高強度橋梁鋼焊縫微觀組織及性能研究綜述

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(1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢 643000；2.四川輕化工大學 材料科學與工程學院，四川 自貢 643000)

1 國內外橋梁鋼的發展

自2008年南方雪災過后，國家對全國交通網絡等基本設施的投入增強。橋梁作為交通系統中的重要組成部分得到了大力發展。橋梁建設事業的快速發展不僅對橋梁用鋼的“量”有了需求，而且對其“質”也有了更高的需求。我國自20世紀50年代以來，自主開發設計了一系列橋梁及配套橋梁用鋼[1-3]。根據我國橋梁鋼的發展過程來看，橋梁鋼的發展和橋梁設計的發展密不可分。主要指標要求為強度、韌性以及施工過程中的焊接性，使得橋梁鋼的強度和韌性不斷提高。美國是較早開始將高強度鋼材應用于橋梁建設的國家之一。美國橋梁鋼的發展經歷了250、345(345S，345W)、485(485W)、690(690W)等4個等級。1962年，美國將690MPa級的HPS100W鋼首次使用于橋梁建設中。1991年，美國開始研發設計新鋼種(HPS345W、HPS485W、HPS690W)。2003年，HPS690W鋼在橋梁中投入使用。目前關于該系列鋼材的更深入的研究工作還在繼續[4-5]。

日本作為亞洲唯一的發達國家，在橋梁鋼的研究與應用方面一直處于領先地位。20世紀50年代，日本開始使用500 MPa、600 MPa級的高強度鋼材。自1960年起，日本的橋梁建設大多采用600 MPa級甚至是800 MPa級的高強度鋼材。1997年，超級鋼材項目啟動，日本鋼材的發展進一步加快[6-7]。

2 橋梁鋼焊接方法

我國目前的橋梁用鋼已經邁入了高強度鋼的時代，常用的鋼材有370 MPa、420 MPa、500 MPa級的高強度鋼材。按橋梁結構用鋼國家標準GB/T714-2015，我國的橋梁結構用鋼有8個強度等級，4個質量等級。

國外目前已經普遍使用多頭自動焊接機械手臂等自動化裝置進行焊接。與國外相比，國內橋梁鋼焊接大多采用手工電弧焊，埋弧電弧焊等。這種焊接方式與操作者經驗有很大關系，效率低，質量得不到保障。目前，隨著橋梁建設的發展，一些高效率的焊接方式開始受到重視，如CO2自動焊及半自動焊。此類技術主要應用于懸索橋和斜拉橋，但對于公路鐵路兩用橋，一般仍舊已埋弧焊為主，其他方式的自動半自動焊接為輔。我國在橋梁建設自動化焊接領域還有很大的發展空間。

3 橋梁鋼焊接頭研究

3.1 橋梁鋼焊接頭組織與力學性能

焊縫區組織一般為粗大的柱狀晶，或呈針狀。而熱影響區受焊接熱循環的影響一般存在晶粒長大現象[8-11]。Q500qE鋼材中含有微量的Nb、V、Ti，此類元素為強碳/氮化物形成元素。碳/氮化物能阻礙晶界移動，抑制晶粒長大，以提高材料的強度和韌性。焊接過程中的熱輸入量過高會溶解碳/氮化物，使其失去抑制晶粒長大的作用[12]。故焊接過程中選擇合適的焊接工藝參數對焊接頭的綜合性能十分重要。

陳尹澤等對TMCP橋梁鋼Q420qE進行焊接，并對其焊接頭進行了研究分析。結果顯示：焊接頭平均屈服強度與抗拉強度為469 MPa、574 MPa，焊接頭延伸率下降2%，焊接頭與母材并無明顯的硬度差別。焊縫組織為粗大的先共析鐵素體+針狀鐵素體+細小的M/A島；粗晶區組織為針狀鐵素體+粒狀貝氏體+板條狀貝氏體；細晶區組織為多邊形鐵素體+少量珠光體；母材為多邊形鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體[13]。對比四個區域發現，僅在焊縫部位出現了粗大的先共析鐵素體及M/A島，先共析鐵素體在熔池冷卻凝固的較高溫度段形核，然后長大。針狀鐵素體在原奧氏體晶內形核，內部具有較高的位錯密度，互相之間的接觸角大，可以有效的阻礙裂紋擴展的傾向，故可以提高焊縫的強度和韌性。粒狀貝氏體的組織特征是大塊狀或針狀鐵素體內分布著一些顆粒狀小島，這些小島可以起到第二相強化作用。故粒狀貝氏體也可提高材料的抗拉強度和屈服強度[14-16]。

3.2 橋梁鋼焊接頭的疲勞性能

賈坤寧等對Q460q高強度橋梁鋼焊接頭的疲勞性能進行了研究。材料經焊接后采用高頻試驗機對其進行疲勞裂紋擴展實驗。焊接頭在107條件下的疲勞極限為470MPa，略低于材料的屈服強度。應力與循環次數的關系為lgN=36.9-13.7438 lgσ[17]。在應力作用下，材料中粗大的夾雜物周圍容易造成應力集中，夾雜物周圍的薄弱區域容易產生裂紋和微孔。裂紋擴展到一定程度后，承受力的斷面縮小然后斷裂，即瞬斷區[18]。瞬斷區斷口形貌具有典型的韌窩特征。有研究者根據疲勞裂紋擴展曲線分析得出焊縫的循環次數最多，然后是熱影響區，再次是母材。隨著加載應力的提高，焊縫和熱影響區的裂紋擴展速率同比例增加，且母材的裂紋擴展速率增加更快。深入分析試驗數據得到了不同區域的Paris公式和疲勞裂紋門檻值：焊縫區域的Paris公式為da/dN=2.5858E-09(ΔK)2.86276，疲勞裂紋門檻值為6.6822 MPa·m1/2；熱影響區的Paris公式為da/dN=9.2487E-09(ΔK)2.77892，疲勞裂紋門檻值為5.2817 MPa·m1/2；母材的Paris公式為da/dN=4.2036E-09(ΔK)2.15102，疲勞裂紋門檻值為4.8809 MPa·m1/2[19]。斷口均呈現可延展條紋狀，焊縫的條紋間距最小，斷裂形式以穿晶斷裂為主；母材的裂紋擴展路徑呈Z字形。斷裂形式為沿Z字形路徑擴展的沿晶斷裂為主；而熱影響區的斷裂模式介于兩者之間[20-21]。

3.3 橋梁鋼焊接頭耐蝕性

橋梁鋼的耐蝕性能對其實際應用十分重要，有不少學者對橋梁鋼的腐蝕行為進行了研究[22-23]。王至奮[24]等采用浸泡實驗探究了不同晶粒尺寸試樣的腐蝕情況，其結果表明：擁有大晶粒尺寸的鐵素體和珠光體組織的試樣的耐蝕性能更好。李琳[25]同樣就晶粒尺寸對橋梁鋼的耐蝕性進行了研究，材料采用了化學成分相同而晶粒尺寸不同的3種橋梁耐候鋼，經模擬干濕交替實驗后發現，晶粒尺寸最小的試樣在試驗后腐蝕速率最低。對于橋梁鋼焊接頭的性能，也有前人做了不少探究。黃元林[26]等研究了超聲沖擊處理后Q370qE 橋梁鋼焊接接頭耐蝕性的變化。經5% NaCl溶液浸泡后觀察了經超聲處理后和未經超聲處理試樣的腐蝕形貌，結果表明：未處理接頭出現不同程度的剝層腐蝕和點腐蝕，其中點腐蝕深度達0.2 mm；經超聲處理后焊接頭試樣表面僅局部有銹層現象，其原因為超聲處理使得材料表面以下形成了100～200 μm厚的致密纖維狀形變組織，該組織能提高焊接頭的抗腐蝕性能。

3.4 橋梁鋼焊接頭焊后熱處理

鋼材焊接時，熔池的冷速對焊縫組織有一定影響。凝固過程的冷卻速度越低，晶粒粗化時間越充分，晶粒越粗大。在焊縫金屬組織中，針狀鐵素體可以提高焊縫金屬的韌性。而一般焊接后的焊縫組織中，針狀鐵素體含量少，且存在樹枝狀或大長條裝的晶界鐵素體，甚至是貝氏體，故其韌性低[27]。為了提高其韌性，通常會在焊接后對其進行熱處理，以改變焊縫力學性能。

劉立彪[28]等人研究了Q420R鋼材焊接熱處理前后的性能變化。實驗選用了560、580、600、620 ℃等4個熱處理溫度參數。對比熱處理前后金相組織發現，熱處理并未改變組織類型，僅是熱處理后在晶界處有碳化物析出，620 ℃熱處理后試樣組織中的碳化物最多。溫度上升，晶粒度增大。560 ℃時晶粒度為9～10級，而620 ℃時為8～9級。

4 結語

焊接是橋梁建造關鍵技術，焊縫的質量與橋梁的安全息息相關，高強度橋梁鋼在實際應用過程中還存在一些問題需要提高和解決，如焊后熱處理工藝參數對Q500qE等高強度橋梁鋼焊縫顯微組織、力學性能、耐蝕性的影響，經過焊后熱處理沖擊韌性下降的機理等都值得深入研究。