Q690qE鋼焊接性能與熱矯直性能研究

閆旭強(qiáng)， 范 益， 劉 濤， 田 浩， 吳君明

（南京鋼鐵股份有限公司新材料研究院，江蘇 南京 210035）

引 言

國內(nèi)外高性能橋梁鋼的開發(fā)與應(yīng)用，始終圍繞著現(xiàn)代橋梁對高通量、安全性、耐久性及環(huán)境協(xié)調(diào)性的技術(shù)要求和發(fā)展方向。為此，以美國、日本為先進(jìn)代表，國外已開發(fā)和應(yīng)用了系列化的高性能專用橋梁鋼。美國自1964年率先采用含Cr，Ni和Cu耐大氣腐蝕合金元素的Corten鋼（如Corten A， Corten B， ASTM A588），建造免涂裝耐候鋼（Uncoated Weathering Steel）橋；20世紀(jì)70年代將耐候鋼345w和485w納入ASTM A709標(biāo)準(zhǔn)；自20世紀(jì)90年代在345w / 485w的基礎(chǔ)上，降低C含量和碳當(dāng)量、增加Ni、提高耐大氣腐蝕I指數(shù)，采用Nb-V微合金化TMCP技術(shù)，開發(fā)和應(yīng)用了可焊性及耐候性更好的高性能鋼HPS 345w / 485w / 690w。目前美國已累積建造UWS橋2萬多座，其中采用高性能鋼建造UWS近1千座，具有綜合成本降低、高效綠色環(huán)保的優(yōu)勢，已形成了系統(tǒng)完備的UWS橋設(shè)計(jì)、選材、焊接制造、施工安排、養(yǎng)護(hù)管理成套技術(shù)。日本尤其重視系列化高性能橋梁鋼的開發(fā)及應(yīng)用，如免焊前預(yù)熱易焊耐候系列SMA490W-EX ～ SMA570WEX和耐大熱輸入耐候系列SM490W-EG ～ SM570W-EG、高鹽環(huán)境高Ni耐候系列SMA400WMOD ～ SMA570W-MOD、高性能高強(qiáng)耐候系列BHS500W ～ BHS700W。

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和內(nèi)需拉動，基礎(chǔ)建設(shè)投資大量增加，尤其是隨著“一帶一路”和“八橫八縱”高鐵戰(zhàn)略的實(shí)施，鐵路和公路里程逐年增長，大跨度、多車道、重載荷橋梁工程也明顯增多，如今橋梁用鋼正朝著高強(qiáng)、高韌、高耐候、低屈強(qiáng)比及易焊接性的方向發(fā)展，因此強(qiáng)度超過500MPa的高強(qiáng)度橋梁鋼亟需研發(fā)應(yīng)用。Q690qE鋼采用低碳多元微合金化成分設(shè)計(jì)，將碳當(dāng)量和焊接冷裂紋敏感性指數(shù)控制在較低，以保證鋼的焊接性同時(shí)必須添加適量的Cu，Cr和Ni 等耐候性元素以保證鋼的耐候性［1-3］。在橋梁鋼應(yīng)用過程中，需要進(jìn)行熱矯直，因此本文針對Q690qE進(jìn)行焊接性和熱矯直試驗(yàn)研究，綜合評價(jià)其力使用性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)材料為16，32，50 mm的Q690qE鋼，其化學(xué)成分如表1所示，顯微組織如圖1所示，組織以貝氏體為主。力學(xué)性能如表2所示。Cu元素是鋼中有效提高耐候性的元素之一，當(dāng)鋼中添加適量Cu元素后，產(chǎn)生的銹層更加致密，同時(shí)銹層中α-FeOOH含量增加，阻止腐蝕介質(zhì)穿過銹層持續(xù)腐蝕鋼材，提升銹層的保護(hù)性。在母材中添加適量Si元素，可以提升焊接熔池流動性，有利于熔池中雜質(zhì)上浮，提升焊接冶金質(zhì)量，但是Si元素會是粗晶熱影響區(qū)晶粒粗大，惡化焊接接頭力學(xué)性能，因此，在實(shí)驗(yàn)鋼中同步添加適量Nb元素，利用Nb（C，N）的釘扎奧氏體作用，抑制粗晶區(qū)晶粒長大［4］。

表1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分/%

圖1 Q690qE鋼金相組織

表2 試驗(yàn)鋼力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 熱矯直試驗(yàn)

根據(jù)試板厚度、材料類型、交貨狀態(tài)，選擇合適的加熱參數(shù)。熱矯形溫度分別按650，700，750 ℃控制［5］。開始加熱時(shí)，用測溫儀測試溫度。在加熱過程中，應(yīng)持續(xù)測溫，以確保加熱溫度的準(zhǔn)確性，測溫時(shí)測定焊炬離開焰道一瞬間的鋼板表面溫度，溫度測試應(yīng)在1 s內(nèi)完成。加熱后，試板在空氣中自然冷卻。需要重復(fù)加熱的試板，加熱應(yīng)在冷卻到80 ℃以下的原始焰道上進(jìn)行。一般情況下，同一部位重復(fù)加熱次數(shù)不得超過3次。

1.2.2 斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)

通過斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)（小鐵研試驗(yàn)），測定不同預(yù)熱溫度條件下三種典型厚度規(guī)格Q690qE裂紋情況，試驗(yàn)溫度為室溫（18 ℃），50，80 ℃，評價(jià)焊接冷裂紋敏感性，確定合適的焊接預(yù)熱溫度。

1.2.3 焊接性試驗(yàn)

根據(jù)焊接接頭形式及板厚，確定以氣保焊和埋弧焊兩種焊接方法進(jìn)行Q690qE焊接工藝評定，板厚分別為16， 32和50 mm。氣保焊的熱輸入為14～16 kJ/cm，埋弧焊的熱輸入為23～28 kJ/cm，層間溫度不低于150 ℃［6-7］。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Q690qE鋼熱矯直性能分析

經(jīng)火工矯正試驗(yàn)后試板應(yīng)取樣進(jìn)行性能測試。測試項(xiàng)目及試樣數(shù)量按表3規(guī)定。拉伸試驗(yàn)按GB/T 228進(jìn)行，計(jì)算試樣截面積時(shí)，其厚度取火工前鋼板的實(shí)測厚度；焰道橫向拉伸應(yīng)注明斷裂位置。彎曲試驗(yàn)按GB/T 232進(jìn)行，壓頭彎心直徑和彎曲角度與試驗(yàn)用鋼板的技術(shù)要求一致，試樣受拉面為試板加熱面。沖擊試驗(yàn)按GB/T 229進(jìn)行，試驗(yàn)溫度與試驗(yàn)用鋼板的技術(shù)要求一致。若性能測試結(jié)果未達(dá)到技術(shù)要求，應(yīng)重新取樣進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。對32 mm厚Q690qE火工試板（750 ℃）進(jìn)行顯微組織觀察，焰帶（上表）、上1/4、心部、下1/4和下表顯微組織如圖2所示。其力學(xué)性能如表3所示。

表3 熱矯直后力學(xué)性能

圖2 32 mm厚Q690qE火工試板焰帶（上表）、上1/4、心部、下1/4及下表顯微組織

根據(jù)超高強(qiáng)低屈強(qiáng)比Q690qE熱矯直性能測試結(jié)果，在650，700、，750 ℃火工試驗(yàn)溫度下，三種典型厚度規(guī)格試板屈服強(qiáng)度維持穩(wěn)定，焰帶沖擊韌性優(yōu)良（≥120 J），其中：16 mm和32 mm厚試板抗拉強(qiáng)度略有折減，折減量分別約為40 MPa和10 MPa，50 mm厚試板抗拉強(qiáng)度變化不明顯，結(jié)合橋梁工程實(shí)際情況，Q690qE鋼熱矯直溫度可達(dá)750 ℃［7］。由于火工試驗(yàn)溫度較高（達(dá)750 ℃），鋼中C原子固溶強(qiáng)化效果減弱，同時(shí)組織的粗化、位錯密度的下降及M /A 島的分解均導(dǎo)致試板強(qiáng)度的下降，由于火工試驗(yàn)焰帶熱影響深度僅約4 mm，因此對厚規(guī)格試板的抗拉強(qiáng)度折減影響較??；試板屈服強(qiáng)度維持穩(wěn)定主要是與火工過程中第二相粒子的析出強(qiáng)化作用有關(guān)，同時(shí)抗拉強(qiáng)度不同程度的折減，屈強(qiáng)比因此而提高；由于焰帶處晶粒尺寸增大，同時(shí)原始貝氏體組織中硬相M /A 島在高溫下不穩(wěn)定發(fā)生分解，以粗大塊狀滲碳體團(tuán)的形態(tài)存在，該塊狀組織中的高應(yīng)力集中促進(jìn)裂紋的形成和斷裂，同時(shí)該類組織多分布于晶界處削弱晶界，誘導(dǎo)晶間斷裂，不利于鋼的塑性。

2.2 斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)分析

根據(jù)國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式：

可知，試驗(yàn)用16 mm和32 mm鋼板碳當(dāng)量為0.51，試驗(yàn)用50 mm鋼板碳當(dāng)量為0.53。

在完成試驗(yàn)焊縫48 h以后，檢查焊縫表面，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。然后解剖和磨制斷面，采用體式顯微鏡進(jìn)行裂紋統(tǒng)計(jì)690qE小鐵研試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。試樣及室溫下50 mm厚板斷面裂紋情況如圖3所示。

表4 兩輪Q690qE小鐵研試驗(yàn)結(jié)果

圖3 室溫下50 mm厚板斷面裂紋

由于板厚效應(yīng)的存在，不同厚度規(guī)格鋼板具有不同的焊接預(yù)熱溫度，根據(jù)小鐵研試驗(yàn)結(jié)果可以確定，當(dāng)環(huán)境溫度不低于18 ℃、環(huán)境濕度不大于80%時(shí)，Q690qE鋼板防止焊接冷裂紋產(chǎn)生的焊前預(yù)熱制度為：

（1）板厚≤32 mm：不預(yù)熱；

（2）板厚＞32 mm：預(yù)熱溫度50 ℃。

2.3 焊接性分析

2.3.1 焊接接頭拉伸試驗(yàn)

由試驗(yàn)結(jié)果表5可知不同焊接方式接頭拉伸強(qiáng)度為793～895 MPa之間，滿足使用要求。2.3.2 焊接接頭彎曲沖擊試驗(yàn)

表5 不同焊接方式接頭拉伸強(qiáng)度

由試驗(yàn)結(jié)果表6可知，不同焊接方式接頭彎曲性能合格，-40 ℃沖擊焊縫和熱影響區(qū)沖擊功均高于47 J，性能良好，滿足使用要求

表6 不同焊接方式接頭彎曲和沖擊性能

3 結(jié) 論

（1） Q690qE橋梁鋼可承受較高的熱矯溫度（可達(dá)750 ℃），強(qiáng)度折減較小，且焰帶沖擊韌性優(yōu)良。

（2） 典型規(guī)格16， 32 mm Q690qE鋼可以進(jìn)行免預(yù)熱焊接，50 mm預(yù)熱溫度50 ℃可以避免裂紋產(chǎn)生。

（3） 不同規(guī)格Q690qE鋼使用埋弧焊接和氣體保護(hù)焊接，焊接接頭力學(xué)性能良好，滿足使用要求。