500 MPa級(jí)高性能橋梁鋼板的焊接性研究

周蘭聚，侯東華，賈慧領(lǐng)，王福同

（山鋼股份濟(jì)南分公司，山東濟(jì)南 250101）

試驗(yàn)研究

500 MPa級(jí)高性能橋梁鋼板的焊接性研究

周蘭聚，侯東華，賈慧領(lǐng)，王福同

（山鋼股份濟(jì)南分公司，山東濟(jì)南 250101）

結(jié)合焊接性理論分析，對(duì)500 MPa級(jí)高性能橋梁鋼板開(kāi)展了焊接熱影響區(qū)最高硬度、斜Y坡口焊接裂紋和對(duì)接接頭系列溫度沖擊試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)鋼的碳當(dāng)量CEV為0.44%，Pcm為18%，在室溫下焊接熱影響區(qū)最高硬度為274 HV10，淬硬傾向小；采用焊條電弧焊和氣體保護(hù)焊時(shí)，板厚≤32 mm時(shí)不需要預(yù)熱；板厚＞32～60 mm時(shí)需要預(yù)熱80℃；焊接熱影響區(qū)的ETT50達(dá)到-60℃，具有良好的低溫沖擊韌性。試驗(yàn)鋼板焊接性良好，可應(yīng)用于高性能橋梁的建設(shè)。

高性能鋼；焊接性；裂紋敏感指數(shù)；淬硬性

1 前言

為滿足大型橋梁鋼結(jié)構(gòu)輕量化、安全、長(zhǎng)壽要求，國(guó)內(nèi)外材料工作者提出高性能鋼（High Performance Steel—HPS）的概念。高性能鋼材主要是指材料的某項(xiàng)或幾項(xiàng)性能較傳統(tǒng)鋼材得到明顯改善的鋼材，除了具備較高強(qiáng)度外，鋼材的焊接性能、低溫韌性，尤其是耐腐蝕性能有較大幅度提高。近年來(lái)，橋梁用高性能鋼已成為國(guó)際鋼鐵材料研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，如美國(guó)ASTM709中的HPS-70W鋼、HPS-100W和日本新日鐵公司BHS500、BHS700W系列高強(qiáng)度鋼等在國(guó)際上得到了較為廣泛的應(yīng)用［1］。京滬高鐵南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋采用420 MPa級(jí)橋梁鋼，屈服強(qiáng)度500 MPa級(jí)橋梁鋼設(shè)計(jì)應(yīng)用的前期工作還在進(jìn)行中，其焊接性是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)［2］。本研究對(duì)該級(jí)別材料的焊接性進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

以GB 417—2008《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》為基礎(chǔ)，結(jié)合工程技術(shù)要求，低碳成分設(shè)計(jì)，添加Cu、Ni、Cr、Mo等提高耐候性和淬透性合金元素，采用Nb、Ti微合金化，配合TMCP軋制工藝，試制Q500q鋼板的化學(xué)成分見(jiàn)表1。試驗(yàn)用鋼板厚度分別為32 mm、60 mm，TMCP狀態(tài)，金相組織為針狀鐵素體。常規(guī)力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 Q500q鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

根據(jù)橋梁工程設(shè)計(jì)和鋼板加工焊接要求，對(duì)厚度32 mm、60 mm的Q500q鋼板進(jìn)行CO2氣體保護(hù)焊（MAG）和手工電弧焊（MAW）兩種方法的焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)、斜Y坡口CO2氣體保護(hù)焊和埋弧自動(dòng)焊焊接裂紋試驗(yàn)、埋弧自動(dòng)焊對(duì)接接頭系列溫度沖擊試驗(yàn)，利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)該鋼板的焊接性進(jìn)行理論分析，以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接工藝。CO2氣體保護(hù)焊采用藥芯焊絲YCJ601Ni-QL（Φ 1.2），手工電弧焊采用CJ607Q（Φ4）焊條，埋弧自動(dòng)焊采用MCJ-60QL（Φ4）+SJ105q。

表2 Q500q鋼板力學(xué)性能

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 鋼板焊接性的理論計(jì)算

3.1.1 碳當(dāng)量計(jì)算

為確保按ASTM G101-4計(jì)算的耐腐蝕指數(shù)I≥6.0，該鋼采用了耐候性成分設(shè)計(jì)。通常用碳當(dāng)量來(lái)評(píng)價(jià)鋼的淬硬性傾向及焊接性，橋梁界廣泛應(yīng)用國(guó)家焊接學(xué)會(huì)(IIW)推薦的公式，計(jì)算的試驗(yàn)鋼板CEV為0.44%，一般認(rèn)為CEV≤0.45%，鋼板焊接性良好。其中：

3.1.2 焊接裂紋敏感組分

對(duì)于碳含量＜0.15%的鋼種，采用日本依藤(IIO)冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm來(lái)評(píng)價(jià)鋼的抗冷裂紋能力更為準(zhǔn)確，其計(jì)算公式如下：

試驗(yàn)鋼按上式計(jì)算的Pcm為0.18%。按日本焊接協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)W ES3009《低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)度》規(guī)定，當(dāng)Pcm≤0.20%時(shí)，焊前不預(yù)熱或低預(yù)熱即可防止根部裂紋，鋼板的抗冷裂紋能力優(yōu)異，焊接性良好。

3.2 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)

分別采用手工電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊兩種焊接工藝，對(duì)厚度32 mm和60 mm的Q500q鋼板按照《焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法》（GB4 675.5—1984）的規(guī)定進(jìn)行焊接熱影響區(qū)（HAZ）最高硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 32mm厚鋼板HAZ最高硬度曲線

圖2 60mm厚鋼板HAZ最高硬度曲線

在室溫條件下，板厚32 mm和60 mm的Q500q鋼板采用氣體保護(hù)焊熱影響區(qū)最高硬度分別為260 HV10和274 HV10；采用焊條電弧焊熱影響區(qū)最高硬度分別為267 HV10和246 HV10，均低于350 HV10，鋼板淬硬傾向小。

3.3 斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)

按照《焊接性試驗(yàn)斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》（GB 4675.1—1984），對(duì)板厚32 mm的鋼板不預(yù)熱，對(duì)板厚60 mm的鋼板不預(yù)熱和預(yù)熱80℃分別進(jìn)行焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，板厚32 mm的鋼板不預(yù)熱，采用藥芯氣體保護(hù)焊和采用焊條電弧焊均無(wú)裂紋；板厚60 mm的鋼板不預(yù)熱，兩種焊接方法試樣都發(fā)現(xiàn)斷面裂紋；預(yù)熱80℃兩種焊接方法均無(wú)裂紋。可見(jiàn)，當(dāng)采用焊條電弧焊和氣體保護(hù)焊時(shí)，板厚≤32 mm時(shí)不需要預(yù)熱；板厚＞32～60 mm時(shí)需要預(yù)熱80℃。

3.4 對(duì)接接頭系列沖擊試驗(yàn)

對(duì)接焊縫采用氣體保護(hù)焊打底和埋弧自動(dòng)焊填充的方法焊接，32 mm+32 mm鋼板焊接熱輸入量在27 kJ/cm左右，60 mm＋60 mm鋼板焊接熱輸入在40 kJ/cm左右。對(duì)對(duì)接接頭的焊縫金屬和熱影響區(qū)（熔合線外1 mm處）進(jìn)行系列溫度沖擊試驗(yàn)，每套沖擊3個(gè)試樣，取平均值，獲得對(duì)接接頭系列溫度沖擊值，具體見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 32mm＋32 mm對(duì)接接頭系列溫度沖擊趨勢(shì)

圖4 60mm＋60 mm對(duì)接接頭系列溫度沖擊趨勢(shì)

采用沖擊吸收功上下平臺(tái)區(qū)間50%所對(duì)應(yīng)的溫度ETT50作為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，板厚32 mm、60 mm的Q500q鋼板對(duì)接接頭的焊縫金屬ETT50為-45℃，熱影響區(qū)ETT50為-60℃。

3.5 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)鋼板不但具有良好強(qiáng)塑韌性，還具有良好的焊接性，實(shí)物Pcm值僅為18%、CEV值僅為0.44%，焊接裂紋敏感性較低。在室溫條件下，板厚32 mm和60 mm的Q500q鋼板MAG、MAW工藝下焊熱影響區(qū)最高硬度為274 HV10，遠(yuǎn)低于350 HV10，鋼板淬硬傾向小。斜Y坡口試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明鋼板冷裂紋敏感性低，板厚≤32 mm時(shí)不需要預(yù)熱焊接，板厚＞32～60 mm時(shí)預(yù)熱80℃即可完全避免冷裂紋的產(chǎn)生。

圖5、圖6為鋼板對(duì)接接頭熔合線附近金相組織，左側(cè)部分為粗晶區(qū)組織，右側(cè)部分為焊縫組織。無(wú)論32 mm還是60 mm厚鋼板粗晶區(qū)組織均以未過(guò)分長(zhǎng)大的貝氏體為主，從而保證了熱影響區(qū)良好的韌性，而焊縫金屬主要為細(xì)小的針狀鐵素體組織，先共析鐵素體組織較少?gòu)亩购缚p具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性。試驗(yàn)用500 MPa級(jí)鋼板組織是致密的針狀鐵素體組織，由于采用了較低的碳含量和碳當(dāng)量的成分，并具有合理的Cr、Mo、Ni等淬透性元素的合理調(diào)配，在焊接熱循環(huán)過(guò)程中，鋼中一些微合金化元素的析出物可以釘扎晶界抑制組織長(zhǎng)大［3］，可以在較寬泛的熱數(shù)量范圍內(nèi)獲得相對(duì)細(xì)小的貝氏體組織，從而獲得了較為理想的沖擊韌性，熱影響區(qū)的ETT50可達(dá)到-60℃。

圖5 32mm厚鋼板對(duì)接接頭熔合線附近組織

圖6 60mm厚鋼板對(duì)接接頭熔合線附近組織

4 結(jié)論

4.1 試驗(yàn)鋼的碳當(dāng)量CEV為0.44%、冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm為18%，在室溫下焊接熱影響區(qū)最高硬度為274 HV10，淬硬傾向小，焊接性能優(yōu)良。

4.2 當(dāng)采用焊條電弧焊和氣體保護(hù)焊時(shí)，板厚≤32 mm時(shí)不需要預(yù)熱；板厚＞32～60 mm時(shí)預(yù)熱80℃，即可完全防止冷裂紋的產(chǎn)生。

4.3 焊接熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50達(dá)到-60℃，具有良好的低溫沖擊韌性。這是因?yàn)樵囼?yàn)鋼所具有的低碳成分設(shè)計(jì)和針狀鐵素體組織，能夠保證較寬泛的熱輸入量范圍內(nèi)可獲得相對(duì)細(xì)小的貝氏體組織。

［1］NISHIMURA Kimihiro,MATSUI kazuyuki,TSUMURA Naoyoshi.High Performance Steel Plates for Bridge Construction-High Strength Steel Plates with Excellent Weldability Realizing Advanced Design for Rationalized Fabrication of Bridges［J］.JFE TECHNICAL REPORT，2005，5：30.

［2］胡曉萍，溫東輝，李自剛.高性能橋梁用鋼的發(fā)展［J］.材料熱處理技術(shù)，2008，37（22）：92.

［3］亓效剛，陳茂愛(ài)，陳俊華，等.Ti-Nb微合金鋼種第二相粒子對(duì)CGHAZ組織及韌性的影響［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，41（6）：86-92.

Study on the Weldability of Grade 500 MPa High Performance
Steel Plate for Bridges

ZHOU Lanju,HOU Donghua,JIA Huiling,WANG Futong

（The Jinan Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

Based on the weldability theoretical analyzing，the maximum hardness of welding heat-affected zone(HAZ)，small Y type cracking and butt welded joint series temperature impact of 500 MPa high performance steel were tested.The results showed,when the carbon equivalent CEV and Pcm of test steel are 0.44 and 0.18 percent,the maximum hardness of HAZ under room temperature is 274 HV10,when the thickness of steel plate is less than or equal to 32 mm,no preheating process is needed,else when more than 32 mm but less than 60 mm,the preheating process is necessary and preheating temperature is 80℃.The ductility brittleness transition temperature ETT50 of HAZ achieve at-60℃，which shows the toughness is very well.By mentioned above,that weldability of test steel plate perform well，the test steel can be used in construction of high performance bridges.

high performance steel;weldability;crack sensitive index;hardenability

TG457.11

A

1004-4620（2015）01-0026-03

2014-06-20

周蘭聚，男，1968年生，1989年畢業(yè)于華東冶金學(xué)院鋼鐵冶金專業(yè)；2006年畢業(yè)于山東大學(xué)材料工程專業(yè)，工程碩士。現(xiàn)為山鋼股份濟(jì)南分公司用戶應(yīng)用技術(shù)中心高級(jí)工程師，從事煉鋼工藝技術(shù)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。