焊接對鋼板Z向性能的影響

曾志斌

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081)

焊接對鋼板Z向性能的影響

曾志斌

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081)

以上海閔浦大橋下弦桿整體節(jié)點板與斜撐桿翼緣板之間的T形接頭為工程背景，分別采用埋弧自動焊、實芯焊絲CO2氣體保護焊和手工電弧焊三種方法各焊接2組十字全熔透焊接接頭，按照有關(guān)規(guī)范進行Z向拉伸試驗。結(jié)果表明，鋼板的Z向抗拉強度與軋制方向的抗拉強度基本相當;焊接能使鋼板的Z向抗拉強度提高1% ～3%;分別采用埋弧自動焊、CO2氣體保護焊和手工電弧焊時，鋼板的Z向斷面收縮率均小于母材，且減小的幅度依次增大;在計算層狀撕裂敏感性指數(shù)時，可不考慮焊接方法的影響;推薦采用埋弧自動焊或CO2氣體保護焊。

焊接 鋼板 Z向(板厚方向)性能 試驗

自20世紀90年代以來，我國交通領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)突飛猛進，在各類橋梁建設(shè)中鋼橋以自重輕、跨越能力大等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。為了滿足承載功能和美學(xué)等方面的需要，在鋼橋設(shè)計中難免會采用一些特殊構(gòu)造細節(jié)，除了要考慮結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性和疲勞外，還要求鋼板自身具有較好的Z向(板厚方向)性能，保證鋼板不至于在Z向受力時產(chǎn)生層狀撕裂。這樣的案例很多，例如美國肯塔基州 Kenton縣的Ⅰ—275號公路橋，其縱梁翼緣與箱形墩帽的腹板組成框架結(jié)構(gòu)，在制造時由于高拘束度而在腹板中產(chǎn)生了層狀撕裂，并延伸到焊趾附近的腹板表面[1]。

所謂層狀撕裂(Lamellar Tearing)，是指厚板結(jié)構(gòu)焊接時由于Z向(板厚方向)受力而致沿厚板軋層產(chǎn)生的一種特殊裂紋。層狀撕裂通常發(fā)生在角接焊接頭(如T形接頭、十字形接頭和隅角焊接頭等)的熱影響區(qū)和靠近熱影響區(qū)的母材上，不會發(fā)生于焊縫之中，而且平行于鋼板表面。產(chǎn)生層狀撕裂的外因是在角接接頭中沿著板厚方向作用的拉應(yīng)力，內(nèi)因是鋼材中含有微量的非金屬夾雜物，特別是硫化物，如MnS，其次是SiO2、Al2O3等氧化物[2-3]。

對層狀撕裂的研究開始于20世紀60年代，國內(nèi)外研究的重點集中在層狀撕裂產(chǎn)生的機理和如何預(yù)防層狀撕裂等方面[2-4]，并相繼制定了抗層狀撕裂的鋼材標準和試驗方法[5-6]，這些標準和試驗方法大致接近。層狀撕裂的試驗方法主要有Z向窗口試驗法、Cranfield試驗法和 Z向拉伸試驗法[2-3]，其中 Z向窗口試驗法能模擬實際焊接接頭，國際焊接學(xué)會(IIW)以此試驗方法為基礎(chǔ)對Z向鋼進行分級;最常用的是Z向拉伸試驗法，這是一種通過測試標準試件的斷面收縮率來評價層狀撕裂敏感性的間接方法。

在歐洲和日本制定的層狀撕裂敏感性評定方法和標準[7-8]中，層狀撕裂敏感性指數(shù)主要受焊角尺寸、接頭形狀、彎曲約束度、受拉約束度和預(yù)熱的影響，其中不包含焊接方法的影響。在國家標準“厚度方向性能鋼板(GB 5313—85)”中規(guī)定試件夾持端的焊接可采用任何適宜方法(如摩擦焊、手工電弧焊等)。為了了解不同焊接方法對鋼板Z向性能的影響，以上海閔浦大橋下弦桿整體節(jié)點板與斜撐桿翼緣板之間的連接接頭為工程背景，以十字全熔透焊接接頭來模擬該連接形式，分別采用埋弧自動焊、實芯焊絲 CO2氣體保護焊和手工電弧焊三種焊接方式進行焊接，經(jīng)無損檢測合格后，按照規(guī)范在芯板上沿板厚方向切取試件進行Z向拉伸試驗，對比拉伸強度和斷面收縮率，以了解不同焊接方法對鋼板Z向性能的影響。

1 上海閔浦大橋下弦節(jié)點簡介

上海閔浦大橋下弦節(jié)點如圖1所示，其中斜撐桿翼緣板與下弦桿整體節(jié)點板之間采用全熔透焊接連接，斜撐桿腹板與整體節(jié)點板不連接，在下弦桿內(nèi)與斜撐桿翼緣板對應(yīng)位置設(shè)有橫隔板[9]。整體節(jié)點板采用Q370qE級鋼，其他構(gòu)件采用Q345qD級鋼。采用歐洲和日本有關(guān)規(guī)范對該接頭的層狀撕裂敏感性指數(shù)進行評定，結(jié)果表明整體節(jié)點板所用鋼板的Z向性能必須達到Z25級，即整體節(jié)點板Z向的斷面收縮率φz不得小于 25% ，含硫量不得大于 0.007%[8，10](歐洲、美國和日本規(guī)范為0.008%)。

圖1 上海閔浦大橋下弦節(jié)點示意

2 試驗用材

綜合考慮設(shè)計圖紙中下弦整體節(jié)點板的接頭形式和焊接工藝評定試驗中的T形接頭形式，試驗中采用44 mm厚Q370qE—Z25級橋梁用結(jié)構(gòu)鋼板模擬整體節(jié)點板，采用44 mm厚 Q370qE(Z25)級和40 mm厚Q345qD級橋梁用結(jié)構(gòu)鋼板模擬斜撐桿翼緣板，其化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合橋梁用結(jié)構(gòu)鋼(GB/T714—2008)的要求(如表1所示)。埋弧自動焊采用 φ5.0 mm的H08MnA焊絲+SJ101焊劑，CO2氣體保護焊采用φ1.2 mm的 ER50-6焊絲，手工電弧焊采用 φ4.0 mm的E5015電焊條，焊材的化學(xué)成分及其熔敷金屬的實測力學(xué)性能符合相關(guān)規(guī)范的要求。

表1 試驗用鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能

3 試件制備

3.1 鋼板母材

按照 GB 5313—85所述的方法，在 Q370qE鋼板上取樣和加工試件。因為鋼板厚度為44 mm，故試件采用整個板厚加工而成(GB 5313—85中的 a型試樣)，試件直徑為12 mm(如圖2所示)。試件數(shù)量為6個，選取其中3個做試驗，另3個備用。

圖2 鋼板母材Z向拉伸試件(單位:mm)

3.2 十字全熔透焊接接頭

十字全熔透焊接接頭試件共分6組，其中第1，2組用埋弧自動焊，第3，4組用實芯焊絲CO2氣體保護焊，第5，6組用手工電弧焊。試件的尺寸和坡口形式與制造廠家的焊接工藝評定報告相同[11](如圖3所示)，試件長度≥200 mm。

第1，2組試件在有坡口側(cè)焊接多道之后，在背面采用碳弧氣刨清根，然后焊接2道，之后再在有坡口側(cè)焊接，直至完成。第3～6組試件在大坡口側(cè)焊接多道之后，在小坡口側(cè)采用碳弧氣刨清根，然后焊接，為了防止過大的角變形，需要將試件反復(fù)翻身，即盡量對稱施焊。實際焊接工藝參數(shù)如表2所示，其中第1～4組為制造廠家焊接工藝評定所采用的參數(shù)[11]。

試件焊接完成24 h之后，采用超聲波探傷，結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)缺陷或?qū)訝钏毫蚜鸭y。

為了檢查鋼板靠近表面部分的厚度方向性能，采用GB 5313—85中的c型試樣，試件取樣位置和尺寸如圖4所示。試件數(shù)量為6個，選取其中3個做試驗，另3個備用。同時，每組試件取了1個焊縫金屬的拉伸試件。

圖4 拉伸試件取樣位置和尺寸(單位:mm)

4 試驗結(jié)果及其分析

拉伸試驗在WE-300型試驗機上進行。Z向拉伸試件破壞的斷口位置全部位于試件中部，斷口呈現(xiàn)典型的杯口狀。試件拉伸破壞后，用游標卡尺測量斷口處的直徑，并與試驗前試件的直徑相比較，按照下式求得斷面收縮率φz。

式中，F(xiàn)0為試件原始橫截面積(mm2)，F(xiàn)0=πd20/4;F為試件斷裂后的最小橫截面積(mm2)，F(xiàn)=π(d1+d2)2/16，d1和d2為兩個互相垂直的直徑的測量值，如果斷面呈橢圓形，則d1和d2表示橢圓的兩根軸。

鋼板母材和十字全熔透焊接接頭Z向拉伸試件的抗拉強度和斷面收縮率試驗結(jié)果分別如圖5和圖6所示，圖5中σb為芯板軋制方向?qū)崪y拉伸強度值。

從圖5和圖6可以看出:

圖5 十字接頭Z向拉伸抗拉強度

1)除一個數(shù)據(jù)外，十字全熔透焊縫芯板的Z向抗拉強度均略高于Q370qE鋼板母材軋制方向抗拉強度的實測值，可以認為鋼板的Z向抗拉強度與軋制方向的抗拉強度相當。

2)采用埋弧自動焊、CO2氣體保護焊和手工電弧焊三種焊接方法，十字全熔透焊縫芯板Z向的抗拉強度逐次增大，但增大幅度僅為1% ～3%，即焊接對鋼板Z向抗拉強度幾乎沒有太大影響。

圖6 母材和十字接頭的斷面收縮率

3)采用埋弧自動焊、CO2氣體保護焊和手工電弧焊三種焊接方法，十字全熔透焊縫芯板Z向的斷面收縮率逐次減小，與母材相比，減小的幅度依次為1.72%，3.79%和12.07%。

4)盡管試驗采用的Q370qE鋼出廠標記為Z25號鋼，但是實際測試母材 Z向的斷面收縮率達到了72.5%，遠大于Z25號鋼規(guī)定斷面收縮率≥25%的標準。

綜合分析焊接方法對鋼板Z向抗拉強度和Z向斷面收縮率的影響，建議在進行鋼板 Z向拉伸試驗時，試件夾持端的焊接宜采用埋弧自動焊或CO2氣體保護焊。

將本次試驗實測的斷面收縮率與國外同類試驗實測值的比較如圖7，當硫含量相同時，本次試驗的實測值比日本的試驗值稍偏高，這與鋼板本身材質(zhì)較好有關(guān)。

圖7 本次試驗斷面收縮率實測值與日本試驗值的比較

5 結(jié)束語

層狀撕裂可在焊接過程中形成，也可在焊接結(jié)束后啟裂和擴展，甚至還可能延遲到使用期間才發(fā)生，即具有延遲破壞性質(zhì)。層狀撕裂引發(fā)的裂紋位于接頭內(nèi)部，不但無損檢測難以發(fā)現(xiàn)，而且更難以修復(fù)。因此，層狀撕裂具有非常大的危害性。為了預(yù)防層狀撕裂，優(yōu)先改善焊接接頭的設(shè)計，盡量避免重要構(gòu)件在板厚方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，或者改善焊接工藝;實在克服不了時選用抗層狀撕裂鋼材，即Z向鋼。在進行鋼板的Z向性能試驗時，若不能直接在鋼板厚度方向上加工取樣，或者需要檢查鋼板靠近表面部分的Z向性能時，往往需要焊接夾持端。另外，在實際鋼橋的某些T形接頭、十字形接頭或隅角焊接頭處，需要其中一塊鋼板承受Z向力。通過本次試驗研究，大致可得到以下結(jié)論:

1)鋼板的Z向抗拉強度與軋制方向的抗拉強度相當;

2)采用不同的焊接方法時鋼板的Z向抗拉強度稍有變化，幾乎可忽略不計;

3)分別采用埋弧自動焊、CO2氣體保護焊和手工電弧焊三種焊接方法時，鋼板的Z向斷面收縮率均低于母材，且減小的幅度依次增大，但是最大幅度均不是很大，因此在計算層狀撕裂敏感性指數(shù)時，可不考慮焊接方法的影響;

4)在進行鋼板Z向拉伸試驗時，試件夾持端的焊接推薦采用埋弧自動焊或CO2氣體保護焊。

[1]John W 費希爾.鋼橋的疲勞和斷裂[M].項海帆，史永吉譯.北京:中國鐵道出版社，1989.

[2]陳伯蠡.焊接工程缺欠分析與對策[M].北京:機械工業(yè)出版社，1998.

[3]INOUE T.Lamellar tearing[J].Welding International，2004，18(12):936-943.

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[8]日本土木學(xué)會鋼構(gòu)造委員會鋼材規(guī)格小委員會.耐ラメラテア鋼の土木構(gòu)造物適用特性[J].土木學(xué)會誌，1985年8月號.

[9]曾志斌.上海閔浦大橋主跨鋼桁梁設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2009.

[10]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 714—2008 橋梁用結(jié)構(gòu)鋼[S].北京:中國標準出版社，2009.

[11]江蘇中泰鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司.上海 A15公路閔浦大橋鋼梁焊接工藝評定試驗總結(jié)報告[R].江蘇:江蘇中泰鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司，2007.

U445.47+2;TG115.6+2

A

1003-1995(2011)02-0011-04

2010-09-20;

2010-10-18

曾志斌(1969— )，男，湖北天門人，副研究員，碩士。

(責(zé)任審編 孟慶伶)