高性能Q420qENH耐候橋梁鋼焊接試驗(yàn)

車(chē)平，李軍平，黃會(huì)強(qiáng)，王青峰，孫舵，李偉偉

(1.中鐵寶橋集團(tuán)有限公司橋梁結(jié)構(gòu)研究院，陜西 寶雞 721006；2.燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004)

0 前言

高性能耐候橋梁鋼作為新一代先進(jìn)鋼鐵材料，與傳統(tǒng)普通橋梁鋼相比，除了具備較高強(qiáng)度外，鋼材的低溫韌性、耐大氣腐蝕性能，尤其是焊接性能有較大幅度提高[1-2]。耐候橋梁鋼作為高性能橋梁鋼的發(fā)展方向，在美國(guó)、日本及歐洲等地區(qū)已經(jīng)廣泛應(yīng)用[3-6]，美國(guó)耐候鋼橋梁數(shù)量占全部鋼橋梁的45%，日本耐候鋼橋數(shù)量占全部鋼橋梁的10%，加拿大在新建的鋼橋中有90%使用耐候鋼[7]。中國(guó)雖然在上世紀(jì)80年代就建造了第一座免涂裝的耐候鋼試驗(yàn)橋-武漢巡司河大橋，但由于對(duì)耐候鋼的應(yīng)用特性認(rèn)識(shí)不足，橋位“微環(huán)境”較為惡劣，因銹蝕嚴(yán)重后來(lái)改為表面涂裝方案，產(chǎn)生的問(wèn)題主要包括：一是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上未能全面考慮耐候鋼板的角度、位置、積水狀況等對(duì)腐蝕情況的影響；二是碳含量和碳當(dāng)量過(guò)高，對(duì)焊前預(yù)熱和焊后緩冷的要求相應(yīng)較高，焊接性能有所不足，從而使耐候鋼橋的推廣使用長(zhǎng)期受到質(zhì)疑[8]。隨著鋼鐵冶金行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步、對(duì)耐候鋼認(rèn)識(shí)的逐步加深，耐候鋼橋梁所具有的綠色環(huán)保、維護(hù)養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)便、壽命周期成本低等優(yōu)勢(shì)[9]，已開(kāi)始引起國(guó)內(nèi)高度重視。近年來(lái)，耐候橋梁鋼得到了大力推廣，先后成功應(yīng)用在西藏拉林鐵路雅魯藏布江特大橋[10]、官?gòu)d水庫(kù)特大懸索公路橋、黑河-布拉戈維申斯克黑龍江公路大橋等鋼橋的建設(shè)中，不僅推動(dòng)了中國(guó)耐候鋼橋的蓬勃發(fā)展，也為耐候鋼橋的技術(shù)開(kāi)發(fā)提供廣闊平臺(tái)。

該單位橋梁鋼及鋼橋綠色高效制造技術(shù)“產(chǎn)學(xué)研用”團(tuán)隊(duì)依托“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“高性能橋梁用鋼”(2017YFB0304800)項(xiàng)目，針對(duì)常用420 MPa級(jí)耐候橋梁鋼耐候性與焊接性難以兼顧的問(wèn)題，開(kāi)展了全面系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果均已達(dá)到項(xiàng)目指標(biāo)，為高性能Q420qENH耐候橋梁鋼的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

1 Q420qENH鋼母材復(fù)驗(yàn)

1.1 鋼板化學(xué)成分及力學(xué)性能試驗(yàn)

試驗(yàn)采用國(guó)內(nèi)某鋼廠(chǎng)Q420qENH鋼，板厚規(guī)格為16 mm,30 mm,50 mm,60 mm。鋼板交貨狀態(tài)為“TMCP+回火”。鋼板化學(xué)成分見(jiàn)表1，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

鋼板化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)結(jié)果表明,Q420qENH鋼的碳量較低(≤0.06%)，S,P等有害元素含量控制在較低水平(P≤0.016%，S≤0.003%)，有利于母材及焊接熱影響區(qū)減少M(fèi)-A組元、珠光體等脆硬相[11]、降低冷脆性，提高低溫韌性。Q420qENH鋼添加了足量的Ni,Cr,Cu,Si等耐候性元素，可促進(jìn)表面形成穩(wěn)定的高致密性銹層(α-FeOOH)，阻止大氣中氧、水及其他腐蝕介質(zhì)向鋼材基體滲入，減緩銹蝕向鋼材基體縱深發(fā)展，提高鋼材耐大氣腐蝕性。根據(jù)GB/T 714—2018《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》附錄C引用的耐大氣腐蝕性指數(shù)I計(jì)算公式，計(jì)算該鋼的耐候性指數(shù)I為6.5～6.6，達(dá)到了美國(guó)《高性能鋼設(shè)計(jì)者指南》對(duì)高性能耐候鋼HPS70W耐候性指數(shù)I的要求(I≥6.5)[12-14]。此外，Q420qENH鋼的碳含量、碳當(dāng)量CEV和裂紋敏感系數(shù)Pcm均較低，有利于焊接熱影響區(qū)母材及減少淬硬組織、降低淬硬傾向，大幅度改善焊接性能。

表1 Q420qENH鋼板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 Q420qENH鋼板力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

鋼板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度控制適當(dāng)，分別為466～556 MPa和586～661 MPa，斷后伸長(zhǎng)率良好(21.5%～28.0%)，屈強(qiáng)比較低(0.72～0.85)，具有良好的強(qiáng)塑性，可保證鋼材在承受靜載時(shí)的使用安全性。鋼板彎曲試驗(yàn)結(jié)果良好，說(shuō)明鋼板具有良好的冷變形能力及冷加工性能。母材-40 ℃沖擊吸收能量為260～354 J，富裕量較大，低溫韌性?xún)?yōu)異，可保證鋼材防脆斷性能。Q420qENH鋼典型規(guī)格鋼板的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、低溫韌性均符合GB/T 714—2015《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》的相關(guān)要求[14]，綜合力學(xué)性能優(yōu)良穩(wěn)定。

1.2 鋼板系列溫度沖擊試驗(yàn)

選取典型厚度16 mm，30 mm，50 mm，60 mm的Q420qENH鋼板，按GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，采用10 mm×10 mm×55 mm夏比V形缺口沖擊試樣，在SANA擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行系列低溫沖擊試驗(yàn)，并確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度。系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，Boltzmann函數(shù)擬合沖擊功隨溫度的變化曲線(xiàn)如圖1所示。

由圖1可知，在整個(gè)試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨著溫度降低，沖擊吸收能量下降，特別是在-60 ℃降至-80 ℃的試驗(yàn)溫度區(qū)間內(nèi)，沖擊值有較明顯的下降趨勢(shì)。但16 mm，30 mm厚鋼板在-80 ℃時(shí)的沖擊吸收能量保持在260 J以上，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的下屈服平臺(tái)，韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-80 ℃以下；50 mm，60 mm厚鋼板沖擊吸收能量雖在-50 ℃時(shí)出現(xiàn)較明顯下降趨勢(shì)，但在-80 ℃時(shí)沖擊吸收能量仍在230 J以上，符合標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)，仍有相當(dāng)大的富余量。試驗(yàn)結(jié)果表明，16 mm，30 mm厚鋼板韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-80 ℃以下，50 mm，60 mm厚鋼板韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-70 ℃左右，具有良好的低溫沖擊性能，能夠滿(mǎn)足工程使用要求。

表3 典型厚度Q420qENH鋼板系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果 J

圖1 Q420qENH鋼板沖擊吸收能量隨溫度的變化曲線(xiàn)

2 焊接材料熔敷金屬試驗(yàn)

2.1 熔敷金屬試驗(yàn)方法

目前，國(guó)內(nèi)用于耐候橋梁鋼焊接的焊材標(biāo)準(zhǔn)還不完善，該團(tuán)隊(duì)根據(jù)鋼板化學(xué)成分及項(xiàng)目任務(wù)對(duì)熔敷金屬的性能要求(ReL≥420 MPa，Rm≥540 MPa，-40 ℃沖擊吸收能量AKV≥60 J(埋弧自動(dòng)焊)或者≥100 J(焊條電弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊)，A≥19)，參考國(guó)內(nèi)外耐候鋼焊接材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及工程實(shí)踐，制定了焊材技術(shù)條件。選取了4種在實(shí)橋上應(yīng)用較成熟的團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)焊材，進(jìn)行了熔敷金屬試驗(yàn)，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 熔敷金屬試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

耐候鋼焊材熔敷金屬化學(xué)成分分析及力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表5和表6。

根據(jù)熔敷金屬試驗(yàn)的結(jié)果表明，焊接材料的碳含量與S，P含量均較低，同時(shí)焊接材料中加入的Ni含量高，并添加Cu，Cr，Ni等耐腐蝕性元素，與母材化學(xué)成分相匹配，保證了焊縫強(qiáng)度、低溫韌性及耐候性能。

表5 焊材熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表6 熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3 Q420qENH鋼板焊接性試驗(yàn)

3.1 焊接熱影響區(qū)(HAZ)最高硬度法

按GB 4675.5—1984《焊接性試驗(yàn)焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法》，對(duì)Q420qENH鋼16 mm鋼板進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為常溫(20 ℃)；對(duì)50 mm，60 mm鋼板進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別為室溫(20 ℃)和預(yù)熱60 ℃；焊條均選用CHE507NHQ(φ4)。熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，由圖2可見(jiàn)，在常溫焊接時(shí)，板厚16 mm，50 mm，60 mm的Q420qENH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度分別為255 HV10，303 HV10，266 HV10，均低于350 HV10，表明Q420qENH鋼在室溫焊接時(shí)未產(chǎn)生淬硬組織，冷裂紋傾向較低。

3.2 斜Y坡口試驗(yàn)

參照標(biāo)準(zhǔn)GB 4675.1—1984《焊接性試驗(yàn)斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》，對(duì)Q420qENH鋼30 mm，50 mm，60 mm原的鋼板進(jìn)行試驗(yàn)。采用CHE507NHQ焊條在室溫條件下進(jìn)行試驗(yàn)，焊后試件經(jīng)48 h冷卻以后，對(duì)試件進(jìn)行外觀(guān)檢查和解剖，用放大鏡檢查焊接接頭表面和斷面，并做宏觀(guān)斷面金相分析。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7，宏觀(guān)金相分析結(jié)果表明，焊縫表面、焊根、斷面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，說(shuō)明高性能Q420qENH耐候橋梁鋼抗冷裂性能好。

圖2 Q420qENH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度

表7 Q420qENH鋼小鐵研試驗(yàn)宏觀(guān)金相結(jié)果

4 對(duì)接接頭焊縫及熱影響區(qū)系列溫度沖擊試驗(yàn)

選取厚度50 mm，60 mm的Q420qENH鋼板，采用藥芯焊絲電弧焊打底和埋弧焊填充的方法焊接試板，焊后檢測(cè)合格后，進(jìn)行系列溫度(-80 ℃，-60 ℃，-50 ℃，-40 ℃，-20 ℃，0 ℃)沖擊試驗(yàn)，以確定鋼板焊縫及熱影響區(qū)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。Q420qENH鋼對(duì)接接頭板厚組合、坡口形式、焊接方法及焊接材料見(jiàn)表8。

系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9和表10，Boltzmann函數(shù)擬合沖擊功隨溫度的變化曲線(xiàn)如圖3所示。

由圖3可知，Q420qENH鋼板對(duì)接接頭焊縫及熱影響區(qū)沖擊吸收能量隨溫度的變化曲線(xiàn)呈完整S形，根據(jù)S曲線(xiàn)(上平臺(tái)能-下平臺(tái)能)/2法確定的韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-45 ℃。焊接過(guò)程中合金元素過(guò)渡穩(wěn)定，使焊縫金屬中存在適量的Ni,Cr,Mo等合金元素，提高了奧氏體的穩(wěn)定性，抑制了先共析鐵素體的析出，使焊縫微觀(guān)組織主要由大量的針狀鐵素體和粒狀貝氏體組成，造成焊縫組織晶粒細(xì)化、韌脆轉(zhuǎn)變溫度相應(yīng)降低，確保了焊接接頭有著良好的低溫沖擊韌性[15-16]。

表8 Q420qENH鋼對(duì)接接頭板厚組合、坡口形式、焊接方法及焊接材料

表9 Q420qENH鋼對(duì)接接頭焊縫系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果 J

表10 Q420qENH鋼對(duì)接接頭熱影響區(qū)系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果 J

圖3 焊縫及熱影響區(qū)系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果

5 Q420qENH鋼焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

選取厚度16 mm,30 mm,60 mm的Q420qENH鋼板，針對(duì)鋼橋梁對(duì)接接頭、熔透角接頭、坡口角接頭、T形角接頭4種典型焊縫類(lèi)型，采用埋弧焊、氣體保護(hù)焊進(jìn)行典型接頭的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。按照焊接接頭性能指標(biāo)(Rm≥540 MPa，-40 ℃吸收能量AKV≥47 J，冷彎合格(D=3a，180°)，根據(jù)焊接性試驗(yàn)結(jié)果及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定氣體保護(hù)焊和埋弧焊工藝的熱輸入范圍控制在15～35 kJ/cm，以既保證焊縫力學(xué)性能，也兼顧抗裂性要求等。Q420qENH鋼板典型接頭焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表11，焊縫化學(xué)成分見(jiàn)表12和接頭力學(xué)性能結(jié)果見(jiàn)表13，接頭宏觀(guān)斷面形貌如圖4所示。

表11 Q420qENH鋼板典型接頭焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)

表12 Q420qENH鋼板典型接頭焊縫化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表13 Q420qENH鋼板典型接頭焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖4 Q420qENH鋼板典型接頭宏觀(guān)金相形貌

由典型接頭試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，Q420qENH鋼板各焊接接頭的焊縫強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，-40 ℃沖擊吸收能量大于47 J，滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求，并且富裕量較大。各接頭焊縫化學(xué)成分及耐候指數(shù)I(6.51～6.65)滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)Q420qENH耐候橋梁鋼研制焊材熔敷試驗(yàn)，耐候指數(shù)與力學(xué)性能均能與鋼板相匹配；焊接熱影響區(qū)最高硬度低于350 HV10；抗裂試驗(yàn)在室溫條件下焊接，均未出現(xiàn)裂紋，表明鋼板焊接性能良好；典型接頭工藝評(píng)定各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足技術(shù)要求。可在國(guó)內(nèi)耐候鋼橋梁領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

(1)根據(jù)國(guó)內(nèi)不同地區(qū)的宏觀(guān)環(huán)境及微觀(guān)環(huán)境特點(diǎn)，應(yīng)開(kāi)展長(zhǎng)期大氣曝曬腐蝕試驗(yàn)，以構(gòu)建不同地區(qū)長(zhǎng)期耐候性預(yù)測(cè)模型，為免涂裝耐候鋼橋在不同地區(qū)的設(shè)計(jì)與選材提供參考。

(2)借鑒美國(guó)、日本耐候鋼橋梁成熟經(jīng)驗(yàn)，制定鋼板、焊材、施工及后期運(yùn)維管養(yǎng)等方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

(3)裸露使用的耐候鋼橋表面銹層形成需3～5年，在形成穩(wěn)定化銹層之前常常出現(xiàn)早期銹液流掛與偏色等現(xiàn)象，對(duì)環(huán)境造成污染，也會(huì)影響公眾的認(rèn)知。因此，應(yīng)加強(qiáng)耐候鋼銹層穩(wěn)定化處理技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。