Q690qENH高強度橋梁用結構鋼焊接性研究

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

為適應我國橋梁鋼結構向大跨徑、高強度發展，高強度橋梁鋼板、耐候鋼板、超高強度橋索及高強度螺栓等材料的強度均需提升。且隨著我國交通基礎設施的迅猛發展，大跨度橋梁需要更高級別的橋梁用鋼，亟需解決強度級別超過Q500級的高強度鋼板的研發和應用，提升我國鋼橋制造水平。而高強度橋梁鋼板生產軋制工藝復雜，其焊接性的優劣是指導實橋應用的關鍵。為此，本文針對Q690qENH耐候鋼板的母材檢測、焊接熱影響區最高硬度試驗、斜Y形坡口裂紋試驗及系列溫度沖擊試驗等進行研究，綜合評價其力學性能及焊接性。

2 試驗材料

試驗用的Q690qENH高強鋼板厚分別為32mm、50mm，鋼板交貨狀態為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Ⅰ約為6.7；同時添加了Ti、Nb、V等微合金元素，可起到晶粒細化和沉淀強化等作用，以改善組織性能，提高鋼的強度，具體化學成分見表1。鋼板縱向和橫向的力學性能差異較小，彎曲試驗結果良好，具體力學性能見表2。

表1 Q690qENH鋼化學成分

表2 Q690qENH鋼力學性能

3 母材系列溫度沖擊試驗

材料的缺口沖擊韌度與試驗溫度或環境溫度密切相關[1]。大量試驗數據和工程經驗表明，采用轉變溫度作為標準評定材料的韌脆轉變特性，不僅可以將韌脆轉變溫度與結構的使用溫度聯系起來，還可以評定結構的脆性破壞傾向，在某種近似程度上評定結構的抗斷性。進行溫度分別為20℃、0℃、 －20℃、－40℃、－60℃及－80℃的沖擊試驗，試驗結果見表3。根據表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，韌脆轉變溫度低于 －80℃。

4 焊接性試驗

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

4.1 焊接熱影響區最高硬度試驗

焊接熱影響區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，其實質是反映不同金相組織的性能。按GB/T 4675.5—1984《焊接試驗 焊接熱影響區最高硬度試驗方法》對32mm、50m m鋼板進行了試驗，焊條選用X Y-S80Q N H（φ4m m），試驗溫度分別為室溫20℃和預熱60℃，最高硬度試驗結果見表4。

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

表4 最高硬度試驗結果

4.2 斜Y形坡口焊接裂紋試驗

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

首先，分別不預熱焊接小鐵研試驗各一組，表面裂紋率100%，然后32mm板預熱50℃，50mm板預熱75℃，分別焊接小鐵研試驗各一組，試驗參數見表5。

表5 斜Y形坡口焊接裂紋試驗參數

每組試板先進行表面裂紋檢查，結果表面均無裂紋產生。然后對每組試件取5個橫斷面進行斷面裂紋檢查，并分別計算其斷面裂紋率，試驗結果見表6。橫斷面的宏觀金相結果如圖2、圖3所示。

表6 斜Y坡口焊接裂紋試驗結果

圖2 試樣XY1-2的斜Y形坡口焊接裂紋試驗宏觀金相結果

圖3 試樣XY2-2的斜Y形坡口焊接裂紋試驗宏觀金相結果

5 對接接頭系列溫度沖擊試驗

對埋弧焊對接（32+32）mm、（50+50）mm試板進行接頭系列溫度沖擊試驗，結果見表7。根據表7繪制焊縫金屬及熱影響區（熔合線外1mm）的韌脆轉變曲線，分別如圖4和圖5所示。

圖4 （32+32）mm板對接接頭韌脆轉變曲線

圖5 （50+50）mm板對接接頭韌脆轉變曲線

表7 焊接接頭系列溫度沖擊試驗結果

從試驗結果可以看出，隨著沖擊溫度的下降，焊縫及熱影響區的低溫沖擊值基本呈現較為緩慢的降低趨勢[3]。當試驗溫度為－40℃時，焊縫中心及熱影響區低溫沖擊吸收能量在120J以上；當試驗溫度為－50℃時，焊縫中心及熱影響區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鋼板接頭韌脆轉變溫度低于－50℃。

6 結束語

1）Q690qENH滿足GB/T 714—2015《橋梁用結構鋼》的技術要求，Q690qENH鋼板的韌脆轉變溫度低于－80℃。

2）通過焊接熱影響區最高硬度試驗表明，Q690qENH鋼板表面焊接時未產生淬硬組織，焊接性良好。

3）斜Y形坡口裂紋試驗結果表明， Q690qENH鋼焊接時，32mm及50mm厚鋼板焊前均需要預熱；32mm厚板預熱溫度為50℃，50mm厚板預熱溫度為75℃，即可避免裂紋產生。

4）對接接頭系列低溫試驗結果表明，Q690qENH鋼板接頭韌脆轉變溫度低于－50℃。