高強(qiáng)橋梁鋼Q420qE焊接接頭性能控制

張 熹，劉 宏，郭占山，王鳳會(huì)，楊建煒，雍岐龍

（1.鋼鐵研究總院，北京100081；2.首鋼技術(shù)研究院，北京100043；3.北京市新一代可循環(huán)鋼鐵流程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100043）

高強(qiáng)橋梁鋼Q420qE焊接接頭性能控制

張 熹1，2，3，劉 宏2，郭占山2，王鳳會(huì)2，楊建煒2，雍岐龍1

（1.鋼鐵研究總院，北京100081；2.首鋼技術(shù)研究院，北京100043；3.北京市新一代可循環(huán)鋼鐵流程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100043）

對(duì)首鋼生產(chǎn)的50 mm規(guī)格Q420qE高強(qiáng)橋梁鋼進(jìn)行了最高硬度試驗(yàn)、斜Y坡口冷裂紋敏感性試驗(yàn)、CTS試驗(yàn)及焊接接頭熱輸入適應(yīng)性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：不預(yù)熱進(jìn)行焊接，Q420qE鋼板最高硬度為255 HV10；預(yù)熱50℃后，最高硬度237 HV10，鋼材淬硬傾向不明顯；預(yù)熱50℃以上可以避免焊接冷裂紋；氣體保護(hù)焊、埋弧焊分別在14～16 kJ/cm、30 kJ/cm焊接熱輸入范圍內(nèi)，焊接接頭性能滿足要求。

Q420qE；高強(qiáng)橋梁鋼；焊接接頭；性能控制

0 前言

隨著公路、鐵路建設(shè)的迅速發(fā)展，大跨度、大節(jié)段成為鋼結(jié)構(gòu)橋的發(fā)展趨勢(shì)，這一趨勢(shì)促使橋梁制造業(yè)對(duì)鋼材的需求向著高強(qiáng)化、特厚化方向發(fā)展，Q420強(qiáng)度級(jí)別高強(qiáng)橋梁鋼正在逐步替代傳統(tǒng)的Q370橋梁鋼，而且在滬通大橋等國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目上Q500級(jí)別橋梁鋼也將在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)首次工程應(yīng)用。隨著橋梁鋼強(qiáng)度級(jí)別的提高，橋梁焊接鋼結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中對(duì)裂紋等缺陷更加敏感，發(fā)生低應(yīng)力脆斷的危險(xiǎn)性提高，特別是焊接接頭，由于經(jīng)歷了焊接熱循環(huán)的作用，焊接熱影響區(qū)晶粒顯著粗化，并形成淬硬組織，為了保證焊接鋼結(jié)構(gòu)橋的安全性，焊接接頭的缺陷控制和韌性保障顯得尤為重要[1-4]。近年來(lái)首鋼承接了白沙沱長(zhǎng)江大橋、孟加拉帕德瑪大橋等重點(diǎn)工程Q420qE鋼板的供貨，為了保障工程質(zhì)量，首鋼對(duì)Q420qE鋼板的配套焊接技術(shù)進(jìn)行了研究，為同類(lèi)用戶的施工提供參考。

1 試驗(yàn)鋼板成分及性能

采用首鋼生產(chǎn)的50mm規(guī)格Q420qE鋼板，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2；所用焊材與母材為等強(qiáng)匹配，分別為京雷焊材生產(chǎn)的GFL-71Ni氣體保護(hù)藥芯焊絲，保護(hù)氣體CO2；伊薩生產(chǎn)的φ4.0 mm OK Autrod 12.34埋弧焊絲+OK FLUX10.62焊劑。

表1 鋼材化學(xué)成分％

表2 鋼板力學(xué)性能

鋼材焊接熱影響區(qū)的硬度和冷裂紋傾向與其化學(xué)成分密切相關(guān)。50mm規(guī)格Q420qE的Ceq、Pcm分別為0.39％，0.16％，遠(yuǎn)低于臨界值0.40％，0.20％，表明該鋼材焊接性優(yōu)良，冷裂傾向不明顯。

2 焊接冷裂紋敏感性評(píng)定試驗(yàn)

通過(guò)最高硬度試驗(yàn)、斜Y坡口冷裂紋敏感性試驗(yàn)、CTS試驗(yàn)對(duì)50 mm厚Q420qE進(jìn)行冷裂紋敏感性評(píng)價(jià)。試驗(yàn)采用京雷焊材生產(chǎn)的GFL-71Ni氣體保護(hù)藥芯焊絲，焊絲直徑1.2 mm，保護(hù)氣體為CO2。試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度15℃，相對(duì)濕度30％。

2.1 最高硬度試驗(yàn)

試驗(yàn)用鋼板的加工及硬度測(cè)定按GB 4675.5-2008《焊接性試驗(yàn)—焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。焊接工藝參數(shù)如表3所示，最高硬度打點(diǎn)位置如圖1所示，硬度試驗(yàn)載荷10 kg。

表3 最高硬度試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)

圖1 焊接熱影響區(qū)硬度測(cè)定點(diǎn)位置

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，該鋼板在環(huán)境溫度15℃下不預(yù)熱焊接，焊接熱影響區(qū)最高硬度為255 HV10；預(yù)熱50℃后焊接熱影響區(qū)最高硬度降至237 HV10。其熱影響區(qū)最高硬度遠(yuǎn)低于臨界值350 HV10，表明該鋼板淬硬傾向不明顯。

表4 Q420qE最高硬度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)

斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)按GB4675.1-84《斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試樣尺寸示意如圖2所示。分別進(jìn)行不預(yù)熱、預(yù)熱50℃兩個(gè)條件下的試驗(yàn)，從而確定該鋼板的最小預(yù)熱溫度。每個(gè)試驗(yàn)條件焊接試樣2塊，焊接工藝參數(shù)如表5所示，焊后將試樣靜置48 h后進(jìn)行裂紋率測(cè)定。

圖2 斜Y型坡口焊接裂紋試板示意

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，50 mm厚Q420qE不預(yù)熱條件下，表面裂紋率、斷面裂紋率、根部裂紋率均為100％，裂紋均在焊縫處，如圖3所示；預(yù)熱

50℃時(shí)表面裂紋率、斷面裂紋率、根部裂紋率均為0％，即采用GFL-71Ni氣體保護(hù)焊絲，焊前預(yù)熱50℃以上可避免焊接冷裂紋的出現(xiàn)。

表5 斜Y坡口試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)

表6 斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不預(yù)熱條件下冷裂試樣照片

2.3 CTS試驗(yàn)

CTS焊接裂紋試驗(yàn)按EN ISO 17642-2：2005《金屬材料焊接性破壞性試驗(yàn)焊接接頭冷裂試驗(yàn)電弧焊工藝》進(jìn)行，CTS試樣尺寸示意如圖4所示。試驗(yàn)時(shí)先將試樣用直徑12 mm的螺栓固定好，12 h后進(jìn)行拘束焊縫的焊接，為避免拘束焊縫開(kāi)裂，焊前預(yù)熱100℃；試驗(yàn)焊縫焊接前，將試板預(yù)熱到50℃，焊接時(shí)將試樣呈船型焊位，與水平呈45°，如圖4所示，第一道試驗(yàn)焊縫焊好后立即將試板搬運(yùn)到冷卻池中，試板與焊縫末端相反的一側(cè)邊緣浸入水里，浸入深度60±5 mm，確保冷卻池的水溫低于30℃，保持試板在冷卻池中，直到降至室溫，將試樣從冷卻池中取出。試板從冷卻池中取出48 h后，允許進(jìn)行第二道焊縫的焊接。第二道焊縫的焊接、冷卻與第一道相同。第二道焊縫冷卻至室溫后，放置48 h以上再進(jìn)行金相及硬度試驗(yàn)。

圖4 試驗(yàn)過(guò)程示意

焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表7，焊后將試樣靜置48 h后進(jìn)行裂紋率測(cè)定及硬度測(cè)定，硬度測(cè)定位置如圖5所示，CTS試樣及金相檢驗(yàn)試樣如圖6所示。

表7 CTS試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)

圖5 CTS試驗(yàn)硬度位置示意

圖6 CTS試樣及金相檢驗(yàn)試樣

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8，由表8可知，50mm厚Q420qE預(yù)熱50℃后焊接，CTS金相檢驗(yàn)結(jié)果判定為不裂，

熱影響區(qū)硬度均值242HV10，焊縫硬度均值224HV10，母材硬度均值為187 HV10。

表8 CTS試驗(yàn)結(jié)果

3 焊接熱輸入適應(yīng)性試驗(yàn)

3.1 氣體保護(hù)焊焊接工藝試驗(yàn)

為確定首鋼50 mm厚Q420qE鋼板氣體保護(hù)焊工藝適應(yīng)性，對(duì)試驗(yàn)鋼板進(jìn)行平板對(duì)焊試驗(yàn)，焊接坡口形式如圖7所示。試驗(yàn)采用京雷焊材生產(chǎn)的直徑為φ1.2 mm GFL-71Ni氣體保護(hù)藥芯焊絲，保護(hù)氣體為CO2，焊前預(yù)熱80℃，層間溫度小于等于180℃，填充焊道焊接熱輸入14～16 kJ/cm，焊接工藝參數(shù)如表9所示。焊接接頭宏觀金相照片如圖8所示，未出現(xiàn)明顯焊接缺陷。

圖7 平板對(duì)接試板尺寸及坡口形式

圖8 氣體保護(hù)焊焊接接頭宏觀照片

表9 氣體保護(hù)焊焊接工藝參數(shù)

焊接接頭力學(xué)性能如表10、表11所示。焊接接頭力學(xué)性能結(jié)果表明，在14～16kJ/cm焊接熱輸入下施焊，焊接接頭各位置-40℃沖擊功大于47 J，焊接接頭強(qiáng)度大于540 MPa，且富余量很大。

表10 氣體保護(hù)焊焊接接頭沖擊性能結(jié)果

表11 氣體保護(hù)焊焊接接頭拉伸、冷彎性能結(jié)果

焊接接頭硬度結(jié)果見(jiàn)圖9，結(jié)果表明在14～16kJ/cm

焊接熱輸入下施焊，熱影響區(qū)未出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

圖9 焊接接頭硬度分布

3.2 埋弧焊焊接工藝試驗(yàn)

為確定首鋼50 mm厚Q420qE鋼板埋弧焊工藝適應(yīng)性，對(duì)試驗(yàn)鋼板進(jìn)行平板對(duì)焊試驗(yàn)，焊接坡口形式如圖7所示。本試驗(yàn)采用直徑φ4.0 mm的伊薩OK Autrod 12.34焊絲配合伊薩OK FLUX10.62焊劑進(jìn)行試驗(yàn)，焊前預(yù)熱80℃，層間溫度控制在180℃以下，焊接熱輸入30 kJ/cm，焊接工藝參數(shù)如表12所示。焊接接頭宏觀金相照片如圖10所示，未出現(xiàn)明顯焊接缺陷。

表12 埋弧焊焊接工藝參數(shù)

圖10 埋弧焊焊接接頭宏觀照片

焊接接頭力學(xué)性能如表13、表14所示。焊接接頭力學(xué)性能結(jié)果表明：在30 kJ/cm焊接熱輸入下施焊，焊接接頭各位置-40℃沖擊功大于47 J，焊接接頭強(qiáng)度大于540 MPa，且富余量很大。

表13 埋弧焊焊接接頭沖擊性能結(jié)果

表14 埋弧焊焊接接頭拉伸、冷彎性能結(jié)果

焊接接頭硬度結(jié)果如圖11所示，結(jié)果表明在30 kJ/cm焊接熱輸入下施焊，熱影響區(qū)出現(xiàn)一定程度的軟化現(xiàn)象，但焊接接頭抗拉強(qiáng)度滿足要求。

圖11 埋弧焊焊接接頭硬度分布

4 結(jié)論

（1）首鋼50 mm厚Q420qE鋼板Pcm為0.16％，室溫15℃不預(yù)熱條件下焊接，熱影響區(qū)最高硬度255 HV10，預(yù)熱50℃后焊接，熱影響區(qū)最高硬度237 HV10，兩種試驗(yàn)條件下最高硬度試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)低于臨界值350 HV10，表明該鋼板淬硬傾向不明顯。

（2）斜Y型坡口冷裂紋敏感性試驗(yàn)及CTS試驗(yàn)結(jié)果表明，首鋼50mm厚Q420qE采用直徑1.2mm的GFL-71Ni氣體保護(hù)焊絲焊接，焊前預(yù)熱50℃以上可避免焊接冷裂紋的出現(xiàn)。

（3）對(duì)接接頭氣體保護(hù)焊試驗(yàn)結(jié)果表明，采用φ1.2mm的GFL-71Ni氣體保護(hù)焊絲，在14～16kJ/cm焊接熱輸入下施焊，焊接接頭沖擊、拉伸、冷彎滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且富余量很大，焊接熱影響區(qū)未出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

（4）對(duì)接接頭埋弧焊試驗(yàn)結(jié)果表明，采用伊薩生產(chǎn)的直徑φ4.0 mm伊薩OK Autrod 12.34焊絲配合伊薩OK FLUX10.62焊劑，在30 kJ/cm焊接熱輸入下施焊，焊接接頭沖擊、拉伸、冷彎滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且富余量很大，熱影響區(qū)出現(xiàn)一定程度的軟化現(xiàn)象，但焊接接頭抗拉強(qiáng)度滿足要求。

[1]苗張木.鋼箱梁焊接接頭CTOD斷裂韌性評(píng)定[J].焊接學(xué)報(bào)，2006（4）：77-80.

[2]柴亮.南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋Q420qE鋼焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)[J].電焊機(jī)，2012，42（9）：77-89.

[3]魏振鑫.新型橋梁高強(qiáng)鋼Q420qE與Q370qE鋼的焊接及應(yīng)用[J].工程建設(shè)，2012（3）：58-70.

[4]袁少威，許少普，劉慶波，等.80 mm橋梁用抗層狀撕裂Q420qE-Z35鋼板的試制[J].中國(guó)冶金，2013（6）：26-29.

Performance control of Q420qE high strength bridge steel joint

ZHANG Xi1，2，3，LIU Hong2，GUO Zhanshan2，WANG Fenghui2，YANG Jianwei2，YONG Qilong1
（1.Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China；2.Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China；3.Key Laboratory of New Generation Recycling Process for Iron&steel Production Technology，Beijing 100043，China）

In this article，the weld ability of 50 mm Q420qE steel plates were evaluated by max hardness test，cold crack sensibility test，CTStestand heatinput adaptabilitytest.The results indicated thatthe heataffected zone's maxhardness ofQ420qE steel plate was 255 HV10with nopreheat;afterpreheat50℃，theheataffectedzone'smaxhardnesswas237HV10.Theplatequenchinghardenabilitywas notobvious，the 50 mm plate could avoid cold crack at condition that preheat temperature was above 50℃.At the condition that GMAW heat input range from14 kJ/cmto16 kJ/cm，and SAWheat input at 30 kJ/cm，the properties ofweld joint satisfied standard.

Q420qE；high strength bridge steel；weld joint；property control

TG457.11

A

1001－2303（2016）09－0001-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.01

2016-03-07；

2016-05-18

張熹（1980—），男，天津人，工程師，碩士，主要從事鋼鐵材料焊接技術(shù)的研究工作。