CO₂氣體保護 焊焊接Q460C鋼 中厚板的 工藝研究

梁 濤，李恒燦

(1.中山市公路鋼結構制造有限公司，廣東中山528436;2.華北水利水電大學機械學院，河南鄭州 450011)

0 前言

ZB－450型裝配式公路鋼橋是中山市公路鋼結構制造有限公司參與研制的一種大跨度戰備鋼橋，主要用于戰時軍事交通保障或平時搶險救災，保障軍事重裝備或車輛克服50～80 m跨度的河川、溝谷及斷橋等障礙。ZB－450型鋼橋的弦桿、三角腹桿、橫梁及橋面系等主要受力構件均采用Q460C低合金高強度結構鋼焊接而成，其結構如圖1所示，圖中未畫出橋面系構件。低合金高強度結構鋼綜合力學性能優良，具有較高的強度、良好的塑性及低溫沖擊韌性。由于其碳含量及合金元素含量均較低，所以焊接性較好，尤其以熱軋鋼的焊接性更優。但如果在焊接過程中工藝不當，也存在焊接熱影響區脆化及產生焊接裂紋的危險。因此制訂正確的焊接工藝，保證焊接質量尤為重要。焊接工藝的選擇必須通過焊接工藝評定試驗來確定，所謂焊接工藝評定，即為驗證擬定的焊接工藝的正確性而進行的試驗過程及對試驗結果的評價。其目的是:驗證施焊單位擬訂的焊接工藝是否正確;評價施焊單位能否焊出符合相關要求的焊接接頭。在此詳述了ZB－450型鋼橋弦桿、三角腹桿、橫梁等構件的焊接工藝評定過程，并以此探討采用CO2氣體保護焊焊接Q460C鋼中厚板的工藝規程。

圖1 ZB－450型鋼橋主要結構Fig.1 Main structure of ZB －450 type steel bridge

1 ZB－450型鋼橋焊接工藝評定過程

1.1 焊接方法選擇

CO2氣體保護焊具有如下優點:電弧穿透力強;焊接電流密度大、焊絲熔化率高;采用短路過渡技術可用于全位置焊接，電弧熱量集中，受熱面積小，焊接速度快，焊接變形小;焊縫含氫量低，焊接低合金高強度鋼時的冷裂紋傾向小［1］，因此采用CO2氣體保護焊來焊接試件。

1.2 焊絲選擇及試驗

焊絲的力學性能和化學成分應與焊件的力學性能和化學成分相匹配，并要求含碳量低，有足夠的脫氧元素，保證焊縫具有滿意的抗裂性能。故選擇錳鉬鋼ER55－D2型號的CO2氣體保護焊用焊絲［2］。其化學成分和力學性能需經過焊縫熔敷金屬試驗檢驗合格后才能使用。設計試件及試驗項目如表1所示，試件材質為Q460C低合金高強度結構鋼。

采用直徑φ1.2 mm的焊絲，多層多道焊，并且采用反變形法防止焊接變形。焊接工藝參數為:電壓30～32 V，電流 300～320 A，焊接速度 5.5±1 mm/s，CO2氣體流量15～18 L/min。焊縫熔敷金屬各項試驗結果如表2和表3所示。

表1 焊縫熔敷金屬試驗Tab.1 Weld bead deposited metal test table

表2 焊絲化學成分分析結果Tab.2 Chemical analysis results of welding wire %

表3 焊縫熔敷金屬力學性能試驗結果Tab.3 Test results of mechanical properties deposited metals

將試驗分析結果與焊絲標準及Q460C鋼的化學成分及力學性能進行對比，確定選擇ER55－D2型焊絲能夠滿足焊接要求。

1.3 焊接工藝評定試件設計

ZB－450型鋼橋主要受力構件的焊縫種類如表4所示。

表4 ZB450型鋼橋焊縫種類Tab.4 ZB450 type steel weld bead

鋼橋制造標準為《鐵路鋼橋制造規范》，根據該標準附錄C焊接工藝評定規定，設計試件型式如表 5、表 6［3］所示。

一般將4.5～20 mm厚的鋼板稱為中厚板，從表5和表6可以看出，該焊接工藝評定試件的焊縫類型及厚度基本上覆蓋了中厚板的焊接，故可將本橋的焊接工藝統稱為Q460C鋼中厚板的焊接工藝。

表5 熔透焊縫工藝評定試件Tab.5 Penetration weld specimen evaluation process

1.4 試件焊接工藝要點

1.4.1 焊前預熱及焊后熱處理

鋼材焊接是否需要預熱及焊后熱處理主要取決于鋼材的熱焊接性。熱焊接性是指焊接熱過程對于金屬材料加熱、熔化的影響情況以及對于材料的焊接熱影響區組織性能變化、產生缺陷的影響程度等。金屬材料本身的物理性能決定了熱焊接性的優劣。一般用碳當量作為評定鋼材淬硬、冷裂紋及脆化等性能的參考指標。當板厚小于20 mm、碳當量小于0.4%時，鋼材淬硬傾向不大，焊接性良好，不需要預熱［4］。碳當量應由熔煉分析成分并采用以下公式計算［5］:

表6 角焊縫試件Tab.6 Fillet weld specimen

將試件所用板材的化學成分、力學性能測試結果及碳當量計算結果列于表7。

表7 試件化學成分和力學性能Tab.7 Chemical composition specimens and mechanical properties

由表7可見，焊接試件所用板材的碳當量都小于0.4%，因此焊接時可不預熱。

焊件產生延遲裂紋的主要原因是氫分子在焊縫冷卻過程中來不及釋放，故也稱為氫致裂紋。常采取焊后熱處理來細化晶粒，同時使焊縫中的氫分子擴散析出，從而減少焊件產生冷裂紋的傾向［6］。本次焊接焊件為中厚板，碳當量均小于0.4%，氫分子較易析出，而且從焊接方法和焊絲的選擇上也充分考慮了對產生冷裂紋的影響，并且也沒有引起焊接收縮應力失衡的焊接結構，故無需進行焊后熱處理。

1.4.2 確定焊接工藝參數及措施

焊絲直徑φ1.2 mm，直流反接，焊接電壓30～32 V，焊接電流300～320 A，焊接速度4～5 mm/s，CO2氣體純度大于99.5%、流量15～18 L/min。焊前應去除坡口內及兩側不少于20 mm范圍內的水、油等雜物;熔透焊縫應采用碳弧氣刨清根并打磨掉滲碳層后再焊接;多層焊層間應去除焊渣等雜質。

2 試件焊縫力學性能測試結果

試件焊好并待其完全冷卻后對焊縫全長進行無損檢測。超聲波探傷對熔透焊縫的質量等級必須達到B級檢驗Ⅰ級合格，角焊縫質量等級應達到Ⅱ級合格。檢測不合格的焊縫允許按相同工藝進行一次返修。檢測合格的焊縫按相關標準進行力學性能測試。測試合格標準為:焊縫金屬抗拉強度及斷后伸長率不得低于母材標準值;彎曲試驗時受拉面裂紋總長度不大于試樣寬度的15%;焊縫和熱影響區沖擊試驗結果不得低于母材標準值;宏觀金相試驗時單道焊縫的成型系數應為1.3～2.0;接頭硬度HV≤350。

各個試件力學性能測試結果如表8～表12所示。

表8 8 mm板材對接接頭測試結果Tab.8 8 mm sheet butt joint test results

表9 18 mm板材對接接頭測試結果Tab.9 18 mm sheet butt joint test results

表10 16 mm板材T型接頭測試結果Tab.10 16 mm sheet T joint test results

表11 10 mm角焊縫測試結果Tab.11 10 mm fillet weld test results

從以上測試結果可以看出，采用擬定的焊接條件及工藝參數焊接的試件，焊縫各項力學性能指標都達到了標準規定要求，可以借此來制定ZB450鋼橋的焊接工藝規程。

表12 6 mm角焊縫測試結果Tab.12 6 mm fillet weld test results

3 結論

ZB450型鋼橋制造完成后，經過研制主管單位的驗收試驗和一年多的公路通載試驗，未發現焊縫變形和開裂現象，通載能力達到了設計要求。通過ZB450型鋼橋所采用的Q460C低合金高強度結構鋼的焊接實踐，可以得出以下結論:

(1)焊接工藝評定所選擇的焊接方法、焊絲型號、焊接工藝參數及措施能夠焊接出合格的焊接接頭。各項焊接條件及工藝參數可以作為制定ZB450型鋼橋焊接工藝規程的依據。

(2)碳當量是鋼材焊接性能的一個重要指標，因為Q460C低合金高強度結構鋼含有較多的微量元素，且錳元素含量較高，對碳當量的影響尤為顯著，所以在焊接之前必須對每個爐號或批號的鋼材都進行化學成分復驗并計算碳當量，當碳當量大于0.4%時，焊接時應考慮采取預熱和后熱措施。

(3)本次焊接工藝評定合格的焊縫類型、厚度及板材厚度基本上覆蓋了中厚板的焊接，因此本次焊接工藝評定所采用的焊接條件及工藝參數可以作為制訂Q460C鋼中厚板焊接工藝規程的參考。

(4)本次焊接工藝評定是在常溫下進行的，因此當環境溫度低于5℃時應重新進行焊接工藝評定。

:

［1］ 陳祝年.焊接工程師手冊［M］.北京:機械工業出版社，2002:413.

［2］ GB/T 8110－2008，氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［3］ TB 10212－2009，鐵路鋼橋制造規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2009:53－57

［4］ 中國機械工程學會焊接學會編.焊接手冊(第2卷)［M］.北京:機械工業出版社，2007:154－163.

［5］ GB/T 1591 －2008，低合金高強度結構鋼［S］.北京:中國標準出版社，2009.

［6］ 張彥華.焊接結構原理［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2011:133－143.