高強(qiáng)度耐候橋梁鋼焊接工藝研究

徐向軍，劉洪武，常國(guó)光，高建忠，范軍旗，胡廣瑞

1.中鐵高新工業(yè)股份有限公司 北京 100039

2.中鐵山橋集團(tuán)有限公司 河北秦皇島 066205

1 序言

帕特洛大橋位于加拿大不列顛哥倫比亞省弗雷澤河上，為主跨332m的單塔結(jié)合梁斜拉橋，橫斷面如圖1所示，橋面全寬39.8m，兩側(cè)挑臂非機(jī)動(dòng)車(chē)道寬5.4m。全橋主梁結(jié)構(gòu)除了塔根位置橫梁為箱形結(jié)構(gòu)外，其余均為工形鋼板梁，包括長(zhǎng)530.13m的主橋、長(zhǎng)241.07m的北引橋和長(zhǎng)463.7m的南引橋索塔，總重量約1.3萬(wàn)t，采用符合美標(biāo)ASTM A709/A709M：2011《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》的耐候鋼，大部分鋼板為HPS485W高強(qiáng)度耐候鋼，強(qiáng)度等級(jí)為屈服強(qiáng)度≥485MPa，最大板厚為100mm。制造標(biāo)準(zhǔn)符合加拿大標(biāo)準(zhǔn)CSA W47.1：2019《鋼熔焊公司認(rèn)證》和CSA W59：2018《焊接鋼結(jié)構(gòu)》。

圖1 帕特洛大橋橫斷面

美標(biāo)ASTM A709/A709M：2011中HPS485W高強(qiáng)度耐候鋼對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)GB/T 714—2015《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》中的Q500qENH耐候鋼。Q500qENH與HPS485W耐候鋼化學(xué)成分見(jiàn)表1，力學(xué)性能要求見(jiàn)表2[1]。因?yàn)镼500qENH耐候鋼在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有廣泛應(yīng)用，所以為了保證焊接質(zhì)量，與國(guó)內(nèi)某鋼廠聯(lián)合進(jìn)行了Q500qENH耐候鋼開(kāi)發(fā)試驗(yàn)研究。

表1 HPS485W與Q500qENH耐候鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 HPS485W與Q500qENH耐候鋼力學(xué)性能

2 Q500qENH鋼板母材試驗(yàn)結(jié)果

某鋼廠采用TMCP＋回火工藝生產(chǎn)了Q500qENH/H P S485W鋼板（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Q500q E N H），對(duì)板厚16m m、25m m、51m m、60m m和100m m的Q500qENH鋼板進(jìn)行母材復(fù)驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括母材的化學(xué)成分、冷裂紋敏感系數(shù)Pcm、耐大氣腐蝕指數(shù)I，以及拉伸、彎曲、－40℃低溫沖擊、厚度方向性能等力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 Q500qENH鋼板

表4 Q500qENH鋼板力學(xué)性能

從表3可看出，鋼板均符合美標(biāo)ASTM A709/A709M：2011中高強(qiáng)度耐候鋼H P S485W和國(guó)標(biāo)GB/T 714—2015中的Q500qENH耐候鋼規(guī)定，其中wC＝0.06%～0.08%，wP＝0.008%～0.018%，wS＝0.001%～0.003%，裂紋敏感系數(shù)Pcm＝0.20%～0.22%。從鋼板的化學(xué)成分看，C、S、P的含量、裂紋敏感系數(shù)均較小，有益于提高鋼板的焊接性。鋼板的耐大氣腐蝕指數(shù)I為6.6～6.8，化學(xué)成分和耐候性滿足ASTM A709/A709M：2011和GB/T 714—2015的要求。

從表4可看出，耐候橋梁鋼的力學(xué)性能均滿足美標(biāo)ASTM A709/A709M：2011中HPS485W高強(qiáng)度耐候鋼和國(guó)標(biāo)GB/T 714—2015中Q500qENH耐候鋼規(guī)定[2]，屈強(qiáng)比均≤0.86，－40℃低溫沖擊吸收能量均＞190J，斷口纖維率≥85%，具有較高的韌性儲(chǔ)備。厚度方向性能均滿足GB/T 5313—2010《厚度方向性能鋼板》中最高標(biāo)準(zhǔn)Z35級(jí)的要求，抗層狀撕裂性能良好。

3 Q500qENH鋼板系列溫度沖擊試驗(yàn)

對(duì)板厚為16mm、25mm、60mm和100mm的Q500qENH耐候橋梁鋼進(jìn)行室溫、0℃、－20℃、－40℃、－60℃、－80℃的系列溫度沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5，并繪制了韌脆轉(zhuǎn)變曲線，典型韌脆轉(zhuǎn)變曲線如圖2～圖5所示。

表5 Q500qENH鋼板系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖2 板厚16mm的Q500qENH鋼板系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)曲線

圖3 板厚25mm的Q500qENH鋼板系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)曲線

圖4 板厚60mm的Q500qENH鋼板系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)曲線

圖5 板厚100mm的Q500qENH鋼板系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)曲線

由表5 和圖2 ～圖5 可得出，板厚1 6 m m、25mm、60mm的Q500qENH鋼板低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50為－70℃。板厚100mm的Q500qENH鋼板低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50為－60℃。

4 Q500qENH鋼板焊接性試驗(yàn)

（1）Q500qENH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn) 對(duì)板厚16mm、25mm、51mm、60mm和100mm的Q500qENH鋼板分別進(jìn)行焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)，采用J607NiCrCu焊條焊接，焊條直徑4mm。焊接熱影響區(qū)硬度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 Q500qENH鋼板焊接熱影響區(qū)硬度試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，板厚16m m、25m m、51m m、60mm和100mm的Q500qENH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度分別為288HV10、306HV10、318HV10、320H V10、325H V10，均低于350H V10，表明Q500qENH鋼板的焊接性良好。

（2）Q500q E N H鋼板斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn) 對(duì)板厚25mm、51mm、60mm、100mm的Q500qENH鋼板分別進(jìn)行斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)，采用焊條電弧焊方法焊接，焊接材料為直徑4mm的J607NiCrCu焊條。對(duì)板厚25mm的鋼板不預(yù)熱，板厚51mm的鋼板預(yù)熱80℃，板厚60mm的鋼板預(yù)熱100℃，板厚100mm的鋼板預(yù)熱120℃，均沒(méi)有產(chǎn)生裂紋，焊接參數(shù)見(jiàn)表7，焊接裂紋試件如圖6所示。

圖6 典型斜Y形坡口焊接裂紋試件

由斜Y 形坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果可以確定Q500qENH鋼板焊接預(yù)熱溫度（當(dāng)環(huán)境溫度≥5℃，環(huán)境濕度≤80%時(shí)）：板厚≤25mm時(shí)不需要預(yù)熱，板厚＞25～51mm時(shí)預(yù)熱80℃，板厚＞51～60mm時(shí)預(yù)熱100℃，板厚＞60～100mm時(shí)預(yù)熱120℃。

（3）Q500qENH鋼板對(duì)接焊縫系列溫度沖擊試驗(yàn) 對(duì)板厚組合25mm＋25mm、60mm＋60mm的Q500qENH鋼板對(duì)接接頭的焊縫金屬和熱影響區(qū)（熔合線外1mm處）進(jìn)行常溫至－60℃系列溫度沖擊試驗(yàn)，確定Q500qENH鋼板對(duì)接接頭的低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50。對(duì)接焊縫采用氣體保護(hù)焊打底和埋弧焊填充的方法焊接，氣體保護(hù)焊采用直徑1.2mm的HTW-62GNH實(shí)芯焊絲焊接，埋弧焊采用直徑5mm的JQ.MH62NH焊絲＋JQ.SJ105NH焊劑焊接，焊接材料、焊接位置和焊縫坡口尺寸見(jiàn)表8，焊接參數(shù)見(jiàn)表9。

表8 對(duì)接焊縫系列沖擊試板和焊縫坡口尺寸

表9 對(duì)接焊縫施焊狀況及焊接參數(shù)

焊接后進(jìn)行焊縫外觀檢查，焊縫外觀質(zhì)量滿足Q/CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規(guī)范》要求。24h后對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)，焊縫內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到Q/CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規(guī)范》I級(jí)要求。之后進(jìn)行焊縫金屬和熱影響區(qū)常溫至－80℃系列溫度沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表10，系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線如圖7～圖10所示。

表10 Q500qENH鋼板對(duì)接接頭系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖7 板厚25mm＋25mm對(duì)接接頭焊縫金屬系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線

圖8 板厚25mm＋25mm對(duì)接接頭熱影響區(qū)系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線

圖10 板厚60mm＋60mm對(duì)接接頭熱影響區(qū)系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線

由表10和圖7～圖10可得，板厚25mm＋25mm的焊縫金屬和熱影響區(qū)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50為－50℃；板厚60mm＋60mm的焊縫金屬韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50為－55℃，熱影響區(qū)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50為－45℃[3，4]。

5 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

針對(duì)加拿大帕特洛大橋鋼結(jié)構(gòu)典型焊縫，采用Q500qENH高強(qiáng)度耐候橋梁鋼進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，實(shí)芯焊絲氣體保護(hù)焊采用直徑1.2mm的HTW-62GNH焊絲焊接，藥芯焊絲氣體保護(hù)焊采用直徑1.2mm的JQ.YJ621NiCrCu-1焊絲焊接，埋弧焊采用直徑5mm的JQ.MH62NH焊絲＋JQ.SJ105NH焊劑焊接，試板材質(zhì)、接頭板厚組合、坡口尺寸、焊接參數(shù)見(jiàn)表11[5]。

表11 試板板厚組合、坡口尺寸、焊接參數(shù)

試件焊接24h后進(jìn)行焊縫外觀檢查，焊縫外觀質(zhì)量符合Q/CR 9211—2015規(guī)定。焊接48h后進(jìn)行超聲波檢測(cè)，對(duì)接焊縫和全熔透角焊縫符合Q/CR 9211—2015規(guī)定I級(jí)合格，T形角焊縫符合Q/CR 9211—2015 規(guī)定Ⅱ級(jí)合格。之后進(jìn)行接頭力學(xué)性能、接頭硬度和焊縫金屬成分分析試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表12[6，7]。

表12 接頭力學(xué)性能、接頭硬度和焊縫金屬成分分析試驗(yàn)

按照Q/CR 9211—2015和CSA W47.1：2019、CSA W59：2018的規(guī)定進(jìn)行接頭性能評(píng)定。由表12可看出，各種接頭的焊縫強(qiáng)度和塑性均高于母材標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)接接頭的彎曲試驗(yàn)結(jié)果均為合格，表明焊接接頭的塑性良好；對(duì)接焊縫和熔透角焊縫的－40℃低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果均大于Q/CR 9211—2015的規(guī)定（≥54J）和CSA W47.1：2019的規(guī)定（≥27J）；接頭各區(qū)的硬度均低于380HV10。通過(guò)焊縫金屬化學(xué)成分計(jì)算耐候指數(shù)為6.94～7.43，均大于母材耐候指數(shù)（6.6～6.8），滿足技術(shù)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

1）新開(kāi)發(fā)的Q500qENH/HPS485W高強(qiáng)度耐候橋梁鋼板化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合美標(biāo)ASTM A709/A709M：2011中HPS485W高強(qiáng)度耐候鋼和國(guó)標(biāo)GB/T 714—2015中Q500qENH耐候鋼規(guī)定，耐大氣腐蝕指數(shù)I為6.6～6.8，C、S、P含量與碳當(dāng)量較低，裂紋敏感系數(shù)Pcm較小，有益于提高鋼板的焊接性。鋼板的抗拉強(qiáng)度、塑性均滿足設(shè)計(jì)要求，屈強(qiáng)比≤0.86，－40℃沖擊吸收能量均＞190J，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于－60℃，低溫沖擊韌度優(yōu)良。厚度方向性能滿足Z35級(jí)的要求，抗層狀撕裂性能良好。采用TMCP＋回火工藝生產(chǎn)的Q500qENH高強(qiáng)度耐候橋梁鋼板的綜合力學(xué)性能優(yōu)良。

2）Q500qENH/HPS485W鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度≤350HV10；板厚≤25mm的鋼板不預(yù)熱，板厚≥25～51mm時(shí)預(yù)熱80℃，板厚≥51～60mm時(shí)預(yù)熱100℃，板厚＞60～100mm時(shí)預(yù)熱120℃，能夠防止焊接裂紋的產(chǎn)生；埋弧焊對(duì)接接頭的低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度＜－40℃。

3）Q500qENH/HPS485W鋼板典型接頭焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果表明，接頭力學(xué)性能及焊縫金屬的耐腐蝕指數(shù)全部滿足Q/CR 9211—2015、CSA W47.1：2019和CSA W59：2018的規(guī)定，焊接材料與母材相匹配，焊接參數(shù)合適，可作為編制加拿大帕特洛大橋焊接工藝的依據(jù)。