩现象。当试验温度在20 ℃~300 ℃时,试件在母材靠近肩颈区断裂,且断裂位置未明显转移,说明该温度下Q345B-E5015对接接头的力学宏观力学性能是优于母材的;当试验温度高于400 ℃时,断裂位置由母材向热影响区转移,说明热影响区对高温较为敏感。此外,800 ℃高温下试件在焊缝处断裂,且无明显颈缩现象。

为了揭示不同温度下试件断裂的原因,进一步采用Olmpus Model BX51 M金相显微镜开展了典型试件焊缝区和热影响区的金相组织观察。图 7为典型试验温度下(20 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃)试件焊缝区和热影响区的微观结构。

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图 7 不同温度影响下热影响区及焊缝金相组织 Fig. 7 Phase organisation at HAZ and FZ subjected to different temperature

热影响区的金相组织观察,可以发现:在焊接过程中,Q345B热影响区发生了局部相变。其中,过热区微观组织可以观测到粗糙的奥氏体;正火区微观组织为较为规则的铁素体和珠光体;部分相变区为奥氏体、铁素体、珠光体的非均质混合组织。常温下HAZ微观组织较为复杂,过热区晶粒粗大,正火区组织为均匀而细小的铁素体和珠光体,部分相变区只有部分组织转变为奥氏体,冷却后获得细小的铁素体和珠光体[13]。400 ℃时热影响区部分区域出现魏氏组织现象。600 ℃及800 ℃热影响区沿原奥氏体晶界析出相数量较多且尺寸较大,呈孤立颗粒状或连续链状分布,800 ℃热影响区内可观测到魏氏组织粗大的晶粒及其间的铁素体针片。与铁素体和奥氏体相比,珠光体的力学性能相对较弱,魏氏组织也会降低HAZ力学性能,因此在500 ℃以上更易断裂,应引起重视。

对焊缝区的金相组织观察,可以发现:400 ℃高温时,焊缝区仍为铁素体和索氏体。与常温相比,该温度下析出物增加,晶粒尺寸增大,导致焊缝区力学性能发生明显下降。在600 ℃后开始出现少量马氏体,焊缝区机械性能在此过程下明显降低。在800 ℃左右,铁素体基本转变为奥氏体,且基体碎化严重,同时观测到大量的析出相,导致焊缝区强度比热影响及母材处强度低,这也揭示了对接焊缝在800 ℃发生焊缝处无颈缩断裂的原因。

此外,500 ℃左右试件出现了碳化现象,随着试验温度的提高,大量碳化物与奥氏体分离。700 ℃和800 ℃下可以观察到对接焊缝试样表面发生大区域碳化层脱落现象。

3.2 应力-应变关系与相关力学性能指标分析

根据不同温度下试件的位移-拉力曲线(图 5),获得材料的工程应力-应变曲线,并根据:

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\sigma _t} = {\sigma _e}\left( {{\varepsilon _e} + 1} \right)}\\ {{\varepsilon _t} = \ln \left( {{\varepsilon _e} + 1} \right)} \end{array}} \right. $ (1)

可进一步换算得到真实应力-应变曲线,如图 8所示。式中:εe为工程应变,由高温引伸计测量获得的试件;σe为工程应力,根据测力传感器测量得到的拉力比试件核心段截面面积得到;εtσt为真实应变和真实应力。

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图 8 不同温度下应力-应变曲线 Fig. 8 Stress-strain curves of specimens at different temperature

在此基础上,进一步开展对接焊缝力学性能的研究,分析温度对于弹性模量、屈服强度、拉伸极限和延展性等的影响,确定不同温度下相关参数折减系数,并与国内外有关钢结构高温设计规范[7-12]进行对比分析。

3.2.1 弹性模量及其折减系数

弹性模量是表征在弹性变形阶段材料抗力和刚度的一个物理量。在该阶段,应力和应变满足胡克定律,曲线的切线模量即弹性模量。高温下弹性模量的折减系数,通常取特定温度下材料弹性模量与常温下(一般取20 ℃)弹性模量的比值,其他力学性能参数的折减系数取值方法与之相同。

高温下弹性模量的折减对结构抗火及安全性评估至关重要。相关设计规范都给出了不同温度下弹性模量的折减系数,但相关系数主要来源于均质金属材料(母材)的试验研究与统计分析。表 2中给出了Q345B-E5015对接焊缝在不同温度下的弹性模量及其折减系数,可以发现:常温下试件的弹性模量为219 GPa,较母材的弹性模量213 GPa高,这是由于材料在焊接过程产生了硬化效应。当温度达到400 ℃时,材料的弹性模量急剧降低,500 ℃时下降了将近40%,600 ℃时下降了70%。

表 2 弹性模量及其折减系数 Table 2 Elastic modulus and their reduction factors

图 9是试验结果与相关设计标准推荐值的对比,可以发现:试验获得的弹性模量折减系数变化趋势与相关规范推荐值的变化趋势基本相同。在100 ℃~300 ℃温度区间,由于焊接过程中所产生的硬化效应,试件的弹性模量退化较小,结果与AS和CECS规范较为吻合,而Eurocode和AISC规范略为保守;随着试验温度进一步提高,试件弹性模量急剧降低,而AS和CECS规范的取值变化相对缓慢,此时试件的折减系数与Eurocode和AISC规范较为吻合;此外,当温度升高到500 ℃以上时,试验值较4个规范的建议值小。相比而言,Eurocode和AISC规范推荐的弹性模量折减系数与试验结果较为吻合。

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图 9 弹性模量折减系数对比 Fig. 9 Comparison of reduction factors of elastic modulus

因此,相关规范给出的高温下材料弹性模量的折减系数对于Q345B-E5015对接焊缝是不完全适用的,在对船体结构进行耐火设计和安全性评估时,需进行必要的修正。

3.2.2 屈服强度及其折减系数

材料的屈服强度是影响船体结构强度的一个重要参数,高温下材料的屈服强度很大程度上决定了火灾事故船舶的残存能力。常温下高强度钢材屈服强度取值通常选取产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限。但是在高温环境下,ASCE、AISC、AS和CECS等现行规范未明确指出屈服强度的确定方法,仅给出了不同温度下屈服强度折减系数。Eurocode规范明确提出了基于2.0%应变水平的屈服强度高温折减系数,而BS规范则提供了分别基于0.5%、1.5%和2.0%应变水平的3组屈服强度高温折减系数。综合考虑钢材高温软化特性,本文采用2.0%应变水平下的应力为高温下材料屈服强度。

表 3中给出了Q345B-E5015对接焊缝在不同温度下的屈服强度及其折减系数,可以发现:常温下试件的屈服强度为408 MPa,较母材的屈服强度352 MPa高,这也是由于焊接过程材料的硬化效应导致。当温度达到400 ℃时,材料的屈服强度急剧降低,500 ℃时下降了将近40%,600 ℃时下降了70%。

表 3 屈服强度及其折减系数 Table 3 Yield strengths and their reduction factors

图 10是试验结果与相关设计标准推荐值的对比,从图中可以发现:试验获得的屈服强度折减系数变化趋势与相关规范推荐值的变化趋势基本相同。但试验分析数据整体上较大多数规范推荐值小,当温度超过500 ℃以后,试件的屈服强度折减系数低于全部设计标准。差异产生的原因可能是焊接区非均质特性,造成对接焊缝的屈服强度不同于均质金属,同时焊接热影响区对高温更为敏感。相比而言,AS和ASCE规范所推荐的屈服强度折减系数与试验结果较为吻合。

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图 10 屈服强度折减系数对比 Fig. 10 Comparison of reduction factors of yield strength

因此,相关规范给出的高温下材料屈服强度的折减系数对于Q345B-E5015对接焊缝也是不完全适用的,工程应用时需进行必要的修正。

3.2.3 拉伸极限强度及其折减系数

高温下材料的拉伸极限强度对于火灾事故下船体的后极限强度与残存能力评估也有重大的影响。材料的拉伸极限强度即应力-应变曲线的峰值点,实际可根据作用在试件上的最大试验拉力比上试件平行段的截面面积确定。高温下焊接区非均质特性,使得对接焊缝的极限强度不同于均质金属。目前仅AISC规范给出了不同温度下拉伸极限强度的折减系数。

表 4中给出了Q345B-E5015对接焊缝在不同温度下的拉伸极限强度及其折减系数,可以发现:当温度达到400 ℃时,材料的拉伸极限强度急剧降低,500 ℃时下降了将近40%,600 ℃时下降了70%多。

表 4 拉伸极限强度及其应变和折减系数 Table 4 Tensile ultimate strengths, strains and their reduction factors

图 11是试验结果与AISC规范推荐值的比较,从图中可以发现:高温下Q345B-E5015对接焊缝的拉伸极限强度退化较为严重,AISC规范对于焊缝的拉伸极限强度折减是不太适用的,会过高地估计焊缝的抗拉极限,应引起重视。

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图 11 极限强度与AISC 2010标准对比 Fig. 11 Comparison of tensile ultimate strengths and AISC2010
3.2.4 延展性分析

延展性是材料在断裂前承受塑形变形的能力,用拉伸试验的伸长率或截面积减少百分比表示。高温下材料的延展性,对于火灾事故下船体的后极限强度也具有重要的影响。如图 6可以发现,试件在400 ℃时具有良好的延展性,而在400 ℃~600 ℃内发生较大范围变化,这主要是由于对接焊在热影响区发生的相变导致。

3.2.5 高温下焊缝相关力学性能参数汇总

表 5是不同温度下Q345B-E5015对接焊缝力学性能主要参数汇总。可以发现,高温下,尤其在400 ℃~800 ℃内,材料的各项指标均发生了显著的变化,材料力学性能退化严重。

表 5 高温下对接焊缝力学性能汇总 Table 5 Summary of mechanical properties of butt welds under high temperatures

根据表 5中给出的不同温度下焊缝弹性模量、2.0%应变水平的屈服强度、极限拉伸强度及其对应的应变值,就可以构造出不同温度下对接焊缝的材料简化本构模型,便于工程应用。

4 结论

1) 试验温度300 ℃内,Q345B-E5015焊缝的力学性能优于母材,同时焊接引起热影响区局部硬化,此时试件的颈缩断口位于在母材平行段断裂,部分试样有明显现象。随着试验温度进一步增加,断裂位置向热影响区移动。HAZ对高温较为敏感,500 ℃左右该区域金相组织开始发生相变,容易发生断裂,在工程应用中应引起重视。

2) 国内外相关钢结构高温设计规范中推荐的材料折减系数对于Q345B-E5015焊缝是不完全适用的,尤其在较为敏感的500 ℃左右及以上温度段,很多规范的建议值偏于危险,造成的原因主要是由于相关数据来源于均质金属材料的试验研究与统计分析。

3) 高温下焊缝区域的力学性能与母材有显著的区别,因此在船体结构的防火设计和事故状态下船体的残存能力分析时,应合理地考虑其力学性能的退化程度,以保证设计和评估结果的有效性。

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