高強度橋梁鋼焊縫微觀組織及性能研究綜述

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(1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢 643000；2.四川輕化工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

1 國內(nèi)外橋梁鋼的發(fā)展

自2008年南方雪災(zāi)過后，國家對全國交通網(wǎng)絡(luò)等基本設(shè)施的投入增強。橋梁作為交通系統(tǒng)中的重要組成部分得到了大力發(fā)展。橋梁建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展不僅對橋梁用鋼的“量”有了需求，而且對其“質(zhì)”也有了更高的需求。我國自20世紀(jì)50年代以來，自主開發(fā)設(shè)計了一系列橋梁及配套橋梁用鋼[1-3]。根據(jù)我國橋梁鋼的發(fā)展過程來看，橋梁鋼的發(fā)展和橋梁設(shè)計的發(fā)展密不可分。主要指標(biāo)要求為強度、韌性以及施工過程中的焊接性，使得橋梁鋼的強度和韌性不斷提高。美國是較早開始將高強度鋼材應(yīng)用于橋梁建設(shè)的國家之一。美國橋梁鋼的發(fā)展經(jīng)歷了250、345(345S，345W)、485(485W)、690(690W)等4個等級。1962年，美國將690MPa級的HPS100W鋼首次使用于橋梁建設(shè)中。1991年，美國開始研發(fā)設(shè)計新鋼種(HPS345W、HPS485W、HPS690W)。2003年，HPS690W鋼在橋梁中投入使用。目前關(guān)于該系列鋼材的更深入的研究工作還在繼續(xù)[4-5]。

日本作為亞洲唯一的發(fā)達(dá)國家，在橋梁鋼的研究與應(yīng)用方面一直處于領(lǐng)先地位。20世紀(jì)50年代，日本開始使用500 MPa、600 MPa級的高強度鋼材。自1960年起，日本的橋梁建設(shè)大多采用600 MPa級甚至是800 MPa級的高強度鋼材。1997年，超級鋼材項目啟動，日本鋼材的發(fā)展進(jìn)一步加快[6-7]。

2 橋梁鋼焊接方法

我國目前的橋梁用鋼已經(jīng)邁入了高強度鋼的時代，常用的鋼材有370 MPa、420 MPa、500 MPa級的高強度鋼材。按橋梁結(jié)構(gòu)用鋼國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T714-2015，我國的橋梁結(jié)構(gòu)用鋼有8個強度等級，4個質(zhì)量等級。

國外目前已經(jīng)普遍使用多頭自動焊接機(jī)械手臂等自動化裝置進(jìn)行焊接。與國外相比，國內(nèi)橋梁鋼焊接大多采用手工電弧焊，埋弧電弧焊等。這種焊接方式與操作者經(jīng)驗有很大關(guān)系，效率低，質(zhì)量得不到保障。目前，隨著橋梁建設(shè)的發(fā)展，一些高效率的焊接方式開始受到重視，如CO2自動焊及半自動焊。此類技術(shù)主要應(yīng)用于懸索橋和斜拉橋，但對于公路鐵路兩用橋，一般仍舊已埋弧焊為主，其他方式的自動半自動焊接為輔。我國在橋梁建設(shè)自動化焊接領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間。

3 橋梁鋼焊接頭研究

3.1 橋梁鋼焊接頭組織與力學(xué)性能

焊縫區(qū)組織一般為粗大的柱狀晶，或呈針狀。而熱影響區(qū)受焊接熱循環(huán)的影響一般存在晶粒長大現(xiàn)象[8-11]。Q500qE鋼材中含有微量的Nb、V、Ti，此類元素為強碳/氮化物形成元素。碳/氮化物能阻礙晶界移動，抑制晶粒長大，以提高材料的強度和韌性。焊接過程中的熱輸入量過高會溶解碳/氮化物，使其失去抑制晶粒長大的作用[12]。故焊接過程中選擇合適的焊接工藝參數(shù)對焊接頭的綜合性能十分重要。

陳尹澤等對TMCP橋梁鋼Q420qE進(jìn)行焊接，并對其焊接頭進(jìn)行了研究分析。結(jié)果顯示：焊接頭平均屈服強度與抗拉強度為469 MPa、574 MPa，焊接頭延伸率下降2%，焊接頭與母材并無明顯的硬度差別。焊縫組織為粗大的先共析鐵素體+針狀鐵素體+細(xì)小的M/A島；粗晶區(qū)組織為針狀鐵素體+粒狀貝氏體+板條狀貝氏體；細(xì)晶區(qū)組織為多邊形鐵素體+少量珠光體；母材為多邊形鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體[13]。對比四個區(qū)域發(fā)現(xiàn)，僅在焊縫部位出現(xiàn)了粗大的先共析鐵素體及M/A島，先共析鐵素體在熔池冷卻凝固的較高溫度段形核，然后長大。針狀鐵素體在原奧氏體晶內(nèi)形核，內(nèi)部具有較高的位錯密度，互相之間的接觸角大，可以有效的阻礙裂紋擴(kuò)展的傾向，故可以提高焊縫的強度和韌性。粒狀貝氏體的組織特征是大塊狀或針狀鐵素體內(nèi)分布著一些顆粒狀小島，這些小島可以起到第二相強化作用。故粒狀貝氏體也可提高材料的抗拉強度和屈服強度[14-16]。

3.2 橋梁鋼焊接頭的疲勞性能

賈坤寧等對Q460q高強度橋梁鋼焊接頭的疲勞性能進(jìn)行了研究。材料經(jīng)焊接后采用高頻試驗機(jī)對其進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展實驗。焊接頭在107條件下的疲勞極限為470MPa，略低于材料的屈服強度。應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系為lgN=36.9-13.7438 lgσ[17]。在應(yīng)力作用下，材料中粗大的夾雜物周圍容易造成應(yīng)力集中，夾雜物周圍的薄弱區(qū)域容易產(chǎn)生裂紋和微孔。裂紋擴(kuò)展到一定程度后，承受力的斷面縮小然后斷裂，即瞬斷區(qū)[18]。瞬斷區(qū)斷口形貌具有典型的韌窩特征。有研究者根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展曲線分析得出焊縫的循環(huán)次數(shù)最多，然后是熱影響區(qū)，再次是母材。隨著加載應(yīng)力的提高，焊縫和熱影響區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率同比例增加，且母材的裂紋擴(kuò)展速率增加更快。深入分析試驗數(shù)據(jù)得到了不同區(qū)域的Paris公式和疲勞裂紋門檻值：焊縫區(qū)域的Paris公式為da/dN=2.5858E-09(ΔK)2.86276，疲勞裂紋門檻值為6.6822 MPa·m1/2；熱影響區(qū)的Paris公式為da/dN=9.2487E-09(ΔK)2.77892，疲勞裂紋門檻值為5.2817 MPa·m1/2；母材的Paris公式為da/dN=4.2036E-09(ΔK)2.15102，疲勞裂紋門檻值為4.8809 MPa·m1/2[19]。斷口均呈現(xiàn)可延展條紋狀，焊縫的條紋間距最小，斷裂形式以穿晶斷裂為主；母材的裂紋擴(kuò)展路徑呈Z字形。斷裂形式為沿Z字形路徑擴(kuò)展的沿晶斷裂為主；而熱影響區(qū)的斷裂模式介于兩者之間[20-21]。

3.3 橋梁鋼焊接頭耐蝕性

橋梁鋼的耐蝕性能對其實際應(yīng)用十分重要，有不少學(xué)者對橋梁鋼的腐蝕行為進(jìn)行了研究[22-23]。王至奮[24]等采用浸泡實驗探究了不同晶粒尺寸試樣的腐蝕情況，其結(jié)果表明：擁有大晶粒尺寸的鐵素體和珠光體組織的試樣的耐蝕性能更好。李琳[25]同樣就晶粒尺寸對橋梁鋼的耐蝕性進(jìn)行了研究，材料采用了化學(xué)成分相同而晶粒尺寸不同的3種橋梁耐候鋼，經(jīng)模擬干濕交替實驗后發(fā)現(xiàn)，晶粒尺寸最小的試樣在試驗后腐蝕速率最低。對于橋梁鋼焊接頭的性能，也有前人做了不少探究。黃元林[26]等研究了超聲沖擊處理后Q370qE 橋梁鋼焊接接頭耐蝕性的變化。經(jīng)5% NaCl溶液浸泡后觀察了經(jīng)超聲處理后和未經(jīng)超聲處理試樣的腐蝕形貌，結(jié)果表明：未處理接頭出現(xiàn)不同程度的剝層腐蝕和點腐蝕，其中點腐蝕深度達(dá)0.2 mm；經(jīng)超聲處理后焊接頭試樣表面僅局部有銹層現(xiàn)象，其原因為超聲處理使得材料表面以下形成了100～200 μm厚的致密纖維狀形變組織，該組織能提高焊接頭的抗腐蝕性能。

3.4 橋梁鋼焊接頭焊后熱處理

鋼材焊接時，熔池的冷速對焊縫組織有一定影響。凝固過程的冷卻速度越低，晶粒粗化時間越充分，晶粒越粗大。在焊縫金屬組織中，針狀鐵素體可以提高焊縫金屬的韌性。而一般焊接后的焊縫組織中，針狀鐵素體含量少，且存在樹枝狀或大長條裝的晶界鐵素體，甚至是貝氏體，故其韌性低[27]。為了提高其韌性，通常會在焊接后對其進(jìn)行熱處理，以改變焊縫力學(xué)性能。

劉立彪[28]等人研究了Q420R鋼材焊接熱處理前后的性能變化。實驗選用了560、580、600、620 ℃等4個熱處理溫度參數(shù)。對比熱處理前后金相組織發(fā)現(xiàn)，熱處理并未改變組織類型，僅是熱處理后在晶界處有碳化物析出，620 ℃熱處理后試樣組織中的碳化物最多。溫度上升，晶粒度增大。560 ℃時晶粒度為9～10級，而620 ℃時為8～9級。

4 結(jié)語

焊接是橋梁建造關(guān)鍵技術(shù)，焊縫的質(zhì)量與橋梁的安全息息相關(guān)，高強度橋梁鋼在實際應(yīng)用過程中還存在一些問題需要提高和解決，如焊后熱處理工藝參數(shù)對Q500qE等高強度橋梁鋼焊縫顯微組織、力學(xué)性能、耐蝕性的影響，經(jīng)過焊后熱處理沖擊韌性下降的機(jī)理等都值得深入研究。