橋梁鋼結(jié)構(gòu)大熱輸入焊接試驗(yàn)研究

劉洪武，徐向軍，范軍旗，顧曉勇

中鐵山橋集團(tuán)有限公司 河北秦皇島 066200

1 序言

目前，我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)發(fā)展迅速，隨著橋梁跨度的增大，橋梁鋼結(jié)構(gòu)越來越多地采用厚板。近年來，我國橋梁鋼結(jié)構(gòu)的焊接制造主要采用氣體保護(hù)焊、單絲埋弧焊等焊接方法。若采用傳統(tǒng)的氣體保護(hù)焊、單絲埋弧焊方法進(jìn)行厚板焊接，則焊接道次多、道間修磨多、焊接效率較低。

我國建筑、船舶和管道等行業(yè)已采用大熱輸入焊接，而建筑鋼結(jié)構(gòu)一般常用B/C/D級鋼，船舶和管道一般用薄中板（厚度≤30mm），船舶行業(yè)大熱輸入接頭一般要求-20℃沖擊性能，橋梁鋼結(jié)構(gòu)大多需滿足-40℃沖擊性能要求，且沖擊吸收能量標(biāo)準(zhǔn)值較高，橋梁鋼在大熱輸入下粗晶熱影響區(qū)高溫停留時(shí)間長、冷卻速度慢，晶粒易粗化，接頭沖擊性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求相對較難[1，2]。

為了提高生產(chǎn)效率，解決大熱輸入焊接接頭沖擊性能差的難題，為大熱輸入焊接在橋梁上的應(yīng)用做好技術(shù)儲(chǔ)備，針對Q370qEHW鋼進(jìn)行系列大熱輸入焊接試驗(yàn)，解決大熱輸入焊接下組織粗化、力學(xué)性能下降的問題。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用鋼為新研發(fā)的Q370qEHW橋梁鋼，鋼板狀態(tài)為TMCP＋回火，鋼板中復(fù)合添加了Nb、V、Ti及B等細(xì)化晶粒的元素，可抑制熱影響區(qū)晶粒粗化，提高沖擊性能。鋼板化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。鋼板顯微組織如圖1所示。由圖1可知，鋼板由鐵素體＋粒狀貝氏體和少量珠光體組成。氣體保護(hù)焊的焊接材料為實(shí)芯焊絲HTW-58（φ1.2mm），埋弧焊的焊接材料為YN50qHW（φ5mm）焊絲＋高效燒結(jié)焊劑。CO2氣體保護(hù)焊采用KRII500型直流電源（反極性接法），埋弧焊采用ZD5-1600E型直流電源（反極性接法）＋BXL5-1250型交流電源。

圖1 試驗(yàn)用鋼板顯微組織

表1 試驗(yàn)用Q370qEHW鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 試驗(yàn)用Q370qEHW鋼板力學(xué)性能

3 焊接工藝

針對大熱輸入焊接熱量大、易焊穿的特點(diǎn)，研發(fā)了對接焊縫大熱輸入組合焊接工藝，以提升焊接工藝的穩(wěn)定性。對接焊縫先采用氣體保護(hù)焊進(jìn)行打底焊，然后采用雙絲埋弧焊機(jī)的前絲進(jìn)行單絲埋弧焊焊接1～2道，以防止焊穿，打底完成后采用雙絲埋弧焊進(jìn)行大熱輸入焊接，前絲采用大電流、小電壓工藝，后絲采用小電流、大電壓工藝。對接焊縫采用雙面V形坡口，中間留2mm鈍邊，坡口部分熔透角焊縫采用單V形坡口，如圖2所示。根據(jù)斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果，考慮到大生產(chǎn)中環(huán)境溫度、濕度、長大構(gòu)件拘束度大等因素，確定焊接預(yù)熱溫度和道間溫度按表3執(zhí)行。

表3 Q370qEHW鋼焊接預(yù)熱和道間溫度

對接焊縫選用小鈍邊可以減少背面清根的工作量，采用氣體保護(hù)焊打底將存在間隙的部位進(jìn)行連接，以防止直接單絲埋弧焊焊穿，采用單絲埋弧焊增加焊縫厚度，防止大熱輸入焊接時(shí)焊穿。前絲采用直流反極性接法、大電流進(jìn)行焊接，以獲得較大熔深；后絲采用交流電流、大電壓進(jìn)行焊接，以使焊縫均勻鋪開保證熔池寬度，并改善焊縫表面成形效果。

一般坡口采用火焰切割方法獲得，厚板焊接可采用U形坡口以減少填充量，但U形坡口需采用機(jī)加工方法進(jìn)行制作，坡口加工效率低、費(fèi)用高。采用火焰切割坡口的鋼板，坡口加工精度低，若直接采用大熱輸入焊接，則可能出現(xiàn)焊穿的情況，采用研發(fā)的大熱輸入組合焊接工藝進(jìn)行焊接，可避免焊穿的現(xiàn)象，解決了因火焰切割坡口精度低而無法進(jìn)行大熱輸入焊接的問題，可提高生產(chǎn)效率。

4 焊接試驗(yàn)與結(jié)果分析

（1）焊接試驗(yàn) 對接焊縫采用組合焊接工藝進(jìn)行焊接，坡口角焊縫直接采用雙絲埋弧焊進(jìn)行大熱輸入焊接試驗(yàn)，氣體保護(hù)焊的焊接材料為HTW-58（φ1.2mm）焊絲，埋弧焊的焊接材料為YN50qHW（φ5mm）焊絲＋高效燒結(jié)焊劑，接頭施焊狀況見表4，試驗(yàn)過程如圖3所示。

圖3 大熱輸入焊接試驗(yàn)過程

表4 接頭施焊狀況

（2）焊縫質(zhì)量檢測 焊后對試件進(jìn)行焊縫外觀檢查，表面質(zhì)量符合Q/CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規(guī)范》要求。焊后24h對試件進(jìn)行超聲波檢測，如圖4所示。結(jié)果顯示，對接焊縫內(nèi)部質(zhì)量滿足Q/CR 9211—2015規(guī)定的I級要求，坡口角焊縫內(nèi)部質(zhì)量滿足Q/CR 9211—2015規(guī)定的II級要求。

圖4 焊縫超聲波檢測

（3）焊接接頭力學(xué)性能 接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可知，Q370qEHW鋼焊縫屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率均滿足不低于母材最低標(biāo)準(zhǔn)值的要求。其中低溫沖擊吸收能量關(guān)鍵性能指標(biāo)滿足-40℃不低于41J的技術(shù)要求，具有足夠的沖擊性能儲(chǔ)備裕量。

表5 接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

（4）接頭宏觀斷面 接頭宏觀斷面照片如圖5所示。由圖5可看出，焊縫熔合完好，無裂紋及其他焊接缺陷。

圖5 接頭宏觀斷面照片

（5）接頭硬度 接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果見表6，最高硬度為241HV10，遠(yuǎn)小于Q/CR 9211—2015要求的380HV10，由于焊接熱輸入較大，焊接產(chǎn)生的熱量大，接頭冷卻速度較慢，且母材的碳當(dāng)量和Pcm較低，淬硬傾向低，所以焊后接頭硬度較低，有利于提高接頭的抗裂性能。

表6 接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果 （HV10）

（6）接頭顯微組織及斷口分析 采用金相顯微鏡對焊接接頭進(jìn)行顯微組織分析，100kJ/cm熱輸入下Q370qEHW鋼板接頭焊縫金屬顯微組織如圖6所示。由圖6可看出，焊縫組織類型主要包括沿晶界分布塊狀鐵素體和晶界內(nèi)交叉分布的大量針狀鐵素體，以及少量的粒狀貝氏體。在100kJ/cm熱輸入下，針狀鐵素體的比例仍能達(dá)到80%以上。大量針狀鐵素體的存在可以細(xì)化焊縫金屬晶粒組織，同時(shí)柱狀晶內(nèi)交叉分布的針狀鐵素體晶界角度為大角度晶界，對微裂紋解理斷裂和擴(kuò)展具有較高的阻礙作用。

圖7所示為100kJ/cm熱輸入下Q370qEHW鋼板接頭熱影響區(qū)顯微組織。由圖7可看出，熱影響區(qū)的組織主要為板條貝氏體＋粒狀貝氏體和少量塊狀鐵素體，組織未發(fā)生明顯粗化，說明Nb、V、Ti及B合金元素的復(fù)合添加對抑制熱影響區(qū)組織晶粒長大作用明顯，塊狀鐵素體含量較少，有利于提高熱影響區(qū)的韌性[3]。

圖7 100kJ/cm熱輸入熱影響區(qū)顯微組織

采用掃描電鏡對接頭沖擊試樣斷口形貌進(jìn)行觀察，在100kJ/cm熱輸入下Q370qEHW鋼板接頭沖擊斷口形貌如圖8所示。由圖8可看出，沖擊斷口纖維區(qū)占比較高，纖維區(qū)以韌窩為主，韌窩尺寸較小，深度較深，在沖擊過程中消耗的塑性功較大，沖擊性能較好。

圖8 100kJ/cm熱輸入下接頭沖擊斷口形貌

5 結(jié)束語

針對Q370qEHW鋼板進(jìn)行大熱輸入焊接試驗(yàn)，結(jié)論如下。

1）采用大熱輸入組合焊接工藝進(jìn)行焊接試驗(yàn)，無焊穿現(xiàn)象，焊縫外觀成形良好，當(dāng)焊接熱輸入＞50～100kJ/cm時(shí)，焊接接頭仍具有較高的沖擊性能，該焊接工藝穩(wěn)定可靠，可以大幅提高生產(chǎn)效率。

2）焊縫無損檢測全部合格，宏觀斷面顯示接頭熔合完好，無裂紋、未熔合等焊接缺陷，焊接接頭的組織未發(fā)生明顯粗化，接頭力學(xué)性能良好，符合Q/CR 9211—2015的要求，可以在生產(chǎn)中進(jìn)行推廣應(yīng)用。