提高鋼橋薄板對接焊縫低溫韌性研究

張 華，舒先慶，阮家順，范澤平，楊 穎

(武船重型工程有限公司，湖北 武漢 430415)

提高鋼橋薄板對接焊縫低溫韌性研究

張 華，舒先慶，阮家順，范澤平，楊 穎

(武船重型工程有限公司，湖北 武漢 430415)

鋼橋梁段總成制造對接焊縫主要采用CO2氣保焊與焊埋弧自動焊組合焊接工藝。針對板厚12mm、14 mm的對接焊縫低溫韌性低下的問題，研究了鋼橋梁段總成對接焊縫的焊縫構成，分析了影響焊縫金屬低溫韌性的影響因素，通過試驗研究，給出了兩種技術方案：一是調整CO2焊焊層與埋弧焊焊層厚度比例，增加CO2焊打底焊層厚度可有效提高焊縫低溫韌性；二是采用直徑φ 3.2 mm埋弧焊絲進行薄板對接接頭分道焊接，可大幅提高焊縫低溫韌性。采用改進后的焊接工藝，薄板對接焊縫中心低溫韌性試驗值均能滿足規范要求，且具有了一定的富裕量。

鋼橋；梁段總成；薄板；對接焊縫；低溫韌性

0 前言

在鋼橋制造過程中，焊接接頭的低溫韌性是其質量驗收重要指標之一。鋼橋制造一般分為板單元件制作、梁段總成和成橋梁段組焊三個階段。面、底板板厚多為12～16 mm，在鋼橋梁中定義為薄板。在梁段總成對接時，為創造良好的焊接位置條件，一般采用背面貼加陶質襯墊，CO2氣保焊打底，埋弧焊填充、蓋面結合的焊接方式，同時該方式降低了對裝配精度的要求，焊縫外觀成形較好，效率也較高，因此得到了廣泛應用，但是保證其較高的低溫韌性是鋼橋焊接工藝中的難點。

目前，《鐵路鋼橋制造規范》(TB10212-2009)已生效使用，新規范相比舊規范TB10212-1998版對焊縫低溫韌性作了更高的要求。對于常用的橋梁用鋼，母材韌性標準值為-20℃試驗溫度下沖擊韌性值47 J，新規范規定焊接接頭中焊縫金屬與熱影響區韌性值不低于母材標準，也就是焊縫的韌性值也必須達到47 J以上，而舊規范僅要求焊縫韌性值為27 J，要求大幅提高。本研究暫不討論將焊縫韌性要求等同于母材要求的合理性，但根據大量實踐數據，按目前工藝焊接的鋼橋薄板對接接頭，對于12 mm或14 mm板厚鋼板，其焊縫熱影響區低溫韌性均值一般可達50 J以上，而焊縫中心的低溫韌性均值基本上為30～50 J(-20℃)，富裕量不多甚至難以達到合格要求。因此，如何保證焊縫金屬中心韌性符合規范要求并有一定的富裕量，是急需解決的技術難題。

在此，針對板厚12 mm、14 mm的對接焊縫低溫韌性低下的問題，研究鋼橋薄板對接焊縫的焊縫構成，分析影響焊縫金屬低溫韌性的影響因素，尋求有效提高焊縫低溫韌性的可靠途徑。

1 工藝特點和研究內容

1.1 鋼橋薄板對接接頭焊縫構成

鋼橋薄板對接焊縫采用背面貼陶質襯墊，CO2氣保焊打底，埋弧焊填充、蓋面結合的焊接方式，接頭形式如圖1所示?，F有工藝CO2氣保焊焊層為防止埋弧焊焊道焊穿，需打兩道底，埋弧焊絲直徑φ 5.0mm，每道焊縫有較大的寬度尺寸，受坡口張口尺寸所限，埋弧焊層僅適合單道焊縫，其中對于12 mm板厚，其埋弧焊層為一層，對于14 mm板厚，其埋弧焊層為兩層。焊縫宏觀斷面如圖2所示。

圖1 鋼橋薄板焊接接頭示意

圖2 鋼橋薄板焊縫宏觀斷面

1.2 鋼橋薄板對接焊縫韌性低的原因分析

根據長期以來所做的各類氣保焊和埋弧焊焊材復驗情況，其熔敷金屬低溫韌性通常保持較高的水平，均值基本上能達到100 J(-20℃)以上；同樣，在厚板采用多層多道焊時，焊縫低溫韌性也可達到80J以上，為什么焊材熔敷金屬具有很高的韌性，而薄板對接接頭的焊縫金屬低溫韌性會大幅下降？

熔敷和對接焊道分布以及沖擊試樣的取樣位置、缺口位置如圖3所示。

圖3 焊道分布與沖擊試樣及缺口的位置關系示意

由圖3可知，熔敷接頭的焊道分布為一層兩道，沖擊試樣的缺口位置位于焊道交叉部位，該處組織受后續焊道熱作用的影響，組織晶粒得以細化，因此韌性較高；對接接頭的焊道布置與之不同，沖擊試樣的缺口位置處于焊道中心，該處組織有明顯的柱狀晶形態，這是對接接頭韌性下降的原因之一。

焊縫金屬在凝固過程中，低熔點夾雜物會在焊道中心聚集，存在區域偏析，夾雜物含量高將導致組織脆化。在對接接頭中，焊道布置為每層單道焊，沖擊試樣缺口位置恰好為每層焊道的中心處，此處為焊道的薄弱部分，這也是對接接頭焊道韌性下降的一個原因。

由于部分母材金屬熔化進入熔池，對接接頭的成分與熔敷接頭相比，各種強化元素如C、Si、Mn等含量均增加，因此強化元素含量的增加也是對接接頭韌性下降的因素之一。

針對鋼橋薄板對接接頭，在焊縫背面貼加了陶質襯墊，由于焊接高溫作用，在靠近陶質襯墊部分焊縫難免存在一定增Si現象，硅化物的增多同樣會對焊縫性能起脆化作用，這也是焊縫韌性下降的因素之一。

1.3 研究內容

由于埋弧焊使用的焊接電流較大，焊縫熔深也較大，在鋼橋薄板對接焊接頭中，埋弧焊層焊縫厚度占鋼板厚度的大部分比例，在沖擊試樣(10 mm× 10 mm)截取部分中，大部分為埋弧焊層焊縫，小部分為CO2氣保焊層焊縫，如圖4所示。由此可見，接頭焊縫低溫沖擊試驗值主要取決于埋弧焊層焊縫的組織和性能，側重于研究改進埋弧焊工藝可達到提高焊縫韌性的目的。

圖4 焊縫構成與沖擊試樣

研究內容：(1)考慮到現有工藝已成熟應用，在現有工藝基礎上，通過調整焊接材料和工藝參數來改善焊縫組織和性能；(2)避免埋弧焊每層單道焊對焊縫中心低溫韌性的不利影響，采用細絲埋弧焊工藝(每道焊縫寬度較窄)來實現對接接頭的多層多道焊，從而提高焊縫中心的低溫韌性。

2 現有焊接工藝改進

在現有焊接工藝的基礎上，先后進行了大量探索性的試驗，涉及到的試驗要素有焊接材料、焊縫層數與焊層厚度、CO2焊焊層與埋弧焊焊層厚度比例、焊接參數、氣體流量、沖擊試樣的取樣部位與缺口的位置等，以尋找最優的方式來提高焊縫中心的低溫韌性。分析了焊縫中心處低溫韌性的影響因素，邏輯關系如圖5所示，并以此制訂了試驗方案。

圖5 焊縫中心處低溫韌性的影響因素

2.1 試驗條件和要求

母材材質Q345D，規格12mm×150 mm×500 mm、14mm×150mm×500mm，長邊單側25°；CO2氣保焊實心焊絲ER50-6 φ 1.2mm；埋弧焊絲H10Mn2 φ 5.0mm和H08Mn2E φ 5.0mm；焊劑SJ101、SJ101q、SJ105；坡口根部間隙均為8 mm。焊接方式為：板厚12 mm鋼板，CO2氣保焊打底一層、填充一層、埋弧焊蓋面一層，不分道焊接；板厚14 mm鋼板采用多層單道焊。

2.2 試驗方案和結果

試驗方案如表1所示，試驗結果如表2所示。

2.3 分析討論

根據試驗結果，焊縫強度和塑性都很均勻，其中平均屈服強度σs＝423MPa，平均抗拉強度σb＝528MPa，均符合母材鋼板標準的要求，強度超高不多，平均屈強比為0.8較合適，塑性良好。從焊縫金屬化學成分結果看，數據均勻，波動較小，且S、P等有害元素含量較低。從沖擊試驗結果看，各組平均值為30～70 J，在不同的工藝條件下存在一定的差異。

(1)焊接材料比較。

試板焊接時均采用實心焊絲ER50-6，φ 1.2mm；埋弧焊絲H10Mn2、H08Mn2E，φ 5.0 mm；埋弧焊劑有SJ101、SJ101q、SJ105。

在板厚12 mm的試板中，編號R-01、R-02分別與編號R-07、R-08對應，前者用H10Mn2焊絲、后者用H08Mn2E焊絲，其余參數無任何區別，前者沖擊值為56J和61J，后者沖擊值為64J和67J?？梢?，采用焊絲H08Mn2E、焊劑SJ101配合沖擊值提高約10%。同樣在板厚14 mm的試板中，編號R-17、R-18沖擊值分別為58J和86J，后者數值明顯較高。按一般理解，H08Mn2E較H10Mn2成分雜質含量更低，易得到韌性更高的焊縫。然而比較R-03與R-10，發現情況相反，是因為焊接條件中改變了焊絲傾角10°，還是其他偶然因素的影響？目前尚不清楚，但可以得出以下結論：在正常條件下，采用焊絲H08Mn2E、焊劑SJ101配合能得到更高的焊縫韌性。

表1 焊接試驗方案

表2 試驗結果

選用焊劑的對比。SJ101q為橋梁鋼焊接用燒結焊劑，但從試驗結果來看，并沒有發現SJ101q焊劑與H10Mn2焊絲配合焊接薄板對接焊更有優勢，也沒有發現SJ101q焊劑與H08Mn2E焊絲配合接頭焊縫低溫韌性值更高，甚至比SJ101低；SJ105為堿度更高的燒結焊劑，試驗結果也不理想。

(2)CO2焊焊層與埋弧焊焊層厚度比例的比較。

編號R-01、R-07、R-14分別與編號R-02、R-08、R-15對應，兩者采用的焊接材料與焊接方式相同，區別是CO2焊焊層與埋弧焊焊層厚度不同，前者CO2焊焊層厚度相對較薄，埋弧焊焊層相對較厚，前者沖擊值分別為56 J、64 J、33 J，后者沖擊值分別為61 J、67 J、56 J，后者數據明顯較高。究其原因：第一，埋弧焊焊層較薄，對應的焊接熱輸入量較小，焊縫金屬高溫階段冷卻速度較快，有助于焊縫鑄態組織細化，同時每層焊道厚度減薄，前續焊道可充分利用后續焊道的熱處理作用改善組織，從而提高韌性；第二，埋弧焊焊縫成分與組織的區域偏析是引起接頭焊縫中心韌性下降的重要原因。CO2氣保焊焊道中心沖擊值較埋弧焊焊道中心高，且離散度小，因此CO2焊焊層較厚者沖擊值較高。

(3)埋弧焊絲加一定傾角與不加傾角的比較。

編號R-01和編號R-03對應，后者埋弧焊絲加了后傾角10°，其余參數相同，前者沖擊值為56 J，后者沖擊值為63 J；而編號R-02與編號R-04相比，雖然后者也加了傾角10°，但后者的沖擊值較前者稍低，因此焊接時埋弧焊絲有無傾角對焊縫韌性的影響并沒有明顯的規律。

(4)焊接參數的影響。

當焊接坡口尺寸一定時，每一層焊縫的厚度與焊接熱輸入量成線性關系，焊接熱輸入量越大，焊層越厚。因此，當確定了CO2焊焊層與埋弧焊焊層厚度比例，以及焊縫層數，也就限定了焊接熱輸入量。

對于12 mm厚板，CO2焊兩層，埋弧焊一層，焊縫層次沒有更多選擇的余地；對于14 mm厚板，增加焊縫層數，即減少每道焊的熱輸入量，可改善焊縫低溫韌性，如編號R-16、R-17、R-18試板焊縫沖擊值明顯高于R-14、R-15。當然，焊縫層數的增加會導致焊接效率的降低。

當焊接熱輸入量一定時，可適當調節規范參數間的匹配，如R-05與R-02相比，同時減小焊接電流和焊接速度，但從試驗結果來看，對焊縫韌性的改善效果并無明顯的差異。

綜上所述，埋弧焊層采用H08Mn2E焊絲，匹配SJ101燒結焊劑，可得到低溫韌性較高的焊縫；調整CO2焊焊層與埋弧焊焊層厚度比例，增加CO2焊打底焊層厚度是提高焊縫韌性的有效途徑。對于14mm厚板的對接焊，適當地減少每層焊縫的厚度，增加焊縫層數，也可有效提高焊縫低溫韌性。

3 細絲埋弧焊工藝

嚴格來講，細絲埋弧焊的焊絲直徑應小于3.0 mm，利用電弧自身調節系統，采用平特性電源配等速送絲系統。本研究擬采用φ 3.2 mm焊絲，仍為弧壓反饋調節系統，但相對于常用的φ 5.0 mm焊絲來說，也稱之為“細絲”埋弧焊。

3.1 試驗方案

試板的焊接方式仍為CO2氣保焊打底，埋弧焊填充蓋面，其中打底焊道采用CO2氣保焊焊絲ER50-6，φ 1.2 mm，填充、蓋面焊采用埋弧焊絲H10Mn2，φ 3.2 mm，焊劑采用SJ101。根據薄板對接焊坡口尺寸的實際情況，選用φ 3.2mm的埋弧焊絲進行焊接，若直徑過大，其焊縫熔寬不適合于一層兩道焊；若直徑過小，則會導致焊接效率過低。

試板規格分別為12mm×150mm×500mm、14 mm× 150 mm×500 mm，其中厚度為12 mm板埋弧焊焊一層，厚度為14 mm埋弧焊焊兩層。焊縫成形如圖6所示。

3.2 試驗結果和分析

試驗焊接工藝參數如表3所示。

表4為焊縫低溫韌性結果，其中R-14為現有工藝改進方案中的沖擊值。從表4可以看出，采用φ 3.2 mm埋弧焊絲焊接薄板對接接頭，其焊縫低溫韌性值處于很高的水平，相比于φ 5.0 mm焊絲單道焊接的成倍提高，也驗證了多道焊與單道焊焊縫中心低溫韌性存在明顯差異的現象。

兩種不同工藝條件下14 mm厚板的焊縫宏觀斷面如圖7所示。

試板R-14埋弧焊部分呈現的是一個焊道的焊縫組織，試板D2埋弧焊部分呈現的是兩個區域的焊縫組織，焊縫中心處于兩焊道交叉部位。

截取兩者焊縫中心部位觀察其金相組織，如圖8所示。

由圖8可知，試板R-14焊縫中心組織柱狀晶方向垂直于母材表面，其先析鐵素體含量較高；試板D2焊縫中心組織柱狀晶方向約與母材表面成45°，先析鐵素體含量相對較少，針狀鐵素體含量相對較高，究其原因是后者焊接熱輸入量較低，冷卻速度較快(t8／5減少)，抑制先析鐵素體的產生，促進了針狀鐵素體的形成；此外圖8b還顯示前續焊道已被后續焊道不完全正火。

值得一提的是，采用細絲埋弧焊多層多道焊工藝能大幅提高焊縫低溫韌性，但也增加了焊縫層數，降低了生產效率，一定程度上影響了該工藝在實際生產中的適應性。對于14mm板厚鋼板，其焊接角變形量較φ 5.0 mm焊絲單道焊的稍大。

圖6 細絲埋弧焊接頭焊縫成形示意

表3 薄板對接焊焊接工藝參數

表4 薄板對接焊縫低溫韌性

圖7 不同工藝條件下的焊縫宏觀斷面

4 結論

(1)分析了鋼橋薄板對接接頭的焊縫構成本質和影響其焊縫中心低溫韌性的內在因素，給出的兩種技術方案其薄板對接焊縫低溫韌性試驗值均達到54 J以上，相比舊標準值27 J提高了一倍，相比新標準值也具有一定的富裕量。

(2)可在現有工藝基礎上進行改進，調整CO2焊焊層與埋弧焊焊層厚度比例，增加CO2焊打底焊層厚度是提高焊縫韌性的有效途徑；埋弧焊層采用H08Mn2E焊絲，匹配SJ101燒結焊劑，可得到低溫韌性較高的焊縫；對于14 mm厚板的對接焊，適當地減少每層焊縫的厚度，增加焊道層數，也可有效提高焊縫低溫韌性。

圖8 焊縫中心金相組織

(3)對于12 mm、14 mm板厚鋼橋薄板對接焊，采用細絲埋弧焊絲進行薄板對接接頭分道焊接，可大幅提高焊縫低溫韌性，且具有很高的韌性富裕量。此方案從根本上解決了薄板焊縫中心低溫韌性低下的問題，但一定程度上也影響到焊接生產效率。

Research on improvement of low-temperature toughness for thin plate butt weld of steel bridge

ZHANG Hua，SU Xian-qing，RUAN Jia-sun,FAN Ze-ping，YANG Ying
(Wuship Heavy Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430415，China)

The combined welding technique of CO2welding and submerged arc welding is adopted for butt weld of girder assembly of steel bridge.As the low-temperature toughness is low for butt weld of plate thickness about 12 mm and 14 mm，this paper made a research on the structure of butt weld for girder assembly of steel bridge，and analyzed the effect factor of low-temperature toughness，and gave two technique schemes through a series of experiment in the end.The first one is to adjust the thickness proportion between CO2welding and submerged arc welding layers.The increase of thickness of CO2welding layer can efficiently improve low-temperature toughness.The second one is to use φ 3.2 mm submerged arc wire for thin plate butt weld,which can greatly improve low-temperature toughness.When adoptment of improved welding technique，the low-temperature toughness value of thin plate butt weld can satisfy criterion requirement and have a certain margin.

steel bridge；girder assembly；thin plate；butt weld；low-temperature toughness

TG457

A

1001-2303(2011)08-0046-07

2011-07-10

張 華(1981—)，男，浙江人，工程師，學士，主要從事鋼橋焊接技術工作。