高性能Q500qE鋼焊接性試驗(yàn)研究

■ 貝玉成，徐向軍

1. 概述

蕪湖長江公鐵大橋是新建商合杭鐵路的控制性工程，是集客運(yùn)專線、城市軌道交通與市政道路于一體的重大基礎(chǔ)設(shè)施。跨江主橋?yàn)殡p塔雙索面高低塔鋼箱鋼桁組合梁斜拉橋，全長1234.6m。

主橋鋼箱鋼桁組合梁斜拉橋跨度布置為（99.3+238+588+224+85.3）m，主梁上層為板桁結(jié)合，下層為鋼箱結(jié)合鋼桁梁，三角型桁架，兩片主桁，上層主桁中心距33.8m，下層主桁中心距為38m，桁高15.0m，節(jié)間長度14m，大橋效果如圖1所示。

圖1 蕪湖長江公鐵大橋效果圖

由于本橋采用大跨度公鐵兩用斜拉橋，桿件受力大，Q370q和Q420q鋼板已經(jīng)不能滿足大橋的制造需要，在受力大的高塔區(qū)16個(gè)節(jié)間下弦桿及鐵路橋面采用了我國第六代橋梁鋼Q500qE。下弦桿效果如圖2所示，高塔區(qū)下弦桿受力大，且內(nèi)有錨箱構(gòu)造，鋼板厚度大，為保證工程焊接質(zhì)量，需要對Q500qE鋼進(jìn)行全面地焊接性試驗(yàn)研究。

圖2 下弦桿效果圖

2. 試驗(yàn)內(nèi)容

針對蕪湖長江公鐵大橋用高性能Q500qE鋼板進(jìn)行了焊接性試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括：①焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)。②斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)。③對接接頭剛性拘束焊接裂紋試驗(yàn)。

3. 試驗(yàn)用鋼板和焊接材料

（1）試驗(yàn)用鋼板 試驗(yàn)采用板厚32mm和50mm的Q500qE鋼板進(jìn)行，采用熱機(jī)械軋制（TMCP）+回火（T）工藝軋制，鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示，均符合《商合杭鐵路蕪湖長江公鐵大橋鋼板供貨技術(shù)條件》要求。鋼板采用超聲波檢測復(fù)驗(yàn)，符合《厚鋼板超聲波檢驗(yàn)方法》GB/T 2970 —2004 II級要求。

（2）試驗(yàn)用焊材 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)采用J607Q（φ4mm）焊條焊接；斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)分別采用J607Q（φ4m m）焊條和藥芯焊絲JQ.YJ621K2-1（φ1.2mm）焊接；對接接頭剛性拘束焊接裂紋試驗(yàn)分別采用氣體保護(hù)焊和埋弧焊方法焊接，氣體保護(hù)焊采用HTW-58（φ1.2mm）焊絲焊接；埋弧焊采用H65Q（φ4mm）焊絲+SJ105q焊劑焊接。氣體保護(hù)焊用CO2氣體純度＞99.5%。焊接材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表3所示。

4. 焊接性試驗(yàn)

（1）焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn) 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)按照《焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法》（GB4675.5—1984）的規(guī)定進(jìn)行。

試件制備、焊接材料及焊接設(shè)備：對于板厚32m m、50m m 的鋼板，保留鋼板的一個(gè)軋制面，加工成尺寸為20mm×75mm×200mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。試驗(yàn)焊縫采用焊條電弧焊，采用J607Q（φ4mm）焊條焊接，焊條使用前嚴(yán)格按照產(chǎn)品說明書規(guī)定烘干后使用。焊條電弧焊焊接設(shè)備為ZX7－500型直流電源，反極性接法。

焊接試驗(yàn)：焊前用砂輪打磨試件表面，露出金屬光澤。焊接時(shí)在試件兩端支起，離開地面。沿試件軋制表面的中心線焊出約125mm長的焊縫，焊接參數(shù)如表4所示。熔敷簡圖如圖3所示。

圖 3

表1 試板化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) （%）

表2 試板力學(xué)性能

硬度試驗(yàn)：試件焊接24h后，截取硬度測試試樣，然后在垂直焊縫中部的斷面上檢測硬度。

試樣的檢測面經(jīng)研磨后，加以腐蝕，劃一條既與熔合線底部相切，又平行于試板軋制面的直線，在此直線上，每隔0.5mm進(jìn)行維氏硬度的測定，切點(diǎn)兩側(cè)各測七點(diǎn)（見圖4）。焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表3 焊材的化學(xué)成分和力學(xué)性能

表4 焊接參數(shù)

表5 焊接熱影響區(qū)最高硬度值（焊條電弧焊） （HV10）

圖4 硬度測試點(diǎn)示意

由表5的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：板厚32m m和50m m的Q 5 0 0 q E鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度分別為272H V10和264HV10，低于380 HV10，說明Q500qE鋼板的焊接性良好。

（2）斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn) 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：試驗(yàn)按照《焊接性試驗(yàn)斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》（GB4675.1—1984）進(jìn)行。

試件制備、焊接材料及焊接設(shè)備：試件加工時(shí)，先刨削試驗(yàn)焊縫坡口，然后用火焰切出試件兩端的拘束焊縫坡口。拘束焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊焊接。試驗(yàn)焊縫分別采用J607Q（φ4mm）焊條和藥芯焊絲JQ.YJ621K2-1（φ1.2mm）焊接，焊條使用前嚴(yán)格按照產(chǎn)品說明書規(guī)定烘干后使用。

焊條電弧焊焊接設(shè)備為ZX7－500型直流電源；氣體保護(hù)焊焊接設(shè)備為KR500型直流電源，均為反極性接法。

焊接試驗(yàn)：試件按規(guī)定組對后，用CO2氣體保護(hù)焊焊接拘束焊縫，焊接時(shí)嚴(yán)格控制了試件的角變形。拘束焊縫焊接24h后，完成試驗(yàn)焊縫的焊接。對板厚32 mm的鋼板不預(yù)熱，對板厚50mm的鋼板預(yù)熱80℃，分別采用焊條電弧焊和氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

焊接結(jié)果：試驗(yàn)焊縫完成48h后，檢測焊縫表面，均無裂紋產(chǎn)生。然后解剖磨制斷面，用40倍放大鏡觀測斷面裂紋，板厚32mm的鋼板不預(yù)熱，板厚50mm的鋼板預(yù)熱80℃均無裂紋產(chǎn)生。斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6的試驗(yàn)結(jié)果可以確定Q500qE鋼板焊接預(yù)熱溫度（當(dāng)環(huán)境溫度不低于5℃，環(huán)境濕度不大于80%時(shí)）：板厚≤32mm的Q500qE鋼板不需要預(yù)熱；板厚＞32～50mm的Q500qE鋼板預(yù)熱80℃，可以防止焊接裂紋的產(chǎn)生。

（3）對接接頭剛性拘束焊接裂紋試驗(yàn) 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：試驗(yàn)按照《對接接頭剛性拘束焊接裂紋試驗(yàn)方法》（GB/T 13817—1992）進(jìn)行。

試件制備、焊接材料及焊接設(shè)備：采用板厚32mm的Q500qE鋼板進(jìn)行試驗(yàn)，試件的形狀和尺寸如圖5所示。對接焊縫采用火焰切割坡口。拘束焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊焊接。

圖5 對接接頭剛性拘束焊接裂紋試件

焊接兩組試件，第一組試件模擬弦桿上水平板對接焊縫，40°V形坡口，根部5mm間隙，背面襯陶質(zhì)襯墊焊接，采用HTW－58（φ1.2mm）焊絲CO2氣體保護(hù)焊；第二組試件模擬鋼板對接焊縫，60°Y形坡口，根部1mm間隙，采用埋弧焊，H65Q（φ4mm）焊絲+SJ105q焊劑焊接，焊劑使用前嚴(yán)格按照產(chǎn)品說明書規(guī)定烘干后使用。

氣體保護(hù)設(shè)備為KR500型直流電源，埋弧焊設(shè)備為ZD5（D）-1250直流電源，均為反極性接法。

表6 斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

試件按規(guī)定組對后，用CO2氣體保護(hù)焊焊接拘束焊縫。拘束焊縫焊接24h后，完成試驗(yàn)焊縫的焊接。對兩組試件不預(yù)熱進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接參數(shù)如表7所示。

試驗(yàn)焊縫完成48h后，檢測焊縫表面，兩組試件表面均無裂紋產(chǎn)生。然后解剖磨制斷面，用40倍放大鏡觀測斷面裂紋，均無裂紋產(chǎn)生。對接接頭剛性拘束焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

由表8的試驗(yàn)結(jié)果可以確定Q500qE鋼板焊接性良好，對接焊縫不預(yù)熱（當(dāng)環(huán)境溫度≥5℃，環(huán)境濕度≤80%時(shí)）焊接，不會(huì)產(chǎn)生焊接裂紋。

表7 對接接頭剛性拘束焊接裂紋試驗(yàn)焊接參數(shù)

表8 對接接頭剛性拘束焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

5. 結(jié)語

（1）通過焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)、斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)、對接接頭剛性拘束焊接裂紋試驗(yàn)，驗(yàn)證了高性能Q500qE鋼焊接性良好。

（2）通過試驗(yàn)確定Q500qE鋼板的預(yù)熱溫度、打底焊道工藝參數(shù)等焊接工藝參數(shù)，保證了蕪湖長江公鐵大橋的焊接質(zhì)量。