高強(qiáng)度橋梁鋼Q500qE角焊縫焊接工藝研究

侯東華，周蘭聚，陳福山，胡淑娥，3

（1山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東日照 276826；2濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250101；3東北大學(xué)，遼寧沈陽 110004）

高強(qiáng)度橋梁鋼Q500qE角焊縫焊接工藝研究

侯東華1，周蘭聚2，陳福山2，胡淑娥1，3

（1山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東日照 276826；2濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250101；3東北大學(xué)，遼寧沈陽 110004）

采用CO2氣體保護(hù)焊和埋弧自動焊進(jìn)行高性能橋梁鋼Q500qE熔透及T型角焊縫的焊接工藝試驗(yàn)，結(jié)果表明，焊接接頭成形良好、機(jī)械性能達(dá)到要求，焊縫組織以針狀鐵素體為主，熱影響區(qū)組織以貝氏體為主，保證了接頭良好的強(qiáng)韌性。利用本試驗(yàn)焊接工藝焊接的角焊縫各項(xiàng)檢驗(yàn)均合格，本試驗(yàn)焊接工藝及鋼板、焊材可用于大跨度橋梁角焊縫的焊接施工。

高性能橋梁鋼；Q500qE鋼；角焊縫；焊接工藝

1 前言

近幾年來，我國高速鐵路鋼橋建設(shè)取得了飛速發(fā)展，不斷向高速、大跨度、高承載量發(fā)展，我國鐵路鋼橋無論數(shù)量還是質(zhì)量已處于世界先進(jìn)水平［1-3］。其中代表橋梁有武漢天興洲長江大橋、京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長江大橋、京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋、鄭州黃河大橋等［4］。高速鐵路大跨度鋼橋技術(shù)的飛速發(fā)展離不開高等級橋梁鋼的支撐。在低合金鋼細(xì)晶及超細(xì)晶技術(shù)、合金中納米析出物的控制技術(shù)等強(qiáng)化機(jī)制及多尺度、多相以及亞穩(wěn)相（M3）微觀組織控制等理論不斷發(fā)展的背景下，中國鋼鐵行業(yè)不斷加大高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA）的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用步伐。以第3代高強(qiáng)鋼為代表的HSLA鋼的研發(fā)與生產(chǎn)處于國際領(lǐng)先水平［5-6］，大量先進(jìn)高強(qiáng)鋼和高強(qiáng)、高性能新鋼種的持續(xù)研發(fā)，使大批高等級橋梁用鋼研發(fā)成功。目前研發(fā)的最高級別已達(dá)到Q500qE，但出于安全考慮以及一些焊接技術(shù)限制，該材料未得到實(shí)際應(yīng)用［7-11］。鑒于此，本研究對Q500qE的角焊縫焊接工藝進(jìn)行探討。

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料選用濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司試制生產(chǎn)的Q500qE鋼板，厚度32 mm，主要化學(xué)成分：

C 0.04%，Si 0.34%，Mn 1.53%，P 0.010%，S 0.002%，并添加了Cr、Mo、Cu、Ni以及少量微合金元素Nb、Ti、Al等。

該鋼板的碳當(dāng)量較低，CEV為0.44%、Pcm為0.18，值得一提的是該鋼板耐大氣腐蝕指數(shù)I=6.4，具有良好的耐腐蝕性。鋼板采用TMCP+回火工藝生產(chǎn)，物性指標(biāo)如下：屈服強(qiáng)度RP0.2=543 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm=696 MPa，斷后伸長率A=25%，-40℃縱向沖擊吸收功KV2平均值在300 J以上，鋼板具有良好的綜合性能，屈強(qiáng)比低、塑韌性高。焊接材料方面選用了等強(qiáng)度匹配的焊絲，氣體保護(hù)焊選用直徑1.2 mm的YCJ601Ni-QL焊絲，保護(hù)氣體為純度＞99.9%的CO2；埋弧焊選用直徑5 mm的H08Mn2E焊絲，配以SJ105q焊劑。

采用32 mm+32 mm Q500qE厚板組合進(jìn)行熔透角接和非熔透T形角接焊接試驗(yàn)，選用CO2氣體保護(hù)焊和埋弧自動焊。熔透角接試驗(yàn)采用K型坡口，坡口形式見圖1a，T形角接接頭形式見圖1b。

圖1 32mm厚Q500qE鋼板焊接坡口型式

表1為試驗(yàn)方案及其工藝參數(shù)。1#熔透角焊縫平位埋弧焊采用氣體保護(hù)焊打底、埋弧焊填充；3#T型角焊縫采用船位埋弧焊；2#和4#角焊縫直接采用氣體保護(hù)焊，氣體流量控制在20～25 L/min。焊接道次間的溫度均為80～150℃。T型角焊縫焊角尺寸為12 mm。

表1 試驗(yàn)方案及具體工藝參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

焊接后的試樣放置48 h，超聲波探傷檢驗(yàn)合格后將試板解剖。對于熔透角焊縫試板檢驗(yàn)接頭的拉伸、沖擊、硬度等性能；對于非熔透T型角焊縫檢驗(yàn)硬度及焊接接頭各區(qū)域組織。不同試驗(yàn)方案焊接試樣焊接接頭宏觀形貌見圖2，焊接接頭熔合線附近微觀組織見圖3，接頭硬度見圖4。熔透角焊接接頭性能見表2。

圖2 不同方案焊接試樣接頭的宏觀形貌

圖3 不同方案焊接接頭熔合線附近微觀組織

圖4 不同方案焊接試樣接頭硬度

表2 熔透角焊接接頭的機(jī)械性能

從圖2焊接接頭宏觀組織來看，焊接質(zhì)量達(dá)到預(yù)定要求。熔透角焊縫焊接質(zhì)量良好，完全熔透，未見未熔合、裂紋等缺陷，由于焊接熱輸入量大，采用埋弧焊焊接的1#試樣熔深大于采用氣保焊焊接的2#試樣；3#、4#T型角焊縫焊角尺寸達(dá)到要求，3#試樣的熱影響區(qū)相對4#試樣寬。

從表2來看，無論采用埋弧焊還是氣體保護(hù)焊，熔透角接接頭的機(jī)械性能良好，焊縫的拉伸強(qiáng)度達(dá)到690 MPa、730 MPa，斷后伸長率達(dá)到25%以上，完全滿足橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求且具有較高的塑性；1#試樣采用較大焊接熱輸入埋弧焊熔透角接接頭焊縫KV2（-40℃）平均沖擊功達(dá)到75 J，熱影響區(qū)KV2（-40℃）平均沖擊功達(dá)到137 J；2#試樣采用氣體保護(hù)焊熔透角接接頭焊縫KV2（-40℃）平均沖擊功達(dá)到88 J，熱影響區(qū)KV2（-40℃）平均沖擊功達(dá)到188 J。大跨度橋梁接頭KV2（-40℃）一般要求不低于47 J，本次試驗(yàn)兩種焊接方法接頭的沖擊韌性均高于焊接標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，接頭具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性。

從焊接接頭硬度檢測結(jié)果來看（見圖3），4組試件焊接接頭的平均硬度均在260 HV10以下，硬度單值最高值出現(xiàn)在4#樣熱影響區(qū)，硬度值為269 HV10，低于大跨度橋梁接頭硬度＜350 HV10焊接標(biāo)準(zhǔn)要求，表現(xiàn)出良好的可焊性。

焊接接頭熱影響區(qū)沖擊性能與其組織類型、晶粒尺寸有較大的關(guān)系。圖4a、圖4c為粗晶區(qū)組織，圖4b、圖4d為焊縫組織，可以看出，從1#至4#試樣粗晶區(qū)組織均以未過分長大的貝氏體組織為主，保證了熱影響區(qū)良好的韌性，而焊縫金屬主要為細(xì)小的針狀鐵素體組織，先共析鐵素體組織較少從而使焊縫具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性。由于焊接熱輸入量不同，采用埋弧焊的1#、3#焊件與采用氣體保護(hù)焊的2#、4#焊件組織和晶粒尺寸有一定差距，1#、3#焊件比2#、4#焊件熱影響區(qū)組織更為粗化，焊縫區(qū)域先共析鐵素體含量更高，表現(xiàn)為硬度、強(qiáng)度和沖擊韌性相比稍低。

4 結(jié)論

4.1 針對濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司試制生產(chǎn)的Q500qE鋼板，采用YCJ601Ni-QL焊絲進(jìn)行CO2氣體保護(hù)焊、采用H08Mn2E焊絲（Φ5）+SJ105q焊劑進(jìn)行埋護(hù)自動焊熔透和T型角焊縫的焊接，焊接接頭強(qiáng)度、塑形、韌性、硬度等指標(biāo)均滿足技術(shù)要求，且富余量大，安全可靠。

4.2 濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司試制生產(chǎn)的Q500qE鋼板碳含量低、碳當(dāng)量低，焊接接頭最高硬度低，在較寬泛的焊接熱輸入范圍內(nèi)，焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織以較細(xì)密貝氏體為主，組織不明顯粗化，強(qiáng)韌性良好，鋼板的焊接性優(yōu)良。4.3采用本試驗(yàn)焊接工藝焊接的熔透及T型角焊縫，外觀檢驗(yàn)、超聲波探傷檢驗(yàn)、宏觀斷面檢驗(yàn)及接頭力學(xué)性能試驗(yàn)等檢驗(yàn)均合格，證明本試驗(yàn)焊接工藝可用于大跨度橋梁用高性能鋼板的焊接。

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Research of Fillet Weld Welding Procedure of High Performance Bridge Steel Q500qE

HOU Donghua1,ZHOU Lanju2,CHEN Fushan2,HU Shue1,3
（1 Shandong Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Rizhao 276826,China;2 Jinan Iron and Steel Group Corporation,Jinan 250101,China; 3 Northeastern University,Shenyang 110004,China）

The fillet weld welding procedure of high performance bridge steel Q500qE by CO2gas shield arc-welding and submerged arc welding were tested.The results show that,the weld appearance are well and the welded joint mechanical properties are qualified.Due to the bainite microstructure of HAZ and the acicular ferrite microstructure of welded seam,the strength and toughness of welded joint are affluent.All results are qualified,the welding procedure,steel plate and welding material can fully satisfy the welding technology requirements of long span bridge.

high performance bridge steel;Q500qE steel;fillet weld;welding process

TG406

A

1004-4620（2017）02-0035-03

2016-07-11

侯東華，男，1977年生，2005年畢業(yè)于太原科技大學(xué)材料加工工程專業(yè)，工學(xué)碩士?，F(xiàn)為山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司軋鋼高級工程師，從事中厚板產(chǎn)品開發(fā)及焊接工藝工作。