Q345qENH耐候橋梁鋼焊接試驗(yàn)研究

徐向軍，高建忠，劉振剛，范軍旗

中鐵山橋集團(tuán)有限公司 河北秦皇島 066205

1 序言

官?gòu)d水庫(kù)公路特大橋?yàn)橹骺?20m的雙塔單跨懸索橋，效果圖如圖1所示。由于大橋跨越北京市飲用水源地——官?gòu)d水庫(kù)，考慮到環(huán)保要求，通過(guò)技術(shù)論證確定本橋鋼結(jié)構(gòu)采用免涂裝Q345qENH耐候鋼。以往耐候橋梁鋼都是在中小跨度橋上應(yīng)用，本項(xiàng)目是我國(guó)首次在大跨度懸索橋上采用免涂裝耐候鋼，且為全焊接連接，為此需要對(duì)新開(kāi)發(fā)的Q345qENH耐候鋼進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)研究，為官?gòu)d水庫(kù)公路特大橋制造提供技術(shù)支持。

圖1 官?gòu)d水庫(kù)特大橋效果圖

2 Q345qENH鋼板技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，官?gòu)d水庫(kù)公路特大橋?qū)345qENH鋼板的性能指標(biāo)要求見(jiàn)表1，鋼板成分和力學(xué)性能符合GB/T 714—2015《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》的要求[1]，－40℃低溫沖擊吸收能量≥120J，屈強(qiáng)比≤0.85，耐大氣腐蝕指數(shù)I≥6.0。

3 Q345qENH鋼板母材試驗(yàn)結(jié)果

某鋼廠采用T M C P工藝生產(chǎn)了Q345q E N H鋼板，對(duì)板厚8mm、16mm、24mm、36mm、44mm、60mm的Q345qENH鋼板進(jìn)行母材復(fù)驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括母材的化學(xué)成分、冷裂紋敏感系數(shù)Pcm、耐大氣腐蝕指數(shù)I以及拉伸、彎曲、－40℃低溫沖擊、厚度方向性能等力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

從表2的化學(xué)成分分析可以看出，鋼板的C、S、P含量與裂紋敏感系數(shù)較小，有益于提高鋼板的焊接性。鋼板的耐大氣腐蝕指數(shù)I為6.5～6.6，耐候性滿足設(shè)計(jì)要求。從表3的力學(xué)性能可以看出，試驗(yàn)結(jié)果均滿足表1的規(guī)定，鋼板的抗拉強(qiáng)度、塑性均滿足技術(shù)要求，屈強(qiáng)比為0.67～0.85，－40℃沖擊吸收能量均＞180J，低溫沖擊性能優(yōu)良。厚度方向性能均滿足GB/T 5313—2010中最高標(biāo)準(zhǔn)Z35級(jí)的要求。

表1 高性能橋梁用Q345qENH鋼技術(shù)條件

表2 Q345qENH鋼板化學(xué)成分

表3 Q345qENH鋼板力學(xué)性能

4 Q345qENH鋼板系列溫度沖擊試驗(yàn)

對(duì)板厚24mm、44mm的Q345qENH鋼板進(jìn)行常溫、0℃、－20℃、－40℃、－60℃的系列溫度沖擊試驗(yàn)，韌脆轉(zhuǎn)變曲線如圖2、圖3所示。由圖2和圖3可以看出：板厚24mm、44mm鋼板的低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50均低于－60℃。

圖2 板厚20mm的Q345qENH鋼板系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)曲線

圖3 板厚44mm的Q345qENH鋼板系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)曲線

5 Q345qENH鋼板熱加工工藝性能試驗(yàn)

（1）Q345qENH鋼板切割工藝性能試驗(yàn) 在鋼橋制造過(guò)程中，對(duì)鋼板需要進(jìn)行切割下料和焊接變形火焰修整，為了檢測(cè)Q345qENH鋼板切割面質(zhì)量和火焰矯正對(duì)鋼板性能的影響，需要對(duì)鋼板進(jìn)行熱加工工藝性能試驗(yàn)。

對(duì)板厚8mm、16mm、24mm、36mm、44mm和60mm的Q345qENH鋼板進(jìn)行切割面粗糙度檢測(cè)，切割面光滑、齊整，切割面粗糙度值≤25μm。通過(guò)磁粉檢測(cè)，切割面沒(méi)有裂紋或其他危害性缺陷，鋼板切割面硬度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4的切割面硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，Q345qENH鋼板火焰切割面最大硬度為297HV10，等離子切割面最大硬度為333HV10，均低于標(biāo)準(zhǔn)值350HV10，表明Q345qENH鋼板切割工藝性良好。

（2）Q345qENH鋼板熱矯形工藝性能試驗(yàn) 針對(duì)板厚16mm、24mm、36mm、44mm的Q345qENH鋼板進(jìn)行了熱矯形工藝試驗(yàn)，加熱方法為超能氣（炳烷+添加劑）＋氧氣火焰加熱，加熱區(qū)的最高溫度分別按700℃、800℃和900℃控制，測(cè)試了加熱區(qū)的拉伸、彎曲、低溫沖擊力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，16mm、24mm、36mm、44mm的Q345qENH鋼板加熱700℃、800℃后，力學(xué)性能全部合格；加熱9 0 0℃后，板厚16mm的Q345qENH鋼板屈服強(qiáng)度不合格。因此，Q345qENH鋼板的熱矯形加熱溫度應(yīng)不超過(guò)800℃。

表4 Q345qENH鋼板切割面硬度

6 Q345qENH鋼板配套焊接材料試驗(yàn)

由于沒(méi)有現(xiàn)成的Q345q E N H耐候鋼板配套焊材，我們根據(jù)鋼板成分和焊接接頭力學(xué)性能要求，確定了Q345qENH耐候鋼用焊材技術(shù)要求，見(jiàn)表6。

為了選擇與Q345q E N H鋼板相匹配的焊接材料，與有關(guān)焊材廠聯(lián)合開(kāi)發(fā)了耐候鋼焊材，如C H E507N H Q焊條、C H W-55N H Q3埋弧焊絲、C H F105N H Q埋弧焊劑、C H W-55N H Q1和TH550-NQ-II實(shí)芯氣體保護(hù)焊絲、CHT71NHQ和JQ.YJ501NiCrCu-1藥芯氣體保護(hù)焊絲。對(duì)耐候鋼焊材分別進(jìn)行了熔敷金屬化學(xué)成分分析和力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表7和表8，化學(xué)成分分析和力學(xué)性能均滿足技術(shù)條件要求。其中實(shí)芯氣體保護(hù)焊絲保護(hù)氣體為富氬混合氣（80%Ar+20%CO2），藥芯氣體保護(hù)焊絲保護(hù)氣為CO2。

表6 Q345qENH耐候鋼用焊材技術(shù)要求

表7 焊接材料熔敷金屬化學(xué)成分

表8 焊接材料熔敷金屬力學(xué)性能

7 Q345qENH鋼板焊接性試驗(yàn)

（1）Q345q E N H鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn) 對(duì)板厚8mm、24mm、36mm、44mm的Q345qENH鋼板分別進(jìn)行焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)按照《焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行，采用CHE507NHQ焊條焊接，焊條直徑4mm。焊接熱影響區(qū)最高硬度曲線如圖4～圖7所示。

圖4 板厚8mm的Q345qENH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度曲線

圖5 板厚24mm的Q345qENH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度曲線

圖6 板厚36mm的Q345qENH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度曲線

圖7 板厚44mm的Q345qENH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度曲線

由圖4～圖7可知，板厚8mm、24mm、36mm和44mm的Q345qENH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度分別為250HV10、266HV10、260HV10和263HV10，遠(yuǎn)低于350HV10，表明Q345qENH鋼板的焊接性良好。

（2）Q345q E N H鋼板斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn) 對(duì)板厚24m m、36m m、44m m、60m m的Q345qENH鋼板分別進(jìn)行斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)，參照《焊接性試驗(yàn) 斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》進(jìn)行，采用氣體保護(hù)焊方法焊接，焊接材料為φ1.2mm的CHT71NHQ藥芯焊絲。對(duì)板厚24mm的鋼板不預(yù)熱，對(duì)板厚36mm、44mm和60mm的鋼板分別預(yù)熱80℃、100℃和120℃后進(jìn)行焊接試驗(yàn)，均沒(méi)有產(chǎn)生裂紋，焊接參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9，斜Y坡口焊接裂紋試件如圖8所示。

由斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果可以確定Q345qENH鋼板防止產(chǎn)生冷裂紋的預(yù)熱溫度（當(dāng)環(huán)境溫度≥5℃，環(huán)境濕度≤80%時(shí)）：板厚≤24mm時(shí)不需要預(yù)熱，板厚＞24～36mm時(shí)預(yù)熱80℃，板厚＞36～44mm時(shí)預(yù)熱100℃，板厚＞44～60mm時(shí)預(yù)熱120℃。

（3）Q345qENH鋼板對(duì)接焊縫系列溫度沖擊試驗(yàn) 對(duì)板厚組合（36+24）mm、（44+44）mm的Q345qENH鋼板對(duì)接接頭的焊縫金屬和熱影響區(qū)（熔合線外1mm處）進(jìn)行常溫至－60℃系列溫度沖擊試驗(yàn)，確定Q345qENH鋼板對(duì)接接頭的低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50。

表9 Q345qENH鋼板斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

圖8 斜Y坡口焊接裂紋試件照片

圖9 試板和焊縫坡口尺寸

對(duì)接焊縫采用氣體保護(hù)焊打底和埋弧焊填充的方法焊接，氣體保護(hù)焊采用C H W-55N H Q1（φ1.2m m）實(shí)芯焊絲焊接，埋弧焊采用C H W-55NHQ3（φ4.0mm）焊絲+CHF105NHQ焊劑焊接，對(duì)接焊縫焊接參數(shù)見(jiàn)表10。

焊接后進(jìn)行焊縫外觀檢查，焊縫外觀質(zhì)量滿足Q/CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規(guī)范》要求。24h后對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)，焊縫內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到Q/CR 9211—2015 I級(jí)要求。之后進(jìn)行焊縫金屬和熱影響區(qū)常溫至－60℃系列溫度沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11，系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線如圖10～圖13所示。

由表11和圖10～圖13可以看出，板厚（36+24）mm的焊縫金屬韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50為－45℃，熱影響區(qū)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度E T T50低于－60℃；板厚（44+44）mm的焊縫金屬和熱影響區(qū)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50均為－50℃。

表10 對(duì)接焊縫焊接參數(shù)

表11 Q345qENH鋼板對(duì)接接頭系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖10 板厚（24+36）mm對(duì)接接頭焊縫金屬系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線

圖11 板厚（24+36）mm對(duì)接接頭熱影響區(qū)（24mm板側(cè)）系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線

圖12 板厚（44+44）mm對(duì)接接頭焊縫金屬系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線

圖13 板厚（44+44）mm對(duì)接接頭熱影響區(qū)系列溫度沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線

8 結(jié)束語(yǔ)

1）高性能耐候橋梁用Q345qENH鋼板化學(xué)成分符合GB/T 714—2015《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定，力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求。C、S、P含量和裂紋敏感系數(shù)較小，有益于提高鋼板的焊接性，耐大氣腐蝕指數(shù)I≥6.5；鋼板的屈強(qiáng)比為0.67～0.85，－40℃沖擊吸收能量均＞180J，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于－60℃，低溫沖擊性能優(yōu)良。厚度方向性能滿足GB 5313—2010中最高標(biāo)準(zhǔn)Z35級(jí)的要求，抗層狀撕裂性能良好。

2）Q345qENH鋼板的切割面質(zhì)量和熱矯形溫度≤800℃的力學(xué)性能合格。

3）Q345qENH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度低于350H V10；板厚≤24m m時(shí)不需要預(yù)熱，板厚＞24～36m m時(shí)預(yù)熱80℃，板厚＞36～44m m時(shí)預(yù)熱100℃，板厚＞44～60mm時(shí)預(yù)熱120℃，能夠防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生；埋弧焊對(duì)接接頭焊縫金屬的低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50為－45～－60℃，熱影響區(qū)的低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50為－50℃。

4）Q345qENH鋼板的綜合力學(xué)性能、熱加工性能和焊接性能優(yōu)良。