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S620Q厚板低碳调质钢广泛应用于机械、矿山等领域，焊接作为其应用中最主要的连接方式，焊接性能直接关系到设备构件的安全可靠运行。近年来，运用实验研究和数值模拟相结合的方法研究厚板的焊接性能日益受到关注。因此本文通过对40mm厚S620Q高强厚板分别进行实芯焊丝气体保护焊（GMAW）和药芯焊丝气体保护焊（FCAW）焊接实验，利用扫描电镜及拉伸试验等分析手段研究了焊接接头各道焊层的组织转变和力学性能变化规律。为了更好的研究S620Q厚板多层多道焊接，本文同时运用ANSYS有限元软件采用双椭球热源模型得到S620Q钢多层多道焊接温度场分布规律，并对厚板各道焊层热影响区（HAZ）宽度进行了预测。在温度场计算的基础上，通过热－结构间接耦合法与实际残余应力测试，得出焊接接头残余应力的分布规律。焊接实验表明， GMAW和FCAW工艺条件下，实芯焊缝主要组织为针状铁素体(AF)+粒状贝氏体(GB)，药芯焊缝组织为GB+少量AF；药芯接头焊缝的平均强度略高于实芯焊缝，而且接头硬度分布水平高于实芯焊缝。热输入较小时，实芯粗晶区组织为LB，药芯为ML，随着热输入的增大，实芯粗晶区组织转变为粗大LB，药芯转变为GB；冲击试验表明，实芯焊缝冲击值高于药芯焊缝，而药芯熔合区、粗晶区冲击值略高于实芯粗晶区。受到二次热循环作用，粗晶区晶界处生成了不规则、岛状M-A和贝氏体，部分淬火区晶界处为GB，但粗晶区晶界处不规则、岛状M-A对韧性损害较小。通过数值模拟得到了S620Q厚板多层多道焊接温度场和应力场分布规律；实测热循环曲线与模拟计算HAZ的热循环曲线变化规律相同，最高峰值温度与实测值相比，最大误差为14%；数值模拟计算的HAZ各区域宽度与实际测得的HAZ各区域宽度基本吻合。厚板焊后残余拉应力主要分布在焊缝及其附近区域，最大等效残余拉应力为437MPa，X形坡口焊根处具有较大横向残余拉应力为500MPa；厚度方向上发生位移量为0.968mm的面外角变形；模拟残余应力曲线与厚板实测值变化趋势一致。通过对S620Q高强厚板的GMAW和FCAW焊接实验及数值模拟结果进行分析研究，为S620Q厚板在实际焊接中选择合适的焊接方法及工艺参数，改善高强厚板的焊接质量，提供一定的实验依据。