如何提高Q345qE鋼埋弧焊焊縫機械性能

程世玉

（太原鐵建公司鋼結構分公司，山西 太原 030012）

1 工程概況

鄭州黃河公鐵兩用橋是京廣鐵路客運專線及河南省規劃的中原黃河公路大橋跨越黃河的共用橋梁，建成后鐵路運營速度達到350 km/h，設計標準高，施工難度大。

鄭州黃河公鐵兩用橋分建段鐵路引橋南、北岸跨大堤拱橋為提籃式鋼管混凝土系桿拱，主梁全長97.4m，標準截面頂寬16m，梁高2.2m，跨度92m，矢高18.4m，矢跨比為1/5，吊索間距為6m，拱腳處軸線間距為15.6 m，拱頂處為6.4 m，單片拱向內傾角14.036°。其上下弦間距在全橋范圍內漸變，拱腳處最大，拱頂處最小，拱肋軸線和上下弦鋼管軸線在豎直面上的投影是3條拋物線。鋼管拱主材材質為Q345qE鋼，拱肋上、下弦采用φ1 000×20 mm鋼管各一根，其中拱腳段采用φ1 000×24 mm鋼管，腹桿采用φ500×12 mm鋼管。在跨中一段范圍內采用兩塊厚度為16 mm的平行鋼板將上下弦鋼管連接在一起，兩片拱肋間共設3道橫撐，把兩片拱肋連接為整體結構并加強拱肋的橫向剛度。

2 Q345qE鋼焊接接頭力學性能要求

鋼管拱主材材質為Q345qE鋼，屬于低合金高強度橋梁用結構鋼，Q345qE鋼應符合《橋梁用結構鋼》（GB/T714-2002）的要求，其焊接接頭力學性能要求為：

（1）焊縫強度：對接焊縫、角接和棱角焊縫的屈服強度和抗拉強度不低于母材標準值。對接焊縫的屈服強度不高于母材實際值的100MPa,角焊縫的屈服強度不高于母材實際值的120MPa。如果焊縫屈服強度超出超強限定范圍，則通過韌強比（Akv/ReL）來判定，對接焊縫韌強比不小于0.13，角接焊縫韌強比不小于0.10。

（2）焊縫金屬伸長率：不低于母材標準值。

（3）接頭韌性：對接焊縫和熔透角焊縫－40℃V形缺口沖擊功不低于34 J。

（4）冷彎：對接接頭彎曲180°，試樣受拉面上的裂紋總長不大于試樣寬度的15%，且單個裂紋長度不大于3 mm。

（5）接頭硬度：不大于HV10 350。

（6）宏觀斷面酸蝕：接頭焊縫及熱影響區表面不應有肉眼可見的裂紋、未熔合等缺陷，單道焊縫的成型系數為1.2～2.0。

（7）化學成分見表1。

表1 Q345qE鋼的化學成分

3 影響埋弧焊焊縫機械性能的因素

3.1 焊接材料是否匹配

在埋弧焊接過程中，焊接材料是否與主結構材料相匹配是影響埋弧焊焊縫機械性能的重要因素。焊接材料牌號的選擇主要考慮使焊縫金屬的強度、塑性和韌性是否與母材金屬相匹配及是否具有良好的焊接性，所以焊接材料的選擇應考慮下列因素。

3.1.1 等強性和等韌性原則

對于低合金鋼等大多數結構鋼的焊接，一般要求焊縫金屬與母材等強度、等韌性。在選擇焊接材料時，應考慮焊接材料熔敷金屬的抗拉強度不小于母材標準抗拉強度規定的下限值，同時應注意焊接材料熔敷金屬的抗拉強度不能大大高于母材的抗拉強度，而導致焊縫塑性性能降低，硬度增大；還應考慮焊接材料熔敷金屬的屈服強度不低于母材的屈服強度，并注意保證一定的屈強比。

由于構件焊縫運行工況不同，在受力過程中常常會由于焊縫的韌性不足而產生脆性破壞，因此在選擇焊接材料時，應按照產品的設計、制造、檢驗標準，確定在正常使用溫度下焊縫沖擊韌性的要求后，選擇合適的焊接材料滿足標準要求。

3.1.2 考慮焊接接頭的彎曲性能

在部件焊接以后，往往要經過各種成型加工工序，如壓、彎、校等工藝，因此焊接接頭和母材要具有一定的變形能力，其中最主要的是冷變形能力，其衡量方法為接頭的彎曲試驗。因此，選擇焊接材料時應考慮焊縫金屬的彎曲性能應滿足規范要求。

3.1.3 考慮材料的焊接性和焊接方法的冶金特點

合金元素含量是影響金屬材料焊接性的主要因素。各種焊接材料的焊接性各不相同，對某些合金元素的含量需求也不一樣，所以在選擇焊接材料時，應考慮材料的焊接性。

焊接冶金過程中，焊縫金屬中氮、氫、硫及磷等元素對焊縫金屬產生了很大的危害，所以選擇的焊接材料應具有較強的脫硫、脫磷能力，并且在使用焊接材料過程中，按要求保存、使用焊接材料。

3.2 工藝參數是否合理

埋弧焊主要適用于平焊位置焊接。埋弧焊時影響焊縫形狀和性能的因素主要是焊接工藝參數，合理的焊接工藝參數是保證焊接質量的重要措施，也是控制焊縫力學性能的重要手段。在實際生產中，應根據接頭形式、板厚、坡口形式、焊接設備條件等，通過焊接工藝評定試驗仔細選擇焊絲直徑、電流、電壓、焊接速度、焊接層數等參數值，這對于獲取優良的焊縫質量是很重要的。

3.2.1 焊接電流

當其他條件不變時，增加焊接電流對焊縫熔深的影響，無論是Y形坡口還是I形坡口，正常焊接條件下，熔深與焊接電流變化成正比。電流小，熔深淺，余高和寬度不足；電流過大，熔深大，余高過大，易產生高溫裂紋。

3.2.2 電弧電壓

電弧電壓和電弧長度成正比，在相同的電弧電壓和焊接電流時，如果選用的焊劑不同，電弧空間電場強度不同，則電弧長度不同。電弧電壓低，熔深大，焊縫寬度窄，易產生熱裂紋；電弧電壓高時，焊縫寬度增加，余高不夠。埋弧焊時，電弧電壓是依據焊接電流調整的，即一定焊接電流要保持一定的弧長才可能保證焊接電弧的穩定燃燒，所以電弧電壓的變化范圍是有限的。

3.2.3 焊接速度

焊接速度對熔深和熔寬都有影響。通常焊接速度小，焊接熔池大，焊縫熔深和熔寬均較大。隨著焊接速度增加，焊縫熔深和熔寬都將減小，即熔深和熔寬與焊接速度成反比。焊接速度過小，熔化金屬量多，焊縫成形差；焊接速度較大時，熔化金屬量不足，容易產生咬邊。實際焊接時，為了提高生產率，在增加焊接速度的同時必須加大電弧功率，才能保證焊縫的焊接質量。

3.2.4 焊絲直徑

焊接電流、電弧電壓、焊接速度一定時，焊絲直徑不同，焊縫形狀會發生變化，其他條件不變，熔深與焊絲直徑成反比關系。但這種關系隨電流密度的增加而減弱，這是由于隨著電流密度的增加，熔池熔化金屬量不斷增加，熔融金屬后排困難，熔深增加較慢，并隨著熔化金屬量的增加，余高增加，焊縫成形變差，所以埋弧焊時，要在增加焊接電流的同時增加電弧電壓，以保證焊縫成形質量。

3.3 焊接質量是否良好

焊接從母材和焊絲熔化到熔池的形成、停留、結晶，其過程中發生了許多冶金化學反應，這樣就影響了焊縫的化學成分、金屬組織和力學性能，因此焊縫質量的好壞關系到焊接接頭的力學性能和使用性能。

焊接質量是否良好主要是檢查焊縫過程中所產生的缺陷，焊縫缺陷是造成焊接接頭失效和影響焊縫力學性能的重要原因，因此對焊縫缺陷的危害性要有更充分的認識。

（1）焊縫弧坑缺陷對焊接接頭的強度和應力水平有不利的影響。焊瘤不僅影響了焊縫的外觀，而且也掩蓋了焊瘤處焊趾的質量情況，往往會在這個部位上出現未熔會缺陷。

（2）咬邊是一種危險性較大的外觀缺陷。它不但減少焊縫的承壓面積，而且往往在咬邊根部形成較尖銳的缺口，造成應力集中，形成應力腐蝕裂紋和應力集中裂紋。

（3）氣孔、夾渣等體積性缺陷的危害性主要表現為降低焊接接頭的承載能力。如果氣孔穿透焊縫表面，介質積存在孔穴內，當介質有腐蝕性時，將形成集中腐蝕，孔穴逐漸變深、變大，以至腐蝕穿孔而泄漏；夾渣邊緣如果有尖銳形狀，造成應力集中，會形成焊縫強度和沖擊韌性。

（4）未熔合和未焊透等缺陷的端部和缺口是應力集中的地方，在交變載荷作用下很可能生成裂紋。未焊透減弱了焊縫工作截面，造成嚴重的應力集中，大大降低接頭強度，這往往成為焊縫開裂的根源。

（5）裂紋是指在焊接過程中或焊接以后，在焊接接頭區域內所出現的金屬局部破裂。裂紋可能產生在焊縫上，也可能產生在焊縫兩側的熱影響區。裂紋是最尖銳的一種缺口，它的缺口根部曲率半徑接近于零。根部有明顯的應力集中，當應力水平超過尖銳根部的強度極限時，裂紋就會擴展，以至貫穿整個截面而造成焊縫失效，特別是當焊接接頭處于脆性狀態時，裂紋的擴展速度極快，造成脆性破裂事故。

4 Q345qE鋼埋弧焊焊接工藝評定研究

對鄭州黃河公鐵兩用橋南、北岸跨大堤鋼管拱橋所采用的Q345qE鋼對接接頭的埋弧焊焊接工藝評定進行了研究，優化焊接工藝，得出最佳的焊接工藝參數，使之能夠成為編制焊接工藝指導書的依據。

4.1 焊接材料的選擇

由于主材結構為Q345qE鋼，對焊縫的低溫沖擊韌性要求嚴格，制造難度大，所以在選擇焊接材料時，根據其主材的力學性能，考慮主材等強性、具有一定的彎曲性能和有良好焊接性的原則，結合國內焊接材料的生產和同類鋼板材質焊接的成果，選擇的埋弧焊焊接材料為：

焊絲H10Mn2，焊絲直徑為4 mm，符合GB/T12470-2003。

焊劑SJ105，符合GB/T12470-2003。

焊絲、焊劑的化學成分和力學性能見表2和表3。

表2 焊絲、焊劑的化學成分

表3 焊絲、焊劑的力學性能

4.2 工藝參數的制定

4.2.1 對接焊縫坡口形式及焊接方法

對接試板1組，采用埋弧焊H10Mn2(Φ4)+SJ105進行焊接，試板為尺寸150×20 mm的兩塊Q345qE鋼對接，坡口形式見圖1；焊接位置為平焊，先焊正面，后反面碳弧氣刨清根、打磨，焊接反面，見圖2。

圖1 坡口形式

圖2 熔敷簡圖

4.2.2 焊接工藝參數的確定

根據坡口尺寸，為保證焊接質量和焊縫的力學性能，采取小電流多道焊工藝進行焊接，并嚴格控制熱輸入量和焊道層間溫度，使其在工藝上保證焊接接頭的質量。

焊接工藝參數見表4。

表4 對接接頭焊接工藝參數

4.2.3 焊接質量的控制

（1）焊接人員控制：焊工必須持證上崗，從事其證書規定范圍內的焊接操作；焊工被發現焊接質量不穩定時，立即下崗培訓，合格后再重新上崗；焊工不得疲勞作業。

（2）焊接設備控制：保證埋弧焊機、烘干箱等設備的計量指示準確，焊接電源輸入電壓穩定。

（3）焊接材料控制：焊接材料必須見進廠復驗合格單方可使用；焊劑必須按規定烘干后使用，嚴禁使用生銹焊絲和受潮焊劑。

（4）焊接環境控制：要求焊接作業的環境溫度在5℃以上，相對濕度不大于80%，現場焊接必須在防風雨設施內進行。

（5）焊接工藝控制：由焊接工藝評定確定焊接方法和焊接工藝參數且必須嚴格執行；規定焊接順序、焊接方向，綜合控制焊接變形。

（6）焊接過程控制：焊接前待焊焊縫50 mm范圍進行打磨，不得帶銹焊接；埋弧焊在引板上的起熄弧長度大于80 mm，焊后切掉引板，不得用錘擊落；有預熱要求的焊縫，預熱范圍為焊縫兩側50～100 mm，溫度由工藝評定確定。

（7）焊接檢查控制：外觀檢查嚴格按焊縫外觀檢查質量標準執行，內部無損檢驗嚴格按焊縫內部質量無損檢驗標準執行。檢驗前必須校對檢驗儀器的靈敏度，保證儀器的正常使用。

5 試驗結果

5.1 試驗結果

對接接頭分別進行了焊縫金屬拉伸、接頭拉伸、彎曲、低溫沖擊等機械性能試驗，試驗結果見表5和表6。

表5 對接接頭焊縫拉伸試驗結果

表6 對接接頭焊縫沖擊試驗結果

5.2 結果分析與評定

5.2.1 焊縫強度

由表5的焊縫金屬拉伸試驗結果可以看出，各種接頭的焊縫強度均高于母材標準值。對接焊縫的接頭拉伸試驗均斷在母材，也說明焊縫金屬強度高于母材。對接焊縫的屈服強度均不超過母材實際值100 MPa。

5.2.2 塑性

由表5的焊縫金屬拉伸試驗結果可以看出，焊縫金屬的伸長率均高于母材標準值。表6對接接頭的彎曲試驗結果均為完好，表明焊接接頭的塑性良好。

5.2.3 韌性

由表6的接頭低溫沖擊試驗結果可以看出，對接焊縫的低溫沖擊功均大于34J，符合技術要求。

6 效果與收獲

焊接工藝評定試驗中所用工藝參數可以作為鄭州黃河公鐵兩用橋跨大堤鋼管拱焊接施工中編制焊接工藝文件的依據。

通過Q345qE鋼對接接頭的埋弧焊焊接工藝評定的研究，檢驗焊縫質量,分析焊接接頭的低溫沖擊韌性,測試其力學性能。試驗結果表明,只要焊接材料匹配正確,工藝參數合理,所獲得的焊接接頭質量良好,焊接接頭強度、塑性和低溫沖擊韌性均能達到母材水平。

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