耐候鋼桁橋焊接工藝評定及力學性能試驗研究

孫洪斌尹航張銘趙而年黃會強

(1.山東鐵路投資控股集團有限公司，山東 濟南 250102；2.山東建筑大學 土木工程學院，山東濟南 250101；3.中鐵寶橋集團有限公司，陜西 寶雞 721006)

0 引言

長期暴露于環(huán)境介質(zhì)下的鋼橋結(jié)構(gòu)，通常難以通過有效的防護和構(gòu)造措施避免有害腐蝕介質(zhì)對鋼橋結(jié)構(gòu)構(gòu)件及連接細節(jié)的腐蝕，嚴重的腐蝕不僅會造成材料失效，還可能誘發(fā)猝不及防的災難性事故，造成巨大的經(jīng)濟損失和社會影響[1－2]。耐候鋼依靠基體中添加少量的如Cu、P、Cr、Ni等合金元素，在服役過程中產(chǎn)生的致密銹層可以有效地阻滯腐蝕介質(zhì)的進一步滲入和傳輸，從而達到免涂裝使用的目的。已有研究表明，基于快速建造、全壽命周期成本和環(huán)境保護的考慮，將高強度耐候鋼用于橋梁建設可獲得較好的經(jīng)濟效果，因此，擴大耐候鋼在橋梁工程中的應用已成為必然發(fā)展趨勢[3－5]。目前，國外針對耐候鋼及耐候鋼橋的研究已較為深入，形成了較完善的耐候鋼橋設計指南或規(guī)范；美國、日本的鋼結(jié)構(gòu)橋梁已成功推廣應用了耐候鋼[6]。近年來，我國耐候鋼橋進入了一個快速發(fā)展期，各大設計院持續(xù)開展耐候鋼橋的設計研究工作，取得了一定成果。但國內(nèi)耐候鋼橋尤其是耐候鋼高速鐵路橋的基礎(chǔ)理論和設計方法研究仍相對不足[7－8]，缺乏相關(guān)技術(shù)指導標準，工程實例也相對較少；與之相對應的耐候鋼焊接工藝和方法、焊接性能評定、焊接接頭腐蝕機理及抗腐蝕疲勞性能等問題是值得深入研究的課題。

高強度耐候鋼要應用于高速鐵路橋梁工程，必須解決焊接性能和質(zhì)量問題。與傳統(tǒng)焊接結(jié)構(gòu)鋼的主要不同是，耐候鋼連接焊縫不僅要考慮焊接接頭的強度匹配，還要考慮所采用的焊接熔敷金屬應具有不低于基材的抗腐蝕性能[9－10]。因此，耐候鋼焊接材料的選用，要同時遵循強度和化學成分兩個因素的匹配。美國、日本、加拿大等的耐候鋼焊接技術(shù)已基本成熟；隨著我國耐候鋼橋建造的發(fā)展，解決耐候鋼焊接關(guān)鍵技術(shù)問題迫在眉睫[11－13]。新建濰萊鐵路濰萊右線跨青榮城際高鐵特大橋(120＋82)m連續(xù)鋼桁梁工程，采用定制牌號Q370qNH耐候鋼。在實際新建耐候鋼橋建造過程中，尚缺乏該牌號耐候鋼可焊性及焊接接頭力學特征等基本試驗數(shù)據(jù)，因此需要進行該定制牌號Q370qNH耐候鋼的焊接工藝評定和力學性能試驗研究，以指導該新建高鐵耐候鋼橋的涉及和施工建造。在此工程背景下，文章試驗研究了15組共計91個典型Q370qNH耐候鋼焊接接頭的焊接工藝評定，基于修正的Legault－Leckie公式評價了Q370qNH焊接接頭的耐候性，通過焊接接頭的單調(diào)拉伸、側(cè)彎、低溫沖擊以及硬度測定試驗，研究了15組不同類型焊接接頭的力學性能，并觀察了焊接接頭宏觀金相組織，其結(jié)果可以作為新建耐候鋼高鐵桁梁橋焊接工藝的指導依據(jù)。

1 工程概況

新建濰高鐵跨越青榮鐵路耐候鋼桁梁工程設計為(120＋82)m下承式連續(xù)鋼桁梁，鋼桁梁結(jié)構(gòu)形式采用不等高連續(xù)鋼桁梁，主桁架采用有豎桿的三角桁，其桁梁高為13~25 m、節(jié)段長度為9~13 m、主桁中心距10 m，如圖1所示。

圖1 濰萊高鐵耐候鋼桁梁結(jié)構(gòu)模型圖

該耐候鋼橋主桁節(jié)點采用整體節(jié)點形式，上、下弦桿在節(jié)點外焊接，腹桿采用對接形式與整體節(jié)點焊接，其腹板接頭板焊于節(jié)點板上。上、下弦桿及腹桿均采用全焊接形式。主桁弦桿及斜腹桿的連接采用錯焊，焊接采用等強熔透焊，焊縫等級為Ⅰ級焊縫。鋼橋面由橋面板、節(jié)點橫梁及節(jié)間橫梁、縱肋4個部分組成，其中鋼橋面板全橋縱、橫向連續(xù)，縱向與下弦頂板伸出肢焊接，橫向分段焊接。鋼橋面板采用爆炸法制造的不銹鋼復合鋼板321＋Q370qENH，基材Q370qENH厚為14 m、不銹鋼復合層321厚為3 mm。全橋縱橫向連續(xù)，縱向與下弦板伸出肢焊接，橫向分段焊接。鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)主桁桿件、縱橫梁材質(zhì)采用Q370qENH耐候鋼，鋼桁梁板厚范圍為12~46 mm。產(chǎn)品質(zhì)保單提供的Q370qENH耐候鋼化學成分見表1。

表1 試驗用耐候鋼板各元素質(zhì)量分數(shù)表 %

2 焊接接頭焊接工藝評定試驗

2.1 焊材選擇及焊接環(huán)境

在焊接工藝評定試驗，通過選取能完全代表鋼橋焊縫結(jié)構(gòu)形式的焊接接頭進行工藝評定和力學性能測試，起到直接指導鋼橋焊接施工作業(yè)的目的，其中焊材選擇、焊接方法、焊接位置、焊接接頭型式等內(nèi)容是其重要考察參數(shù)。根據(jù)工程案例擬定的焊接工藝指導書，并結(jié)合焊材的相關(guān)標準以及相關(guān)工程經(jīng)驗，試驗中對埋弧自動焊(SAW)采用TH500－NQ－Ⅲ(Φ5.0)/SJ105NQ耐候鋼焊絲；藥芯焊絲CO2氣體保護焊(FCAW)采用T494T1－1C1A－NCC2(Φ1.2)/E491T1－GC耐大氣腐蝕鋼氣保焊絲，選用的兩種焊絲均可適用于500 MPa抗拉強度等級耐候鋼的焊接。產(chǎn)品質(zhì)保單提供的試驗用焊接材料化學成分見表2。

表2 試驗用焊材各元素質(zhì)量分數(shù)表 %

在耐候鋼焊接作業(yè)中，應嚴格控制施焊環(huán)境以確保焊接質(zhì)量。焊接過程中，根據(jù)耐候鋼板及焊接材料化學成分、接頭型式、焊接方法等確定合理的預熱溫度、道間溫度、焊接電流電壓等焊接工藝參數(shù)，焊速采用25 m/h。焊接環(huán)境要求為:(1)在露天施焊條件下設置防風、防雨、防潮措施，當環(huán)境相對濕度>80%時焊接前采用火焰烘烤，并對近縫區(qū)去濕；(2)當環(huán)境溫度<－5℃或>－10℃時，很難采取措施改善施焊環(huán)境，為保證焊接質(zhì)量，對焊接區(qū)域進行預熱，使接頭部位的溫度≥20℃方可施焊；當環(huán)境溫度<－10℃時，禁止進行焊接作業(yè)。

2.2 焊接接頭型式

通過分析耐候鋼鐵路桁梁橋代表性焊接型式，試驗共完成了15組共計91個焊接接頭的焊接工藝評定。其中，對接(BW)接頭3組、全熔透角接(PJP)接頭2組、部分熔透角接(CJP)接頭5組、T形角焊縫(FW)接頭5組。埋弧自動焊采用直流電源ZD5－1250配MZ－1－1000型焊機，氣體保護半自動焊采用KRⅡ350型、KRⅡ500型焊機。所有接頭焊接均采用直流反極性連接?？紤]到鋼橋現(xiàn)場施工受焊接位置影響難以實現(xiàn)自動化焊接，試驗中焊接接頭采用平位(H)、立位(V)、橫位(T)及船位(P)4種焊接方式。Q370qENH鋼焊接接頭形式及焊接位置如圖2~5所示，其中編號為FW16－P1、FW16－P2和FW16－P3的試樣為同一接頭型式不同焊接工藝參數(shù)下的船位焊接T形角焊縫接頭。

圖2 BW焊接接頭型式及焊接位置圖/mm

圖3 CJP焊接接頭型式及焊接位置圖/mm

圖4 PJP焊接接頭型式及焊接位置圖/mm

圖5 FW焊接接頭型式及焊接位置圖/mm

試件焊接后完成后除進行焊縫外觀檢驗及尺寸檢驗外，在焊接完成24 h后進行超聲波檢測。試驗中，對接焊縫、全熔透角焊縫滿足Q/CR 9211—2015?鐵路鋼橋制造規(guī)范?[15]中的Ⅰ級要求，部分熔透角焊縫、T形角焊縫滿足Ⅱ級焊縫要求。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 焊接接頭的耐候性

針對耐候性評價問題，20世紀中期，美國材料與試驗協(xié)會在不同大氣環(huán)境中對270余種不同化學成分的低合金鋼進行了長達15.5 a的曝曬試驗研究，ASTM G101—04提出了修正的Legault－Leckie公式[14]，由式(1)表示為

式中I為耐候指數(shù)；%Cu、%Ni、%Cr、%Si、%P分別為Cu、Ni、Cr、Si、P的質(zhì)量分數(shù)。

I值越高，表明鋼材的耐蝕性能越好。根據(jù)式(1)以及表1和2化學成分表，可計算得到試驗所用耐候鋼、焊縫材料的耐候指標，對比分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 耐候鋼及焊縫材料耐候指標圖

通過對耐候鋼接頭的焊縫光譜成分分析檢測，可得不同焊接接頭焊縫處的化學成分組成，據(jù)此可采用同樣的方法計算不同焊接接頭焊縫耐腐蝕指數(shù)。焊接接頭的耐候指標計算結(jié)果如圖7所示。試驗中15組焊接接頭焊縫表面處的耐候指標范圍為6.48~6.81，耐候指數(shù)均值為6.70，焊縫表面耐腐蝕指數(shù)Ⅰ均大于耐候鋼母材耐候指數(shù)標準值。根據(jù)修正的Legault-Leckie公式計算的耐候性計算結(jié)果可知，試驗中選用的焊接材料及焊接工藝滿足耐候鋼焊接接頭焊縫熔敷金屬耐蝕性能匹配的要求。

圖7 焊接接頭焊縫耐候指標圖

3.2 焊接接頭的力學性能

根據(jù)Q/CR 9211—2015[15]中對焊接接頭力學性能試驗的要求，分別對15組試驗進行了焊接接頭拉伸性能、焊縫金屬拉伸性能、低溫沖擊以及焊接接頭硬度試驗。為了保證試驗中所用焊接試樣的一致性，試驗中采用的試件均取自同一焊接板件。試件取樣的方法及拉伸試驗照片分別如圖8和9所示。

圖8 力學性能試驗試件取樣示意圖/mm

圖9 對接試件力學試驗照片

對接接頭試件抗拉強度及全部15組焊接接頭焊縫金屬抗拉強度和屈服強度的試驗結(jié)果如圖10所示。由此可知，15組焊接接頭的屈服強度及抗拉強度指標試驗結(jié)果均高于耐候鋼母材強度的標準值370 MPa；試驗中3組對接接頭板拉伸斷裂位置均在母材，側(cè)彎180°試驗結(jié)果滿足Q/CR 9211—2015[15]要求。此外，試驗中焊接試樣的斷后延伸率范圍維持在23%~24%之間，其滿足≥20%的要求。

圖10 強度評定結(jié)果對比分析圖

屈強比是表征材料抵抗從屈服到塑性不穩(wěn)定變形的一種能力。對于焊接接頭而言，其屈強比越低，表征其塑性儲備越大[16]。根據(jù)試驗強度結(jié)果，計算15組焊接試樣的屈強比結(jié)果如圖11所示。

圖11 焊縫金屬屈強比試驗結(jié)果圖

由此可知，全部15組試樣的屈強比約維持在0.67水平，與鋼結(jié)構(gòu)設計標準中母材的屈強比要求相近。從安全角度考慮，低屈強比表征焊接接頭具備較好的抗震性能、抗外來沖擊性能。

不同焊接接頭在－40℃下的低溫沖擊試驗結(jié)果和硬度測試結(jié)果如圖12和13所示。

圖12 焊接接頭低溫沖擊試驗結(jié)果圖

圖13 焊接接頭硬度試驗結(jié)果圖

從圖12和13的試驗結(jié)果可以看出:(1)焊接接頭焊縫區(qū)－40℃低溫沖擊功均值約為152.5 J，熱影響區(qū)沖擊功均值約為102.6 J，均滿足Q/CR 9211—2015?鐵路鋼橋制造規(guī)范?[15]中≥40 J的規(guī)定值要求，且具有較高的儲備，表明焊接接頭的低溫韌性良好；(2)焊接接頭硬度試驗結(jié)果表明，接頭各區(qū)的硬度均<380，在焊接過程中未產(chǎn)生淬硬組織。

3.3 焊接接頭宏觀金相

焊接過程中的強烈瞬時熱源輸入導致焊縫不同區(qū)域金相組織存在一定的差異，這種差異進而導致焊接接頭力學性能的變化。因此，焊接接頭金相組織分析是焊接工藝評定的重要內(nèi)容，通過焊接接頭的宏觀金相分析，可以較好地評定焊縫成型以及宏觀缺陷問題。試驗中切取焊接接頭的橫截面，經(jīng)浸蝕試樣顯示宏觀斷面金相組織如圖14~17所示。從焊接接頭宏觀金相可以看出，試驗的15組焊接接頭焊縫熔合良好，無裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，成型良好，焊縫過渡勻順。

圖14 BW焊接接頭宏觀金相照片

圖15 CJP焊接接頭宏觀金相照片

圖16 PJP焊接接頭宏觀金相照片

圖17 FW焊接接頭宏觀金相照片

4 結(jié)論

依托新建濰萊鐵路濰萊右線跨青榮城際高鐵特大橋(120＋82)m連續(xù)鋼桁梁工程，基于15組共計91個定制牌號Q370qNH耐候鋼焊接接頭的焊接工藝評定試驗，研究了焊接接頭耐候性匹配、單調(diào)拉伸、側(cè)彎、低溫沖擊、硬度以及宏觀金相組織等焊接接頭性能，得出以下主要結(jié)論:

(1)試驗中15組焊接接頭焊縫表面處的耐腐蝕指數(shù)Ⅰ均值為6.70，大于耐候鋼母材耐候指數(shù)標準值，表明文中焊材選擇及焊接工藝參數(shù)能夠滿足耐候鋼焊接接頭耐候性與基材相匹配的標準要求。

(2)焊接接頭及焊縫金屬的強度指標、屈強比、側(cè)彎180°、斷后延伸率以及硬度等力學性能指標均滿足評定標準要求，且均具有一定的儲備，宏觀金相組織表明焊接成形良好。

(3)耐候鋼焊接作業(yè)中需嚴格控制施焊環(huán)境以確保焊縫焊接質(zhì)量，并根據(jù)耐候鋼板及焊接材料化學成分、接頭型式、焊接方法等確定合理的預熱溫度和道間溫度等焊接工藝參數(shù)，焊接工藝評定試驗結(jié)果能夠作為新建耐候鋼桁梁橋焊接工藝的指導依據(jù)。