Q690qENH高強(qiáng)度橋梁用結(jié)構(gòu)鋼焊接性研究

陳潛，郭紅艷，高波

中鐵九橋工程有限公司 江西九江 332000

1 序言

為適應(yīng)我國橋梁鋼結(jié)構(gòu)向大跨徑、高強(qiáng)度發(fā)展，高強(qiáng)度橋梁鋼板、耐候鋼板、超高強(qiáng)度橋索及高強(qiáng)度螺栓等材料的強(qiáng)度均需提升。且隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的迅猛發(fā)展，大跨度橋梁需要更高級(jí)別的橋梁用鋼，亟需解決強(qiáng)度級(jí)別超過Q500級(jí)的高強(qiáng)度鋼板的研發(fā)和應(yīng)用，提升我國鋼橋制造水平。而高強(qiáng)度橋梁鋼板生產(chǎn)軋制工藝復(fù)雜，其焊接性的優(yōu)劣是指導(dǎo)實(shí)橋應(yīng)用的關(guān)鍵。為此，本文針對(duì)Q690qENH耐候鋼板的母材檢測(cè)、焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)、斜Y形坡口裂紋試驗(yàn)及系列溫度沖擊試驗(yàn)等進(jìn)行研究，綜合評(píng)價(jià)其力學(xué)性能及焊接性。

2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用的Q690qENH高強(qiáng)鋼板厚分別為32mm、50mm，鋼板交貨狀態(tài)為TMCP+回火、低碳貝氏體鋼。鋼中加入Ni、Cr、Cu等主要元素，具備一定耐腐蝕性能，耐腐蝕指數(shù)Ⅰ約為6.7；同時(shí)添加了Ti、Nb、V等微合金元素，可起到晶粒細(xì)化和沉淀強(qiáng)化等作用，以改善組織性能，提高鋼的強(qiáng)度，具體化學(xué)成分見表1。鋼板縱向和橫向的力學(xué)性能差異較小，彎曲試驗(yàn)結(jié)果良好，具體力學(xué)性能見表2。

表1 Q690qENH鋼化學(xué)成分

表2 Q690qENH鋼力學(xué)性能

3 母材系列溫度沖擊試驗(yàn)

材料的缺口沖擊韌度與試驗(yàn)溫度或環(huán)境溫度密切相關(guān)[1]。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)表明，采用轉(zhuǎn)變溫度作為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定材料的韌脆轉(zhuǎn)變特性，不僅可以將韌脆轉(zhuǎn)變溫度與結(jié)構(gòu)的使用溫度聯(lián)系起來，還可以評(píng)定結(jié)構(gòu)的脆性破壞傾向，在某種近似程度上評(píng)定結(jié)構(gòu)的抗斷性。進(jìn)行溫度分別為20℃、0℃、 －20℃、－40℃、－60℃及－80℃的沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。根據(jù)表3繪制的Q690qENH鋼母材系列低溫沖擊曲線，如圖1所示。

表3 Q690qENH鋼母材系列低溫沖擊結(jié)果

圖1 Q690qENH鋼母材系列低溫沖擊曲線

從圖1可看出，板厚32mm和50mm的Q690qENH鋼材有良好的抗低溫冷脆性能，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于 －80℃。

4 焊接性試驗(yàn)

針對(duì)32mm、50mm兩種典型厚度的Q690qENH鋼板進(jìn)行了焊接性試驗(yàn)，通過最高硬度法和斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法驗(yàn)證Q690qENH鋼板的焊接性[2]。

4.1 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)

焊接熱影響區(qū)的硬度主要取決于被焊鋼種的碳含量、合金成分以及冷卻條件，其實(shí)質(zhì)是反映不同金相組織的性能。按GB/T 4675.5—1984《焊接試驗(yàn) 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法》對(duì)32mm、50m m鋼板進(jìn)行了試驗(yàn)，焊條選用X Y-S80Q N H（φ4m m），試驗(yàn)溫度分別為室溫20℃和預(yù)熱60℃，最高硬度試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可以看出，Q690qENH鋼在不預(yù)熱和預(yù)熱60℃焊接時(shí)H V10max均不大于380H V10，說明Q690qENH鋼在不預(yù)熱和預(yù)熱60℃情況下焊接均未產(chǎn)生淬硬組織，冷裂紋傾向不大。

表4 最高硬度試驗(yàn)結(jié)果

4.2 斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)

對(duì)板厚32mm、50mm的Q690qENH鋼板進(jìn)行斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)，焊接方法為焊條電弧焊（小鐵研）。試驗(yàn)方法按GB/T 4675.1—1984《焊接性試驗(yàn) 斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

首先，分別不預(yù)熱焊接小鐵研試驗(yàn)各一組，表面裂紋率100%，然后32mm板預(yù)熱50℃，50mm板預(yù)熱75℃，分別焊接小鐵研試驗(yàn)各一組，試驗(yàn)參數(shù)見表5。

表5 斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)參數(shù)

每組試板先進(jìn)行表面裂紋檢查，結(jié)果表面均無裂紋產(chǎn)生。然后對(duì)每組試件取5個(gè)橫斷面進(jìn)行斷面裂紋檢查，并分別計(jì)算其斷面裂紋率，試驗(yàn)結(jié)果見表6。橫斷面的宏觀金相結(jié)果如圖2、圖3所示。

表6 斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

圖2 試樣XY1-2的斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)宏觀金相結(jié)果

圖3 試樣XY2-2的斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)宏觀金相結(jié)果

5 對(duì)接接頭系列溫度沖擊試驗(yàn)

對(duì)埋弧焊對(duì)接（32+32）mm、（50+50）mm試板進(jìn)行接頭系列溫度沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表7。根據(jù)表7繪制焊縫金屬及熱影響區(qū)（熔合線外1mm）的韌脆轉(zhuǎn)變曲線，分別如圖4和圖5所示。

圖4 （32+32）mm板對(duì)接接頭韌脆轉(zhuǎn)變曲線

圖5 （50+50）mm板對(duì)接接頭韌脆轉(zhuǎn)變曲線

表7 焊接接頭系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著沖擊溫度的下降，焊縫及熱影響區(qū)的低溫沖擊值基本呈現(xiàn)較為緩慢的降低趨勢(shì)[3]。當(dāng)試驗(yàn)溫度為－40℃時(shí)，焊縫中心及熱影響區(qū)低溫沖擊吸收能量在120J以上；當(dāng)試驗(yàn)溫度為－50℃時(shí)，焊縫中心及熱影響區(qū)低溫沖擊吸收能量仍然保持在100J以上，說明接頭具有良好的低溫沖擊性能，Q690qENH鋼板接頭韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于－50℃。

6 結(jié)束語

1）Q690qENH滿足GB/T 714—2015《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》的技術(shù)要求，Q690qENH鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于－80℃。

2）通過焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)表明，Q690qENH鋼板表面焊接時(shí)未產(chǎn)生淬硬組織，焊接性良好。

3）斜Y形坡口裂紋試驗(yàn)結(jié)果表明， Q690qENH鋼焊接時(shí)，32mm及50mm厚鋼板焊前均需要預(yù)熱；32mm厚板預(yù)熱溫度為50℃，50mm厚板預(yù)熱溫度為75℃，即可避免裂紋產(chǎn)生。

4）對(duì)接接頭系列低溫試驗(yàn)結(jié)果表明，Q690qENH鋼板接頭韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于－50℃。