高強度耐候橋梁鋼焊接工藝研究

徐向軍，劉洪武，常國光，高建忠，范軍旗，胡廣瑞

1.中鐵高新工業股份有限公司 北京 100039

2.中鐵山橋集團有限公司 河北秦皇島 066205

1 序言

帕特洛大橋位于加拿大不列顛哥倫比亞省弗雷澤河上，為主跨332m的單塔結合梁斜拉橋，橫斷面如圖1所示，橋面全寬39.8m，兩側挑臂非機動車道寬5.4m。全橋主梁結構除了塔根位置橫梁為箱形結構外，其余均為工形鋼板梁，包括長530.13m的主橋、長241.07m的北引橋和長463.7m的南引橋索塔，總重量約1.3萬t，采用符合美標ASTM A709/A709M：2011《橋梁用結構鋼》的耐候鋼，大部分鋼板為HPS485W高強度耐候鋼，強度等級為屈服強度≥485MPa，最大板厚為100mm。制造標準符合加拿大標準CSA W47.1：2019《鋼熔焊公司認證》和CSA W59：2018《焊接鋼結構》。

圖1 帕特洛大橋橫斷面

美標ASTM A709/A709M：2011中HPS485W高強度耐候鋼對應國標GB/T 714—2015《橋梁用結構鋼》中的Q500qENH耐候鋼。Q500qENH與HPS485W耐候鋼化學成分見表1，力學性能要求見表2[1]。因為Q500qENH耐候鋼在國內還沒有廣泛應用，所以為了保證焊接質量，與國內某鋼廠聯合進行了Q500qENH耐候鋼開發試驗研究。

表1 HPS485W與Q500qENH耐候鋼化學成分（質量分數） （%）

表2 HPS485W與Q500qENH耐候鋼力學性能

2 Q500qENH鋼板母材試驗結果

某鋼廠采用TMCP＋回火工藝生產了Q500qENH/H P S485W鋼板（以下簡稱Q500q E N H），對板厚16m m、25m m、51m m、60m m和100m m的Q500qENH鋼板進行母材復驗，試驗內容包括母材的化學成分、冷裂紋敏感系數Pcm、耐大氣腐蝕指數I，以及拉伸、彎曲、－40℃低溫沖擊、厚度方向性能等力學性能試驗，結果見表3、表4。

表3 Q500qENH鋼板

表4 Q500qENH鋼板力學性能

從表3可看出，鋼板均符合美標ASTM A709/A709M：2011中高強度耐候鋼H P S485W和國標GB/T 714—2015中的Q500qENH耐候鋼規定，其中wC＝0.06%～0.08%，wP＝0.008%～0.018%，wS＝0.001%～0.003%，裂紋敏感系數Pcm＝0.20%～0.22%。從鋼板的化學成分看，C、S、P的含量、裂紋敏感系數均較小，有益于提高鋼板的焊接性。鋼板的耐大氣腐蝕指數I為6.6～6.8，化學成分和耐候性滿足ASTM A709/A709M：2011和GB/T 714—2015的要求。

從表4可看出，耐候橋梁鋼的力學性能均滿足美標ASTM A709/A709M：2011中HPS485W高強度耐候鋼和國標GB/T 714—2015中Q500qENH耐候鋼規定[2]，屈強比均≤0.86，－40℃低溫沖擊吸收能量均＞190J，斷口纖維率≥85%，具有較高的韌性儲備。厚度方向性能均滿足GB/T 5313—2010《厚度方向性能鋼板》中最高標準Z35級的要求，抗層狀撕裂性能良好。

3 Q500qENH鋼板系列溫度沖擊試驗

對板厚為16mm、25mm、60mm和100mm的Q500qENH耐候橋梁鋼進行室溫、0℃、－20℃、－40℃、－60℃、－80℃的系列溫度沖擊試驗，結果見表5，并繪制了韌脆轉變曲線，典型韌脆轉變曲線如圖2～圖5所示。

表5 Q500qENH鋼板系列溫度沖擊試驗結果

圖2 板厚16mm的Q500qENH鋼板系列溫度沖擊韌脆轉曲線

圖3 板厚25mm的Q500qENH鋼板系列溫度沖擊韌脆轉曲線

圖4 板厚60mm的Q500qENH鋼板系列溫度沖擊韌脆轉曲線

圖5 板厚100mm的Q500qENH鋼板系列溫度沖擊韌脆轉曲線

由表5 和圖2 ～圖5 可得出，板厚1 6 m m、25mm、60mm的Q500qENH鋼板低溫韌脆轉變溫度ETT50為－70℃。板厚100mm的Q500qENH鋼板低溫韌脆轉變溫度ETT50為－60℃。

4 Q500qENH鋼板焊接性試驗

（1）Q500qENH鋼板焊接熱影響區最高硬度試驗 對板厚16mm、25mm、51mm、60mm和100mm的Q500qENH鋼板分別進行焊接熱影響區最高硬度試驗，采用J607NiCrCu焊條焊接，焊條直徑4mm。焊接熱影響區硬度試驗結果見表6。

表6 Q500qENH鋼板焊接熱影響區硬度試驗結果

由表6可知，板厚16m m、25m m、51m m、60mm和100mm的Q500qENH鋼板焊接熱影響區最高硬度分別為288HV10、306HV10、318HV10、320H V10、325H V10，均低于350H V10，表明Q500qENH鋼板的焊接性良好。

（2）Q500q E N H鋼板斜Y形坡口焊接裂紋試驗 對板厚25mm、51mm、60mm、100mm的Q500qENH鋼板分別進行斜Y形坡口焊接裂紋試驗，采用焊條電弧焊方法焊接，焊接材料為直徑4mm的J607NiCrCu焊條。對板厚25mm的鋼板不預熱，板厚51mm的鋼板預熱80℃，板厚60mm的鋼板預熱100℃，板厚100mm的鋼板預熱120℃，均沒有產生裂紋，焊接參數見表7，焊接裂紋試件如圖6所示。

圖6 典型斜Y形坡口焊接裂紋試件

由斜Y 形坡口焊接裂紋試驗結果可以確定Q500qENH鋼板焊接預熱溫度（當環境溫度≥5℃，環境濕度≤80%時）：板厚≤25mm時不需要預熱，板厚＞25～51mm時預熱80℃，板厚＞51～60mm時預熱100℃，板厚＞60～100mm時預熱120℃。

（3）Q500qENH鋼板對接焊縫系列溫度沖擊試驗 對板厚組合25mm＋25mm、60mm＋60mm的Q500qENH鋼板對接接頭的焊縫金屬和熱影響區（熔合線外1mm處）進行常溫至－60℃系列溫度沖擊試驗，確定Q500qENH鋼板對接接頭的低溫韌脆轉變溫度ETT50。對接焊縫采用氣體保護焊打底和埋弧焊填充的方法焊接，氣體保護焊采用直徑1.2mm的HTW-62GNH實芯焊絲焊接，埋弧焊采用直徑5mm的JQ.MH62NH焊絲＋JQ.SJ105NH焊劑焊接，焊接材料、焊接位置和焊縫坡口尺寸見表8，焊接參數見表9。

表8 對接焊縫系列沖擊試板和焊縫坡口尺寸

表9 對接焊縫施焊狀況及焊接參數

焊接后進行焊縫外觀檢查，焊縫外觀質量滿足Q/CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規范》要求。24h后對焊縫進行超聲波檢測，焊縫內部質量達到Q/CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規范》I級要求。之后進行焊縫金屬和熱影響區常溫至－80℃系列溫度沖擊試驗，結果見表10，系列溫度沖擊韌脆轉變曲線如圖7～圖10所示。

表10 Q500qENH鋼板對接接頭系列溫度沖擊試驗結果

圖7 板厚25mm＋25mm對接接頭焊縫金屬系列溫度沖擊韌脆轉變曲線

圖8 板厚25mm＋25mm對接接頭熱影響區系列溫度沖擊韌脆轉變曲線

圖10 板厚60mm＋60mm對接接頭熱影響區系列溫度沖擊韌脆轉變曲線

由表10和圖7～圖10可得，板厚25mm＋25mm的焊縫金屬和熱影響區的韌脆轉變溫度ETT50為－50℃；板厚60mm＋60mm的焊縫金屬韌脆轉變溫度ETT50為－55℃，熱影響區的韌脆轉變溫度ETT50為－45℃[3，4]。

5 焊接工藝評定試驗

針對加拿大帕特洛大橋鋼結構典型焊縫，采用Q500qENH高強度耐候橋梁鋼進行焊接工藝評定試驗，實芯焊絲氣體保護焊采用直徑1.2mm的HTW-62GNH焊絲焊接，藥芯焊絲氣體保護焊采用直徑1.2mm的JQ.YJ621NiCrCu-1焊絲焊接，埋弧焊采用直徑5mm的JQ.MH62NH焊絲＋JQ.SJ105NH焊劑焊接，試板材質、接頭板厚組合、坡口尺寸、焊接參數見表11[5]。

表11 試板板厚組合、坡口尺寸、焊接參數

試件焊接24h后進行焊縫外觀檢查，焊縫外觀質量符合Q/CR 9211—2015規定。焊接48h后進行超聲波檢測，對接焊縫和全熔透角焊縫符合Q/CR 9211—2015規定I級合格，T形角焊縫符合Q/CR 9211—2015 規定Ⅱ級合格。之后進行接頭力學性能、接頭硬度和焊縫金屬成分分析試驗，結果見表12[6，7]。

表12 接頭力學性能、接頭硬度和焊縫金屬成分分析試驗

按照Q/CR 9211—2015和CSA W47.1：2019、CSA W59：2018的規定進行接頭性能評定。由表12可看出，各種接頭的焊縫強度和塑性均高于母材標準值，對接接頭的彎曲試驗結果均為合格，表明焊接接頭的塑性良好；對接焊縫和熔透角焊縫的－40℃低溫沖擊試驗結果均大于Q/CR 9211—2015的規定（≥54J）和CSA W47.1：2019的規定（≥27J）；接頭各區的硬度均低于380HV10。通過焊縫金屬化學成分計算耐候指數為6.94～7.43，均大于母材耐候指數（6.6～6.8），滿足技術要求。

6 結束語

1）新開發的Q500qENH/HPS485W高強度耐候橋梁鋼板化學成分和力學性能均符合美標ASTM A709/A709M：2011中HPS485W高強度耐候鋼和國標GB/T 714—2015中Q500qENH耐候鋼規定，耐大氣腐蝕指數I為6.6～6.8，C、S、P含量與碳當量較低，裂紋敏感系數Pcm較小，有益于提高鋼板的焊接性。鋼板的抗拉強度、塑性均滿足設計要求，屈強比≤0.86，－40℃沖擊吸收能量均＞190J，韌脆轉變溫度低于－60℃，低溫沖擊韌度優良。厚度方向性能滿足Z35級的要求，抗層狀撕裂性能良好。采用TMCP＋回火工藝生產的Q500qENH高強度耐候橋梁鋼板的綜合力學性能優良。

2）Q500qENH/HPS485W鋼板焊接熱影響區最高硬度≤350HV10；板厚≤25mm的鋼板不預熱，板厚≥25～51mm時預熱80℃，板厚≥51～60mm時預熱100℃，板厚＞60～100mm時預熱120℃，能夠防止焊接裂紋的產生；埋弧焊對接接頭的低溫韌脆轉變溫度＜－40℃。

3）Q500qENH/HPS485W鋼板典型接頭焊接工藝評定試驗結果表明，接頭力學性能及焊縫金屬的耐腐蝕指數全部滿足Q/CR 9211—2015、CSA W47.1：2019和CSA W59：2018的規定，焊接材料與母材相匹配，焊接參數合適，可作為編制加拿大帕特洛大橋焊接工藝的依據。